Тема: Электрические машины переменного тока: общие сведения. Получение вращающееся магнитное поле

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В электрических машинах осуществляется взаимное преобразование механической и электрической энергии. Так, для выработки электрической энергии на электро­станциях применяются генераторы — электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электродвига­телями.

Одна и та же электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Это свойство электрических машин называют обрати­мостью. Принцип обратимости электрических машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

Использование электрических машин в качестве гене­раторов и двигателей является их главным назначением. Применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, для преобразова­ния тока промышленной частоты в ток более высокой ча­стоты используются электромашинные преобразователи, для усиления мощности электрических сигналов — электромашинные усилители, для регулирования напря­жения переменного тока — индукционные регуляторы, для повышения коэффициента мощности потребителей — син­хронные компенсаторы. Очень разнообразно применение электрических машин в устройствах автоматики и вычис­лительной техники. Здесь электрические машины исполь­зуются не только в качестве двигателей, но и в качестве тахогенераторов (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал), сельсинов, вращающихся транс­форматоров (для получения электрических сигналов, про­порциональных углу поворота вала) и т. д.

Различают электрические машины постоянного тока и машины переменного тока.

Машины переменного тока делят на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины используются (главным образом в качестве двигателей, синхронные — в качестве генераторов и двигателей. Синхронные двигате­ли применяются в тех случаях, когда необходима постоян­ная частота вращения. Асинхронные двигатели используются для привода машин и механизмов, не требующих строго постоянной частоты вращения.

В бытовых электроустановках (холодильниках, сти­ральных машинах и др.) обычно применяются однофазные асинхронные двигатели. В промышленности наиболее ши­роко используются трехфазные асинхронные двигатели, поэтому далее им уделяется особое внимание.

Первый трехфазный асинхронный двигатель был создан русским изобретателем М. О. Доливо-Добровольским. В настоящее время выпускаются различные типы трехфазных асинхронных двигателей мощностью от десят­ков ватт до тысяч киловатт.

В электрических машинах четко выделяется подвижная часть, называемая ротором, и неподвижная — статор. Ротор двигателя, вращаясь, приводит в действие различ­ные механизмы и транспортные средства. Вращение рото ра синхронных и асинхронных двига­телей осуществляется под действием так называемого вращающегося маг­нитного поля, образуемого многофаз­ным переменным током, протекаю­щим в обмотках статора.

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Изучим условия, при которых образуется вращаю­щееся магнитное поле, на примере трехфазной машины. В трехфазном генераторе (см. рис. 5.7, а) в обмотках статора, соединенных звездой и

сдвинутых под углом 120° по отношению друг к другу, индуцируются ЭДС за счет вращения магнитного поля ротора. Если же этот статор включить в трехфазную сеть, то токи его обмоток образуют вращающееся магнитное поле. Почему?

Токи I_А, I_В, I_с обмоток статора создают симметричную систему векторов магнитной индукции Ва, В_B, В_с (рис. 8.2), сдвинутых под углом 120° по отношению друг к другу.

Из рис. 8.2 видно, что в любой момент времени t сумма мгновенных значений магнитных индукций равна нулю, а также сумма векторов В_А + В_B + В_с = 0. Но это справед­ливо для случая, когда обмотки не сдвинуты в простран­стве. Так, в момент времени, когда В_с = 0 (точка t₁ на рис. 8.2), мгновенные значения В_А и В_B направлены на­встречу друг другу и равны по модулю. Поэтому, если бы

обмотки статора были расположены без сдвига в простран­стве (рис. 8.3, а), суммарная магнитная индукция была бы равна нулю. Так как обмотки сдвинуты под углом 120° (рис. 8.3, б), то

.

На рис. 8.4 показано построение вектора суммарной магнитной индукции статора для моментов времени t₁ (рис. 8.4, а) и t₂ (рис. 8.4, б). Вектор со временем поворачивается, не изменяя своей длины. Таким образом, магнитное поле статора трехфазного двигателя — вра­щающееся.

За период магнитное поле делает один полный оборот. Если частота тока 50 Гц, то магнитное поле вращается с частотой п = 60f = 3000 мин^-1.

а А б А

Рис. 8.4

С увеличением числа р пар полюсов частота вращения магнитного поля уменьшается в р раз, т. е.

n₁=60f/р. (8.1)

Итак, вращающееся магнитное поле статора образует­ся при выполнении двух условий: токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе, а сами обмотки смещены в про­странстве друг по отношению к другу (1).

Направление вращения магнитного поля зависит от по­рядка следования фаз на обмотках двигателя А — В — С или А — С — В (рис. 8.5).

Классификация электрических машин:

♦ по роду тока электрические машины подразделяются на машины постоянного тока и переменного тока.

♦ по количеству подключаемых фаз машины переменного тока делятся на однофазные и многофазные (в основном трехфазные);

♦ по соотношению скорости вращения ротора и магнитного поля мотора машины переменного тока в свою очередь делятся на асинхронные электрические машины и синхронные электрические машины;

♦ по назначению делятся на электрические машины общего назначения и специализированные электрические машины;

♦ по направлению преобразования механической энергии в электрическую и обратно на генераторы и двигатели;

♦ по типу перемещения подвижной части относительно неподвижной на — вращающиеся электрические машины и линейные электрические машины;

♦ по наличию или отсутствию щеточно-коллекторного (щеточно- контактного) узла электрические машины делятся на контактные (коллекторные) электрические машины и бесконтактные электрические машины (бесколлекторные);

♦ по конструктивному исполнению:

а) по способу крепления (на лапах, фланцах, выносных подшипниковых стойках);

б) по способу защиты от окружающей среды (открытые, защищенные, закрытые, взрывобезопасные и т. д.);

в) по способу охлаждения (естественное, принудительное, воздушное, водородное).

Разновидности электрических машин можно представить в виде блок-схемы (рис. 9.1).