Električni strojevi izmjenične struje

Električni strojevi služe za pretvaranje mehaničke energije u električnu (izmjenični i istosmjerni generatori) i obrnuto (elektromotori).

U svim tim slučajevima koriste se u biti tri glavna otkrića na polju elektromagnetizma: fenomen mehaničke interakcije struja koji je otkrio Ampere 1821., fenomen elektromagnetske indukcije koji je otkrio Faraday 1831. i teorijski sažetak ovih fenomena koji je napravio Lenz (1834) u svom poznatom zakonu o smjeru inducirane struje (u stvari, Lenzov zakon je predvidio zakon održanja energije za elektromagnetske procese).

Da bi se mehanička energija pretvorila u električnu ili obrnuto, potrebno je stvoriti relativno gibanje vodljivog kruga strujom i magnetskim poljem (magnetom ili strujom).

U električnim strojevima koji su dizajnirani za kontinuirani rad, koristi se rotacijsko gibanje pokretnog dijela stroja (rotor stroja za izmjeničnu struju) koji se nalazi unutar nepokretnog dijela (statora).Zavojnica stroja koja služi za stvaranje magnetskog polja naziva se induktor, a zavojnica oko koje teče radna struja naziva se kotva. Oba potonja izraza također se koriste za istosmjerne strojeve.

Da bi se povećala magnetska indukcija, namoti stroja postavljaju se na feromagnetska tijela (čelik, lijevano željezo).

Svi električni strojevi imaju svojstvo reverzibilnosti, odnosno mogu se koristiti i kao generatori električne energije i kao elektromotori.

Asinkroni motori

Koriste se asinkroni motori jedna od manifestacija elektromagnetske indukcije… Na tečajevima fizike to se pokazuje na sljedeći način:

Ispod bakrenog diska, koji se može okretati oko okomite osi koja prolazi kroz njegovo središte, nalazi se okomiti potkovasti magnet koji pokreće rotaciju oko iste osi (mehanička interakcija između diska i magneta je isključena). U tom slučaju disk se počinje okretati u istom smjeru kao i magnet, ali manjom brzinom. Ako povećate mehaničko opterećenje na disku (na primjer, povećanjem trenja osovine o potisni ležaj), tada se njegova brzina vrtnje smanjuje.

Fizičko značenje ovog fenomena lako se objašnjava teorijom elektromagnetske indukcije: kada magnet rotira, stvara se rotirajuće magnetsko polje koje inducira vrtložne struje u disku, a veličina potonjeg ovisi, pod istim uvjetima, o relativna brzina polja i diska .

Prema Lenzovom zakonu, disk se mora okretati u smjeru polja. U nedostatku trenja, disk mora postići kutnu brzinu jednaku brzini magneta, nakon čega će inducirana emf nestati. U stvarnom životu, trenje je neizbježno prisutno i disk postaje sporiji.Njegova veličina ovisi o momentu mehaničkog kočenja diska.

Neslaganje između brzine vrtnje diska (rotora) i brzine vrtnje magnetskog polja odražava se u nazivu motora.

Princip rada asinkronih motora:

U tehničkim asinkronim motorima (najčešće trofaznim) stvara se okretno magnetsko polje polifazna strujastrujanje oko stacionarnog namota statora. Na frekvenciji trofazne struje je i broj zavojnica statora 3p okretno polje čini n = f / p okretaja / sek.

U šupljini statora nalazi se rotirajući rotor. Na njegovu osovinu može se spojiti rotacijski mehanizam.Kod najjednostavnijih motora s "vjevjeričjim ćelijama" rotor se sastoji od sustava uzdužnih metalnih šipki smještenih u utore čeličnog cilindričnog tijela. Žice su kratko spojene s dva prstena. Da bi se povećao okretni moment, radijus rotora je dovoljno velik.

U drugim izvedbama motora (obično motori velike snage), žice rotora tvore otvoreni trofazni namot. Krajevi zavojnica su kratko spojeni u samom rotoru, a izvodi su izvedeni na tri klizna prstena postavljena na osovinu rotora i izolirana od nje.

Na ove prstenove pomoću kliznih kontakata (četkica) spojen je trofazni reostat koji služi za pokretanje motora u kretanju. Nakon što se motor okrene, reostat se potpuno uklanja i rotor postaje kavez za vjeverice (vidi — Asinkroni motori s namotanim rotorom).

Na kućištu statora nalazi se stezna ploča. Na njih se izvode namoti statora. Mogu se uključiti zvijezda ili trokut, ovisno o naponu mreže: u prvom slučaju napon mreže može biti 1,73 puta veći od drugog.

