Kintamosios srovės elektros mašinos

Elektrinės mašinos naudojamos mechaninei energijai paversti elektros energija (AC ir DC generatoriai) ir atvirkščiai (elektros varikliai).

Visais šiais atvejais naudojami iš esmės trys pagrindiniai atradimai elektromagnetizmo srityje: mechaninės srovių sąveikos reiškinys, kurį atrado Ampere 1821 m., elektromagnetinės indukcijos fenomenas, kurį Faradėjus atrado 1831 m., ir teorinė šių reiškinių santrauka, kurią padarė Ampere. Lencas (1834) savo gerai žinomu indukuotos srovės krypties dėsniu (iš tikrųjų Lenco dėsnis numatė elektromagnetinių procesų energijos tvermės dėsnį).

Norint mechaninę energiją paversti elektros energija arba atvirkščiai, reikia sukurti santykinį laidžios grandinės judėjimą su srove ir magnetiniu lauku (magnetu arba srove).

Elektrinėse mašinose, skirtose nuolatiniam darbui, naudojamas judančios mašinos dalies (kintamosios srovės mašinos rotoriaus), esančios stacionarios dalies (statoriaus) viduje, sukamasis judesys.Mašinos ritė, kuri skirta sukurti magnetinį lauką, vadinama induktoriumi, o ritė, kuri teka aplink darbinę srovę, vadinama armatūra. Abu šie pastarieji terminai taip pat naudojami nuolatinės srovės įrenginiams.

Magnetinei indukcijai padidinti mašinų apvijos dedamos ant feromagnetinių kūnų (plieno, ketaus).

Visos elektros mašinos turi grįžtamumo savybę, tai yra, gali būti naudojamos ir kaip elektros energijos generatoriai, ir kaip elektros varikliai.

Asinchroniniai varikliai

Naudojami asinchroniniai varikliai viena iš elektromagnetinės indukcijos apraiškų… Fizikos kursuose tai demonstruojama taip:

Po variniu disku, kuris gali suktis apie vertikalią ašį, einantį per jo centrą, yra vertikalus pasagos magnetas, varomas suktis apie tą pačią ašį (mechaninė disko ir magneto sąveika neįtraukiama). Tokiu atveju diskas pradeda suktis ta pačia kryptimi kaip ir magnetas, bet mažesniu greičiu. Jei padidinsite mechaninę disko apkrovą (pavyzdžiui, padidindami ašies trintį su atraminiu guoliu), jo sukimosi greitis mažėja.

Fizinė šio reiškinio prasmė nesunkiai paaiškinama elektromagnetinės indukcijos teorija: sukantis magnetui susidaro besisukantis magnetinis laukas, sukeliantis sūkurines sroves diske, kurių dydis, esant kitoms sąlygoms, priklauso nuo santykinis lauko ir disko greitis .

Pagal Lenco dėsnį diskas turi suktis lauko kryptimi. Nesant trinties, diskas turi įgyti kampinį greitį, lygų magneto greičiui, po kurio sukelta emf išnyks. Realiame gyvenime neišvengiamai atsiranda trintis ir diskas tampa lėtesnis.Jo dydis priklauso nuo mechaninio stabdymo momento, kurį patiria diskas.

Neatitikimas tarp disko (rotoriaus) sukimosi greičio ir magnetinio lauko sukimosi greičio atsispindi variklių pavadinime.

Asinchroninių variklių veikimo principas:

Techniniuose asinchroniniuose varikliuose (dažniausiai trifaziuose) sukuriamas besisukantis magnetinis laukas daugiafazė srovėteka aplink stacionarią statoriaus apviją. Trifazio srovės dažniu yra ir statoriaus ritių skaičius 3p sukasi laukas daro n = f / p apsisukimų / sek.

Statoriaus ertmėje yra pasukamas rotorius. Prie jo veleno galima prijungti besisukantį mechanizmą.Paprasčiausiuose „voverės elementų“ varikliuose rotorius susideda iš išilginių metalinių strypų sistemos, įdėtos į plieninio cilindrinio korpuso griovelius. Laidai trumpai sujungiami dviem žiedais. Norint padidinti sukimo momentą, rotoriaus spindulys yra pakankamai didelis.

Kitose variklių konstrukcijose (paprastai didelės galios varikliuose) rotoriaus laidai sudaro atvirą trifazę apviją. Ričių galai trumpai sujungiami pačiame rotoriuje, o laidai išvedami į tris slydimo žiedus, sumontuotus ant rotoriaus veleno ir nuo jo izoliuotus.

Prie šių žiedų slankiojančiais kontaktais (šepečiais) prijungiamas trifazis reostatas, kuris skirtas varikliui paleisti. Pasukus variklį, reostatas visiškai pašalinamas ir rotorius tampa voverės narve (žr. Asinchroniniai varikliai su apvyniotu rotoriumi).

Statoriaus korpuse yra gnybtų plokštė. Į juos išvedamos statoriaus apvijos. Jie gali būti įtraukti žvaigždė ar trikampis, priklausomai nuo tinklo įtampos: pirmuoju atveju tinklo įtampa gali būti 1,73 karto didesnė nei antroji.

