Классификация электрических машин

1.

2.

Классификация электрических машин
Генераторы
Двигатели
преобразуют механическую энергию в
электрическую посредством ЭМ-поля
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

3.

Три основных закона электромеханики
Преобразование энергии осуществляется с
коэффициентом полезного действия (кпд) меньше 1
P2
η=
P1
P2= P1− Σ p
Σp — сумма электрических, магнитных и механических
потерь энергии
η = 1−
Σp
<1
P1

4.

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

5.

Асинхронные машины
(двигатели)

6.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
примерно 90% всех двигателей

7.

Создатели асинхронного двигателя
1888 г.
1888 г.
Никола Тесла
1889 г.
1890 г.
М.О. Доливо-Добровольский

8.

Механическая характеристика асинхронного двигателя
Механическая мощность:
Pмех = M⋅ ω=
M⋅ 2π⋅ n
60

9.

10.

11.

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.

12.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

13.

14.

Короткозамкнутый ротор
Фазный ротор

15.

Принцип работы машин переменного тока:
вращающееся ЭМ-поле

16.

Вращение асинхронного двигателя за счёт
действия 2-х законов
1. Закон электромагнитной индукции

17.

2. Действие силы Ампера на проводники с током
обмотки ротора
B = Ф/S, Тл

18.

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)

19.

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

20.

Конструкция статора
станина
сердечник
обмотка
лапа

21.

22.

ГОСТ 2479-79 Машины электрические
вращающиеся. Условные обозначения
конструктивных исполнений по
способу монтажа

23.

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.

24.

iA
iB
iC
t
t1 t 2 t 3 t 4

25.

Ток в начале обмотки будем
считать направленным к нам,
если его значение положительно
t t1
А
Y
С
Х
Z
i A 0,
i B 0,
B
iC 0

26.

t t2
А
Y
С
Z
Х
i A 0,
i B 0,
B
iC 0

27.

t t3
А
Y
С
Z
i A 0,
i B 0,
Х
B
iC 0

28.

t t4
Y
С
А
Z
i A 0,
i B 0,
B
Х
iC 0

29.

- 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, cдвинутых на 1800, то
магнитное поле будет иметь 2 пары
полюсов (р = 2)

30.

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:
60f
n0=
, об/ мин
p

31.

Частоты вращения магнитного
поля
p
n0
1
2
3
4
5
3000 1500 1000 750 600

32.

Режимы работы трехфазной
асинхронной машины
Режим двигателя: на обмотку статора
подается симметричная система токов и
в машине создается вращающееся
магнитное поле с частотой вращения n0.
Силовые линии этого поля пересекают
обмотку ротора, и в ней по закону
электромагнитной индукции наводится
ЭДС, и по обмотке ротора протекают
токи.

33.

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 n2
соответствует равенству вращающего
момента МВР тормозному МТ,
приложенному к валу от приводимого
во вращения механизма и внутренних
сил трения.

34.

Относительную разность частот
вращения магнитного поля и ротора
называют скольжением:
В режиме двигателя, т.е. преобразование
электрической энергии в механическую
0 s 1

35.

Режим генератора
Если на работающем двигателе ротор
разогнать с помощью двигателя до
частоты > n0 в том же направлении, то
машина перейдет в генераторный режим
и избыток механической мощности
преобразуется в электрическую.
s 0

36.

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 МТ > МВР).
Применяется для быстрой остановки двигателя,
для торможения приводного механизма
(крановые и подъемные устройства при спуске
грузов)

37.

n2
двигатель
тормоз
n0
генератор
s
0
1

38.

Влияние S на частоту э.д.с.
ротора и её значение
E1= 4.44 f1w1ФМ
E2= 4.44 f2s w2ФМ
f1 - частота сети,
f2s – частота изменения магнитного поля
во вращающемся роторе
W1 и W2- число витков в фазных обмотках
статора и ротора,
ФМ – магнитный поток статора
f1 ≠ f2s

39.

n s = n 1 – n2
частота скольжения
f2s = nsp где р – число пар полюсов
f2s = nS pn0 /n0
f2s = spn0
f2s = sf1
Тогда
Е2s = sE20
где E20 - э.д.с. ротора в состоянии покоя

40.

Зависимость электромагнитного момента от скольжения
Ммакс
неустойчивый режим
перегрузка
Мном
Рабочий
режим
SКР
S

41.

Механическая характеристика
МC
n
n1
в
а
nКР
б
0
Мном
Ммакс
М макс
2 2.5
М ном
М

42.

Регулирование частоты вращения
асинхронного двигателя
Частота вращения ротора
60 f
n2
(1 s )
p
С короткозамкнутым ротором:
- метод частотного регулирования:
- метод изменения числа пар полюсов
вращающегося магнитного поля.
С фазным ротором - также метод реостатного
регулирования.

43.

Метод частотного регулирования
Это плавное регулирование частоты
вращения магнитного поля путем
регулирования частоты тока в
обмотке статора .
Достоинства:
-плавность
и
большой
диапазон
регулирования частоты,
-экономичность, т.к. не выделяются
дополнительные потери.

44.

45.

Метод изменения числа пар полюсов
Основан на изменении числа пар полюсов
вращающегося магнитного поля статора, т.
е. на изменении частоты вращения
магнитного поля n1 = 60 f1 /р
2π
⋅
f
При f1 =const ω =
П
p
зависит только от р
1 способ (у АД небольшой мощности): на статор
поместить две отдельные обмотки.
2 способ (у АД большой мощности): путем
изменения схемы соединения катушек одной
обмотки статора, что приведет к изменению
числа пар полюсов.

46.

С постоянным максимальным
моментом
С постоянной мощностью

47.

Энергетическая диаграмма двигателя
pпр1
Pмех
PЭМ
P1
pC
P2
pпр2
pдоб
P1 3U1I 1 cos 1 мощность,
pм . п.
подведенная из
сети;

48.

pпр1 −
pC −
мощность потерь на нагревание
проводов обмотки статора (потери в
меди);
мощность потерь на гистерезис и
вихревые токи в обмотке статора (потери в
стали);
электромагнитная
PЭМ М ВР 1 мощность, передаваемая
ротору;
мощность потерь на нагревание
pпр2−
проводов обмотки ротора (потери в
меди);
Pмех М ВР 2 механическая мощность;

49.

pдоб−
pм . п.−
P2
добавочные потери (создаются
пульсациями магнитного поля);
механические потери;
полезная механическая мощность,
отдаваемая на валу двигателя
P2
η=
P1

50.

Режимы работы электрических машин см. в ГОСТ IEC 60034-1-2014

51.

Синхронные машины

52.

53.

54.

55.

56.

57.

Реакция якоря в синхронном генераторе
Активная нагрузка
Индуктивная нагрузка
Емкостная нагрузка

58.

59.

U-образные характеристики
синхронного двигателя / компенсатора

60.

Угол нагрузки синхронных машин
Без нагрузки
Генератор
под нагрузкой
Двигатель
под нагрузкой

61.

Угловая характеристика