Классификация электромеханических преобразователей (лекция 1)

1. Г Л А В А П Е Р В А Я ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКУ

ГЛАВА ПЕРВАЯ
ВВЕДЕНИЕ В
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКУ
1.1 Классификация электромеханических
преобразователей

2.

Электромеханические преобразователи
(ЭМП) – это устройства, осуществляющие
преобразование механической энергии в
электрическую и обратно электрической
энергии в механическую.
Частным случаем электромеханического
преобразователя являются электрические
машины (ЭМ).
(Историю развития ЭМ –самостоятельно)

3.

Все ЭМП можно разбить на три класса:
- индуктивные ЭПМ (рабочим полем является
магнитное поле)
- емкостные ЭМП (преобразование электрической
энергии в механическую и обратно осуществляется
электрическим полем)
- индуктивно-емкостные ЭМП (электромеханическое
преобразование осуществляется электрическим и
магнитным полями).
Большая часть современных, промышленно
изготовляемых ЭМ относятся к индуктивным
ЭМП.

4.

Все разновидности индуктивных ЭМ по роду
питания можно разделить на
ЭМ переменного тока и
ЭМ постоянного тока.
В свою очередь машины переменного тока
делятся на
синхронные и асинхронные, коллекторные
машины переменного тока и
трансформаторы.

5.

В синхронных ЭМ (СМ) частота
вращения ротора и магнитного поля
равны друг другу.
В асинхронных ЭМ (АМ) частота
вращения ротора не равна частоте
вращения магнитного поля.

6.

Коллекторные ЭМ переменного тока
отличаются от АМ и СМ тем, что имеют
коллектор (механический преобразователь
частоты и числа фаз), соединенной с обмоткой
статора или ротора.
Трансформаторы – электромагнитные
преобразователи энергии (в них происходит
преобразование электрической энергии
одного вида в другой).

7.

По режиму работы ЭМ делятся на
генераторы и двигатели.
В генераторах механическая энергия,
подводимая к валу машины,
преобразуется в электрическую
энергию.
В двигателях электрическая энергия
преобразуется в механическую.

8.

Одна и та же ЭМ может работать как
двигателем, так и генератором. Однако у
генераторов и двигателей обычно имеются
конструктивные отличия и на заводском щите
машины указывается режим работы.
СМ могут работать в режиме потребления или
отдачи в сеть реактивной мощности. Такие
машины называются синхронными
компенсаторами.

9. 1.2. Основные конструктивные исполнения ЭМ

Независимо от рода питания ЭМ
можно разделить на неявнополюсные
(рис.1.1) и явнополюсные (рис.1.2). В
неявнополюсных машинах, т.е. с
неявновыраженными полюсами
воздушный зазор равномерный.
Обмотка возбуждения (ОВ)
распределена по различным пазам.

10. Рис.1.1

Рис.1.1

11.

Рис.1.2

12.

В явнополюсных машинах, т.е. с
явновыраженными полюсами и
сосредоточенной ОВ, имеются четко
выраженные продольные (d - d) и
поперечные (q – q) оси c различными
воздушными зазорами и соответственно
сопротивлениями). Сосредоточенная
катушечная ОВ может располагаться и
на статоре и на роторе.

13.

АМ – это чаще всего ЭМ с
неявновыраженными полюсами. СМ
могут иметь явновыраженную
магнитную систему на роторе. Машины
постоянного тока (МПТ) имеют
магнитную систему с
явновыраженными полюсами на статоре
(рис. 1.3).

14.

N
+
+
s
N
s
Рис. 1.3.

15.

На рис.1.4 в разобранном виде
показана АМ. Неподвижная часть
машины переменного тока называется
статором, а подвижная – ротором.
Сердечники статора и ротора АМ
собираются из листов
электротехнической стали, которые до
сборки покрываются с обеих сторон
изоляционным лаком.

16.

Рис.1.4

17.

Сердечник статора закрепляется в
корпусе, а сердечник ротора – на валу. Вал
ротора вращается в подшипниках, которые
помещаются в подшипниковых щитах,
прикрепляемых к корпусу статора.
На внутренней цилиндрической
поверхности статора и на внешней
цилиндрической же поверхности ротора
имеются пазы, в которых размещаются
проводники обмоток статора и ротора.

18.

Обмотка статора обычно выполняется
трехфазной, присоединяется к сети
трехфазного тока и называется поэтому также
первичной. Обмотка ротора тоже может быть
выполнена трехфазной аналогично статора.
Концы фаз такой обмотки ротора соединяются
обычно в звезду, а начала с помощью
контактных колец и щеток выводятся наружу.
Такая АМ называется АМ с фазным ротором.

19.