Reikšmė, apibūdinanti santykinį rotoriaus lėtėjimą, palyginti su indukcinio variklio statoriaus lauku, vadinama slysta… Jis keičiasi nuo 100% (variklio užvedimo momentu) iki nulio (idealus rotoriaus judėjimo be nuostolių atvejis).

Asinchroninio variklio sukimosi krypties pakeitimas pasiekiamas abipusiai perjungiant kas du variklį maitinančio elektros tinklo linijinius laidininkus.

Voverės narveliniai varikliai plačiai naudojami pramonėje. Asinchroninių variklių pranašumai yra konstrukcijos paprastumas ir slankiųjų kontaktų nebuvimas.

Dar visai neseniai pagrindinis tokių variklių trūkumas buvo apsunkintas greičio reguliavimas, nes tam pakeitus statoriaus grandinės įtampą, sukimo momentas smarkiai pasikeičia, tačiau pakeisti maitinimo srovės dažnį buvo techniškai sunku. Šiuolaikiniai mikroprocesoriniai įrenginiai dabar plačiai naudojami maitinimo srovės dažniui valdyti, kad būtų galima keisti variklių greitį. dažnio keitikliai.

Kintamosios srovės generatoriai

Kintamosios srovės generatoriai skirti didelei galiai ir aukštai įtampai. Kaip ir asinchroninės mašinos, jos turi dvi apvijas. Paprastai armatūros apvija yra statoriaus korpuse. Induktyvumo ritės, sukuriančios pirminį magnetinį srautą, yra sumontuotos ant rotoriaus ir maitinamos žadintuvu – ant rotoriaus veleno sumontuotu nedideliu nuolatinės srovės generatoriumi. Didelės galios mašinose sužadinimą kartais sukuria ištaisyta kintamoji įtampa.

Dėl armatūros apvijos nejudėjimo išnyksta techniniai sunkumai, susiję su slankiojančių kontaktų naudojimu esant didelėms galioms.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta vienfazio generatoriaus schema. Jo rotorius turi aštuonis polius. Ant jų yra suvyniotos ritės (neparodytos paveikslėlyje), tiekiamos iš išorinio šaltinio nuolatine srove, tiekiama ant slydimo žiedų, sumontuotų ant rotoriaus veleno. Polių ritės suvyniotos taip, kad polių, nukreiptų į statorių, ženklai pakaitomis keistųsi. Stulpų skaičius turi būti lygus.

Armatūros apvija yra statoriaus korpuse. Jo ilgi darbiniai „aktyvūs“ laidai, statmenai brėžinio plokštumai, pavaizduoti paveikslėlyje su apskritimais, juos kerta magnetinės indukcijos linijos, kai rotorius sukasi.

Apskritimai rodo momentinį indukuotų elektrinių laukų krypčių pasiskirstymą. Jungiamieji laidai, einantys išilgai priekinės statoriaus pusės, pavaizduoti ištisinėmis linijomis, o galinėje pusėje - punktyrinėmis linijomis. K spaustukai naudojami išorinei grandinei prijungti prie statoriaus apvijos. Rotoriaus sukimosi kryptis nurodoma rodykle.

Jei protiškai nupjausite mašiną spinduliu, einančiomis tarp spaustukų K, ir pasukite į plokštumą, santykinė statoriaus apvijos ir rotoriaus polių padėtis (šonas ir planas) bus pavaizduota schematiškai:

Atsižvelgdami į paveikslą, įsitikiname, kad visi aktyvieji laidai (einantys per induktoriaus polius) yra sujungti vienas su kitu nuosekliai ir juose sukeltas EML yra sumuojamas. Akivaizdu, kad visų EML fazės yra vienodos.Per vieną pilną rotoriaus sukimąsi kiekviename laide (taigi ir išorinėje grandinėje) bus gauti keturi pilni srovės pasikeitimo periodai.

Jei elektros mašina turi p porų polių ir rotorius sukasi darydamas n apsisukimų per sekundę, tai mašinos gaunamos kintamos srovės dažnis yra f = pn hz.

Kadangi EML dažnis tinkle turi būti pastovus, rotorių sukimosi greitis turi būti pastovus. Norint gauti techninio dažnio (50 Hz) EML, galima naudoti santykinai lėtą sukimąsi, jei rotoriaus polių skaičius yra pakankamai didelis.

Norint gauti trifazę srovę, į statoriaus korpusą dedamos trys atskiros apvijos. Kiekvienas iš jų yra paslinktas kitų dviejų atžvilgiu trečdaliu lanko atstumo tarp gretimų (priešingų) induktorių polių.

Nesunku įsitikinti, kad kai induktoriai sukasi, ritėse sukeliami EML, kurių fazė (laike) pasislenka 120 °. Ričių galai nuimami nuo mašinos ir gali būti sujungti žvaigždute arba trikampiu.

Generatoriuje santykinis lauko ir laidininko greitis nustatomas pagal rotoriaus skersmenį, rotoriaus apsisukimų skaičių per sekundę ir polių porų skaičių.

