Физические принципы работы электрических машин (ЭМ)

Электротехника. Лекция от 23. 03.2020 Физические принципы работы электрических машин (ЭМ) Работа индукционных электрических машин основана на фундаментальных законах электромагнитных взаимодействий, а именно: 1. Закон электромагнитной индукции Фарадея – Максвелла. Закон имеет две нотации: относительно отдельного проводника в магнитном поле и относительного замкнутого проводящего контура. В первом случае: при перемещении проводника во внешнем магнитном поле на концах провод�⃗ = �𝑽𝑽 �⃗ × ��⃗ �⃗ – вектор скорости движения проводника, ���⃗ ника наводится эдс 𝑬𝑬 𝑩𝑩� ∗ 𝑙𝑙, где 𝑽𝑽 𝑩𝑩 – индукция магнитного поля, 𝒍𝒍 – активная длина проводника. Векторное произведение соответствует правилу правой руки, а именно: если силовые линии магнитного поля входят в ладонь, а отогнутый большой палец показывает направление перемещения проводника, то положение остальных пальцев соответствуют направлению эдс. Во второй нотации : при всяком изменении магнитного поля, сцепленного с некоторым контуром с числом витков w, на зажимах этого контура наводится эдс, величина которой пропорциональна скорости изменения поля и противоположна ей по знаку 𝒆𝒆 = −𝒘𝒘 𝒅𝒅Ф 𝒅𝒅𝒕𝒕 . 2. Закон Ампера. На проводник с током 𝑰𝑰⃗, помещенным во внешнее магнитное поле, действует �⃗ = �𝑰𝑰⃗ × 𝑩𝑩 ��⃗� ∗ 𝑙𝑙 электромагнитная сила: 𝑭𝑭 Векторное произведение соответствует правилу левой руки, а именно: если силовые линии магнитного поля входят в ладонь, а направление пальцев ладони соответствуют току в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление электромагнитной силы. 3. Закон Ленца. По сути, он обобщает законы Фарадея и Ампера. При перемещении замкнутого электрического контура во внешнем магнитном поле в контуре индуцируется электрический ток, пропорциональный скорости изменения магнитного поля и/или скорости перемещения контура и имеющий такое направление, чтобы индуцированное магнитное поле препятствовало изменению внешнего поля и/или перемещению контура. Непосредственно из закона Ленца следует принцип обратимости ЭМ (см. ниже). Как следует из рассмотренных законов, для работы любой электрической машины обязательно наличие двух физических элементов: генератора магнитного поля и системы проводников, где протекает электрический ток. Элемент машины, служащий для создания в рабочем воздушном пространстве магнитного поля, называют индуктором или возбудителем. Магнитное поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо специальной обмоткой, называемой обмоткой возбуждения. В первом случае индуктор называется магнитоэлектрическим, во втором – электромагнитным. Электромагнитный индуктор не должен потреблять много активной мощности (обычно 3…5 % от мощности машины), поэтому обмотку возбуждения выполняют проводом малого сечения (увеличивают сопротивление), но с большим числом витков (при малом токе увеличивают м.д.с. 𝐼𝐼в ∙ 𝑤𝑤в ). При этом обмотка возбуждения будет иметь весьма большую индуктивность. Элемент машины, обеспечивающий силовую цепь протекания тока, а значит и основное преобразование энергии, называется якорем. Для уменьшения электрических потерь, якорная обмотка выполняется проводом большого сечения и малым числом витков. И возбудитель и якорь могут конструктивно располагаться как на подвижной части электрической машины, так и на неподвижной. Для того, чтобы направление вектора электромагнитной силы, а значит и момента вращения, оставалось неизменным необходимо, чтобы не изменялось взаимное расположение векторов магнитной индукции и тока. Для ЭМ вращения это означает, что скорости вращения магнитных полей возбуждения и якоря должны быть равны. В машинах переменного тока вращение поля достигается за счет использования многофазной обмотки, когда угловое расположение осей фазных обмоток друг относительно друга равно сдвигу фаз между фазными эдс (например, для 3х фазной ЭМ это 120 о). В машинах постоянного тока этого достигают периодическим изменением направления тока в якорной обмотке за счет электронного или электромеханического коммутатора – коллектора. Рассмотрим процесс преобразования энергии в ЭМ на простейшей модели – витке, вращающемся в магнитном поле (рис 1). Виток расположен на якоре, возбуждение – от постоянных магнитов. Генераторный режим. Если якорь машины привести во вращение (рис.1.а), в витке будет индуцироваться переменная ЭДС е, направление которой определяется по правилу правой руки. При отключенном приёмнике электрической энергии (ПЭЭ) ток в витке протекать не будет. Такой режим работы носит название режим холостого хода. Рис.1.1 При холостом ходе в электрической машине имеют место потери энергии: механические Пмех (трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и пр.) и магнитные Пс (потери в стали) на гистерезис и перемагничивание ферромагнитных частей машины. Для компенсации потерь к валу требуется подводить дополнительную энергию от источника механической энергии (ИМЭ), то есть прикладывать некоторый вращающий момент Мвн.0. где Ммех = Мвн0 = Ммех + Мс = Пмех +Пс Ω , Пмех� Ω – момент сил трения, возникающих во вращающихся частях машины; П Мс = с�Ω – тормозящий момент, вызываемый потерями в стали; Ω – угловая скорость вращения якоря. При подключении к витку (якорю) приёмника электрической энергии (ПЭЭ) по нему начинает протекать ток i. В результате взаимодействия тока c магнитным полем по закону Ампера возникнет электромагнитный вращающий момент М, направление которого соответствует правилу левой руки. Как видно из рис.1.