Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую посредством ЭМ-поля Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую посредством ЭМ-поля Трансформаторы преобразуют один уровень напряжения и тока в другой уровень напряжения и тока Датчики получают информацию о механическом перемещении и преобразуют её в электрический сигнал
Три основных закона электромеханики Преобразование энергии осуществляется с коэффициентом полезного действия (кпд) меньше 1 Σ p — сумма электрических, магнитных и механических потерь энергии
Электрические двигатели и генераторы обратимы: одна и та же электрическая машина при наличии ЭМ-поля может работать и в режиме двигателя, и в режиме генератора Электромеханическое преобразование энергии осуществляется ЭМ-полями, неподвижными относительно друг друга
Асинхронные машины (двигатели)
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором примерно 90% всех двигателей
Создатели асинхронного двигателя М.О. Доливо-Добровольский Никола Тесла 1888 г. 1888 г. 1889 г. 1890 г.
Механическая характеристика асинхронного двигателя Механическая мощность:
Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.
Асинхронный двигатель с фазным ротором
Короткозамкнутый ротор Фазный ротор
Принцип работы машин переменного тока: вращающееся ЭМ-поле
1. Закон электромагнитной индукции
2. Действие силы Ампера на проводники с током обмотки ротора B = Ф/ S, Тл
Конструкция статора Сердечник статора – полый цилиндр, собранный из отдельных кольцевых пластин, штампованных из листов электротехнической стали (0,5 мм). Пластины изолированы друг от друга с помощью лака или оксидирования (для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи)
Собранный пакет колец статора запрессован в корпус – станину (чугун), которая крепится к неподвижному жесткому основанию. В пазах статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка состоит из нескольких последовательно включенных катушек
Конструкция статора станина сердечник обмотка лапа
ГОСТ 2479-79 Машины электрические вращающиеся. Условные обозначения конструктивных исполнений по способу монтажа
Начала и концы фаз обмоток статора выведены на клеммник, закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда или треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 660В по схеме звезда или в сеть с Uл = 380В – по схеме треугольник.
Ток в начале обмотки будем считать направленным к нам, если его значение положительно А Х B Z С Y
А Х B Z С Y
А Х B Z С Y
А Х B Z С Y
- Если поменять любые две фазы местами, то изменится направление вращения магнитного поля (реверсирование) - Видоизменив обмотку статора, можно получить вращающееся магнитное поле с несколькими парами полюсов. Если каждая фаза будет состоять из двух катушек, c двинутых на 180 0, то магнитное поле будет иметь 2 пары полюсов ( р = 2)
В этом случае частота вращения поля будет в 2 раза меньше, чем для р = 1. Число пар полюсов можно сделать любым, при этом частота вращения магнитного поля будет определяться по формуле:
Частоты вращения магнитного поля p 1 2 3 4 5 3000 1500 1000 750 600
Режимы работы трехфазной асинхронной машины Режим двигателя: на обмотку статора подается симметричная система токов и в машине создается вращающееся магнитное поле с частотой вращения n 0. Силовые линии этого поля пересекают обмотку ротора, и в ней по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, и по обмотке ротора протекают токи.
Взаимодействие вращающегося магнитного поля и токов ротора создает вращающий момент, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения n 2 соответствует равенству вращающего момента М ВР тормозному М Т, приложенному к валу от приводимого во вращения механизма и внутренних сил трения.
Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением: В режиме двигателя, т.е. преобразование электрической энергии в механическую
Если на работающем двигателе ротор разогнать с помощью двигателя до частоты > n 0 в том же направлении, то машина перейдет в генераторный режим и избыток механической мощности преобразуется в электрическую. Режим генератора
Режим электромагнитного тормоза ( S ≥ 1 ). Ротор вращается в направлении, противоположном направлению вращения поля статора. Это возможно при реверсе (поле поменяло направление вращения, а ротор все еще вращается в противоположном направлении (если М Т > М ВР ). Применяется для быстрой остановки двигателя, для торможения приводного механизма (крановые и подъемные устройства при спуске грузов)
n 0 n 2 s 0 1 двигатель генератор тормоз
Влияние S на частоту э.д.с. ротора и её значение E 1 = 4.44 f 1 w 1 Ф М E 2 = 4.44 f 2 s w 2 Ф М f 1 - частота сети, f 2s – частота изменения магнитного поля во вращающемся роторе W 1 и W 2 - число витков в фазных обмотках статора и ротора, Ф М – магнитный поток статора f 1 ≠ f 2s
n s = n 1 – n 2 частота скольжения f 2s = n s p где р – число пар полюсов f 2s = n S pn 0 /n 0 Тогда Е 2 s = sE 20 где E 20 - э.д.с. ротора в состоянии покоя f 2s = spn 0 f 2s = sf 1
Зависимость электромагнитного момента от скольжения М ном М макс S КР S Рабочий режим перегрузка неустойчивый режим
Механическая характеристика М ном М макс n КР М n 1 n М C 0 б а в
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя Частота вращения ротора С короткозамкнутым ротором : - метод частотного регулирования : - метод изменения числа пар полюсов вращающегося магнитного поля. С фазным ротором - также метод реостатного регулирования.
М етод частотного регулирования Это плавное регулирование частоты вращения магнитного поля путем регулирования частоты тока в обмотке статора. Достоинств а: - плавность и большой диапазон регулирования частоты, - экономичность, т. к. не выделяются дополнительные потери.
М етод изменения числа пар полюсов О снован на изменении числа пар полюсов вращающегося магнитного поля статора, т. е. на изменении частоты вращения магнитного поля n 1 = 60 f 1 /р 1 способ ( у АД небольшой мощности ): н а статор поместить две отдельные обмотки. 2 способ ( у АД большой мощности ): путем изменения схемы соединения катушек одн ой обмотк и статора, что приведет к изменению числ а пар полюсов. При f 1 =const зависит только от р
С постоянным максимальным моментом С постоянной мощностью
Энергетическая диаграмма двигателя мощность, подведенная из сети;
мощность потерь на нагревание проводов обмотки статора (потери в меди); мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в обмотке статора (потери в стали); электромагнитная мощность, передаваемая ротору; мощность потерь на нагревание проводов обмотки ротора (потери в меди); механическая мощность;
добавочные потери (создаются пульсациями магнитного поля); механические потери; полезная механическая мощность, отдаваемая на валу двигателя
Режимы работы электрических машин см. в ГОСТ IEC 60034-1-2014
Синхронные машины
Реакция якоря в синхронном генераторе Активная нагрузка Индуктивная нагрузка Емкостная нагрузка
U-образные характеристики синхронного двигателя / компенсатора
Угол нагрузки синхронных машин Без нагрузки Генератор под нагрузкой Двигатель под нагрузкой
Угловая характеристика
