Электрические машины постоянного и переменного тока

Электрические машины служат для превращения механической энергии в электрическую (генераторы переменного и постоянного тока) и для обратного превращения (электродвигатели).

Во всех указанных случаях используются в сущности три основных открытия в области электромагнетизма: явление механического взаимодействия токов, открытое Ампером в 11 г., явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1831 г., и теоретическое обобщение этих явлений, сделанное Ленцем (1834 г.) в его известном законе о направлении индукционного тока (по существу закон Ленца предвосхитил закон сохранения энергии для электромагнитных процессов).

Для преобразования механической энергии в электрическую или обратно необходимо создать относительное движение проводящего контура с током и магнитного поля (магнита или тока).

В электрических машинах, рассчитанных на длительную работу, используется вращательное движение подвижной части машины (ротор машины переменного тока), расположенной внутри неподвижной части (статора). Обмотка машины, служащая для создания магнитного поля, называется индуктором, а обмотка, обтекаемая рабочим током, называется якорем. Оба последних термина употребляются и для машин постоянного тока.

Для увеличения магнитной индукции обмотки машин размещаются на ферромагнитных телах (сталь, чугун).

Все электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут использоваться как в качестве генераторов электрической энергии, так и в качестве электродвигателей.

1. Классификация электрических машин постоянного и переменного тока

Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) либо электрической в механическую (двигатели).

Электрические машины, как и другие устройства, также можно классифицировать.

Классифицируют электрические машины по назначению, принципу действия и роду тока, мощности, по частоте вращения.

Классификация по назначению

Электрические машины по своему назначению подразделяют на:

Электромашинные генераторы (Рис.3). Они выполняют преобразовании энергии механической (вращение) в электрическую. Они устанавливаются на электрических станциях, автомобилях, самолетах, передвижных электростанциях, кораблях и в других установках.

На электростанциях генератор приводят в движение мощные паровые турбины, на автомобилях и прочих транспортных средствах – газовые турбины или двигатели внутреннего сгорания.

Генераторы очень часто используют в качестве источников питания в различных установках связи, автоматики и измерительной техники и в других системах.

Электромашинные генераторы

Рисунок 3 – Электромашинные генераторы

Электрические двигатели (Рис.4) – выполняют функции обратные генератору, а именно, преобразуют электрическую энергию в механическую. Они используются для приведения в движение множества установок в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, в быту, в системах связи. В системах автоматического регулирования их активно используют в качестве регулирующих, программирующих и исполнительных органов.

Электродвигатель постоянного тока

Рисунок 4 – Электродвигатель постоянного тока

Электромашинные преобразователи – выполняют преобразования электрических величин. Например, могут преобразовывать постоянный ток в переменный и наоборот, изменять частоту, число фаз и другие функции. В связи с активным внедрением полупроводниковых преобразователей электромашинные преобразователи в новых проектах используют крайне редко (практически никогда), а уже установленные электромашинные преобразователи активно модернизируются полупроводниковыми (тиристорными и транзисторными).

Электромашинные компенсаторы – осуществляют регулирование коэффициента мощности cos φ, а именно баланса реактивной мощности в сети.

Электромашинные усилители – используют для объектов большой мощности. Это, своего рода усилители, они усиливают сигналы большой мощности, при этом управление ведется сигналами малой мощности. Роль этих усилителей, как и электромашинных компенсаторов, в современном мире практически сведена на нет из – за применения полупроводниковых усилителей (транзисторных и тиристорных).

Электромеханические преобразователи сигналов – это, как правило, электрические микромашины (например, сельсины), которые довольно широко используют в системах автоматического управления.

Классификация по роду тока и принципу действия

Как известно, существует два рода электрического тока – переменный и постоянный. Исходя из этого, электрические машины также подразделяют по роду тока на два вида – машины электрические переменного тока и машины электрические постоянного тока.

Электрические машины переменного тока.

В свою очередь электрические машины переменного тока делят на: Трансформаторы (Рис.5) – наиболее широко применимы в сетях электроснабжения для преобразования напряжений (повышение и понижение). Также довольно широко их применяют в выпрямительных установках для согласования напряжений, в устройствах связи, вычислительной техники и автоматики. Часто применяются и для проведения измерений электрических (измерительные трансформаторы), а также для различных функциональных преобразований (трансформаторы вращающиеся).

Асинхронные электродвигатели – самые распространенные в мире благодаря своей относительной простоте и низкой стоимости. Простота конструкции и высокая надежность позволяет применять их не только в промышленных электроустановках (станки, краны, подъемные машины), но и в бытовых (компрессора холодильников, вентиляторы, пылесосы). Довольно широкое применение получили однофазные и двухфазные асинхронные управляемые электродвигатели, а также сельсины и тахогенераторы асинхронные.

