ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ.

Электроприводом называется электромеханическая система, предназначенная для электрификации и автоматизации рабочих процессов.

Электропривод это электромеханическая система, состоящая из преобразующего, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств (рис. 15.1).

Преобразующее устройство (ПрУ) осуществляет переход от одной физической величины к другой или изменяет масштаб физической величины (напряжения, тока или частоты). Оно может быть выполнено в виде магнитного усилителя, в виде магнитного усилителя с выпрямлением или в виде управляемого выпрямителя на тиристорах и т. д.

В электродвигательном устройстве (ЭДУ) происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Передаточное устройство (ПУ) служит для изменения скорости до значения, необходимого рабочему механизму (РМ). Оно может быть управляемым и неуправляемым. Неуправляемое ПУ выполняется в виде редуктора. Управляемое ПУ представляет собой коробку передач с электромагнитными муфтами, изменяющими ее передаточное число.

Управляющее устройство (УУ) регулирует работу всех блоков электропривода: мощность на валу рабочего механизма, значение и частоту напряжения, передаточное число коробки передач, направление вращения электродвигателя, изменяет схему включения электродвигателя и т.д.

На практике электропривод бывает автоматизированный и неавтоматизированный. В автоматизированном электроприводе человек создает только начальное управляющее воздействие (пуск электропривода). В неавтоматизированном – человек периодически управляет работой электропривода.

Электроприводы делят на три группы: групповые, одиночные, многодвигательные.

В групповых электроприводах электродвигатель с помощью механической передачи (трансмиссии) приводит в действие несколько рабочих механизмов.

В одиночных электроприводах механизм приводится в действие индивидуальным электродвигателем. При этом все элементы рабочего механизма соединяются с приводным двигателем соответствующими передачами.

В многодвигательных электроприводах каждый орган рабочего механизма снабжен своим двигателем. Так, например, на расточном станке вращение фрезы производится с помощью одного двигателя, продольное перемещение детали – другого, поперечное перемещение – третьего.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Электрические машины классифицируются по четырем признакам:

– по назначению,

– по роду тока,

– по мощности,

– в зависимости от частоты вращения.

Схема классификации приведена на рис. 15.2. Кратко рассмотрим особенности электрических машин, в зависимости от их принадлежности к признаку классификации.

По назначению электрические машины разделяют на электромашинные генераторы, электродвигатели, электромашинные преобразователи, компенсаторы, усилители и электромеханические преобразователи сигналов.

Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Их применяют на электрических станциях и в различных транспортных средствах. В ряде случаев генераторы используют в качестве источников питания в установках связи, измерительной техники, в системах автоматики.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Электрические двигатели приводят во вращение различные машины, механизмы и устройства. В современных системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных, регулирующих и программирующих органов.

Электромашинные преобразователи преобразуют переменный ток в

постоянный и наоборот. Они изменяют величину напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др. параметры.

Электромашинные компенсаторы осуществляют генерирование реактивной мощности.

Электромашинные усилители применяют для управления большой мощностью с помощью малой мощности, подаваемой на их обмотки управления.

Электромеханические преобразователи сигналов генерируют, преобразуют и усиливают различные сигналы. Выполняются, как правило, в виде электрических микромашин. Применяются в системах автоматического регулирования, измерительных и решающих устройствах в качестве датчиков, дифференцирующих и интегрирующих элементов, сравнивающих и регулирующих органов.

По роду тока электрические машины делят на машины переменного и

постоянного тока.

Машины переменного тока, в зависимости от особенностей электромагнитной системы, подразделяют на асинхронные, синхронные и коллекторные. К ним относятся также трансформаторы, у которых процесс преобразования энергии во многом подобен электрическим машинам.

Асинхронные машины используют в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяют применять их в различных отраслях техники. В системах автоматического регулирования используют одно и двухфазные асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал, а также сельсины, осуществляющие синхронный поворот или вращение нескольких, не связанных друг с другом механических осей.

Синхронные машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях, а также в качестве генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах и т. п.). В качестве электродвигателей синхронные машины применяют в электрических приводах большой мощности. Синхронные машины малой мощности широко применяют в устройствах автоматики.

Коллекторные машины переменного тока применяют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Коллекторные машины имеют асинхронное вращение ротора относительно поля, но ввиду наличия у них коллектора они выделяются в отдельный вид. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода, поэтому используются сравнительно редко, в основном в устройствах автоматики и электробытовых приборах.

Машины постоянного тока применяют в качестве генераторов и электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах. В системах автоматического регулирования машины постоянного тока используются в качестве электромашинных усилителей, исполнительных двигателей и тахогенераторов.

