Основные электромагнитные схемы электрических машин

Электромагнитные схемы электрических машин различаются способом изменения магнитного поля. Простейшей схемой является схема однофазного трансформатора (рис. 1.6). Она состоит из двух обмоток (многовитковых контуров), размещенных для лучшей магнитной связи на замкнутом магнитопроводе, выполненном из тонких листов электротехнической стали.

Если обмотку 1 включить на источник переменного тока с напряжением , то в стальном сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, и в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотках появляется ЭДС

и .

ЭДС можно использовать как источник нового напряжения . Если , то трансформатор называется повышающим, в противном случае - понижающим.

В энергетике широкое распространение получила система трехфазного тока. Для его трансформирования применяют трехфазные трансформаторы. Конструктивно трехфазные трансформаторы выполняются в виде трех отдельных трансформаторов (рис. 1.7, а), либо все три трансформатора объединяются в один (рис. 1.7, б). Конструкция (рис. 1.7, б) имеет лучшие массо-габаритные показатели, но в ней магнитные процессы отдельных фаз влияют друг на друга, что необходимо учитывать при проектировании.

Особенностью электромагнитных процессов в трансформаторе является то, что магнитное поле трансформатора меняется во времени, но его положение в пространстве остается неизменным. Однако если трехфазную обмотку расположить в пространстве так, чтобы магнитные оси фаз были сдвинуты по отношению друг к другу на 120° (рис. 1.8), и подключить ее к источнику переменного трехфазного тока, то ось результирующего магнитного поля такой системы обмоток будет перемещаться в направлении чередования фаз.

За один период изменения тока поле совершает один оборот. Если обозначить число оборотов магнитного поля в минуту через , то

, (1.9)

где - частота переменного тока.

Соотношение (1.9) справедливо для двухполюсного магнитного поля. При большем числе полюсов период магнитного поля снижается и, следовательно, уменьшается частота вращения поля

, (1.10)

где р - число пар полюсов магнитного поля, создаваемого трехфазной обмоткой.

Рассмотренный принцип образования вращающегося магнитного поля используется во всех электрических машинах переменного тока. Наиболее распространенной является трехфазная асинхронная машина (рис. 1.9). Ее магнитная система выполнена в виде двух концентрических цилиндров. Внутренний цилиндр укреплен на валу и называется ротором. Внешний цилиндр неподвижен и называется статором.

На внутренней поверхности статора в специальных пазах укладывается трехфазная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле. На схеме такая обмотка изображается сосредоточенной в виде трех катушек, расположенных по магнитным осям соответствующих фаз. Обмотка ротора обычно выполняется короткозамкнутой в форме беличьей клетки. Воздушный зазор между статором и ротором для получения лучшей магнитной связи между обмотками выполняется минимальным.

При вращении магнитного поля в обмотке ротора наводится ЭДС и возникает ток . ЭДС в зоне действия северного полюса будет направлена от нас, а южного - к нам. Направление тока для простоты примем совпадающим с ЭДС . Взаимодействие тока с потоком Ф приведет к появлению силы , которая будет действовать на каждый проводник обмотки ротора. Эти силы создадут вращающий момент , и ротор начнет вращаться в ту же сторону, что и поле статора. Но достичь частоты вращения поля статора ротор не сможет, так как в этом случае ЭДС становится равной нулю, и электромагнитный момент исчезает. Относительная разность частот ротора и поля статора называется скольжением,

.

Величина скольжения определяется внешним моментом на валу асинхронной машины. С увеличением момента скольжение возрастает. Если внешний момент будет действовать в направлении вращения, то частота вращения ротора превысит , скольжение станет отрицательным, и асинхронная машина перейдет из двигательного режима в генераторный. В этом состоит суть принципа обратимости вращающихся электрических машин. Зависимость частоты вращения ротора от величины момента является отличительным признаком асинхронной машины. Скольжение определяет частоту ЭДС и тока в роторе:

.

Если обмотку ротора подключить к источнику переменного тока частоты , то частота вращения ротора не будет зависеть от нагрузки:

.

Электрическая машина, частота вращения которой находится в строгом соответствии с частотой источника питания, называется синхронной. Преимущественное распространение получили синхронные машины, у которых обмотка ротора включается на постоянное напряжение . В этом случае частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора:

.

