Общие сведения об электрических машинах

   

К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
 Лекцию 2 с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру. 

Лекция 2.               
 §1 Понятия и классификация.
 П1 Обратимость электрических машин
Электрической машиной называют электромеханический, как правило, вращающийся преобразователь энергии.  Преобразование основывается на взаимодействии индуктора, создающего магнитное поле, с витками обмотки электрической машины. В машинах постоянного тока индуктор (основные полюса)  закрепляется  на неподвижной части машины, а обмотка наматывается на вращающуюся часть (якорь). В синхронных машинах индуктор представляет собой вращающуюся часть (ротор), а обмотка укладывается в пазы неподвижного статора. При перемещении индуктора относительно обмотки в ней, на основе закона электромагнитной индукции, возникает ЭДС, а если обмотка замкнута, то и ток. С другой стороны, на вращающийся  контур с током в магнитном поле действует  момент силы.  Если обмотка подключена к источнику  питания, то в зависимости от соотношения напряжения на источнике и ЭДС индукции, машина может потреблять или  производить электрическую энергию. Если машина потребляет электрическую энергию, то момент силы вращает ротор, производя механическую работу. Говорят, что электрическая машина работает в режиме  двигателя. Если машина производит электрическую энергию из механической, то момент силы действует против вращающего момента первичного двигателя, создающего вращающий момент. Говорят, что электрическая машина работает в режиме генератора. Этот принцип, согласно которому электрическая машина может работать как генератором, так и двигателем, называется принципом обратимости электрической машины. Все типы электрических машин обладают свойством обратимости. (1) 
П2 Классификация электрических машин
Все электрические машины условно можно разделить на два больших класса -  постоянного и переменного тока. Условно потому, что существуют машины, которые могут успешно работать как от постоянного, так и от переменного тока. Машины переменного тока, включают в себя два  основных подкласса - асинхронные и синхронные машины.
Асинхронные машины по типу ротора разделяются на машины с короткозамкнутым и фазным роторами.  Особый типе асинхронных машин составляют асинхронные коллекторные машины. Асинхронные двигатели любых типов  используются значительно чаще, чем асинхронные генераторы.
Синхронные машины разделяются на машины с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В явнополюсных роторах индуктор выполнен в виде явно выраженных полюсов. Распределению индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, близкое к синусоидальному, достигается за счет профилирования полюсов. Под центром полюса зазор меньше, чем по краям. Особое место среди машин с явнополюсным ротором  занимают машины с постоянными магнитами в роторе.
При больших скоростях вращения ротора, его не удается выполнить  явнополюсным.  В этом случае индуктор явно выраженных полюсов не имеет и называется неявнополюсным ротором. Ступенчатое распределение индукции в  равномерном зазоре достигается за счет распределения индукторной обмотки на роторе. Синхронные генераторы представляют собой основной тип электрических генераторов. В качестве двигателей синхронные машины используются значительно реже. Но в качестве двигателей большой мощности синхронные машины  имеют достаточно широкое распространение. Разновидностью синхронных машин, предназначенных для компенсации реактивной мощности сети, являются синхронные компенсаторы.
Главный классифицирующий признак машин постоянного тока - тип возбуждения. Различают машины независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Существует особый, безколлекторный тип машин постоянного тока, так называемые униполярные машины.
В системах автоматического регулирования и управления находят широкое распространение большое разнообразие электрических машин постоянного и переменного тока.  Некоторые из них вполне подходят под рассмотренные типы электрических машин, а другие образуют свои подтипы. Электрические машины мощностью от сотых ватт до сотых долей ватта называю микромашинами. В зависимости от назначения  микромашины разделяют на четыре  группы:1) Приводные двигатели - специальные  нерегулируемые двигатели для  индивидуального привода механизмов  2) Исполнительные двигатели - регулируемые двигатели систем автоматического управления 3)Машины систем синхронной связи 4)Информационные машины.(2)

