Пристрій якоря
З'ясуємо, чому при обертанні якоря електродвигуна, що працює під навантаженням, витрачається електрична енергія. Як було встановлено, при обертанні провідників якоря магнітному полі в кожному провіднику індукується е. д. с, напрямку обертання е. д. с. е, індукована у провіднику, розташованому під південним полюсом, буде спрямована від нас, а е. д. с. е, індукована у провіднику, розташованому під північним полюсом, буде направлена до нас. е. д. с. е, індуковані в кожному провіднику, спрямовані проти струму i, тобто вони перешкоджають його проходженню провідникам.
Для того, щоб струм i продовжував проходити попровідникам якоря в колишньому напрямку, тобто щоб електродвигун продовжував нормально працювати і розвивати необхідний крутний момент, дуже важливо прикласти до цих провідників зовнішню напругу U, спрямовану назустріч е. д. с. і більше за величиною ніж сумарна е. д. с. E, індукована у всіх послідовно з'єднаних провідниках обмотки якоря. Отже, дуже важливо підводити до електродвигуна з мережі електричну енергію.
За відсутності навантаження (зовнішнього гальмівного моменту, прикладеного до валу двигуна) електродвигун споживає від зовнішнього джерела (мережі) невелику кількість електричної енергії і по ньому проходить невеликий струм холостого ходу. Ця енергія витрачається на покриття внутрішніх втрат потужності в машині.
При зростанні навантаження збільшується споживаний електродвигуном струм і розвивається ним електромагнітний крутний момент. Отже, збільшення механічної енергії, що віддається електродвигуном при зростанні навантаження, викликає автоматично збільшення електроенергії, що забирається ним від джерела.
З розглянутих вище умов роботи електричного двигуна випливає, що для нього характерним є:
збіг за напрямом електромагнітного моменту М та частоти обертання п; це характеризує віддачу машиною механічної енергії; виникнення у провідниках обмотки якоря е. д. с. е, спрямованої проти струму i і зовнішньої напруги U. З цього випливає вкрай важливість отримання машиною ззовні електричної енергії.
Колектор (рис. 1.3) набраний з мідних пластин клиноподібної форми, ізольованих один від одного, і корпусу3 міканітовими прокладками2, що утворюють у зборі циліндр, що кріпиться на валу якоря.
Малюнок 1.3 пристрій колектора
Принцип оборотності електричних машин. Розглядаючи принцип дії генератора та електродвигуна, ми встановили, що влаштовані вони однаково і що в основі роботи цих машин багато спільного. Процес перетворення механічної енергії в електричну в генераторі та електричної енергії в механічну в двигуні пов'язаний з індукуванням е. д. с. у провідниках, що обертаються в магнітному полі, обмотки якоря і виникненням електромагнітних сил в результаті взаємодії магнітного поля і провідників зі струмом. Відмінність генератора від електродвигуна полягає лише у взаємному напрямку. д. с, струму, електромагнітного моменту та частоти обертання.
Мал. 68. Напрямок е. д. с. Е, струму I, частоти обертання якоря п та електромагнітного моменту М при роботі електричної машини постійного струму в руховому (а) та генераторному (б) режимах
Узагальнюючи розглянуті процеси роботи генератора та електродвигуна, можна встановити принцип оборотності електричних машин. Відповідно до цього принципу будь-яка електрична машина може працювати і генератором і електродвигуном і переходити з генераторного режиму в руховий і навпаки.
Для з'ясування цього положення розглянемо роботу електричної машини постійного струму за різних умов. Якщо зовнішня напруга U більша за сумарну е. д. с. Г. у всіх послідовно з'єднаних провідниках обмотки якоря, то струм I проходитиме у вказаному на рис. 68, а напрямку і машина працюватиме електродвигуном, споживаючи з мережі електричну енергію і віддаючи механічну. При цьому якщо з будь-якої причини е. д. с. Е стане більше зовнішньої напруги U, то струм I в обмотці якоря змінить свій напрямок (рис. 68, б) і збігатиметься з е. д. с. Є. При цьому зміниться інапрямок електромагнітного моменту М, який буде спрямований проти частоти обертання п. Збіг за напрямом е. д. с. E і струму I означає, що машина стала віддавати в мережу електричну енергію, а поява гальмівного електромагнітного моменту М говорить про те, що вона повинна споживати механічну енергію. Отже, коли е. д. с. Е, індукована у провідниках обмотки якоря, стає більше напруги мережі U, машина переходить із рухового режиму роботи в генераторний, тобто при E U - генератором.
Переведення електричної машини з рухового режиму в генераторний можна здійснити різними способами: зменшуючи напругу джерела U, до якого підключена обмотка якоря, або збільшуючи е. д. с. E в обмотці якоря.
3. КЛАСИФІКАЦІЯ, ПРИНЦИП ДІЇ, КОНСТРУКЦІЯ,
ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИНЦИПИ РЕГУЛЮВАННЯ
ЗВЕРНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН ЗМІННОГО СТРУМУ.
Машини змінного струму. Опис класифікація.
Електрична машина має статор і ротор, розділені повітряним зазором (рис.1 і рис. 2). Активними частинами її є магнітопровід та обмотки. Всі інші частини – конструктивні, що забезпечують необхідну жорсткість, міцність, можливість обертання, охолодження тощо.
Магнітопровід машини, яким замикається змінний магнітний потік, виконують шихтованным — з листів електротехнічної сталі, як і трансформатора. Якщо потік постійний, то магнітопровід можна виконувати потужним; у разі він може здійснювати і конструктивні функції, т. е. служити елементом, які забезпечують міцність даної частини машини (статора чи ротора).
