Електричне машине наизменичне струје

Електричне машине се користе за претварање механичке енергије у електричну (генератори наизменичне и једносмерне струје) и обрнуто (електромотори).

У свим овим случајевима, у суштини се користе три главна открића у области електромагнетизма: феномен механичке интеракције струја који је открио Ампер 1821. године, феномен електромагнетне индукције који је открио Фарадеј 1831. године и теоријски сажетак ових феномена који је направио Ленц (1834) у свом познатом закону правца индуковане струје (у ствари, Ленцов закон је предвидео закон одржања енергије за електромагнетне процесе).

Да би се механичка енергија претворила у електричну или обрнуто, потребно је створити релативно кретање проводног кола са струјом и магнетним пољем (магнетом или струјом).

У електричним машинама пројектованим за континуирани рад користи се ротационо кретање покретног дела машине (ротор машине наизменичне струје) који се налази унутар стационарног дела (статора).Завојница машине која служи за стварање магнетног поља назива се индуктор, а завојница која струји радном струјом назива се арматура. Оба ова последња термина се такође користе за ДЦ машине.

Да би се повећала магнетна индукција, машински намотаји се постављају на феромагнетна тела (челик, ливено гвожђе).

Све електричне машине имају својство реверзибилности, односно могу се користити и као генератори електричне енергије и као електромотори.

Асинхрони мотори

Користе се асинхрони мотори једна од манифестација електромагнетне индукције… У предметима физике то се показује на следећи начин:

Испод бакарног диска, који може да ротира око вертикалне осе која пролази кроз његов центар, постављен је вертикални потковичасти магнет који се покреће око исте осе (механичка интеракција између диска и магнета је искључена). У овом случају, диск почиње да се ротира у истом смеру као и магнет, али мањом брзином. Ако повећате механичко оптерећење диска (на пример, повећањем трења осовине о потисном лежају), онда се његова брзина ротације смањује.

Физички смисао ове појаве лако се објашњава теоријом електромагнетне индукције: када се магнет ротира, ствара се ротирајуће магнетно поље које индукује вртложне струје у диску, а величина последње зависи, под једнаким условима, од релативна брзина поља и диска .

Према Ленцовом закону, диск мора да се окреће у правцу поља. У одсуству трења, диск мора да добије угаону брзину једнаку брзини магнета, након чега ће индукована емф нестати. У стварном животу, трење је неизбежно присутно и диск постаје спорији.Његова величина зависи од момента механичког кочења који доживљава диск.

Несклад између брзине ротације диска (ротора) и брзине ротације магнетног поља се огледа у називу мотора.

Принцип рада асинхроних мотора:

Код техничких асинхроних мотора (најчешће трофазних) ствара се обртно магнетно поље полифазна струјатече око стационарног намотаја статора. На фреквенцији трофазне струје је и број намотаја статора 3п обртно поље чини н = ф / п обртаја / сек.

У шупљини статора налази се ротирајући ротор. На његову осовину може да се повеже ротациони механизам.У најједноставнијим моторима „веверичке ћелије“ ротор се састоји од система уздужних металних шипки смештених у жлебове челичног цилиндричног тела. Жице су кратко спојене са два прстена. Да би се повећао обртни момент, радијус ротора је довољно велик.

У другим дизајнима мотора (обично мотори велике снаге), жице ротора формирају отворени трофазни намотај. Крајеви калемова су кратко спојени у самом ротору, а проводници се изводе на три клизна прстена монтирана на осовину ротора и изолована од њега.

На ове прстенове је помоћу клизних контаката (четкица) повезан трофазни реостат који служи за покретање мотора у покрету. Након што се мотор окрене, реостат се потпуно уклања и ротор постаје кавез за веверицу (види - Асинхрони мотори са намотаним ротором).

На кућишту статора налази се прикључна плоча. До њих се изводе намотаји статора. Могу се укључити звезда или троугао, у зависности од напона мреже: у првом случају напон мреже може бити 1,73 пута већи од другог.