а, этот момент является тормозящим, поэтому для продолжения нормальной работы требуется увеличить внешний момент Мвн, то есть количество поступающей механической энергии. Таким образом, в машине имеет место процесс преобразования механической энергии в электрическую. Такой режим работы называется генераторным. Характерным для него является следующее: – ток i и эдс е в обмотке якоря совпадают по направлению; это указывает на то, что машина отдаёт электрическую мощность; – электромагнитный момент М и направление вращения n не совпадают, то есть момент является тормозным и требуется получение машиной извне дополнительной механической энергии. В электрической машине, работающей в генераторном режиме, механическая мощность Р мех = М вн ⋅ Ω , поступающая к валу от ИМЭ, должна быть больше отдаваемой машиной электрической мощности на величину потерь, то есть Р мех = Рэл + П мех + П ст + П эл , 2 где П эл = I ra – электрические потери, возникающие в обмотках якоря с активным сопротивле- нием ra при протекании по ним электрического тока I . Соотношение между электрической мощностью Рэл и потерями мощности Пэл можно установить на основании 2-го закона Кирхгофа для электрической цепи обмотки якоря: U = e − ira . Умножая обе части уравнения на ток i, получим ui = ei − i 2 rа , или, переходя к средним значениям мощности, Рэл = Рэм − П эл . Величина Рэм называется внутренней электромагнитной мощностью машины. Она определяет величину электромагнитного момента М = Рэм Ω . При работе машины в генераторном режиме Рэм = Рэл + Пэл или Рэм = Р мех − П мех − П ст . Разделив обе части уравнения на величину Ω, получим уравнение моментов для генератора, работающего в установившемся режиме: М = М вн − М тр − М ст Рассмотренный процесс преобразования энергии может быть наглядно представлен с помощью энергетической диаграммы, изображённой на рис.1.2а. Из диаграммы следует, что коэффициент полезного действия (КПД) генератора ηГ = Рэл Рэл = Р мех Рэл + П эл + П ст + П мех (1.5) Для уменьшения электрических потерь Пэл сопротивление обмотки статора ra стараются сделать малым. Для уменьшения механических потерь в современных электрических машинах применяют подшипники качения и бесконтактные подвесы. Для уменьшения потерь в стали используют специальную электротехническую сталь с повышенным электрическим сопротивлением и узкой петлёй гистерезиса. Кроме того, магнитопровод электрических машин выполняют шихтованными. Двигательный режим. Если рассматриваемую машину подключить к источнику электрической энергии (ИЭЭ) (Рис 1.1б), то по витку будет протекать электрический ток i. В результате его взаимодействия с магнитным полем возникнет электромагнитный вращающий момент М. Его направление определяется по правилу левой руки. Под действием этого момента якорь придёт во вращение, и в витке будет индуктироваться эдс е, направление которой определятся правилом правой руки, то есть она будет направлена против тока i. Если вал машины не соединён с потребителем механической энергии (ПМЭ), то имеет место режим холостого хода. При этом от ИЭЭ будет потребляться энергия для компенсации потерь Пмех и Пст. Поэтому по витку будет проходить ток холостого хода io и создаваться электромагнитный момент М 0 = М тр + М ст . При соединении вала с ПМЭ на вал будет действовать тормозной нагрузочный момент Мвн, стремящийся замедлить вращение якоря. Для продолжения нормальной работы машины необходимо увеличить вращающий момент М, создаваемый током i, с тем, чтобы он уравновешивал не только моменты потерь, но и нагрузочный момент Мвн. Следовательно, в машине, изображённой на рис.1.1б, любое увеличение отдаваемой механической мощности Р мех = М вн ⋅ Ω вызывает увеличение тока i и потребляемой электрической мощности Рэл. То есть имеет место процесс преобразования электрической энергии в механическую. Такой режим работы электрической машины называется двигательным. Характерным для него является следующее: – электромагнитный вращающий момент М действует по направлению вращения n, что характеризует отдачу машиной механической энергии; – ЭДС е, возникающая в обмотке якоря, направлена встречно току i и внешнему напряжению u, из чего следует необходимость получения машиной извне электрической энергии; – имеет место процесс автоматического изменения тока i и потребляемой электрической мощности Рэл, при котором электромагнитный вращающий момент уравновешивает моменты Мвн, Мтр и Мст. При работе машины в двигательном режиме электрическая мощность Рэл = Р мех + П мех + П ст + П эл Применяя 2-й закон Кирхгофа к машине, изображённой на рис.1.1б, получим u = e + ira или ui = ei + i ra . Переходя к средним значениям мощности, Рэл = Рэм + П эл . Следовательно, при двигательном режиме внутренняя электромагнитная мощность Рэм = Р мех + П мех + П ст , а уравнение для моментов электрического двигателя, работающего в установившемся режиме: М = М вн + М тр + М ст . 