Міністерство освіти і науки УкраїниКовельський промислово-економічний коледж

Луцького національного технічного університету

Електротехніка та електроніка

Конспект лекцій

Тема «Електричні машини»

Л.А. Дем’янець, викладач електротехніки

Ковель, 2015 рік

ТрансформаториПлан

1. Призначення трансформаторів.2. Будова і принцип роботи трансформатора. 3. Втрати і коефіцієнт корисної дії в трансформаторі. 4. Режими роботи трансформатора. 5. Трифазні трансформатори. 6. Автотрансформатор. 7. Вимірювальні трансформатори.

Сучасне суспільство неможливо уявити без електрифікації виробничої діяльності. Вже в кінці 80-х років понад 1/3 всього споживання енергії у світі здійснювалося у вигляді електричної енергії. Зараз ця частка може збільшитися до 1/2. Таке зростання споживання електроенергії, насамперед пов'язане зі зростанням її споживання в промисловості. Основна частина промислових підприємств працює на електричній енергії. Високе споживання електроенергії характерно для таких енергоємних галузей, як металургія, алюмінієва та машинобудівна промисловість.

В побуті електроенергія стала невід'ємним помічником. Побутова техніка, засоби зв’язку і інформації, електронагрівальні прилади, комп’ютерна техніка – невід’ємна частина комфорту кожної оселі. Адже якщо нас знеструмити, то ми просто повернемося в ті давні часи, коли готували їжу на багатті і жили в холодних вігвамах.

Важко уявити нашу працю і побут без електрики. Її широко використовують у промисловості, на транспорті, у зв’язку, в медицині й мистецтві. Електрика дозволила створити нові технології виробництва і матеріали, яких немає в природі.

Для чого потрібний трансформатор? Вже друге століття людство використовує електричний струм в промислових масштабах. І всі ці роки використовується в основному змінний струм. Логічно припустити, що він має якусь перевагу перед постійним струмом. Так, дійсно, змінний струм здатний легко перетворюватися в струм іншої напруги. Наприклад, електрогенератори гідроелектростанцій або теплоелектростанцій виробляють струм напругою 10–20 кВ. Але по проводах вигідно передавати струм напругою 100–1000 кВ. До двигунів верстатів на підприємствах підводиться напруга 380–660 В. Перетворення змінного струму, при якому напруга збільшується або зменшується у декілька разів практично без втрати потужності ( при незмінній частоті струму), здійснюється за допомогою трансформаторів.

Отже, існує потреба в трансформації (від латів. transformo – перетворюю) електричного струму однієї напруги в струм іншої напруги. Для цього використовуються пристрої, звані електричними трансформаторами. Трансформатор був винайдений в 1878 р. П.Н. Яблочковим і вдосконалений в 1882р. іншим російським вченим І.П. Усагіним.

Відомо, що великі теплоелектростанції будують поблизу вугільних родовищ, гідроелектростанції – на крупних річках, а атомні електростанції – не ближче 30–40 км. від великих міст, де розташовані основні споживачі електроенергії. Іншими словами, електроенергія виробляється далеко від місць її споживання. На жаль, на сьогоднішній день ще не винайдений дешевий спосіб накопичення електроенергії у великих масштабах. Отже, вона повинна бути негайно передана споживачеві, для чого служать лінії електропередачі. Найважливіша проблема передачі електроенергії на великі відстані – зниження втрат потужності в проводах. При типовій потужності генератора 500 Мвт і напрузі, що виробляється, 20 кВ сила струму в генераторі складає 25 кА. Такий струм, згідно закону Джоуля–Ленца, віддає стільки тепла, скільки 600 000 електричних чайників, ввімкнених одночасно! Якщо при одній і тій же потужності (Р = U•I) збільшити напругу, то струм в стільки ж раз зменшиться, а це дозволить застосовувати провід з меншим поперечним перерізом для передачі електричної енергії і зменшить витрату кольорових металів, а також втрати потужності в лінії. У трансформаторі підвищення напруги супроводжується пониженням сили струму в таке ж число разів. Тому, перш ніж струм від генератора потрапить в лінію електропередачі, він повинен бути трансформований (по схемі) в струм високої напруги. Підвищивши напругу з 20 кВ до 1000 кВ, тобто в 50 р., ми у стільки ж разів знизимо силу струму: I1/I2 = U2/U1. І кількість теплоти, що виділяється в проводах, зменшиться в 2500 р.!

Рис.1 Умовна схема високовольтної лінії передачі. Трансформатори змінюють напругу в декількох точках лінії. На схемі зображений тільки один з трьох проводів високовольтної лінії

Рис.2Трансформатором називається статичний електромагнітний

апарат, який перетворює змінний струм однієї напруги у змінний струм тієї ж частоти, але іншої напруги.

Трансформатори набули широкого практичного застосування для передачі електричної енергії на великі відстані, для розподілу енергії між її приймачами та в різних випрямних, сигнальних, підсилювальних та інших пристроях

Будова трансформатора. Трансформатор складається з двох основних частин: магнітопроводу (осердя) і обмоток. Для зменшення втрат потужності на вихрові струми, які виникають при перемагнічуванні, осердя набирають з окремих тонких (0,3-0,5 мм) пластин спеціальної трансформаторної сталі. Ці пластини ізолюють одну від одної шляхом покриття їх ізолюючими плівками. Обмотка, ввімкнена в мережу джерела електричної енергії, називається первинною,а обмотка, від якої енергія подається до приймача,— вторинною. Напруги первинної і вторинної обмоток неоднакові. Якщо первинна напруга менша від вторинної, то трансформатор називається п і д в и щ у в а л ь н и м , якщо ж первинна напруга

більша за вторинну, то — знижувальним. Будь-який трансформатор можна використати як підвищувальний, так і знижувальний.