По мощности электрические машины условно разделяют на микромашины (мощностью от долей ватта до 500 ватт), машины малой (от 0,5 до 10 кВт), средней (от 10 до нескольких сотен киловатт) и большой (свыше нескольких сотен киловатт) мощности.

В зависимости от частоты вращения машины условно разделяют на тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300 ÷ 1500 об/мин), быстроходные (1500 ÷ 6000 об/мин) и сверхбыстроходные (свыше 6000 об/мин).

3. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. Поэтому можно говорить об устройстве машин, не рассматривая отдельно устройство генератора или двигателя. Однако на практике машины двойного назначения используются редко. Это так называемые стартер-генераторы (машины постоянного тока), которые устанавливаются на некоторых подвижных объектах. В рамках лекции свойством обратимости воспользуемся для анализа физических процессов в электрических машинах, подчеркнуто не увязывая этот анализ с их назначением.

3.1. Э.Д.С. в рабочих обмотках электрических машин.

Электрические машины состоят из двух частей. Одна часть неподвижная и называется статором. Другая часть – подвижная и называется ротором. Статор и ротор выполняются из ферромагнитного материала и образуют магнитопровод с необходимым воздушным зазором.

На статоре и роторе размещают две обмотки. Одна из них служит для создания рабочего магнитного поля машины и называется обмоткой возбуждения. В другой обмотке индуцируется Э.Д.С. и создается рабочий ток. Эта обмотка называется рабочей.

Работа всех электрических машин основана на электромеханическом взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Ток возникает под воздействием Э.Д.С. рабочей обмотки. Рассмотрим принцип формирования Э.Д.С. на примере синхронной машины переменного тока (рис. 15.3, а) и машины постоянного тока (рис. 15.3, б).

В синхронной машине обмотка возбуждения 1 размещена на роторе. Она состоит из четырех катушек. Ток в катушках поддерживается внешним источником Э.Д.С. и создает четырехполюсное магнитное поле. На статоре размещены катушки рабочей обмотки 2.

На рис. 15.3, б дан поперечный разрез машины постоянного тока. Здесь обмотка возбуждения находится на статоре, а катушка рабочей обмотки – на роторе.

Таким образом, в машине переменного тока магнитное поле возбуждения вращается относительно рабочей обмотки, а в машине постоянного тока рабочая обмотка вращается в неподвижном магнитном поле возбуждения.

Воздушный зазор машины δ обычно на несколько порядков меньше ее осевой длины l. Поэтому магнитное поле вдоль оси машины можно считать однородным. Части катушки длиной l, находящиеся в рабочем магнитном поле машины, называют активными. Боковые части катушек у торцов магнитопровода называют лобовыми.

На внутренней поверхности статора образуются полюсы чередующейся полярности (участки, на которых магнитные силовые линии входят в поверхность или выходят из нее). Ширина этих участков обозначается τ и называется полюсным делением.

Исходя из того, что магнитные линии в зазоре перпендикулярны поверхности статора и ротора, а активные части проводников статора длиной l перпендикулярны вектору магнитной индукции , можем записать

(15.1)

где – магнитная индукция в воздушном зазоре.

Из (15.1) следует, что Э.Д.С. е пропорциональна . Если изменяется по синусоидальному закону, то и е будет изменяться по синусоидальному закону. Тогда ее действующее значение

, (15.2)

где – действующее значение магнитной индукции в зазоре.

Для расчета Э.Д.С. в рабочей обмотке машин переменного тока удобнее использовать другое известное выражение:

,

где е_к – Э.Д.С. в замкнутом контуре, – потокосцепление в контуре, S – поверхность интегрирования.

В машинах переменного тока распределение магнитной индукции близко к гармоническому. Это эквивалентно движению волны магнитного поля по зазору со скоростью Ω_отн. Когда максимум волны В совпадает с серединой катушки, потокосцепление максимально. Его амплитуда равна:

,

где – число витков катушки, Ф_П – магнитный поток полюса, причем

=const.

Если машина имеет р пар полюсов, то угловая частота Э.Д.С. определяется произведением:

.

Учитывая приведенные соотношения и применяя принцип определения Э.Д.С. трансформаторов к машине переменного тока, получим:

, (15.2а)

где Е_к – действующее значение Э.Д.С. катушки.

3.2.Электромагнитный момент

Известно, что в однородном магнитном поле на прямолинейный отрезок длиной l с постоянным током I действует сила F, причем:

. (15.3)

В (15.3) предполагается, что вектор магнитной индукции перпендикулярен направлению тока.