Вопросы для самоконтроля.
1.Сформулируйте принцип обратимости электрических машин. (1)
2. Какие электрические машины называют микромашинами? (2)
§2 Вращающиеся и бегущие магнитные поля
П1Пространственные и  временные синусоидальные функции
В электротехнике, кроме синусоидальных функций времени, каковыми являются синусоидальные токи, напряжения, ЭДС рассматриваются синусоидальные функции, аргументами которых являются расстояние или плоский угол. Будем называть такие синусоидальные функции пространственными синусоидами.  Так, например, приходится исследовать синусоидальное распределение магнитной индукции вдоль зазора электрической машины. Вектор магнитной индукции в любой точке зазора перпендикулярен внутренней поверхности статора, так как у границы ферромагнитных тел магнитные линии перпендикулярны поверхности тела.  Поэтому можно написать в скалярной форме
   Здесь    - длина волны пространственной синусоиды, а х текущая координата. В машинах переменного тока закон изменения магнитной индукции близкий к синусоидальному, достигается за счет специального способа укладки обмоток.(1) Из- за того, что магнитное поле в зазоре создается системой проводников с токами, форма кривой поля представляет собой ступенчатую трапециевидную фигуру. Специальными техническими мерами удается уничтожить старшие из высших гармоник  этой кривой и в достаточной степени  приблизить ее форму к синусоиде.  Как правило, магнитная индукция зависит  еще от времени, то есть является функцией двойного аргумента. Если пространственная синусоида магнитной индукции  порождается одной обмоткой с током, изменяющимся по синусоидальному закону, то пространственная синусоида будет пульсировать с частотой тока. Аналитически пульсирующую синусоиду можно представить как произведение пространственной и временной синусоид.
      
Полученное выражение  есть  уравнение стоячей волны, для которой характерна неподвижность узлов ( точек, где индукция равна нулю), и изменение по гармоническому закону амплитуды колебания.
Используя тригонометрическую формулу произведения синусов, получим
 
То есть представим пульсирующую синусоиду, как суперпозицию двух бегущих в противоположные стороны волн, ибо составляющие последней формулы представляют собой формулы бегущих волн.
 
П2.  Соответствие между вращающимся вектором и бегущей синусоидой
Символический метод расчета цепи основан на преобразовании Фурье, с помощью которого синусоидальные функции времени преобразуются в комплексные числа. Действительно,  изображение синусоидальной функции -  сопряженная комплексная амплитуда   , является удвоенным значением одного из  сопряженных комплексных коэффициентов ряда Фурье в комплексной форме.
               
       То есть синусоидальной функции,  взаимно однозначно сопоставляется комплексное число  ,называемое в символическом исчислении  просто комплексной амплитудой.               
Если применить подобное преобразование к пространственной синусоиде
  то получим  вращающийся с частотой   вектор комплексной плоскости.
               
Таким образом , те же основания которые позволяют сопоставить синусоидальной функции комплексное число, позволяют сопоставить бегущей синусоиде   вращающий вектор   комплексной плоскости.
Стоячей волне, как суперпозиции двух бегущих в противоположных направлениях волн, тогда будет сопоставлен пульсирующий вектор комплексной плоскости. Такой вектор можно получить суперпозицией двух одинаковых по длине вектора, вращающихся  с одинаковой частотой , но в противоположные стороны .
П3 Принцип получения кругового вращающегося векторного поля
Простейший способ получения кругового вращающегося магнитного поля  - заставить равномерно вращаться тороидальный магнит  с зазором вокруг  оси ,  проходящей параллельно  стенкам зазора.
 Идею получения вращающегося магнитного поля с помощью системы неподвижных катушек можно уяснить, если рассмотреть, что проекции равномерно вращающегося вектора длиной В   на взаимно перпендикулярные   координатные оси изменяются как     и    соответственно. Следовательно,  для того чтобы вектор поля равномерно вращался, надо, чтобы: 1)одна его составляющая в ортонормированном базисе изменялась по закону косинуса, 2) а вторая  изменялась по закону синуса. (2). На комплексной плоскости вращающий вектор получается как суперпозиция  вектора B, пульсирующего по  закону косинуса, вдоль оси действительных чисел,  и равного ему по длине вектора  jB, пульсирующего по закону синуса, вдоль оси мнимых. 
               