Другая разновидность обмотки
ротора – обмотка в виде беличьей
клетки (рис.1.5). При этом в каждом
пазу находится медный или
алюминиевый стержень и концы всех
стержней с обоих торцов ротора
соединены с медными или
алюминиевыми же кольцами, которые
замыкают стержни накоротко.

20.

Рис.1.5

21.

Такая АМ называется АМ с
короткозамкнутым ротором.
Воздушный зазор между статором и
ротором в АМ выполняется минимально
возможным по условиям производства и
надежности работы и тем больше, чем
крупнее машины: от 0,4 мм до
нескольких мм.

22.

В СМ в роторе замыкается постоянный поток,
поэтому ротор турбогенератора выполняется
литым. А ОВ укладывается в пазы,
профрезерованные в бочке ротора.
В МПТ литая или шихтованная станина
является одновременно и магнитопроводом. К
станине крепятся полюса с ОВ и добавочные
полюса с обмотками (рис.1.3).

23.

Якорь МПТ вращается в неподвижном
поле, поэтому сталь магнитопровода
перемагничивается. Для уменьшения
потерь от вихревых токов
магнитопровод якоря выполняется
шихтованным.

24.

На рис.1.6 изображен полюс машины.
Сердечники полюсов набираются из листов,
выштампованных из электротехнической
стали толщиной 0,5 – 1 мм. Сердечник полюса
стягивается шпильками, концы которых
расклепываются. Нижняя уширенная часть
сердечника называется полюсным
наконечником или башмаком.
Расположенная на полюсе обмотка обычно
разбивается на 2-4 катушки для лучшего ее
охлаждения.

25.

26.

Число главных полюсов всегда четное, причем
северные и южные полюса чередуются, что
достигается соответствующим соединением катушек
возбуждения отдельных полюсов. Катушки всех
полюсов соединяются обычно последовательно.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение,
составляет около 0,5 – 3% от номинальной
мощности машины. Первая цифра относится к МПТ
в тысячи кВт, а вторая – к МПТ мощностью около 5
кВт.

27.

Для улучшения условий токосъема с
коллектора в МПТ мощностью более 0,5 кВт
между главными полюсами устанавливаются
также дополнительные полюса, которые
меньше главных по размерам. Сердечники
дополнительных полюсов обычно
изготавливаются из конструкционной стали.
Как главные, так и дополнительные полюса
крепятся к ярму болтами.

28.

Ярмо в машинах обычно
изготавливается из стали. В МПТ
массивное ярмо является одновременно
также станиной, т.е. той частью, к
которой крепятся другие неподвижные
части машины и с помощью которой
машина обычно крепится к фундаменту
или другому основанию.

29.

Сердечник якоря набирается их
штампованных дисков толщиной 0,5 мм
(рис.1.7а). Диски насаживаются либо
непосредственно на вал, либо набираются на
якорную втулку, которая надевается на вал.
Сердечники якоря большого диаметра (более
100 см) составляются из штампованных
сегментом (рис.1.7б) электротехнической
стали.

30.

31.

В пазы на внешней поверхности якоря
укладываются катушки обмотки якоря.
Обмотка соединяется с коллектором.
Воздушный зазор между полюсами и якорем в
малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до
1 см.
Коллектор состоит из медных пластин
толщиной 3-15 мм, изолированных друг от
друга миканитовыми прокладками толщиной
около 1 мм.

32.

Для отвода тока от вращающего
коллектора и подвода к нему тока
применяется щеточный аппарат,
который состоит из щеток,
щеткодержателей, щеточных пальцев,
щеточной траверсы и токособирающих
шин.

33.

По форме исполнения в соответствии с
ГОСТом ЭМ делятся на 8 групп. В свою
очередь 8 групп форм исполнения ЭМ
делятся на 49 видов, включающих
форму исполнения (рассмотреть
самостоятельно).

34.

В конструктивном исполнении ЭМ различают
также по способу охлаждения.
В ЭМ с естественным охлаждением
циркуляция воздуха осуществляется за счет
вентилирующего действия вращающихся
частей и конвекции.
В ЭМ с самовентиляцией на валу имеется
вентилятор.

35.

В ЭМ с принудительной охлаждением
вентиляция осуществляется только
внешней поверхности ЭМ.
ЭМ с внутренней вентиляцией делятся
на ЭМ с аксиальной, аксиальнорадиальной и радиальной вентиляцией.
Для охлаждения ЭМ могут применяться
воздух, водород, масло и вода.

36.

В настоящее время широко применяется
внутреннее (непосредственное)
охлаждение, когда охлаждающий агент
проходит по специальным каналам
внутри проводников.