Вредност која карактерише релативно успорење ротора у поређењу са статорским пољем асинхроног мотора назива се клизећи… Промењује се од 100% (у тренутку покретања мотора) на нулу (идеалан случај кретања ротора без губитака).

Преокрет смера ротације асинхроног мотора постиже се међусобним пребацивањем свака два линеарна проводника електричне мреже која напаја мотор.

Кавезни мотори се широко користе у индустрији. Предности асинхроних мотора су једноставност дизајна и одсуство клизних контаката.

До недавно, главни недостатак таквих мотора била је потешкоћа у регулацији брзине, јер ако се за то промени напон статорског кола, тада се обртни момент нагло мења, али је технички било тешко променити фреквенцију струје напајања. Савремени микропроцесорски уређаји се сада широко користе за контролу фреквенције струје напајања како би се променила брзина мотора — фреквентни претварачи.

Алтернатори

Алтернатори су направљени за значајну снагу и висок напон. Као и асинхроне машине, имају два намотаја. Нормално, намотај арматуре се налази у кућишту статора. Индуктори који стварају примарни магнетни флукс су постављени на ротор и напајају их узбуђивач — мали ДЦ генератор монтиран на осовину ротора. У машинама велике снаге, побуду понекад ствара исправљени наизменични напон.

Због непокретности намотаја арматуре, техничке потешкоће повезане са употребом клизних контаката при великим снагама нестају.

На слици испод приказана је шема једнофазног генератора. Његов ротор има осам полова. На њима су намотани намотаји (нису приказани на слици) који се напајају из спољашњег извора једносмерном струјом која се примењује на клизне прстенове постављене на осовину ротора. Намотаји полова су намотани тако да се смењују знаци полова окренутих према статору. Број стубова мора бити паран.

Намотај арматуре се налази у кућишту статора. Његове дугачке радне „активне“ жице, управне на раван цртежа, приказане су на слици са кружићима, укрштане су линијама магнетне индукције када се ротор ротира.

Кругови показују тренутну расподелу праваца индукованих електричних поља. Спојне жице које пролазе дуж предње стране статора приказане су пуним линијама, а на задњој страни испрекиданим линијама. К стеге се користе за повезивање спољашњег кола на намотај статора. Смер ротације ротора је означен стрелицом.

Ако ментално исечете машину дуж полупречника који пролази између стезаљки К ​​и претворите је у раван, тада ће релативни положај намотаја статора и полова ротора (бочни и план) бити приказан шематским цртежом:

Узимајући у обзир слику, уверавамо се да су све активне жице (које пролазе кроз полове индуктора) међусобно повезане у серију и да се ЕМФ индукована у њима зброји. Фазе свих ЕМФ су очигледно исте.Током једне потпуне ротације ротора, добиће се четири потпуна периода промене струје у свакој од жица (а самим тим и у спољашњем колу).

Ако електрична машина има п пари полова и ротор се ротира чинећи н обртаја у секунди, онда је фреквенција наизменичне струје коју прими машина ф = пн хз.

Пошто фреквенција ЕМФ у мрежи мора бити константна, брзина ротације ротора мора бити константна. Да би се добио ЕМФ техничке фреквенције (50 Хз), може се користити релативно спора ротација ако је број полова ротора довољно велики.

Да би се добила трофазна струја, три одвојена намотаја се постављају у тело статора. Сваки од њих је померен у односу на друга два за трећину размака лука између суседних (супротних) полова индуктора.

Лако је проверити да када се индуктори ротирају, ЕМФ се индукују у калемовима помереним у фази (у времену) за 120 °. Крајеви намотаја се уклањају из машине и могу се повезати звездасто или троугао.

У генератору, релативна брзина поља и проводника је одређена пречником ротора, бројем обртаја ротора у секунди и бројем парова полова.

Ако генератор покреће струја воде (хидрогенератор), обично се прави са спорим обртајима. Да бисте добили жељену фреквенцију струје, потребно је повећати број полова, што заузврат захтева повећање пречника ротора.