Рис.3Принцип дії трансформатора. Одна із обмоток – первинна –

вмикається до джерела змінної напруги. Під час проходження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює E1 = 4,44 Φm fw1. Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також E2 = 4,44 Φm fw2(f - частота струму; w1, w2 – кількість витків обмоток)

Оскільки для ідеального трансформатора відповідно до другого закону Кірхгофа u1 = -e1, u2 = e2, то

Е 1Е 2 = U 1

U 2 = k,де k— коефіцієнт трансформації.Коефіцієнтом трансформації трансформатора називається

відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході.

Залежно від форми магнітопроводу та розміщення обмоток на ньому трансформатори можуть бути: стержньовими та броньовими.

Втрати в трансформаторі. Перетворення електричної енергії в трансформаторі супроводжується втратами потужності, зумовленими явищем гістерезису, вихровими струмами, потоками розсіювання магнітного поля (магнітні втрати) і активним опором обмоток (електричні втрати). Як відомо, феромагнітні матеріали складаються з невеликих областей самодовільного намагнічування, котрі називаються доменами. Якщо феромагнетик помістити в змінне магнітне поле, створюване змінним

струмом, то він буде циклічно перемагнічуватися с частотою змінного струму. При цьому домени будуть змінювати свою орієнтацію с такою ж частотою. При переорієнтації доменів здійснюється робота через внутрішнє тертя доменів один об одного. Залежність магнітного потоку від струму виражається петлею гістерезису. При кожному перемагнічуванні осердя затрачується робота, пропорційна площі петлі гістерезису. Ця робота внаслідок внутрішнього тертя йде на нагрівання осердя. Для зменшення втрат на гістерезис осердя трансформаторів виготовляють з спеціальної трансформаторної стали. Вихрові струми, або струми Фуко, які виникають у провідниках, що знаходяться в змінних магнітних полях, створюються і в осерді трансформатора. Замикаючись усередині осердя, ці струми нагрівають його і призводять до втрат енергії. Оскільки вихрові струми виникають в площинах, перпендикулярних магнітному полю, то для їх зменшення осердя трансформаторів набирають з окремих ізольованих одна від одної стальних пластин. Потоки в осерді трансформатора створюються тією частиною магнітного потоку, яка замикається не через магнітопровід, а через повітря в безпосередній близькості від витків. Потоки розсіювання складають біля 1 % основного магнітного потоку трансформатора.

Активний опір обмоток створює втрати за рахунок активних струмів, які нагрівають обмотки. Для їх зменшення обмотки трансформаторів виконують, як правило, з міді.Коефіцієнт корисної дії трансформатора (ККД) — відношення корисної активної потужності до споживаної:

η = Р 2Р 1  100%,

де P 1- потужність, споживана від мережі; P2 - корисна потужність, яка віддається споживачам. На практиці ККД трансформаторів визначають шляхом окремого визначення втрат в сталі та міді. ККД трансформатора може бути представлений у вигляді:

η = Р 2Р 2 ± Рст ± Рм  100%,

де PCT – втрати в сталі (в осерді); PM - втрати в міді (в обмотках).

Втрати в сталі і міді визначають за допомогою дослідів холостого ходу і короткого замикання.

Режим холостого ходу. Режим роботи трансформатора, при якому вторинна обмотка розімкнена, називається режимом холостого ходу.Електрична схема режиму холостого ходу:

Рис.4Якщо до первинної обмотки підвести напругу U1, по ній потече струм, який позначимо І0. Цей струм створить магнітний потік Ф. Магнітний потік Ф,  збуджуваний первинною обмоткою, індукує у вторинній обмотці ЕРС, величина якої рівна Е2. Той же самий магнітний потік індукує  в первинній обмотці ЕРС  Е1. Невеликий струм, що споживається первинною обмоткою, називається струмом холостого ходу. Величина цього струму зазвичай становить 3 – 10 % від струму при номінальному навантаженні трансформатора. В режимі холостого ходу струм у вторинній обмотці відсутній і тому напруга на затискачах вторинної обмотки рівна ЕРС, індукованій в цій обмотці:U2=E2.

У досліді холостого ходу визначають втрати в сталі, тобто втрати на гістерезис і вихрові струми. Так як при номінальній напрузі на первинній обмотці магнітний потік практично постійний, то незалежно від того, навантажений трансформатор чи ні, втрати в сталі для нього є постійною величиною. Таким чином, можна вважати, що в режимі холостого ходу енергія, споживана трансформатором з мережі, витрачається тільки на втрати в сталі, тому потужність цих втрат вимірюють ваттметром, ввімкненим в коло первинної обмотки. При цьому, правда, не враховуються втрати на нагрівання первинної обмотки струмом холостого ходу. Але цей струм невеликий, і втрати від нього також невеликі. У цьому досліді визначають також коефіцієнт трансформації і струм холостого ходу .Режим короткого замикання. Режим роботи трансформатора при якому замкнуті виводи вторинної обмотки називається режимом короткого замикання. При цьому  активний опір рівний нулю.