2 Процесс преобразования энергии при двигательном режиме представлен на энергетической диаграмме рис.1.2б. Из неё следует, что КПД электрического двигателя η ДВ = Р мех Р мех . = Рэл Р мех + П эл + П ст + П мех Обратимость электрических машин. Из закона Ленца следует, что любая электрическая машина обладает свойством обратимости. Если, например, изменить направление вращения внешнего момента в машине рис. 1.1б, присоединив её вал не к ПМЭ, а ИМЭ, то скорость вращения якоря возрастёт и увеличится индуктируемая в нём ЭДС. Когда эта ЭДС станет больше напряжения ИЭЭ, ток изменит своё направление, что вызовет и изменение направления электромагнитного момента М. Следовательно, ток и ЭДС в данном случае будут совпадать по направлению, и машина будет отдавать электрическую энергию в сеть (генератор). При этом электромагнитный момент будет тормозным, вследствие чего машина будет потреблять механическую энергию от внешнего источника. Перевод машины из двигательного режима в генераторный можно также выполнить путём принудительного изменения направления тока в витке якоря. Для этого изменяют величину напряжения или ЭДС (обычно изменением магнитного потока возбуждения). При изменении u или е машина переходит из одного режима в другой, потребляя или отдавая электрическую мощность. Режим холостого хода можно рассматривать как промежуточный между двигательным и генераторным режимами. При этом машина потребляет только ту энергию (электрическую в дви- гателе и механическую в генераторе), которая расходуется на компенсацию потерь мощности Пст и Пмех. Основные конструктивные узлы ЭМ. Вращающиеся электрические машины имеют следующие конструктивные элементы: магнитную систему, обмотки статора и ротора, коллектор (только в машинах постоянного тока и коллекторных машинах переменного тока), устройство для охлаждения и механические элементы, обеспечивающие прочность и жёсткость конструкции, передачу вращающего момента к ротору или от него. Магнитная система состоит из статора и ротора, между которыми имеется воздушный зазор. На статоре и роторе размещены обмотки (в некоторых машинах одна из обмоток может отсутствовать и вместо неё используются постоянные магниты). Охлаждение машины в большинстве случаев осуществляется с помощью вентиляционных каналов в роторе, статоре и коллекторе, через которые проходит охлаждающий воздух. Этот воздух подаётся либо вентилятором, установленным на валу машины, либо внешним вентилятором. Механические элементы включают в себя корпус (станину), подшипниковые щиты с подшипниками и вал ротора. В машинах переменного тока корпус является только механическим элементом конструкции. Поэтому он может выполняться как из ферромагнитного материала (чугун, литая сталь и т.д.), так и из лёгких алюминиевых сплавов. В машинах постоянного тока корпус служит частью магнитопровода и должен выполняться только из ферромагнитного материала. Роторы машин как постоянного, так и переменного тока выполняются из отдельных пластин, собранных в общий пакет. Полюса машин постоянного тока также выполняются шихтованными. Часть полюса, обращенная к ротору, выполняется более широкой и называется полюсным наконечником. Полюсной наконечник служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока по поверхности ротора. Листы статора и ротора изготовляют из электротехнической стали толщиной от 0,35 до 1 мм. При изготовлении листов ротора и статора одновременно с вырубкой наружного контура листа в них штампуют пазы для укладки обмоток, а также вентиляционные каналы. В машинах большой мощности обмотки статора и ротора выполняются из проводников прямоугольного сечения; в этом случае применяют открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим образом разместить проводники и легко уложить их в пазы. В машинах малой и средней мощности обмотки статора и ротора чаще выполняют из проводов круглого сечения; в таких машинах применяют полузакрытые пазы овальной или трапецеидальной формы. Обмотки электрических машин В электрических машинах переменного тока обмотки размещаются в пазах (открытых, полуоткрытых, закрытых), расположенных на внешней поверхности ротора и на внутренней поверхности статора. Проводники, находящиеся в пазах, соединяются между собой, образуя ряд катушек. Все катушки разбиваются на одинаковые группы по числу фаз, которые располагаются симметрично вдоль окружности статора или ротора. В каждой такой группе все катушки электрически соединяются между собой, образуя одну фазу обмотки, то есть отдельную электрическую цепь. Простейшим элементом обмотки является виток, состоящий из двух проводников 1 и 2, размещённых в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии y, называемом шагом обмотки. Это расстояние приблизительно равно одному полюсному делению τ, под которым понимают длину дуги, соответствующей одному полюсу: τ = πD/2p, где D – диаметр внутренней расточки статора или ротора; p – число пар полюсов. Полюсное деление может выражаться также в числе пазов: τ = z/2p, где z – общее число пазов статора или ротора.