Трансформаторы

Рисунок 5 – Трансформаторы

Синхронные электродвигатели – наиболее часто применяемы в качестве генераторов электрического тока на электрических станциях. Также применимы в качестве генераторов повышенной частоты в различных источниках питания (например, на кораблях, тепловозах, самолетах).

Также в электроприводах большой мощности применяют синхронные электродвигатели, которые могут также помимо выполнения полезной работы и также влиять на коэффициент мощности сети cos φ. Относительно электроприводов малой мощности, то там довольно широкое распространение получили реактивные синхронные электродвигатели, шаговые, индукторные, с постоянными магнитами и другие.

Коллекторные машины – используют их относительно редко и зачастую только в качестве электродвигателей. Это вызвано сложностью их конструкции, а также в необходимости довольно тщательного ухода за ними. В бытовых электроприборах и устройствах автоматики применяются универсальные коллекторные электродвигатели, способные работать на двух родах тока – постоянном и переменном.

Электрические машины постоянного тока

В недалеком прошлом были они самыми популярными в регулируемом электроприводе из-за простоты управления ими. Они работают практически во всех сферах промышленности и транспорта. Из-за повышенной стоимости и требовательности в обслуживании активно вытесняются частотнорегулируемыми электроприводами переменного тока.

В связи с большим распространением машин постоянного тока также были распространены и генераторы постоянного тока.

Они использовались в качестве источников постоянного напряжения для зарядки аккумуляторных батарей, на транспорте, а также в промышленности. Ввиду развития полупроводниковой техники генераторы постоянного тока постепенно вытесняются из работы и активно заменяются на генераторы переменного тока работающих в паре с полупроводниковым преобразователем.

Также применяются электродвигатели постоянного тока и в системах автоматического управления АСУ в качестве усилителей электромашинных, тахогенераторов и исполнительных электродвигателей.

Электрические микромашины

Микромашины активно применяются в устройствах автоматических. Соответственно их подразделяют на группы:

Силовые микродвигатели – приводят во вращения механизмы различных автоматических устройств. Например, самопишущие устройства и другие.

Исполнительные (управляемые) микромашины – выполняют преобразование энергии электрической в механическую, то есть ведут обработку определенных команд из вне.

Тахогенераторы – преобразуют механическую энергию вращения вала в электрический сигнал напряжения, который пропорционален скорости вращения вала.

Вращающиеся трансформаторы – на выходе этих трансформаторов устанавливается напряжение, пропорциональное функции углу поворота ротора, например синусу или косинусу данного угла или же самому углу.

Машины синхронной связи – (магнесины или сельсины) осуществляют синфазный и синхронный поворот или же вращения нескольких осей, не имеющих между собой механической связи.

Классификация по мощности

Также электрические машины классифицируют еще и по мощности. И по мощности их делят на:

Микромашины – их мощность может варьироваться от нескольких долей ватта до 500 Вт. Они могут производится для двух родов тока — постоянного и переменного. Могут быть рассчитаны как на работу при нормальной (промышленной) частоте 50 Гц, так и при повышенной (от 400 до 2000 Гц).

Электродвигатели малой мощности – от 0,5 до 10 кВт. Также могут изготавливаться для двух родов тока – постоянного и переменного нормальной и повышенной частоты.

Электродвигатели средней мощности – от 10 кВт до нескольких сотен ватт.

Электродвигатели большой мощности – мощность данных машин больше нескольких сотен киловатт. Такие электродвигатели предназначены для работы на постоянном и переменном напряжении нормальной частоты. Исключение могут составлять электродвигатели специального назначения (авиация, флот) и другие.

Классификация по частоте вращения

Условно их разделяют на:

До 300 об/мин — тихоходные.

От 300 до 1500 об/мин — средней быстроходности.

От 1500 до 6000 об/мин — быстроходные.

Более 6000 об/мин — сверхбыстроходные.

Микромашины же могут изготавливать с частотой вращения вала от нескольких оборотов в минуту до 60000 оборотов в минуту. Скорость вращения машин средней и большой мощности, как правило, не превышает 3000 об/мин..

2. Режимы работ электрических машин постоянного и переменного тока

Электрической машиной называется устройство, служащее для преобразования механической энергии в электрическую или, наоборот, электрической энергии в механическую. В первом случае машина называется электрическим генератором, во втором случае — электродвигателем.