В физическом пространстве можно получить такие составляющие поля, взяв две одинаковые ферромагнитные катушки, зазоры которых совмещены, а оси зазоров  взаимно перпендикулярны. В обмотках катушки должны течь одинаковые по амплитуде токи, один из которых изменяется по закону синуса, а другой косинуса.   В общем зазоре катушек возникнет вращающее поле. Если не учитывать выпучивание поля за пределы зазора, то можно считать, что  вектор магнитной индукции, равномерно вращаясь, изменяет свое направление, оставаясь неизменным по величине. Такой тип магнитного поля будем называть круговым,  равномерно вращающимся  магнитным полем. В нашем примере, поле будет таким  только в ближайшей окрестности общего центра зазоров. Вдали от центра, оно будет эллиптическим полем. Это значит, что вектор поля будет  изменять свою длину в процессе вращения. В предельном случае, в точке, где одна из взаимно перпендикулярных составляющих поля  равна нулю, эллиптическое поле вырождается в пульсирующее. Таким образом, круговое равномерно вращающееся поле это некоторая идеализация, предполагающая возможность существования   равномерных полей, векторы которых в каждой точке имеют одинаковую величину и направление и которые во времени изменяются строго по синусоидальному закону.
Можно показать, что если взять суперпозицию  n однородных векторных  полей, пульсирующих  вдоль n направлений, расположенных в одной плоскости под углом   одно от другого и обеспечить фазовый сдвиг пульсаций во времени   одна от другой, то результатом будет круговое равномерно  вращающееся поле.(3)
Условие получения кругового вращающегося поля:
1. Наличие симметричной n - фазной системы обмоток , ось каждой из которых смещена пространстве от соседней на равные углы 
2. Обмотки обтекаются симметричной системой токов
3. Поле каждой из обмоток однородно
При любом отступлении от симметрии или равномерности , магнитное поле , оставаясь, как правило, вращающимся, перестает быть круговым.

П4 Принцип получения бегущего поля
Опираясь на то , что в символическом исчислении синусоидальным функциям сопоставляются векторы комплексной плоскости, и на то , что система пульсирующих векторов , расположенных определенным образом в пространстве и  изменяющихся во времени  по известному законы образует вращающийся вектор, попытаемся сконструировать условия получения движущейся в пространстве синусоиды - волны.
Ранее было показано, что вращающемуся вектору комплексной плоскости однозначно соответствует бегущая волна. Очевидно, что если  n векторов комплексной плоскости, пульсирующих так, как это было показано в предыдущих пунктах , образуют вращающийся вектор, то  n пространственных синусоид, отображаемых данными векторами и изменяющихся аналогичным образом во времени образуется бегущая волна,  отображаемая этим  вращающимся  вектором. Например, для n=3 имеем:
 
Сформулируем условия получения бегущей синусоиды - волны поля: (4)
1. Симметричная n-фазная  система   обмоток , ось каждой из которых смещена в пространстве одна от другой  на угол 
2. Обмотки обтекаются симметричной  n-фазной системой токов
3. Каждая из обмоток при протекании по ней тока создает в пространстве синусоидальное распределение магнитной  индукции .
Вопросы для самоконтроля.
1. За счет чего обеспечивается близкое к синусоидальному распределение индукции в машинах переменного тока? (1)
2. Как получить вращающееся магнитное поле с помощью двух неподвижных обмоток? (2)
3. Сформулируйте условие получения вращающего поля с помощью n- фазной неподвижной системы обмоток (3)
4. Сформулируйте условие получения бегущего поля с помощью n-фазной неподвижной системы обмоток. (4)