Так як в частинах електричних машин магнітний потік замикається за складними контурами, відмінними від прямолінійних, в них,як правило, застосовується ізотронна холоднокатана сталь. Тільки виготовлення полюсів синхронних машин і великих машин постійного струму іноді застосовується анизотропная холоднокатана сталь, оскільки у полюсах напрямок магнітних ліній збігається з напрямом прокатки, у якому магнітна проникність дуже велика. Сердечники статорів і роторів асинхронних машин і якір синхронних машин постійного струму штампують з ізотронної рулонної холоднокатної сталі, що дозволяє при розкрої отримувати економію близько 10-15% порівняно з листовою, внаслідок чого листова сталь застосовується дуже рідко.
Рисунок 1 електрична синхронна машина у розрізі |
У мікромашинах широко застосовують також магнітопроводи, зібрані з листів железонікелевих сплавів типу пермалою.
Статор асинхронних та більшості синхронних машин складається з шихтованого магнітопроводу (рисунок 3а), який запресовують в литу станину (рисунок 36). Оскільки через масивну станину змінний магнітний потік не замикається, станину можна виконувати з немагнітного матеріалу (алюмінію) або феромагнітного з малою магнітною проникністю (чавуну), порівняно дешевих і добре пристосованих до ливарної технології. На внутрішній поверхні шихтованого статора, в пазах, мають обмотку статора.
Ротор асинхронної машини (рисунок 3,в) зазвичай складається з осердя, набраного з листів електротехнічної сталі. Сердечникзапресовують на вал або втулку ротора (при великих розмірах машини) та стискають спеціальними натискними шайбами. У пазах, розміщених на зовнішній поверхні ротора (подібних формою з пазами статора), розташовують обмотку ротора. У синхронних машинах ротор виконують масивним, тому що на ньому розташовані полюси з обмотками збудження, магнітний потік яких нерухомий щодо ротора. При виготовленні листів ротора і статора в них штампують пази (малюнок 4,аіб) для укладання провідників обмотки ротора та статора, а також вентиляційні канали для проходу повітря, що охолоджує.
 |
| Рисунок 3 Пристрій статора та ротора машини змінного струму:1- пакет статора;2-станина;3- сердечник ротора;4 -вал |
 |
Конфігурація зубців та пазів (рисунок 4, малюнок 5) залежить від типу машини та її потужності. У машинах великої потужності обмотки статора та ротора виконують із провідників прямокутного перерізу; в даному випадку застосовують відкриті пази прямокутної форми, що дозволяють якнайкраще розмістити провідники і забезпечити надійну їх ізоляцію. У машинах малої та середньої потужності обмотки ротора та статора зазвичай виконують із дроту круглого перерізу; у таких машинах застосовують напівзакриті пази овальної або трапецеїдальної форми. У ряді випадків при провідниках прямокутного перерізу застосовують напіввідкриті пази, що зменшують магнітний опір шару «зубці - пази-повітряний зазор» у порівнянні з відкритими пазами. У мікромашинах ротори мають пази круглої форми;при цьому істотно спрощується та здешевлюється виготовлення штампів.
  |
| Малюнок 6 Пази статора відкритий (а), напіввідкритий (б) та напівзакриті (в):1- провідники;2 -ізоляція шару;3 -міжшарова ізоляція;4 -ізоляція паза;5 –клин |
При укладанні провідників у пази дно та стінки покривають ізоляційним матеріалом (електрокартоном, лакотанням, міканітом та ін.). Провідники, а також їх верхній та нижній шари також ізолюють один від одного.Чим вищенапруга, при якому працює машина, тим більшу електричну міцність повинна мати ізоляція провідників від сердечникаротораабостатора.Провідники зміцнюють у пазах ротора та статора за допомогою клинів, а на роторі, крім того, за допомогою дротяних бандажів або склобандажів, які намотують на лобові частини його обмотки (частини обмотки, що виходять із осердя ротора). У деяких випадках бандажі розташовують і в декількох місцях вздовж осердя ротора.
Для підведення струму до обмотки ротора або підключення до неї реостата на роторі повинні бути розташовані контактні кільця: три кільця при трифазному струмі і два кільця при постійному струмі. Виняток становлять асинхронні машини з короткозамкненим ротором, яким контактні кільця не потрібні. Струмознімання з контактних кілець здійснюють за допомогою щіток - прямокутних брусків, виготовлених із суміші вугілля, графіту та порошку металу (міді та свинцю). Щітки встановлюють у спеціальних щіткотримачах та притискають доконтактної поверхні за допомогою пружин. Електричні машини потужністю приблизно до 2000 кВт мають кулькові або роликові підшипники, які мають у своєму розпорядженні підшипникові щити. При великих потужностях застосовують підшипники, що ковзають.
Електричні машини змінного струму - асинхронні та синхронні, незважаючи на відмінності в пристрої та конструкції, мають багато спільного в принципі роботи та теорії. У цих машинах при проходженні по обмотках статора або ротора змінного струму, що синусоїдально змінюється в часі, створюється магнітне поле, що обертається. Це поле, у свою чергу, перетинає обмотки статора та ротора (або одну з них) та наводить у них змінну ЕРС. Спільність фізичних процесів обумовлює спільність теорії та подібність конструкції багатофазних обмоток змінного струму та принципів влаштування статора асинхронної машини та якоря синхронної машини.