Рис.5

Якщо до первинної обмотки прикласти понижену напругу, при якій струми в обмотках не перевищують номінальних значень, то енергія, споживана трансформатором з мережі, витрачається в основному на теплові втрати в обмотках трансформатора. Справді, при короткозамкненій вторинній обмотці до первинної підводиться понижена напруга, тому магнітний потік дуже малий і втрати в сталі, які залежать від значення магнітного потоку, також малі. Отже, ватметр , ввімкнений в коло первинної обмотки трансформатора в цьому досліді , покаже потужність, яка дорівнює втратам в міді.   Режим роботи трансформатора під навантаженням. Режим роботи трансформатора при якому вторинна обмотка замкнута на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням.

Рис.6При такому режимі роботи у вторинній обмотці буде протікати

струм І2, який створить свій магнітний потік Ф2, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в колі первинної обмотки.. збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії:

Р1≈Р2

І1U1≈ І2U2

U1/U2≈I2/I1

Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу в кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (та навпаки).

Отже, трансформатор перетворює змінний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обмотках.

За даним дослідів холостого ходу і короткого замикання можна визначити напругу на затискачах вторинної обмотки і ККД трансформатора для будь-якого навантаження.

Трифазні трансформатори. Для перетворення струму трифазної системи можна скористатися групою з трьох однофазних трансформаторів , обмотки яких можуть бути з'єднані або зіркою (рис.7,а), або трикутником (рис.7,б). У цьому випадку кожен трансформатор працює незалежно від інших, як звичайний однофазний трансформатор, ввімкнений в одну з фаз трифазної системи.

Рис.7 Рис.8На практиці значно частіше застосовують трифазні

трансформатори, виконані на одному магнітопроводі (рис.8). При цьому три магнітних потоки, що збуджуються струмами в первинних обмотках , замикаються через два інших стрижня осердя.

Обмотки трифазного трансформатора зазвичай з'єднують зіркою або трикутником. Найбільш простим і дешевим є перший спосіб. У цьому випадку кожна обмотка і її ізоляція при заземленні нульової точки повинні бути розрахована тільки на фазну напругу і лінійний струм. Оскільки число витків обмотки трансформатора прямо пропорційне напрузі, то при з'єднанні зіркою кожна обмотка потребує меншої кількості витків при більшому перерізі провідників; при цьому ізоляція провідників повинна бути розрахована лише на фазну напругу .

Автотрансформатор. Автотрансформатор являє собою трансформатор, у якого первинна та вторинна обмотки не ізольовані одна від одної і частково зʼєднані. У понижуючого автотрансформатора обмотка низької напруги є частиною обмотки високої напруги (рис. 9). Якщо частина обмотки автотрансформатора

є первинною, а вся обмотка - вторинною, то автотрансформатор буде підвищуючий (рис. 10).

Рис.9 Рис.10

Рис.11У порівнянні зі звичайним трансформатором при одній і тій же

потужності автотрансформатор має меншу площу перерізу осердя. Це пояснюється тим, що в автотрансформаторі не вся енергія передається через магнітний потік. Частина енергії передається за рахунок безпосереднього проходження струму з первинного кола у вторинне, так як вони з'єднані одне з одним. Чим ближчий коефіцієнт трансформації автотрансформатора до одиниці, тим менше енергії передається магнітним потоком. Якщо k = 1, то вся енергія переходить з первинного кола у вторинне без допомоги магнітного потоку, і в цьому випадку автотрансформатор стає зайвим.

Так як частина витків автотрансформатора входить і в первинну і у вторинну обмотки, то потрібно меншу кількість проводу для обмоток, ніж у звичайному трансформаторі. Крім того, через спільну частину обмоток автотрансформатора проходить струм обох кіл, рівний I2-I1 (а для підвищуючого автотрансформатор I1-I2). Чим ближче один до одного струми I1 і I2, тим менший струм у спільній частині обмотки і тим меншим може бути діаметр її проводу. Таким чином, при коефіцієнті трансформації, близькому до одиниці (k = 0,5...1 для підвищуючого автотрансформатора і k = 1...2 - для понижуючого) економиться значна кількість міді

Найчастіше автотрансформатори виготовляють з ковзаючим контактом , що дозволяє плавно регулювати вихідну напругу в широких межах. Прикладом може служити лабораторний автотрансформатор ( ЛАТР ) (рис.11).

Вимірювальні трансформатори. У техніці великих струмів і високих напруг вимірювання електричних величин здійснюють лише з допомогою вимірювальних трансформаторів струму і напруги, так як безпосередні вимірювання за допомогою шунтів і додаткових резисторів неприпустимі. Так, найбільший струм, який можна виміряти шляхом безпосереднього ввімкнення приладу, становить 600 А, а напруга - 2000 В. До того ж шунти і додаткові опори є громіздкими і дорогими, а дотик до таких приладів в мережах високої напруги може бути небезпечним для життя.

Рис12. Трансформатори струму.Первинну обмотку, яка містить невелику кількість витків,

вмикають послідовно з навантаженням, в колі якого необхідно виміряти струм, а до вторинної обмотки, з великим числом витків, підключають амперметр. Так як опір амперметра дуже малий, то можна вважати, що трансформатор струму працює в режимі короткого замикання. Для безпеки один вивід вторинної обмотки заземляють для того, щоб при пробої ізоляції між обмотками провід з високим потенціалом виявився замкненим на землю. Трансформатори струму виготовляють таким чином, щоб номінальний струм вторинної обмотки становив 5 А.