Naziva se vrijednost koja karakterizira relativno usporavanje rotora u usporedbi s poljem statora indukcijskog motora klizanje… Mijenja se od 100% (u trenutku pokretanja motora) do nule (idealan slučaj kretanja rotora bez gubitaka).

Promjena smjera vrtnje asinkronog motora postiže se međusobnim preklapanjem svaka dva linearna vodiča električne mreže koja napaja motor.

Kavezni motori imaju široku primjenu u industriji. Prednosti asinkronih motora su jednostavnost dizajna i odsutnost kliznih kontakata.

Donedavno je glavni nedostatak takvih motora bila poteškoća u regulaciji brzine, jer ako se za to promijeni napon kruga statora, moment se naglo mijenja, ali bilo je tehnički teško promijeniti frekvenciju struje napajanja. Suvremeni mikroprocesorski uređaji sada se naširoko koriste za kontrolu frekvencije struje napajanja kako bi se mijenjala brzina motora — frekvencijski pretvarači.

Alternatori

Alternatori su napravljeni za značajnu snagu i visoki napon. Kao i asinkroni strojevi, imaju dva namota. Obično se namot armature nalazi u kućištu statora. Induktori koji stvaraju primarni magnetski tok montirani su na rotor i napaja ih pobudnik - mali istosmjerni generator montiran na osovini rotora. Kod strojeva velike snage uzbudu ponekad stvara ispravljeni izmjenični napon.

Zbog nepomičnosti armaturnog namota nestaju tehničke poteškoće povezane s upotrebom kliznih kontakata pri velikim snagama.

Donja slika prikazuje shemu jednofaznog generatora. Njegov rotor ima osam polova. Na njima su namotane zavojnice (nisu prikazane na slici) koje se napajaju iz vanjskog izvora istosmjernom strujom koja se primjenjuje na klizne prstenove montirane na osovini rotora. Zavojnice polova su namotane tako da se izmjenjuju predznaci polova okrenutih prema statoru. Broj polova mora biti paran.

Armaturni namot nalazi se u kućištu statora. Njegove duge radne «aktivne» žice, okomite na ravninu crteža, prikazane su na slici kružićima, njih presjecaju linije magnetske indukcije kada se rotor okreće.

Krugovi pokazuju trenutnu raspodjelu smjerova induciranih električnih polja. Spojne žice koje prolaze duž prednje strane statora prikazane su punim linijama, a na stražnjoj strani isprekidanim linijama. K stezaljke se koriste za spajanje vanjskog kruga na namot statora. Smjer vrtnje rotora označen je strelicom.

Ako mentalno izrežete stroj duž polumjera koji prolazi između stezaljki K i okrenete ga u ravninu, tada će relativni položaj namota statora i polova rotora (bočno i tlocrtno) biti prikazan shematskim crtežom:

Uzimajući u obzir sliku, uvjeravamo se da su sve aktivne žice (koje prolaze kroz polove induktora) spojene jedna s drugom u seriju i da se u njima inducirana EMF zbraja. Faze svih EMP su očito iste.Tijekom jedne potpune rotacije rotora dobit će se četiri potpuna razdoblja promjene struje u svakoj od žica (a time i u vanjskom krugu).

Ako električni stroj ima p pari polova i rotor se okreće čineći n okretaja u sekundi, tada je frekvencija izmjenične struje koju prima stroj f = pn hz.

Budući da frekvencija EMF-a u mreži mora biti konstantna, brzina vrtnje rotora mora biti konstantna. Da bi se dobio EMF tehničke frekvencije (50 Hz), može se koristiti relativno spora rotacija ako je broj polova rotora dovoljno velik.

Za dobivanje trofazne struje u tijelo statora postavljaju se tri odvojena namota. Svaki od njih je pomaknut u odnosu na druga dva za trećinu lučne udaljenosti između susjednih (suprotnih) polova induktora.

Lako je provjeriti da kada se induktori okreću, EMF se inducira u zavojnicama pomaknutim u fazi (u vremenu) za 120 °. Krajevi zavojnica se uklanjaju sa stroja i mogu se spojiti u zvijezdu ili trokut.

U generatoru je relativna brzina polja i vodiča određena promjerom rotora, brojem okretaja rotora u sekundi i brojem pari polova.

Ako se generator pokreće vodenom strujom (hidrogenerator), obično se izvodi sa sporim okretajima. Da bi se dobila željena frekvencija struje, potrebno je povećati broj polova, što opet zahtijeva povećanje promjera rotora.