В электрических машинах проводники рабочей обмотки уложены в пазы статора или ротора. Они окружены ферромагнитной средой. Поэтому магнитное поле возбуждения действует на микротоки, протекающие по поверхности пазов. Линейная плотность этих токов, в оговоренных выше условиях, примерно равна I. Поэтому для машин постоянного тока выражение (15.3) справедливо. Для действующего значения магнитной индукции оно принимает вид:

. (15.4)

В машинах переменного тока i(t)=I_m∙sin ωt проводник находится в поле магнитной индукции . Здесь ε – угол сдвига фаз между магнитной индукцией и током. Электромагнитная сила, действующая на проводник, периодически изменяется с удвоенной частотой:

.

Среднее значение электромагнитной силы (постоянная составляющая) определяется выражением:

. (15.5)

Постоянная составляющая электромагнитной силы зависит от сдвига

по фазе синусоидального тока и магнитной индукции, а также от действующих значений и I. Произведение определяет активную составляющую тока I_a. Значит, постоянная составляющая электромагнитных сил в машинах переменного тока, пропорциональна активной составляющей тока в рабочей обмотке:

. (15.6)

Электромагнитный момент М, действующий на ротор диаметром D, равен сумме моментов сил, приложенных к N проводникам его обмоток:

. (15.7)

3.3. Преобразование энергии в электрических машинах

Процесс преобразования энергии в электрических машинах рассмотрим на простейшем макете по рис. 15.4. В макете двигателя постоянного тока (рис. 15.4, а) рабочий ток I, созданный источником постоянной Э.Д.С. Е_вн, замыкается по направляющим 1, 2 и поперечному прутку 3. Цепь находится в однородном магнитном поле, перпендикулярном прутку, который может катиться по направляющим. На пруток действует сила по (15.3). Она уравновешивается внешней силой – F_вн, т. е.

F = F_вн.

Если при этом пруток движется со скоростью ν, то за время dt совершается механическая работа

A = F∙ν∙dt.

Таким образом, произошел процесс преобразования электрической энергии источника в механическую энергию движения прутка. Часть энергии теряется на теплоту в проводниках с сопротивлением r.Баланс энергий определяется выражением:

. (15.8)

Подставляя в (15.8) значение F из (15.4) и учитывая (15.2), получим:

, (15.9)

где Е_вн I = P_эл, r∙I² = ∆P_эл – потери энергии на теплоту, E∙I – электромагнитная мощность.

Электромагнитная мощность определяется выражением:

Р_эл = E∙I = l∙B∙ν∙I = F_вн∙ν (15.10)

и характеризует скорость преобразования электрической энергии в механическую.

Для макета генератора (рис. 15.4, б) после аналогичных действий можно получить выражение:

, (1511)

где F_вн∙ν = l∙B∙I∙ν = P_эм.

Процесс преобразование энергии в машинах переменного тока аналогичен. Отличие заключается в том, что цепи рис.15.4 будут находиться в переменном магнитном поле, которое будет изменяться вдоль направляющих по гармоническому закону. В выражениях для электромагнитной мощности необходимо использовать действующие значения магнитной индукции и тока.

Оценивая работу электрических машин, нужно учитывать потери энергии. Общие потери складываются из потерь на нагрев проводов, потерь в магнитопроводе и механических потерь. Качество машин оценивается коэффициентом полезного действия – η. Для электродвигателя

,

а для генератора

.

При номинальной нагрузке КПД электрических машин достигает (70 ÷99)%.

4. ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Движущиеся магнитные поля широко используют в разных областях техники. Во многих механизмах с линейным движением используют бегущее вдоль заданной прямой магнитное поле. Такое поле создают в электромагнитных насосах для электропроводных жидкостей. В таких насосах отсутствуют движущиеся части. Движение жидкости происходит в результате взаимодействия бегущего магнитного поля на токи, индуцированные этим полем в жидкости.

В большинстве электрических машин переменного тока вращающееся магнитное поле токов статора заставляет вращаться ротор. Явление вращающегося магнитного поля было открыто в 1888 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла. Было предложено много конструкций двигателей, использующих вращающееся магнитное поле. Но лучшей стала конструкция, разработанная М. О. Доливо–Добровольским. Рассмотрим принцип формирования вращающегося магнитного поля.

Простейшая однофазная обмотка статора в виде четырех последовательно соединенных проводников приведена на рис. 15.5. Эти проводники можно рассматривать как две последовательно соединенные одновитковые катушки. Активные части проводников уложены в пазы статора и соединены лобовыми частями обмотки.

Обмотку и ее магнитное поле удобно рассматривать на развертке машины (рис.15.6, а). На развертке кольцевой воздушный зазор между статором и ротором представлен линейным.

Пусть обмотка подключена к источнику переменного тока:

i(t) = I_m∙cos ωt.