Jei generatorius varomas vandens srove (hidrogeneratorius), jis dažniausiai gaminamas lėtais sūkiais. Norint gauti norimą srovės dažnį, būtina padidinti polių skaičių, o tai savo ruožtu reikalauja padidinti rotoriaus skersmenį.

Dėl daugelio techninių priežasčių galingi vandenilio generatoriai dažniausiai jie turi vertikalų veleną ir yra virš hidraulinės turbinos, todėl jos sukasi.

Garo turbina varomi generatoriai - Turbinos generatoriai paprastai yra didelio greičio. Siekiant sumažinti mechanines jėgas, jie turi mažą skersmenį ir atitinkamai mažą polių skaičių.Dėl daugybės techninių sumetimų reikia gaminti turbininius generatorius su horizontaliu velenu.

Jei generatorius varomas vidaus degimo varikliu, jis vadinamas dyzeliniu generatoriumi, nes dyzeliniai varikliai dažniausiai naudojami kaip pigesnio kuro varikliai.

Generatoriaus reversija, sinchroniniai varikliai

Jei generatoriaus statoriaus apvijai iš išorinio šaltinio bus įjungta kintamoji įtampa, tada įvyks induktoriaus polių sąveika su statoriuje generuojamos srovės magnetiniu lauku ir veiks tos pačios krypties sukimo momentai. ant visų polių.

Jei rotorius sukasi tokiu greičiu, kad netrukus po pusės kintamosios srovės periodo kitas induktoriaus polius (priešais pirmajam poliui) tilps po atitinkamu statoriaus apvijos laidu, tada sąveikos jėga tarp jo ir srovės , kuri pakeitė kryptį, išliks tokia pati.

Esant tokioms sąlygoms, rotorius, nuolat veikiamas sukimo momento, toliau judės ir galės valdyti bet kokį mechanizmą. Pasipriešinimas rotoriaus judėjimui bus įveiktas dėl tinklo sunaudotos energijos ir generatorius taps elektros varikliu.

Tačiau reikia pažymėti, kad nenutrūkstamas judėjimas galimas tik esant griežtai apibrėžtam sukimosi greičiui, nes nukrypus nuo jo greitėjimo momentas iš dalies veiks kiekvieną rotoriaus polių, judantį tarp dviejų rotoriaus laidininkų. statorius, dalį laiko – sustojimas .

Taigi variklio sukimosi greitis turi būti griežtai nustatytas, — laikas, per kurį polius pakeičiamas kitu, turi sutapti su srovės pusės periodu, todėl tokie varikliai vadinami. sinchroniškai.

Jei statoriaus apvijai su stacionariu rotoriumi įvedama kintamoji įtampa, tai, nors per pirmąjį srovės pusciklą visi rotoriaus poliai patiria to paties ženklo sukimo momentus, vis tiek dėl inercijos rotorius neturės laiko pajudėti. Per kitą pusę ciklo visų rotoriaus polių sukimo momentų ženklas pasikeis į priešingą.

Dėl to rotorius vibruos, bet negalės suktis. Todėl sinchroninis variklis pirmiausia turi būti suvyniotas, tai yra, sureguliuotas iki normalaus apsisukimų skaičiaus, ir tik tada reikia įjungti statoriaus apvijos srovę.

Sinchroninių variklių kūrimas vykdomas mechaniniais metodais (esant mažoms galioms) ir specialiais elektros prietaisais (esant didelei galiai).

Esant nedideliems apkrovos pokyčiams, variklio greitis automatiškai pasikeis, kad prisitaikytų prie naujos apkrovos. Taigi, didėjant variklio veleno apkrovai, rotorius iš karto sulėtėja. Todėl fazės poslinkis tarp linijos įtampos ir priešingos sukeltos EMF, kurį sukelia induktyvumas statoriaus apvijoje, pasikeičia.

Be to, armatūros reakcija sukuria induktorių išmagnetinimą, todėl padidėja statoriaus srovė, induktyvumo ritėse padidėja sukimo momentas, o variklis vėl pradeda suktis sinchroniškai, įveikdamas padidėjusį krūvį. Panašus procesas vyksta mažinant apkrovą.

Esant staigiems apkrovos svyravimams, šis variklio prisitaikymas gali būti nepakankamas, jo greitis labai pasikeis, jis „iškris iš sinchronizmo“ ir ilgainiui sustos, o statoriuje sukeltas indukcinis EMF išnyks, o srovė jame padidės. aštriai. Todėl reikia vengti staigių apkrovos svyravimų. Norėdami sustabdyti variklį, akivaizdu, kad pirmiausia turite atjungti statoriaus grandinę ir tada atjungti droselius; užvesdami variklį, turite laikytis atvirkštinės veiksmų tvarkos.

Sinchroniniai varikliai dažniausiai naudojami mechanizmams, kurie veikia pastoviu greičiu, valdyti. Pateikiame sinchroninių variklių privalumus ir trūkumus bei jų paleidimo būdus: Sinchroniniai varikliai ir jų pritaikymas

Mokomoji juosta – „Sinchroniniai varikliai“, sukurta edukacinių-vaizdinių priemonių gamyklos 1966 m. Galite pažiūrėti čia: Filmo juosta „Sinchroninis variklis“