Zbog niza tehničkih razloga snažni generatori vodika obično imaju okomitu osovinu i nalaze se iznad hidrauličke turbine, što uzrokuje njihovo okretanje.

Generatori pogonjeni parnom turbinom — Turbinski generatori su obično velike brzine. Da bi se smanjile mehaničke sile, imaju male promjere i odgovarajući mali broj polova.Niz tehničkih razloga zahtijeva izradu turbogeneratora s vodoravnom osovinom.

Ako generator pokreće motor s unutarnjim izgaranjem, naziva se dizel generator, budući da se dizel motori uglavnom koriste kao motori koji troše jeftinije gorivo.

Reverzibilnost generatora, sinkroni motori

Ako se iz vanjskog izvora na statorski namot generatora nanese izmjenični napon, tada će doći do interakcije polova induktora s magnetskim poljem struje koja se stvara u statoru, a djelovat će momenti iz istog smjera na svim polovima.

Ako se rotor vrti takvom brzinom da će ubrzo nakon polovice perioda izmjenične struje sljedeći pol induktora (predznakom suprotan prvom polu) stati ispod razmatrane žice namota statora, tada će predznak sila interakcije između njega i struje koja je promijenila smjer ostat će ista.

Pod tim uvjetima, rotor će se, budući pod stalnim utjecajem momenta, nastaviti kretati i moći će pokretati bilo koji mehanizam. Prevladavanje otpora kretanju rotora dogodit će se zbog energije koju troši mreža, i generator će postati elektromotor.

Treba, međutim, napomenuti da je kontinuirano kretanje moguće samo pri strogo određenoj brzini vrtnje, budući da će u slučaju odstupanja od nje ubrzavajući moment djelomično djelovati na svaki od polova rotora, krećući se između dva vodiča rotora. stator, dio vremena - zaustavljanje .

Dakle, brzina vrtnje motora mora biti strogo određena, - vrijeme tijekom kojeg se pol mijenja sljedećim mora se podudarati s poluperiodom struje, zbog čega se takvi motori nazivaju sinkrono.

Ako se na namot statora s rotorom koji miruje dovodi izmjenični napon, tada, iako svi polovi rotora tijekom prve poluperiode struje doživljavaju djelovanje momenta istog predznaka, ipak, zbog tromosti, rotor se neće imati vremena pomaknuti. U sljedećem poluciklusu, predznak momenta za sve polove rotora će se promijeniti u suprotan.

Kao rezultat toga, rotor će vibrirati, ali se neće moći okretati. Dakle, sinkroni motor treba prvo namotati, odnosno dovesti na normalan broj okretaja, pa tek onda uključiti struju u namotu statora.

Razvoj sinkronih motora provodi se mehaničkim metodama (pri malim snagama) i posebnim električnim uređajima (pri velikim snagama).

Za male promjene opterećenja, brzina motora će se automatski promijeniti kako bi se prilagodila novom opterećenju. Dakle, kako se opterećenje na osovini motora povećava, rotor se odmah usporava. Zbog toga se mijenja fazni pomak između mrežnog napona i suprotne inducirane EMF koju inducira induktor u namotu statora.

Osim toga, reakcija armature stvara demagnetizaciju induktora, tako da se struja statora povećava, induktori doživljavaju povećan moment, a motor se ponovno počinje sinkrono okretati, svladavajući povećano opterećenje. Sličan proces događa se sa smanjenjem opterećenja.

S oštrim fluktuacijama u opterećenju, ova prilagodljivost motora može biti nedovoljna, njegova brzina će se značajno promijeniti, on će "ispasti iz sinkronizma" i na kraju se zaustaviti, dok indukcijski EMF induciran u statoru nestaje, a struja u njemu raste oštro. Stoga se moraju izbjegavati oštre fluktuacije opterećenja. Da biste zaustavili motor, očito prvo morate odspojiti strujni krug statora, a zatim odspojiti prigušnice; prilikom pokretanja motora morate se pridržavati obrnutog redoslijeda radnji.

Sinkroni motori se najčešće koriste za pogon mehanizama koji rade konstantnom brzinom. Evo prednosti i nedostataka sinkronih motora i načina njihovog pokretanja: Sinkroni motori i njihova primjena

Nastavna filmska vrpca - "Sinkroni motori", nastala u Tvornici edukativno-vizualnih sredstava 1966. godine. Možete ga pogledati ovdje: Filmska vrpca «Sinkroni motor»