37. 1.3. Законы электромеханики

Первый закон
Электромеханическое преобразование
энергии не может осуществляться с КПД,
равным 100 %.
В ЭМ энергия, преобразующаяся в тепло,
относится к потерям, и КПД есть отношение
электрической мощности, отдаваемой в сеть,
к механической (генераторный режим) или
отношение полезной механической – к
электрической мощности, забираемой от сети
(двигательный режим).

38.

При этом высокие КПД имеются в ЭМ
большой мощностью, в ЭМ небольшой
мощностью КПД может составлять всего
несколько процентов.
Наиболее общим математическим описанием
процессов преобразования энергии в ЭМ
являются дифференциальные уравнения,
которые справедливы для переходных и
установившихся режимов.

39.

ЭМ (как ЭМП) можно представить как
шестиполюсник (рис.1.8): с двумя
электрическими выводами, характеризуемыми
напряжением U и f , с двумя механическими
выводами, определяемыми моментом М и
частотой вращения
, а также тепловыми –
характеризуемыми
количеством теплоты Q и
температурой t.

40.

U
f
М
ЭМ
Q
t
Рис. 1.8

41.

Основные допущения:
При анализе процессов преобразования
энергии в ЭМ считают внешние
сопротивления в электрической, механической
и тепловой цепей равными нулю. При этом
электрическая сеть считается сетью
бесконечной мощности и поэтому изменение
режима работа ЭМ не влияет на изменение
напряжения и частоты. Механическая
мощность на валу обычно считают
постоянной.

42.

В большинстве исследований тепловой контур
рассматривается как имеющий бесконечный
объем с неизменной температурой. Поэтому
ЭМ (как ЭМП) можно представить как
четырехполюсник с внутренним
сопротивлением Zэм ( рис.1.9).
Именно такая ЭМ в виде четырехполюсника
рассматривается при решении задач
электромеханики, когда процессы
преобразования энергии внутри машины не
имеют определяющего значения.

43.

U
f
ZЭМ
Рис. 1.9
М

44. Второй закон

Все ЭМ обратимы, т.е. они могут работать
как в двигательном режиме, так и в
генераторном.
Режим работы ЭМ зависит от момента
сопротивления на валу.
Если электрическая энергия (ЭЭ)
потребляется из сети, ЭМ работает в
режиме двигателя. Если поток
механической энергии, поступающий через
вал, преобразуется в поток электрической
энергии, устанавливается генераторный
режим работы ЭМ.

45.

В индуктивных ЭМ обмотки статора и
ротора связаны магнитным полем.
Чтобы осуществлялась связь
вращающихся обмоток с неподвижными
с помощью переменных или
постоянных токов, в воздушном зазоре
ЭМ создается вращающееся магнитное
поле.

46.

Чтобы получить вращающееся магнитное
поле при наличии постоянного тока,
необходимо вращать обмотку, в которой
протекает постоянный ток. При определенном
расположении обмоток в пространстве и при
определенном сдвиге токов во времени
относительно друг друга при неподвижных
обмотках можно в зазоре машины получить
вращающееся поле.
.

47.

Для создания магнитного поля в ЭМ
переменного тока требуется реактивная
мощность. В обмотках ЭМ переменного
тока протекают активные и реактивные
токи. Реактивные токи создают
вращающееся магнитное поле, а
активные составляющие токов
определяют активную мощность ЭМ.

48.

В ЭМ имеет место режим
преобразования электрической или
механической энергии в тепло. Это
режим холостого хода (х.х.).
Синхронные машины (СМ),
работающие параллельно в режиме х.х.,
называются синхронными
компенсаторами.

49. Третий закон

Электромеханическое преобразование
энергии осуществляется полями,
неподвижными друг относительно друга.
Неподвижные относительно друг друга поля
ротора и статора в воздушном зазоре создают
результирующее поле и электромагнитный
момент
0
M эм
Р эм

50.

Рэм – электромагнитная мощность, т.е.
мощность магнитного поля,
сконцентрированная в воздушном зазоре.
Поля, неподвижные относительно друг друга
создают электромагнитный момент, а поля,
перемещающиеся в воздушном зазоре
относительно друг друга, создают поток
тепловой энергии, косвенно влияя на
распределение потоков механической и
электрической энергии

51.

Обмотки ЭМ выполняются таким образом, что
при протекании по ним токов в воздушном
зазоре создается вращающееся магнитное
поле.
В СМ вращающееся поля создаются
обмотками, расположенными на статоре и его
роторе.
0

52.

В МПТ обмотка возбуждения (ОВ)
расположена на статоре и поле
возбуждения неподвижно. В якоре
создается вращающееся поле, частота
вращения которого равна частоте
вращения магнитного поля.

53.

В АМ имеется понятие скольжения s
0
s
0