Трансформатор напруги складається з осердя і двох обмоток - первинної та вторинної (рис. 13).

Первинна обмотка містить значно більше витків, ніж вторинна. На первинну обмотку подається вимірювана напруга U1, а до вторинної обмотки під'єднується вольтметр. Оскільки опір вольтметра дуже великий, то по вторинній обмотці протікає

невеликий струм, і можна вважати, що трансформатор напруги працює в режимі холостого ходу, тобто зміна вторинної напруги пропорційна зміні первинної при постійному коефіцієнті трансформації. Всі трансформатори напруги виготовляють таким чином, щоб номінальна напруга вторинної обмотки була рівна 100 В.

З метою безпеки обслуговуючого персоналу один затискач вторинної обмотки і сталевий кожух трансформатора напруги обов'язково заземлюють для того, щоб при пробої ізоляції між обмотками провід з високим потенціалом виявився замкненим на землю. Конструктивно трансформатори напруги дуже схожі на малопотужні силові трансформатори .

Запитання для самоконтролю1. Що таке трансформатор?2. Яке застосування трансформаторів?3. .Яка будова трансформатора?4. Як працює трансформатор?5. Що таке коефіцієнт трансформації?6. Які існують види трансформаторів залежно від розміщення

обмоток на магнітопроводі?7. Які існують режими роботи трансформаторів?8. Який режим роботи трансформатора називають режимом

холостого ходу?9. Який режим роботи трансформатора називають режимом

короткого замикання?10. Який режим роботи трансформатора називають режимом

навантаження?11. Для чого використовують режими холостого ходу і режим

короткого замикання трансформатора?12. Перерахуйте втрати в трансформаторі і поясніть їх фізичну

природу.13. Чому осердя трансформатора набирають з тонких листів

трансформаторної сталі, ізольованих один від одного?14. Як вимірюють ККД трансформатора?15. Яка будова трифазного трансформатора?16. Як з'єднуються між собою обмотки трифазних

трансформаторів?17. Поясніть будову автотрансформатора.18. Як включають трансформатор струму і в якому режимі він

працює?19. Як включають трансформатор напруги і в якому режимі він

працює?

Електричні машини змінного струмуПлан

1. Загальні відомості про електричні машини та їх класифікація.2. Будова асинхронного двигуна змінного струму.3. Принцип дії асинхронного двигуна.4. Будова синхронного генератора змінного струму.5. Принцип роботи синхронного генератора.6. Схеми підключення асинхронних двигунів.7. Основні характеристики та параметри електричних машин

змінного струму.Загальні відомості про електричні машини та їх

класифікація. Електричні машини широко використовують на електростанціях, транспорті, у промисловості, системах електроприводу, будівництві, системах автоматичного регулювання і контролю.За призначенням електричні машини поділяють на двигуни і генератори.Двигуни — це машини, які перетворюють електричну

енергію в механічну.Генератори — це машини, які перетворюють механічну енергію

в електричну.Будь-яка електрична машина може працювати у режимі як

двигуна, так і генератора.За видом струму електричні машини поділяють — на машини

постійного і машини змінного струму.За принципом роботи електричні машини змінного струму

можуть бути синхронні та асинхронні. Синхронна машина змінного струму — це машина, в якій

частота обертання магнітного поля збігається з частотою обертання ротора.

Асинхронна машина — це машина, в якій частота обертання магнітного поля не збігається з частотою обертання ротора.

Асинхронні двигуни становлять більш ніж 95% усіх електродвигунів, які використовують у народному господарстві. За конструкцією ротора їх поділяють на двигуни з короткозамкненим ротором і двигуни з фазним ротором.

Синхронні двигуни поділяють на двигуни з явно вираженими і неявно вираженими полюсами.

Найбільшого поширення серед електричних двигунів отримав трифазний асинхронний двигун, вперше сконструйований відомим російським електротехніком М. О. Доіво-Добровольським.

Будова асинхронного двигуна змінного струму. Електричні машини, що перетворюють електричну енергію змінного струму в

механічну енергію, називаються електродвигунами змінного струму. У промисловості найбільшого поширення набули асинхронні двигуни трифазного змінного струму. Розглянемо будову і принцип дії цих двигунів. Осердя 1 статора (рис.3) набирається із сталевих пластин товщиною 0,35 або 0,5 мм. Пластини

штампують з пазами, ізолюють лаком або окалиною для зменшення втрат на вихрові струми, збирають в окремі пакети і кріплять на станину 3 двигуна. До станини прикріплюють також бічні щити з розміщеними на них підшипниками, на які спирається вал ротора. Станину встановлюють на фундаменті.

Рис.3. Будова статора асинхронного двигуна: 1 – осердя; 2 – обмотка; 3 – станина;

У поздовжні пази статора укладають провідники його обмотки 2, які з’єднують між собою так, що утворюється трифазна система. На щитку 4 машини є шість затискачів, до яких приєднуються початки і кінці обмоток кожної фази. Для підключення обмоток статора до трифазної мережі вони можуть бути з’єднані зіркою або

трикутником, що дає можливість вмикати двигун в мережу з двома різними лінійними напругами (рис.4).

