1.Загальні відомості про електричні машини

Електричною машиною називається, дія якої засновано на використанні явища електромагнітної індукції і яка призначена для перетворення механічної енергії в електричну енергію або електричної енергії в механічну, чи електричної в електричну енергію другого роду струму, другої напруги, другої частоти.

З аналізу визначення можна зробити висновки, що різноманітність електричних машини можна класифікувати по наступним ознакам:

- за призначенням;

- за родом струму;

- за принципом дії.

За призначенням електричні машини можуть бути об’єднанні у наступні основні групи:

електромашинні генератори, що перетворюють механічну енергію у електричну;

електричні двигуни, що перетворюють електричну енергію в механічну;

електромашинні перетворювачі, що перетворюють електричну енергію однієї системи струмів та напруг у другу систему струмів і напруг;

тахогенератори, що перетворюють кутову швидкість обертання у електричний сигнал, пропорційний кутовій швидкості обертання U = f (ω).

 поворотні трансформатори, що перетворюють кут повороту в електричний сигнал, пропорційний координаті куту повороту U = f (φ).

За родом струму електричні машини поділяються на машини постійного струму і машини змінного струму.

За принципом дії електричні машини змінного струму поділяються на трансформатори, синхронні, асинхронні та колекторні машини. Енергетичні показники, конструктивні особливості, характеристики, умовні позначення та режими роботи електричних машин визначаються Державними стандартами (ДЕСТ), при удосконаленні машин передбачається урахування нових доробок.

Відповідно з ДЕСТ до основних параметрів, що визначають енергетичні показники та конструктивні особливості електричних машин, відносяться:

• потужність P,S;

• напруга U ;

• струм I ;

• частота обертання ротора n ;

• частота змінного струму f;

• коефіцієнт корисної дії η ;

• коефіцієнт потужності, cos φ;

• кількість фаз, m.

Умовні графічні позначення в електричних схемах, і в тому числі електричних машин визначаються також Державними стандартами.

2.Машини постійного струму.

2.1Принцип дії електричних машин постійного струму

П ринцип дії електричних машин постійного струму розглянемо на прикладі звичайного генератора, виконаного з одного витка.

Рис.1

Нехай між двох нерухомих полюсів N та S створюється постійний магнітний потік, у просторі між полюсами обертається виток, складений з двох провідників А-Б і В-Г, укладених у діаметральній площині (рис.1).

Кінці витка приєднуються до двох півкілець, насаджених на вал і обертаються з тою ж кутовою швидкістю, що і виток. Ці півкільця утворюють колектор генератора, а виток - якір генератора. На півкільця накладаються дві щітки "1" та "2", до яких приєднується зовнішній ланцюг, який складається із будь яких споживачів електричної енергії.

Нехай якір генератора приводиться до обертання двигуном по напрямку обертання годинникової стрілки.

Для визначення напрямку струму, а отже і ЕРС, застосовується правило правої руки. У відповідності до правила: "долоня правої руки розміщують так, щоб лінії магнітного поля були спрямовані в долоню, великий палець, відігнутий у площині долоні на 90°, розміщують у напрямку руху провідника. Тоді інші пальці руки, які витягнуті у площині долоні, покажуть напрямок струму (тобто ЕРС).

При обертанні витка в напрямку руху годинникової стрілки у верхньому провіднику "А-Б", який розміщений під північним полюсом, ЕРС буде спрямована від нас, у нижньому провіднику "В-Г", розміщеному під південним полюсом - до нас. ЕРС кожного провідника складається е_вит = е₁ + е₂. По замкненому зовнішньому ланцюгу тече струм у напрямку від нижньої щітки до споживача і від нього до верхньої щітки. Нижня щітка "2" виявляється позитивним виводом генератора, а верхня "1" - негативним.

При повороті витка на 180° провідники із зони одного полюса переходять до зони другого полюса і, отже, напрямок ЕРС (струму) в них змінюється на обернений. Але одночасно з цим верхня колекторна пластина з'єднується з нижньою щіткою, а нижня - з верхньою. В результаті цього напрямок струму у навантаженні не змінюється.

Таким чином, колекторні пластини не тільки забезпечують з'єднання витка, що обертається, із зовнішнім навантаженням, але і забезпечують незмінність полярності, тобто напрямку струму у навантаженні, виконуючі роль механічного випрямляча.

Величина ЕРС, яка індукована у провіднику, визначається по закону електромагнітної індукції:

е = Вlv, (1)

де е - миттєве значення ЕРС провідника;

l - довжина активної частини провідника;

В - магнітна індукція у повітряному зазорі;

v - швидкість переміщення провідника відносно магнітного поля.

Величина ЕРС, яка індуцьована в провіднику мала, і для підвищення ЕРС у генераторі постійного струму по колу укладається достатньо велика кількість провідників, з'єднаних між собою певним способом (рис.2). Крім того, таке виконання обмотки дає змогу зменшити пульсації напруги на виході генератора.

Рис.2

При заданому напрямку обертання провідників, напрямок ЕРС, індукованої у провідниках, залежить тільки від того, під яким полюсом вони знаходяться.

Таким чином, ЕРС у провідниках, розташованих вище горизонтальної осі симетрії, яка розподіляє простір під полюсами на дві рівні частини (тобто геометрична нейтраль) спрямована в один бік, а у провідниках, розташованих нижче геометричної нейтралі - у другий. При симетричному розташуванні провідників відносно нейтралі, сумарна ЕРС провідників розташованих під одним полюсом, дорівнює ЕРС провідників, розташованих під іншим полюсом. Таким чином, при відсутності зовнішнього навантаження, струм в обмотках відсутній.