Из низа техничких разлога моћни генератори водоника обично имају вертикално вратило и налазе се изнад хидрауличне турбине, што доводи до њиховог ротирања.

Генератори са парном турбином — Турбински генератори су обично велике брзине. У циљу смањења механичких сила имају мале пречнике и сходно томе мали број полова.Известан број техничких разматрања захтева производњу турбинских генератора са хоризонталним вратилом.

Ако генератор покреће мотор са унутрашњим сагоревањем, назива се дизел генератор, пошто се дизел мотори углавном користе као мотори који троше јефтиније гориво.

Реверзибилност генератора, синхрони мотори

Ако се на статорски намотај генератора примени наизменични напон из спољашњег извора, тада ће доћи до интеракције полова индуктора са магнетним пољем струје која се ствара у статору, а обртни моменти из истог смера ће деловати на свим половима.

Ако се ротор ротира таквом брзином да ће недуго након половине периода наизменичне струје следећи пол индуктора (насупрот првом полу) стати испод разматране жице намотаја статора, тада ће знак сила интеракције између њега и струје, која је променила свој правац, остаће иста.

Под овим условима, ротор ће, под сталним утицајем обртног момента, наставити да се креће и моћи ће да покреће било који механизам. Превазилажење отпора кретању ротора ће се десити због енергије коју троши мрежа, и генератор ће постати електромотор.

Треба, међутим, напоменути да је континуирано кретање могуће само при строго одређеној брзини ротације, јер ће у случају одступања од ње момент убрзања деловати делимично на сваки од полова ротора, крећући се између два проводника ротора. статор, део времена - заустављање .

Дакле, брзина ротације мотора мора бити строго одређена, — време током којег се пол замењује следећим мора да се поклопи са полупериодом струје, због чега се такви мотори називају синхроно.

Ако се на намотај статора са стационарним ротором примени наизменични напон, онда, иако сви полови ротора током првог полупериода струје доживљавају дејство обртних момента истог знака, ипак, услед инерције, ротор неће имати времена да се помери. У следећем полупериоду, предзнак обртних момента за све полове ротора ће се променити у супротан.

Као резултат тога, ротор ће вибрирати, али неће моћи да се ротира. Дакле, синхрони мотор се прво мора намотати, односно довести до нормалног броја обртаја, а тек онда укључити струју у намотају статора.

Развој синхроних мотора се врши механичким методама (при малим снагама) и специјалним електричним уређајима (при великим снагама).

За мале промене оптерећења, брзина мотора ће се аутоматски променити да би се прилагодила новом оптерећењу. Дакле, како се оптерећење на осовини мотора повећава, ротор се одмах успорава. Због тога се мења фазни помак између линијског напона и супротног индукованог ЕМФ индукованог индуктором у намотају статора.

Поред тога, реакција арматуре ствара демагнетизацију индуктора, па се струја статора повећава, индуктори доживљавају повећан обртни момент, а мотор поново почиње да се ротира синхроно, превазилазећи повећано оптерећење. Сличан процес се дешава са смањењем оптерећења.

Са оштрим флуктуацијама у оптерећењу, ова прилагодљивост мотора може бити недовољна, његова брзина ће се значајно променити, „испасти из синхронизма“ и на крају престати, док индукциона ЕМФ индукована у статору нестаје, а струја у њему расте. оштро. Због тога се морају избегавати оштре флуктуације у оптерећењу. Да бисте зауставили мотор, очигледно морате прво да искључите коло статора, а затим одвојите пригушнице; приликом покретања мотора, морате се придржавати обрнутог редоследа операција.

Синхрони мотори се најчешће користе за погон механизама који раде константном брзином. Ево предности и мана синхроних мотора и метода њиховог покретања: Синхрони мотори и њихова примена

Едукативни филмски трак - "Синхрони мотори", који је израдила фабрика едукативно-визуелних помагала 1966. године. Можете га погледати овде: Филмска трака «Синхрони мотор»