Рис.4. З’єднання затискачів на щитку двигуна: а – трикутником; б – зіркою.Осердя 1 ротора (рис.5, а ) також набирають зі сталевих пластин

товщиною 0,5 мм, ізольованих лаком або окалиною для зменшення втрат на вихрові струми. Пластини штампують з пазами і збирають у пакети, які кріплять на валу машини. З пакетів утворюється циліндр з поздовжніми пазами, в які укладають провідники 2 обмотки ротора. Залежно від типу обмотки асинхронні машини можуть бути з фазним і короткозамкненим ротором. Короткозамкнена обмотка ротора виконується за типом білячого колеса (рис.5, б). У пази ротора укладають масивні стрижні, з’єднані на торцях мідними кільцями. Часто короткозамкнену обмотку ротора виготовляють з алюмінію. Алюміній в гарячому стані заливають у пази ротора під тиском. Така обмотка завжди замкнена накоротко і вмикання опорів в обмотку неможливо.

.

Рис. 5 Будова ротора. 1 – осердя; 2 – провідники; 3 – мідні кільця.

Фазна обмотка ротора виконана як і статорна, тобто провідники відповідним чином з’єднані між собою, утворюючи трифазну систему. Обмотки трьох фаз з’єднані зіркою. Кільця ізольовані один від одного і від валу і обертаються разом з ротором. При обертанні кілець поверхні їх ковзають по вугільним або мідним

щіткам, нерухомо закріпленим над кільцями. Двигуни із коротозамкненим ротором простіші і надійніші в експлуатації, значно дешевше, ніж двигуни з фазним ротором. Однак двигуни з фазним ротором мають кращі пускові і регулювальні характеристики. В даний час асинхронні двигуни виконують переважно з короткозамкненим ротором і лише при великих потужностях і в спеціальних випадках використовують фазну обмотку ротора.

Принцип дії асинхронного двигуна Принцип дії електричних машин заснований на використанні законів електромагнітної індукції та електромагнітних сил. Якщо в магнітному полі полюсів постійних магнітів або електромагнітів помістити провідник і під дією сили F1 переміщати його перпендикулярно магнітним лініям, то в ньому виникає електрорушійна сила Е (ЕРС) яка дорівнює:

E = B،l،vде В - магнітна індукція в місці, де знаходиться провідник; l - активна довжина провідника; v - швидкість переміщення провідника в магнітному полі. Багатофазна обмотка змінного струму створює обертове магнітне поле (рис.6). Між векторами діючих значень ЕРС в

трифазній системі утворюється кут 120°. Якщо ротор обертається з частотою, яка дорівнює частоті обертання магнітного поля, то така частота називається синхронною. Якщо ротор обертається з частотою, яка не дорівнює частоті обертання магнітного поля, то така частота називається асинхронною. Робота асинхронного двигуна заснована на явищі, названому «диск Араго – Ленца». Це явище полягає в наступному: якщо перед полюсами постійного магніту помістити мідний диск, який вільно закріплений на осі, і почати обертати магніт навколо його осі за допомогою рукоятки, то мідний диск буде обертатися в тому ж напрямку. Це пояснюється тим, що при обертанні магніту його магнітне поле пронизує диски і індукує в ньому вихрові струми. В асинхронних двигунах постійний магніт замінений обертовим магнітним полем, яке створюється трифазною обмоткою статора при вмиканні її в мережу змінного струму.

Рис.6Обертове магнітне поле статора перетинає обмотки ротора і індукує в них ЕРС. Якщо обмотка ротора замкнена на опір або накоротко, то по ній під дією ЕРС проходить струм. У результаті взаємодії струму в обмотці ротора з обертовим магнітним полем обмотки статора виникає обертальний момент, під дією якого ротор починає обертатися за напрямком обертання магнітного поля.

Будова синхронного генератора змінного струму. Будова статора синхронного генератора не відрізняється від будови статора асихронної машини (рис.7).

Рис.7. Будова синхронного генератора: 1 – синхронний генератор; 2 – збудник. Струм збудження протікає по обмотці збудження, яка являє

собою послідовно з’єднані котушки. Ці котушки розміщені на полюсах ротора. Кінці обмотки з’єднані з контактними кільцями, які кріпляться на валу машини (2). На кільцях розташовані нерухомі щітки, за допомогою яких в обмотку збудження підводиться постійний струм від стороннього джерела енергії - генератора постійного струму (1) (збудник).

Рис.8. Ротор синхронної машини: а) з явно вираженими полюсами; б) з неявно вираженими полюсами.

1 – осердя; 2 – полюсний наконечник; 3 – котушка обмотки збудження. Принцип роботи синхронного генератора. Конструктивно синхронні генератори бувають двох видів. У першому з них (ріс.9,а) магнітні полюси можна помістити на статорі, а провідник на роторі і знімати з них за допомогою кілець і щіток змінний струм. Ту частину, яка створює магнітне поле, називають індуктором, а ту частину машини, де розташовується обмотка, в який індукується е.р.с, називають якорем. Найбільш широке застосування одержали синхронні генератори, в яких полюси розташовані на роторі, а якір - на статорі (ріс.9,б). За допомогою первинного двигуна ротор (індуктор) обертається. Магнітне поле обертається разом з ротором, тому швидкість обертання ротора дорівнює швидкості обертання магнітного поля (обертаються синхронно).

а) б)

Рис.9.Принцип роботи синхронного генератораПри обертанні ротора магнітний потік полюсів перетинає

статорну обмотку і наводить в ній Е (е.р.с.) за законом електромагнітної індукції: E = 4,44f w kw Ф де f - частота змінного струму, Гц; w - кількість витків; kw - обмотковий коефіцієнт; Ф - магнітний потік. Частота змінного струму синхронного генератора визначається за формулою f = pn/60 де р - число пар полюсів; п - швидкість обертання ротора, об / хв.