Пусть также в момент времени t = 0 ток в обмотке имеет указанное на рис. 15.6, а направление. Ток в проводниках образует поле, магнитные линии которого изображены на рис. 15.6, б. На поверхности статора и ротора образуются чередующиеся северные и южные полюсы. Ширина каждого полюса τ равна шагу обмотки (расстоянию между сторонами катушек с противоположным направлением токов). Ширина полюса τ, общее число полюсов 2p и диаметр статорной расточки D_ст, связаны соотношением:

2pt = πD_ст. (15.12)

Если пренебречь магнитным сопротивлением ферромагнитных участков магнитной цепи машины, то закон полного тока принимает вид:

2δН_δ = I,

где Н_δ – напряженность магнитного поля в зазоре,δ – ширина зазора.

Магнитная индукция в зазоре определяется известным выражением

. (15.13)

Кривая распределения магнитной индукции в зазоре В(х) вдоль статорной расточки построена на рис. 15.6, в. Представив прямоугольную кривую рядом Фурье и ограничиваясь первой гармоникой, можно записать аналитическое выражение закона распределения магнитной индукции:

, (15.14)

где λ = πD_ст/2.

Амплитуда первой гармоники В_(1)m не остается постоянной. Она пульсирует вместе с током:

. (15.15)

Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины по рис. 15.6 для различных моментов времени изображено на рис. 15.7. Это стоячая волна. Для такой волны характерны неподвижность узлов (точек, в которых В = 0) и непрерывная пульсация амплитуды по гармоническому закону.

Известно, что стоячая волна представляет совокупность двух бегущих волн – прямой и обратной. Выражение для прямой и обратной волн получают из (15.15), применив к нему тригонометрические преобразования:

. (15.16)

Для определения скорости бегущей волны нужно найти производную dх/dt из уравнения , определяющего постоянство фазы колебания. Тогда получим:

. (15.17)

В (15.17) знак «+» показывает, что движение волны совпадает с положительным направлением отсчета оси Х. Знак «–» означает, что волна движется в обратном направлении. Следовательно, первое слагаемое выражения (15.16) представляет прямую волну магнитной индукции в воздушном зазоре, а второе – обратную. Скорость волны пропорциональна частоте тока в катушке ω и ширине катушек τ.

Если одну из волн подавить, то оставшаяся волна обеспечит вращение ротора. Для подавления одной из волн применяют двухфазную обмотку. Развертка такой обмотки приведена на рис. 15.8, а. Катушки фаз смещены в пространстве на половину полюсного деления τ, т. е. на τ/2. Токи в фазах обмотки сдвинуты на угол π/2 (рис.15.8, б). Амплитуды токов одинаковы. В этом случае волны фаз описываются выражениями:

;

.

Их преобразование в бегущие волны имеет вид:

;

.

Видим, что прямые волны складываются, а обратные компенсируют друг друга. В воздушном зазоре остается одна прямая волна:

.

Чтобы изменить направление вращения поля, достаточно изменить фазу одного из токов на π.

Трехфазную обмотку соединяют звездой или треугольником и подключают к трехфазному источнику Э.Д.С. Аналитическое выражение для бегущей волны трехфазной обмотки можно получить путем аналогичных преобразований. Оно имеет вид:

.

Из последнего выражения видим, что амплитудное значение бегущей волны увеличилось в полтора раза.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

15.1. Сформулируйте определение системы электропривода.

15.2. Приведите упрощенную структурную схему электропривода. Определите назначение ее функциональных узлов.

15.3. Перечислите основные группы электропривода. Назовите их отличительные особенности.

15.4. Назовите основные признаки классификации электрических машин.

15.5. Приведите деление электрических машин по назначению. Определите область применения каждого из классов электрических машин.

15.6. Приведите признаки деления электрических машин по роду тока. Определите область применения каждого из классов электрических машин.

15.7. Какой вид взаимодействия магнитного поля и проводника с током положен в основу работы электрических машин?

15.8. В чем отличие процесса формирования Э.Д.С. в электрических машинах и в трансформаторах? Существуют ли общие признаки процесса?

15.9. Приведите выражение для Э.Д.С. электромагнитной индукции в катушке рабочей обмотки машины. Какие физические величины определяют значение Э.Д.С.?

15.10. В чем заключается отличие выражений для электромагнитного момента машин постоянного и переменного тока? Какие физические величины определяют значение электромагнитного момента?

15.11. Используя рис. 15.4, а поясните процесс преобразования электрической энергии внешнего источника в механическую энергию двигателя.

15.12. Используя рис. 15.4, б поясните процесс преобразования механической энергии внешнего двигателя в электрическую энергию генератора.

15.13. Что характеризует электромагнитная мощность машины?

15.14. Перечислите слагаемые потерь энергии в электрических машинах.

15.15. Какой математический прием позволяет превратить стоячую волну в бегущую? Как реализуется этот прием в электрических машинах?