 
§ 3 Устройство  электрических машин .
П1 Две основные  части  электрической машины
 С точки зрения происходящих в электрическом генераторе электромагнитных процессов принято выделять в ней две основные части:  часть, обеспечивающую создание сильного магнитного поля,  - индуктор, и часть, в которой возбуждается ЭДС,  - обмотка.
В синхронных машинах, как правило, обмотку размещать на статоре, а индуктор на роторе. Однако существуют конструкции синхронных генераторов, у которых индуктор размещен на статоре, а обмотка, в которой индуктируется ЭДС, на роторе.  Конструкция статора такого синхронного генератора аналогична конструкции статора машины постоянного тока.
  У машин постоянного тока обмотка, как правило, помещается на роторе, который называют якорем. В этом случае оказывается значительно проще конструкция коллектора и щеточного аппарата. Индуктор машины представляет собой набор постоянных магнитов, или, что встречается значительно чаще, электромагнитов равномерно размещенных вокруг якоря на неподвижной части машины - станине.
Принципиально возможно построить машину постоянного тока, у которой индуктор был бы размещен на роторе, а якорная обмотка  - на статоре. Независимо от конструктивного выполнения электрической машины именно в зазоре между статором и ротором  происходит электромеханическое преобразование энергии,  и поэтому  статор и ротор называют основными элементами электрической машины (1)
 П2 Конструкция статора машины переменного тока
 Статоры синхронных и асинхронных двигателей конструктивно  подобны, так как выполняют одинаковые функции создания вращающегося магнитного поля с помощью системы неподвижных обмоток. Рассмотрим конструкцию статора трехфазной электрической машины, имеющей наиболее широкое применение на практике.
 
Рисунок 10  Поперечный разрез трехфазного генератора
Основной частью статора является полый  пакет, цилиндрической формы,  набираемый из тонких и плоских колец электротехнической стали.
Для уменьшения возможности циркуляции вихревых токов, кольца изолируются друг от друга специальным лаком, (2) 
В пакете статора, параллельно образующей цилиндрической  внутренней поверхности, фрезеруются пазы, куда закладываются три симметричные обмотки ( фазы генератора). Оси фаз развернуты в пространстве  одна от другой на угол   радиан.
На рисунке    10    каждая обмотка показана состоящей из пяти витков, причем поперечные сечения витков фазы А оставлены светлыми , фазы В заштрихованы, а фазы С  зачернены. Две из четырех сторон каждого витка, так называемые активные стороны, лежат в противоположных пазах статора. Две другие, так называемые лобовые части , проложены в воздухе на торцах статора и на рисунке не показаны. В генераторном режиме, при вращении ротора, его вращающееся магнитное поле индуцирует в витках фазных обмоток статора электродвижущие силы, составляющие трехфазную симметричную систему ЭДС. В двигательном режиме трехфазная симметричная система токов обмотки статора создает,  бегущую вдоль зазора машины  по внутренней  окружности статора, волну магнитного поля. Когда обмотки статора ,формирующие пространственные синусоиды интенсивности магнитного поля, распределяют вдоль окружности статора, то добиваются, чтобы на длине окружности  укладывалось целое число р волн и угол смещения осей обмоток одна от другой  был равен   радиан. Число р в этом случае называют числом пар полюсов. Число пар полюсов связано с длиной волны   пространственной синусоиды соотношением   . Чем больше число пар полюсов, тем меньше длина  и скорость перемещения бегущей волны магнитной индукции.(3)
Рассмотрим электрические машины у которых , как и на рисунке 10  , по длине окружности статора   укладывается одна длина волны  .
Линейная скорость перемещения волны  поля у таких машин будет
   , а  соответствующая ей угловая частота вращения
максимума интенсивности магнитной индукции   .   Эта линейная скорость , максимально допустимая при данной частоте f   и данном радиусе статора R, соответствует числу пар полюсов p=1.
 При числе пар полюсов р= k аналогичные формулы будут иметь вид
    .
Для электрических машин, у которых р >1 ,то есть  на длине окружности статора укладывается несколько длин волн  , угловая мера в волнах поля не совпадает с угловой мерой в полных оборотах.
Принято угловую меру в волнах поля называть мерой в электрических градусах и электрических радианах. Тогда одному полному обороту будет соответствовать 360  электрических градусов и   электрических радиан. И наоборот, при числе пар полюсов р, угол  сдвига между обмотками трехфазной  системы в 120 электрических градусов будет равен   градусов обычной угловой меры. Каждой паре полюсов , занимающей   часть полной длины окружности статора, соответствует часть трехфазной обмотки включающая в себя все три фазы, сдвинутые друг относительно друга на   радиан.
  При соблюдение следующих условий:
1) Симметрия трехфазной системы обмоток, включающей в себя одинаковость размеров и формы, одинаковость сопротивлений фаз, равенство углов сдвига между осями обмоток в   электрических радиан 2) Симметрия трехфазной системы токов в обмотках машины 3) Синусоидальность формы кривой магнитной индукции в зазоре машины ,от каждой из фаз трехфазной системы обмоток с током,  бегущая вдоль зазора волна магнитной индукции будет представлять собой бегущую с постоянной скоростью синусоиду. Такое магнитное поле будем называть равномерно бегущим полем. Так как волна магнитного поля бежит вдоль зазора по кругу, то бегущее поле обычных электрических машин называют вращающимся. Надо отметить, что существуют электрические машины, ( линейные двигатели, МГД - насосы) в которых синусоида магнитного поля перемещается по прямой линии.
Отклонение от синусоидальности  в форме кривой пульсирующего  поля любой фазной обмотки вызывает появление бегущих с разными скоростями и  в разных направлениях волн высших гармоник. Отступление от требований симметрии приводит к неравномерной скорости основной волны и изменении ее амплитуды в процессе движения . И то и другое ухудшает энергетические и силовые параметры электрической машины. (4)