а) б)

Рис.10. Режими роботи електричної машини: а) режим генератора; б) режим двигуна.Схеми підключення асинхронних двигунів Асинхронний двигун - це

двигун змінного струму, частота обертання ротора якого відрізняється від частоти обертання магнітного поля, яке створюється струмом обмотки статора. Асинхронний двигун перетворює електричну енергію в механічну. Фазні обмотки статора електродвигуна з’єднуються в зірку або трикутник (залежно від напруги

мережі!). Якщо в паспорті електродвигуна вказано, що обмотки виконані на напругу 220/380 В, то при вмиканні його в мережу з лінійною напругою 220 В обмотки з’єднують в трикутник, а при вмиканні в мережу 380 В - в зірку.

Основні характеристики та параметри електричних машин змінного струму. Робочі характеристики асинхронного двигуна являють собою залежності ковзання S, частоти обертання ротора n2, моменту М, струму мережі I1, потужності P1, коефіцієнта потужності cos , коефіцієнта корисної дії η (к.к.д) від корисної потужності Р2 на валу машини. Ці характеристики (рис.10) знімаються за природних умов роботи двигуна тобто змінюється тільки навантаження на валу двигуна.

Рис. 10. Основні робочі характеристики асинхронного двигуна.

Рис.11. Характеристики синхронного генератора: а) зовнішні; б) регулювальні.1 – ємнісна; 2 – активна; 3 – індуктивна.

Контрольні запитання1. Від яких величин залежить обертовий електромагнітний момент

асинхронного двигуна?2. Якими методами можна здійснювати пуск асинхронних

двигунів з коротко замкнутим і фазним ротором?3. Поясніть методи регулювання частоти обертання ротора

асинхронного двигуна.

4. Поясніть принцип дії однофазного двигуна. Чому такий двигун сам не може вийти з стану спокою?

5. Які втрати потужності мають місце в асинхронному двигуні?6. Поясніть принцип дії однофазного асинхронного двигуна. Як

здійснюють його пуск і регулювання частоти обертання?7. Поясніть будову і принцип дії синхронного генератора.8. Як маркують асинхронні двигуни?9. Поясніть принцип дії електричного двигуна постійного струму.

Яке призначення колектора?10. Яка роль проти е.р.с., індукованої в якорі електричного

двигунаМашини постійного струму.

План1. Призначення та види машин постійного струму.2. Будова машин постійного струму.3. Принцип дії машини постійного струму.4. Робота машини постійного струму в режимі генератора.5. Робота машини постійного струму в режимі двигуна.

Призначення та види машин постійного струму. Машиною постійного струму (МПС) називається така електрична машина, в якій під час основного процесу перетворення енергії споживається або виробляється електрична енергія постійного струму.

Машини постійного струму використовуються в якості двигунів та генераторів. Широке розповсюдження машин постійного струму, незважаючи на більшу вартість і складність в експлуатації і обслуговуванні порівняно з іншими видами обертових машин, пояснюється можливістю досить простого і надійного регулювання частоти обертання, більшими пусковими моментами і високою перевантажувальною здатністю.

Генератори постійного струму (ГПС), призначені для генерування електричної енергії постійного струму.

Двигуни постійного струму (ДПС), призначені для приведення в рух робочих машин і механізмів з регулюванням частоти обертання в широких межах.

Будова машин постійного струму. Машина постійного струму складається зі статора, ротора (якоря) і повітряного проміжку.

Нерухома частина - статор - складається зі станини (корпуса), ярма, головних і додаткових полюсів з обмотками.

Ярмо в машинах постійного струму призначено для створення шляху, за яким замикається постійний магнітний потік машини.

Зазвичай, ярмо виконується масивним зі сталевих труб (для машин малої потужності), стального прокату або стального лиття і одночасно виконує функції станини -частини, до якої кріпляться інші нерухомі частини і за допомогою якої машина закріплюється на фундаменті або основі.

Головні полюси призначені для створення основного магнітного потоку машини і складаються з осердя і обмотки, додаткові полюси призначені для зменшення іскріння під щітками. Осердя полюсів набираються з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5-1 мм або з листів конструкційної сталі товщиною до 2 мм (Рис. 1).

Оскільки магнітний потік в сталих режимах роботи машини практично не змінюється, то штамповані листи не ізолюються один від іншого. Осердя полюсів стягуються шпильками, або масивними сталевими стрижнями. Нижня, розширена частина осердя головних полюсів називається полюсними наконечниками.

Рис. 1- Будова основних і додаткових полюсів1 - станина; 2 - осердя основного (головного) полюса; 3 – обмотка збудження; 4 - полюсний наконечник; 5 - осердя додаткового полюса; 6 – обмотка додаткового полюса.

Обмотки головних і додаткових полюсів виготовляють з ізольованого мідного проводу круглого або прямокутного перерізу (Рис.1). Розташована на полюсі обмотка часто розділяється на декілька котушок, які розділяються дистанційними шайбами, для покращення охолодження.

Ротор машини постійного струму складається з якоря і колектора, які розташовані на валу. Осердя якоря набирається з штампованих дисків електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм (Рис.2).

Диски насаджуються безпосередньо на вал (в машинах малої та середньої потужності) або набираються на якірну втулку (в машинах великої потужності).