В основу работы электрических генераторов положен принцип электромагнитной индукции (Рис.6). Известно, что если проводник пересекает магнитное поле, то в нем будет наводиться электродвижущая сила (э.д.с.), которая по законам электромагнитной индукции зависит от интенсивности магнитного поля, длины проводника, скорости его движения и угла между вектором поля и вектором движения проводника. Если этот проводник замкнуть, то в цепи появится электрический ток. Так как причиной наведения электродвижущей силы в проводнике является пересечение им магнитных силовых линий, той в том случае, когда проводник неподвижен, а движется (изменяется) магнитное поле, в проводнике также будет наводиться э. д. с.

Это физическое явление и положено в основу работы электрических генераторов. Любой генератор состоит из устройства, служащего для создания магнитного потока (например, электромагнита), и электрической обмотки, в которой наводится э.д.с.

Принцип электромагнитной индукции

Рисунок 6 – Принцип электромагнитной индукции

У генераторов постоянного тока обмотка обычно размещается на вращающейся части, называемой якорем (Рис.7). Якорь располагается между полюсами, создающими магнитное поле. При вращении якоря механическим двигателем в этом магнитном поле в обмотке наводится э.д.с., которая прямо пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. С помощью коллектора ток подается во внешнюю цепь.

Аналогичным образом устроены и генераторы переменного тока, только у них основная обмотка, как правило, размещается на неподвижной части, называемой статором, а магнитное поле создается полюсами, расположенными на вращающейся части (роторе).

Очевидно, что для получения электроэнергии якорь (ротор) генератора должен вращаться каким-либо двигателем, являющимся источникам механической энергии.

Генератор постоянного тока

Рисунок 7 – Генератор постоянного тока

Действие электродвигателей основано на свойстве проводника с током двигаться в магнитном поле. Известно, что если проводник с электрическим током поместить в м

Характерным свойством электрических машин является их обратимость. Действительно, если якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле полюсов механическим двигателем, то машина будет источником электрической энергии. Та же машина может использоваться и как источник механической энергии.

Для этого к обмотке якоря с помощью щеток и коллектора нужно подвести электрическую энергию, и якорь придет во вращение.

Таким образом, для электродвигателей возможны два основных режима работы: двигательный и генераторный, часто называемый также тормозным режимом.

Режимы электрической машины

Рисунок 8 – Режимы электрической машины: а – двигательный; б – тормозной

В двигательном режиме (Рис. 8,а) к зажимам электродвигателя подводится электрическая энергия, преобразуемая им в механическую. Создаваемый при этом вращающий момент принято считать положительным, так как направление момента совпадает с направлением вращения.

При работе электродвигателя в тормозном режиме (Рис. 8,б) к валу подводится механическая энергия, которая машиной преобразуется в электрическую. Создаваемый при этом вращающий момент будет отрицательным, так как он препятствует вращению машины.

Любой электродвигатель может работать в любом из этих режимов при определенных условиях. При работе в двигательном режиме к валу электродвигателя приложены два момента: момент, развиваемый электродвигателем, и момент, создаваемый приводимым в движение механизмом. Последний называют статическим моментом или моментом сил сопротивления на валу электродвигателя. В дальнейшем момент, развиваемый в двигательном режиме, будем называть вращающим, а момент, развиваемый в генераторном режиме, — тормозным.

Вращающий момент любого электродвигателя, прямо пропорционален магнитному потоку и току в обмотке якоря (ротора). Статический момент, создаваемый приводимым механизмом, определяет нагрузку электродвигателя и может быть положительным и отрицательным. Статический момент положителен, когда его направление совпадает с направлением движения, и отрицателен, когда он направлен против движения. В первом случае статический момент называется движущим, а во вторам — моментом сопротивления.

Отрицательные статические моменты создаются силами трения, силами сопротивления резанию, сжатию, растяжению и скручиванию неупругих тел, а также силой тяжести при подъеме груза. Положительные статические моменты создаются на валу электродвигателя силой тяжести при спуске груза. Статический момент может также состоять из нескольких слагаемых, имеющих разные знаки.

3. Режимы работы трансформатора

Силовой трансформатор (СТ) — электротехническое устройство в сетях электроснабжения (электросетях) с двумя или более обмотками (трансформатор), который посредством электромагнитной индукции преобразует одну величину переменного напряжения и тока в другую величину переменного напряжения и тока, той же частоты без изменения её передаваемой мощности.