Электромагнитная схема такой синхронной машины имеет вид, представленный на рис. 1.10. Обмотку ротора, питаемую постоянным током, называют обмоткой возбуждения. Питание подается от внешнего источника (возбудителя) через контактные кольца и щетки.

Если ротор такой машины привести во вращение, то магнитное поле , создаваемое обмоткой возбуждения, будет вращаться вместе с ротором и наводить в обмотке статора ЭДС. При включении нагрузки по обмотке статора потечет ток частоты , и синхронная машина будет работать в режиме генератора. Взаимодействие этого тока с полем приведет к возникновению момента , который будет действовать на проводники обмотки статора в направлении вращения поля, как и в асинхронном двигателе. Этот же момент передается на ротор, действуя против направления вращения (рис. 1.11, а) и вызывая торможение ротора. Для поддержания постоянства частоты потребуется увеличение внешнего момента .

Направление электромагнитного момента меняется, если изменить направление тока статора (рис. 1.11, б). Это можно сделать с помощью постороннего источника переменного тока. Тогда электрическая энергия этого источника преобразуется в механическую, и синхронная машина будет работать в режиме двигателя.

Рассмотренные нами электрические машины относятся к классу машин переменного тока. Наряду с ними существуют и машины постоянного тока. Электромагнитную схему машины постоянного тока можно получить из схемы синхронной машины, если в обмотку статора ввести механический выпрямитель - коллектор и расположить его вместе с обмоткой статора на вращающейся части, а обмотку возбуждения на неподвижной части (рис. 1.12). В этом случае вращающуюся часть называют якорем, а не-подвижную - индуктором. Рассмотрим простейший случай, когда обмотка якоря представлена одним витком. Концы обмотки подсоединяются к двум коллекторным пластинам, выполненным в виде полуколец. На коллекторные пластины устанавливаются щетки, через которые обмотка якоря связывается с внешней цепью.

Обмотка возбуждения создает неподвижное в пространстве магнитное поле. При вращении якоря его обмотка будет пересекать радиальную составляющую этого поля и в ней будет наводиться ЭДС вращения

,

где - линейная скорость на поверхности якоря; n - частота вращения якоря; D - диаметр якоря; - активная длина якоря; - радиальная составляющая магнитной индукции в воздушном зазоре.

Радиальная составляющая магнитной индукции имеет максимальное значение под серединой полюса и равна нулю на линии, проходящей строго по середине между полюсами (рис. 1.13). Эта линия называется геометрической нейтралью. Знак индукции примем положительным, если силовые линии выходят из якоря, и отрицательным - если входят в якорь.

Из выражения для ЭДС следует, что при постоянной частоте вращения якоря характер изменения ЭДС во времени будет повторять характер распределения индукции вдоль пространственной координаты х. При прохождении обмотки якоря через геометрическую нейтраль одновременно с изменением направления ЭДС в ней происходит и смена коллекторных пластин под щетками. Поэтому под правой щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под левой щеткой - с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате полярность щеток остается неизменной:

.

В реальных машинах постоянного тока для уменьшения пульсаций выпрямленной ЭДС увеличивают число проводников и коллекторных пластин (рис. 1.14).

В этом случае между щетками действует ЭДС Е, равная сумме мгновенных значений ЭДС каждого проводника, находящегося под одним полюсом:

.

Машина постоянного тока также обладает свойством обратимости. В режиме генератора ток якоря I и ЭДС Е совпадают по направлению, а электромагнитный момент, как нетрудно убедиться из рис. 1.14, будет действовать против направления вращения якоря. Для того чтобы перевести машину постоянного тока в двигательный режим, необходимо изменить направление тока в якоре при прочих равных условиях. Для этого машину постоянного тока включают на источник постоянного тока с напряжением, превышающим ЭДС якоря. Изменение направления тока якоря приводит к изменению направления электромагнитного момента. Он становится положительным (действует в направлении вращения якоря), и машина постоянного тока переходит в режим двигателя.

Краткое рассмотрение электромагнитных схем показывает, что все электрические машины имеют много общих черт. При определенных условиях электромагнитная схема одной машины переходит в другую. Однако несмотря на принципиальную общность электромагнитных схем каждая из машин имеет свои индивидуальные электромагнитные и конструктивные особенности, без учета которых невозможно создать надежные и экономичные электрические машины и обеспечить эффективную их работу в эксплуатации.

Изучению этих вопросов и посвящаются следующие разделы курса.