Осердя якоря діаметром більше 100 см та більше виготовляються зі штампованих сегментів. В осерді якоря в залежності від вибраної системи вентиляції можуть бути аксіальні або радіальні канали. Аксіальні канали утворюються отворами в дисках осердя. Радіальні канали утворюються дистанційними розпірками, які розділяють осердя на окремі пакети. В пази на поверхні якоря укладається обмотка якоря (Рис. 3).

Рис. 2- Будова осердя якоря (а) і його збирання (б)1, 3 - натискні шайби (для утримання обмотки); 2 - виточка для укладаннябандажа; 4 - місце для пресування колектора; 5 - ізоляційна плівка; 6 - сталевий лист

Рис. 3 - Будова якірних котушок (а) і розташування їх в пазах (б)1 - якірні котушки; 2 - осердя якоря; 3 - колектор; 4 - верхня сторона

якірної котушки; 5 - нижня сторона якірної котушки

Обмотку якоря виготовляють з круглого або прямокутного обмотувального проводу. Зазвичай, обмотка складається з окремих, заздалегідь намотаних якірних котушок, які ізолюють і укладають в пази осердя якоря.

Обмотку виконують двохшаровою, в кожний паз укладають дві сторони різних якірних котушок - одну над іншою. Кожна якірна котушка включає в себе декілька секцій, кінці яких припаюють до відповідних колекторних пластин. Секції обмотки можуть бути одно- або багатовитковими.

Колектор машини постійного струму (Рис. 4) складається з мідних пластин товщиною 3-15 мм, ізольованих одна від іншої міканітовими прокладками товщиною близько 1 мм. Пластини мають трапецеїдальний переріз і разом з прокладками складають кільце, яке скріпляється за допомогою фланців.

Рис. 4 - Будова колектора машини постійного струму з металевим (а) і пластмасовим (б) корпусом1 - ізоляційні манжети; 2 - натискний фланець; 3 - корпус; 4 - колекторнапластина; 5 - виступаюча частина колекторної пластини; 6 - ізоляційнапрокладка; 7 - колекторна пластина з ізоляційними прокладками; 8 -пластмаса; 9 – втулка.

Секції обмотки якоря впаюють в прорізи, які розташовані в виступаючої частини пластин. В машинах малої і середньої потужності використовують колектори, в яких мідні пластини і міканітові прокладки запресовані в пластмасу. Поверхню зібраного колектора обточують на токарному верстаті і шліфують. Для того, щоб міканітові прокладки при спрацюванні колектора на виступали

над пластинами і не викликали вібрації щіток, їх фрезерують на 0,8 - 1,5 мм нижче поверхні колектора.

Для відведення та підведення струму до колектора використовується щіточний апарат, до складу якого входять: щітки, щіткоутримувач, щіточці пальці, траверса і струмові шини. Щіткоутримувачі (Рис. 5) закріплюються на щіточних пальцях, які кріпляться до щіточної траверси і електрично ізолюються від неї. Траверса закріплюється на нерухомій частині машини.

Зазвичай передбачається можливість повороту траверси для встановлення щіток в правильне положення.

Рис. 5 - Будова щіткоутримувачів МПС малої (а), середньої (б) івеликої (в) потужності1 - щітка; 2 - обойма; 3 - пружина; 4 - обойма; 5 - затискачі для кріпленнядо щіткового пальця; 6 - натискні пластини; 7 - щітковий канатик; 8 -затискач для вивідного провідника; 9 - підшипниковий щит; 10 - ізоляційнавтулка; 11 – ковпак

В залежності від складу, способу виготовлення та фізичних властивостей всі щітки (рисунок 6) ділять на шість основних груп: вугільно-графітні, графітні, електрографітовані, мідно-графітні, бронзо-графітні та срібно-графітні. Вибір і застосування щіток залежить від типу машини, умов і режимів роботи.

Рис. 6 - Будова щіток МПС малої (а) і великої (б) потужності 1 - щітка; 2 - щітковий канатик; 3 - кабельний наконечник.

Колектор і щіточний апарат найбільш відповідальні вузли, від конструкції і якості яких залежить надійна робота машини постійного струму.

Принцип дії машини постійного струму. Принцип дії машини постійного струму розглядається на основі моделі машини постійного струму (Рис. 7). Статор машини постійного струму називається індуктором. Він складається з двох полюсів 1, що створюють основний магнітний потік Ф, і ярма (станини), не наведеного на Рис. 7.

Ротор найпростішої машини постійного струму складається з якоря 2, який представлений у вигляді сталевого осердя з обмоткою з одного витка, і колектора 3, який представлений у вигляді двох ізольованих одна від одної пластин. До колектора прилягають дві нерухомі щітки 4, що з’єднують обмотку якоря із зовнішніми колами.

Рис. 7 – Модель машини постійного струму

Магнітний потік Ф виходить з північного полюса N, пронизує якір, входить у південний полюс S і замикається по ярму, повертаючись до північного полюса N.

Величина магнітної індукції в повітряному проміжку між якорем і полюсами змінюється від максимального значення під полюсами, до нуля на лінії геометричної нейтралі 5.

Режим генератора. Якір машини постійного струму обертаєтьсяпервинним двигуном за годинниковою стрілкою. В провідниках обмотки якоря індукується електрорушійна сила (ЕРС), напрям якої може бути визначено за правилом правої руки. Оскільки потік полюсів Ф вважається постійним, то індукована ЕРС створюється виключно внаслідок обертання якоря і називається ЕРС обертання.Величина ЕРС обертання, що індукується в провіднику обмотки якоря

e пр = B ، l ،υ ,де B - величина магнітної індукції в повітряному проміжку між полюсом і якорем в місці розташування провідника;l - активна довжина провідника, тобто довжина, на протязі якої провідник розташований у магнітному полі;υ - лінійна швидкість руху провідника.