Классификаця СТ по:

  • количеству обмоток — двух — и многообмоточные;
  • количеству фаз — одно — и трехфазные;
  • назначению — понижающие и повышающие;
  • типу исполнения — сухие, масляные и с жидким негорючим диэлектриком;
  • возможности регулирования выходного напряжения — нерегулируемые и регулируемые;
  • климатическому исполнению — наружные и внутренние.

Основу любого силового трансформатора составляет сердечник из ферромагнитного материала с несколькими обмотками. Переменный ток, проходящий через витки первичной обмотки создает магнитный поток в сердечнике, который свою очередь, индуцирует ЭДС во всех остальных обмотках. Обмотки трансформатора выполняют в большинстве случаев из изолированных медных проводов круглого или прямоугольного сечения. Обычно первой наматывается обмотка низкого напряжения, поскольку уменьшаются затраты на изолирование обмотки от сердечника.

Между отдельными слоями обмоток, а также между самими обмотками при изготовлении предусматривают пустоты для циркуляции охладителя. В качестве охладителя в мощных трансформаторах применяется масло, которое отбирает тепло от обмоток и передает его в окружающую среду через радиаторные трубки.

Режимы работы трансформатора Различают несколько режимов работы трансформатора, выделим три режима работы: рабочий режим, режим холостого хода, режим короткого замыкания (Рис.9).

Рисунок 9 – Режимы работы трансформатора

Рабочий режим (Рис.10) — это работа трансформатора при подключенных потребителях или под нагрузкой (под нагрузкой понимается ток вторичной цепи — чем он больше, тем больше нагрузка). К трансформатору подключаются различного рода потребители: электрические двигатели, освещение и т. п.

Рабочий режим (а) и схема замещения (б) трансформатора

Рисунок 10 – Рабочий режим (а) и схема замещения (б) трансформатора

Режим холостого хода (Рис.11) трансформатора представляет собой такой режим работы (предельный), когда его вторичная электрическая обмотка разомкнута (не соединена с электроцепью) и сила тока вторичной обмотки приравнивается нулю (то есть I2 = 0). Наблюдение работы холостого хода трансформатора позволяет определить действительный коэффициент трансформации, силу тока, реальные потери и электрическое сопротивление холостого хода трансформатора.

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Рисунок 11 – Схема трансформатора в режиме холостого хода

При работе холостого хода трансформатора его первичную обмотку подключают в электрическую сеть переменного синусоидального тока на некоторое номинальное напряжение U1. Под воздействием подсоединённого электрического напряжения по первичной обмотке трансформатора начинает течь некоторая сила тока (который равен электрическому току холостого хода). Сила тока холостого хода трансформатора равна около 5—10% номинального его значения, а в электрических трансформаторах с малой мощностью (примерно десятки вольт-ампер) может достигать величины в 30% и даже больше номинального рабочего.

Режим короткого замыкания трансформатора (Рис.12) — это режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко или подключена к нагрузке с очень малым сопротивлением (например, в цепь включен амперметр). Различают два вида короткого замыкания — аварийное и испытательное. При испытательном определяются активные потери в меди обмоток (их нагревание).

Схема трансформатора в режиме короткого замыкания

Рисунок 12 – Схема трансформатора в режиме короткого замыкания

Трансформатор испытывает перегрузки при воздействии нагрузок и температур выше допустимой нормы. Для каждой модели эти показатели свои. Производители силовых трансформаторов предусматривают возможность работы оборудования в условиях перегрузки. Но если устройство испытывает их продолжительное время или регулярно – это уменьшает срок службы оборудования. Допустимые перегрузки описаны в стандартах. Например, для масляных трансформаторов разработан ГОСТ 109-97.

Трансформатор находится в аварийном режиме, если на него воздействует электрический ток, который сильно превосходит номинальные величины. Дальше давать работать оборудованию нельзя. Как правило, в трансформаторах существуют автоматические выключатели. Они отключают питание оборудования.

Признаки аварийного режима:

  • громкий и неритмичный шум и треск в баке трансформатора;
  • повышение температуры рабочей части трансформатора;
  • утечка трансформаторного масла.

Часто аварийный режим возникает из-за короткого замыкания во вторичной обмотке. Исключение – трансформаторы тока и сварочные трансформаторы. Для них режим короткого замыкания является рабочим.

Напряжение во время короткого замыкания (КЗ) – это еще и важный показатель, который влияет на эксплуатацию трансформатора. Его измеряют в процентах. Для трансформаторов со средним показателем мощности напряжение КЗ составляет 5-7%, а для более мощных – 6-12 %.

Важно не допускать работы трансформатора в аварийном режиме вообще и ограничивать его перегрузки. В этом случае оборудование прослужит вам заявленный производителем срок.