П3 Принцип действия синхронного двигателя
Принцип работы синхронного двигателя состоит в силовом взаимодействии собственного магнитного поля ротора с  вращающимся магнитным полем, созданным неподвижной системой  трехфазных обмоток статора. Иными словами, реакция на силу Ампера, вызванная взаимодействием токов статора с магнитным полем ротора, создает момент, вращающий ротор со скоростью поля трехфазной системы обмоток. (5)
 Чем больший момент нагрузки приложен к ротору, тем больший угол составляет основное направление  магнитного поля ротора с основным направлением магнитного поля, существующего в зазоре между статором и ротором. .(6)При фиксированной нагрузке этот угол, называемый углом нагрузки, фиксирован, а сами  поля, вращаясь синхронно, неподвижны друг относительно друга. По этой причине машину такого типа называют синхронной.(7) Если нагрузка на валу будет достаточно велика, вращающееся поле статора будет “проскакивать” поле ротора, обрывая, по терминологии Фарадея, трубки магнитного тяжения. Ротор остановится. Говорят, что двигатель выпал из синхронизма.(8)
П4 Принцип действия асинхронного двигателя
 Принцип действия асинхронного двигателя  основывается на  двух явлениях -  создании вращающегося поля с помощью системы неподвижных обмоток и   магнитоиндукционном эффекте, заставляющем ротор вращаться вслед за полем статора.  Ротор, имеющий токопроводящие контура, под действием магнитоиндукционного эффекта,   вызванного вращающимся полем,  приводится во вращение. (9)
Однако, ротор  вращаться несколько медленнее поля, ибо наводимые в токопроводящих контурах токи создают достаточный вращающий момент только при достаточной  разности частот вращения.
 Из-за разности частот вращения поля статора и ротора двигатель этого типа называют асинхронный.(10)
Вопросы для самоконтроля.
1.Почему статор и ротор называют основными элементами электрической машины? (1)
2. Почему статор набирают из стальных пластин ? (2)
3. Как число полюсов машины связано со скоростью вращения магнитного поля? (3)
4. Как отклонение от симметрии обмоток машины влияет на ее энергетические показатели? (4)
5. В чем состоит принцип действия синхронного двигателя? (5)
6.Почему синхронная машина так называется? (7)
7. Как ведет себя синхронный двигатель при сильном увеличении нагрузки на валу? (6,8)
8.Каков принцип действия асинхронного двигателя? (9)
9. Почему асинхронный двигатель так называется? (10)