Оскільки провідники обмотки якоря при обертанні проходять почергово під північним та південним полюсом машини, то напрям ЕРС в провіднику змінюється. Частота ЕРС залежить від частоти обертання якоря і кількості пар полюсів. При підключенні обмотки якоря за допомогою щіток до зовнішньої мережі, по ній і по обмотці якоря потече струм a I . В обмотці якоря струм буде змінним.

Однак в зовнішній мережі напрям струму буде постійним, що пояснюється дією колектора. При обертанні якоря з колектором і зміні напряму ЕРС в провіднику, одночасно відбувається зміна колекторних пластин під щітками. Внаслідок чого, під верхньою щіткою завжди буде знаходитися пластина, що з’єднана з провідником, розташованим під північним полюсом, а під нижньоющіткою – пластина, з’єднана з провідником, розташованим під південним полюсом. В результаті чого, полярність щіток і напрям струму в зовнішній мережі залишаються незмінними.

Таким чином, в генераторі колектор виконує функцію механічного випрямляча, який перетворює змінний струм обмотки якоря в постійний струм в зовнішній мережі.

Напруга постійного струму на затискачах генератора визначається Ea і величиною падіння напруги на опорі обмотки якоря r a

U a = E a - I a ، r a.Характеристики і властивості генераторів постійного струму

визначаються в основному способом живлення обмотки збудження.За способом живлення обмотки збудження розрізняють

наступні типи генераторів постійного струму:- з незалежним збудженням - обмотка збудження отримує

живлення від стороннього джерела постійного струму;- з паралельним збудженням - обмотка збудження (шунтова

обмотка) підключена до обмотки якоря паралельно навантаженню;- з послідовним збудженням - обмотка збудження (серієсна

обмотка)підключена послідовно з обмоткою якоря і навантаженням;- зі змішаним збудженням - використовуються дві обмотки

збудження: одна підключається паралельно навантаженню (шунтова обмотка), друга (серієсна обмотка) послідовно з навантаженням.

Генератори різних типів збудження (Рис. 8) мають однакову будову і відрізняються лише виконанням обмотки збудження.

Схема генератора постійного струму незалежного збудження

Схема генератора постійного струму змішаного збудженняРежим двигуна. До обмотки якоря підводиться постійна

напруга Ua від зовнішнього джерела живлення, по обмотці якоря протікає струм Ia. При цьому на провідники обмотки якоря діють електромагнітні сили Fпр і створюється електромагнітний момент Mем. При достатньому значенні M ем, якір машини буде обертатися і розвивати механічну потужність. Момент Mем при цьому є обертовим і діє в напрямку обертання якоря.

В режимі двигуна колектор перетворює постійний струм, що споживається з зовнішньої мережі, в змінний струм, що протікає в обмотці якоря, і виконує функції механічного інвертора струму.

Ґрунтуючись на розглянутому принципу дії машини постійного струму, можна зробити висновок, що будь-яка машина постійного струму може працювати як в режимі генератора, так і в режимі двигуна. Така якість притаманна всім типам обертових електричних машин і називається зворотністю.Реакція якоря. При холостому ході машини постійного струму в ній існує магнітне поле, яке створюється головними полюсами. При роботі машини з навантаженням струм в обмотці якоря створює магнітне поле якоря. Поле якоря, накладаючись на поле головних полюсів, спотворює і зменшує його. Вплив магнітного поля якоря на магнітне поле головних полюсів називається реакцією якоря.

Магнітне поле головних полюсів машини і магнітне поле якоря утворюють результуюче поле. При встановленні щіток на геометричній нейтралі, поле якоря направлено поперек осі полюсів, і в даному випадку воно називається полем поперечної реакції якоря.

Рис.8. Результуюче магнітне поле при встановленні щіток на геометричній нейтраліПоперечна реакція якоря викликає ослаблення поля під одним краємполюса і його підсилення під іншим, внаслідок чого вісь результуючого поля повертається в генераторі за напрямком обертання якоря, а в двигуні – проти обертання якоря. Під дією поперечної реакції якоря, нейтральна лінія на поверхні якоря, на якій B = 0, повертається з положення геометричної нейтралі в положення, відхилене на деякий кут. Таке положення називається лінією фізичної нейтралі. В генераторі фізична нейтраль розвернута в сторону обертання якоря, а в двигуні - у зворотну сторону.

Запитання для самоконтролю1. Наведіть приклади використання машин постійного струму. Переваги і недоліки.2. З яких основних елементів складаються основні і додаткові полюси

машини постійного струму? Призначення основних і додаткових полюсів.3. З яких основних елементів складається якір машини постійногоструму? Призначення якоря машини та особливості будови.4. З яких основних елементів складається колектор машини постійногоструму? Призначення та особливості будови колекторів.5. З яких основних елементів складається щітковий апарат машинипостійного струму? Призначення та особливості будови окремих елементівщіткового апарату6. Сформулюйте принцип дії узагальненої машини постійного струму врежимі генератора.7. Сформулюйте принцип дії узагальненої машини постійного струму врежимі двигуна.8. Яку функцію виконує колектор в машині постійного струму прироботі в різних режимах роботи?9. Сформулюйте принцип оберненості машини постійного струму.