При підключенні до щіток навантаження через обмотку генератора тече постійний струм І_я . Цей струм тече по двох (у нашому випадку) паралельних гілках.

При розгляді електромагнітних процесів в машинах постійного струму уводиться поняття число пар паралельних гілок "а". Для нашого випадку можемо записати:

І_я =2а i_а, (2)

В залежності від типу і призначення електричної машини, вона може мати декілька пар паралельних гілок, при чому це число повинне бути парним і не менш однієї пари.

2.2. Будова машини постійного струму

Електрична машина постійного струму (генератор або двигун) складається з двох основних частин:

І) нерухомої частини, яка служить для створення магнітного потоку;

2) обертальна частина, яка зветься якорем і в якої виникає процес перетворення енергії: механічної в електричну (генератор) або електричної в механічну (двигун) Нерухома і обертальна частини відділені між собою зазором.

Нерухома, частина складається із станини, виготовленої з литої сталі. До внутрішньої поверхні станини закріплений полюс. У електричної машини завжди парна кількість полюсів, і їх не менш двох. В електротехніці існує поняття числа пар полюсів і визначається ця пара буквою "р".

Рис.3 Будова машини постійного струму

Полюс складається із осердя, виконаного із окремих, ізольованих друг від друга листів електротехнічної сталі. Така конструкція забезпечує малі збитки потужності на вихрові струми. Із сторони, поверненої до якоря, осердя має полюсний наконечник. На осердя полюса надівається обмотка збудження, по якій тече постійний струм. Полюси служать для створювання і концентрації у повітряному зазорі магнітного поля машини.

Деякі типи машин постійного струму мають полюса, виконанні з пос­тійних магнітів, таким чином вони не мають обмотки збуджування. Крім того, для поліпшення експлуатаційних характеристик, у машині постійного струму можуть установлюватися додаткові полюси.

Якор машини являє собою циліндр, набраний із окремих листів елек­тротехнічної сталі і закріплений на валу машини. На наружній поверхні якоря вздовж його осі, існують пази, в які укладені ізольовані провідники, які з'єднані між собою по торцям. Вони утворюють замкнену обмотку, в якій тече струм.

Колектор збирається із окремих мідних пластин, ізольованих друг від друга і від вала машини. Кожна, відокремлена, колекторна пластина приєднується до визначеної точки обмотки якоря.

Щіточний апарат служить для відводу струму від обертаючогося колектора (генератор) або для підводу струму (двигун). Він складається із щіток і щіткотримальників. Матеріал щіток суттєво впливає на експлуатаційні характеристики машин. (рис.. 4)

3. Магнітний і електричний ланцюги машини.

   1. Магнітний ланцюг машини

Магнітний ланцюг машини призначений для створення і розподілу магнітного поля в повітряному зазорі і складається з головних полюсів, осердя якоря, повітряного зазору між полюсами і якорем, а також із ярма (станини).

У залежності від числа головних полюсів магнітна система може бути двох -, чорирьох-, шестиполюсною і так далі.

Розподіл магнітної індукції в робочому (повітряному) зазорі характеризується кривою В() , де ()-дуга кола якоря. Майже постійне значення індукції "В" в повітряному зазорі необхідне для отримання приблизно постійної ЕРС у провідниках, які знаходяться під полюсом, і воно забезпечується спеціальною формою полюсних наконечників.

Лінії симетрії "m-n", які поділяють простір між полюсами на дві рівні частини звуться геометричними нейтральними ліниями. Дуга між сусідніми нейтральними лініями зветься полюсним діленням і визначається буквою " " і може виражатися в метрах, градусах, радіанах та ін. (рис.5)

Рис.5

2.3.2Електричний ланцюг машини.

Електричний ланцюг машини складається із обмотки якоря, колектора і щіток. Як вже указувалося, провідники, які з'єднуються між собою через колекторні пластини, утворюють замкнений ланцюг. При обертанні якоря, наприклад по годинниковій стрілці, провідники обмотки якоря перетинають магнітне поле полюсів і в них наводиться ЕРС, у верхній частині обмотки ЕРС спрямована від нас, в нижній - до нас.

Так як миттєве значення ЕРС провідника е = Вlv, то крива ЕРС в провіднику повторює криву індукції "В". У обмотці якоря ЕРС окремих провідників алгебраїчно додається. Для отримання максимальної ЕРС щітки повинні встановлюватися між точками, які мають найбільшу різницю потенціалів. Такими точками з'являються точки, які розташовані на фізичній нейтралі. Про це буде сказано пізніше.

Замкнену обмотку якоря можливо отримати двома способами: з'єднувати на колекторі провідники, уперед-назад, тобто повертаючись назад до сусіднього провідника, або тільки уперед, обходячи провідники якоря, рухаючись весь час в одному напрямку. Очевидно, що у любому випадку кожний слідуючий провідник повинен знаходитися під полюсом протилежної полярності. Це означає, що крок обмотки близький до полюсного ділення.

У першому випадку отримуємо так звану петльову обмотку(рис.6), у другому - хвильову обмотку

У петльових обмоток при числі полюсів більше двох, число паралельних гілок і щіток дорівнює числу полюсів.

У хвильових обмоток число паралельних гілок незалежно від числа полюсів дорівнює двом.

Таким чином, машини, які роблять при низькій напрузі і мають середню і велику потужність - мають петльову обмотку, а машини з великого напругою - хвильову.

Рис. 6