Mașini electrice cu curent alternativ

Mașinile electrice sunt folosite pentru a transforma energia mecanică în energie electrică (generatoare de curent alternativ și curent continuu) și invers (motoare electrice).

În toate aceste cazuri, sunt folosite în esență trei descoperiri principale din domeniul electromagnetismului: fenomenul de interacțiune mecanică a curenților descoperit de Ampere în 1821, fenomenul de inducție electromagnetică descoperit de Faraday în 1831 și rezumatul teoretic al acestor fenomene realizat de Lenz (1834) în binecunoscuta sa lege a direcției curentului indus (de fapt, legea lui Lenz a prezis legea conservării energiei pentru procesele electromagnetice).

Pentru a transforma energia mecanică în energie electrică sau invers, este necesar să se creeze o mișcare relativă a unui circuit conductiv cu un curent și un câmp magnetic (magnet sau curent).

La mașinile electrice proiectate pentru funcționare continuă, se utilizează mișcarea de rotație a părții mobile a mașinii (rotorul mașinii cu curent alternativ) situată în interiorul părții staționare (statorul).Bobina mașinii care servește la crearea câmpului magnetic se numește inductor, iar bobina care circulă cu curentul de funcționare se numește armătură. Ambii termeni din urmă sunt folosiți și pentru mașinile de curent continuu.

Pentru a crește inducția magnetică, înfășurările mașinii sunt plasate pe corpuri feromagnetice (oțel, fontă).

Toate mașinile electrice au proprietatea de reversibilitate, adică pot fi folosite atât ca generatoare de energie electrică, cât și ca motoare electrice.

Motoare asincrone

Se folosesc motoare asincrone una dintre manifestările inducţiei electromagnetice… La cursurile de fizică se demonstrează după cum urmează:

Sub un disc de cupru, care se poate roti în jurul unei axe verticale care trece prin centrul său, este plasat un magnet vertical de potcoavă antrenat să se rotească în jurul aceleiași axe (interacțiunea mecanică dintre disc și magnet este exclusă). În acest caz, discul începe să se rotească în aceeași direcție cu magnetul, dar cu o viteză mai mică. Dacă creșteți sarcina mecanică pe disc (de exemplu, prin creșterea frecării axei față de rulmentul axial), atunci viteza de rotație a acestuia scade.

Semnificația fizică a acestui fenomen se explică cu ușurință prin teoria inducției electromagnetice: atunci când magnetul se rotește, se creează un câmp magnetic rotativ, care induce curenți turbionari în disc, mărimea acestuia din urmă depinde, celelalte lucruri fiind egale, de viteza relativa a campului si a discului .

Conform legii lui Lenz, discul trebuie să se rotească în direcția câmpului. În absența frecării, discul trebuie să dobândească o viteză unghiulară egală cu viteza magnetului, după care fem-ul indus va dispărea. În viața reală, frecarea este inevitabil prezentă, iar discul devine mai lent.Mărimea sa depinde de momentul mecanic de frânare experimentat de disc.

Discrepanța dintre viteza de rotație a discului (rotor) și viteza de rotație a câmpului magnetic se reflectă în denumirea motoarelor.

Principiul de funcționare al motoarelor asincrone:

În motoarele tehnice asincrone (cel mai adesea trifazate) se creează un câmp magnetic rotativ curent polifazatcurgând în jurul înfășurării statorului staționar. La frecvența curentului trifazat este și numărul de bobine statorice 3p câmp rotativ face n = f / p rotații / sec.

Un rotor rotativ este situat în cavitatea statorului. La arborele acestuia poate fi conectat un mecanism rotativ.La cele mai simple motoare „celula veverita”, rotorul este format dintr-un sistem de tije metalice longitudinale plasate in canelurile unui corp cilindric de otel. Firele sunt scurtcircuitate de două inele. Pentru a crește cuplul, raza rotorului este suficient de mare.

În alte modele de motoare (de obicei motoare de mare putere), firele rotorului formează o înfășurare trifazată deschisă. Capetele bobinelor sunt scurtcircuitate în rotorul însuși, iar conductorii sunt scoși la trei inele colectoare montate pe arborele rotorului și izolate de acesta.

La aceste inele este conectat un reostat trifazat folosind contacte glisante (perii), care servește la pornirea motorului în mișcare. După ce motorul este rotit, reostatul este complet îndepărtat, iar rotorul devine o cușcă de veveriță (vezi - Motoare asincrone cu rotor bobinat).

Există o placă de borne pe carcasa statorului. Înfășurările statorului sunt scoase la ei. Ele pot fi incluse stea sau triunghi, în funcție de tensiunea rețelei: în primul caz tensiunea rețelei poate fi de 1,73 ori mai mare decât în ​​al doilea.

Se numește valoarea care caracterizează decelerația relativă a rotorului față de câmpul statoric al motorului cu inducție alunecând… Se schimbă de la 100% (în momentul pornirii motorului) la zero (cazul ideal de mișcare fără pierderi a rotorului).

Inversarea sensului de rotație a motorului cu inducție se realizează prin comutarea reciprocă a fiecare doi conductori liniari ai rețelei electrice care alimentează motorul.

Motoarele cu cuști de veveriță sunt utilizate pe scară largă în industrie. Avantajele motoarelor asincrone sunt simplitatea designului și absența contactelor glisante.

Până de curând, principalul dezavantaj al unor astfel de motoare a fost dificultatea în reglarea vitezei, deoarece dacă tensiunea circuitului statorului este schimbată pentru aceasta, atunci cuplul se schimbă brusc, dar a fost dificil din punct de vedere tehnic să se schimbe frecvența curentului de alimentare. Dispozitivele moderne cu microprocesor sunt acum utilizate pe scară largă pentru a controla frecvența curentului de alimentare pentru a varia viteza motoarelor - convertoare de frecvenţă.

Alternatoare

Alternatoarele sunt construite pentru putere semnificativă și tensiune înaltă. La fel ca mașinile asincrone, au două înfășurări. În mod normal, înfășurarea armăturii este situată în carcasa statorului. Inductorii care creează fluxul magnetic primar sunt montați pe rotor și sunt alimentați de un excitator - un mic generator de curent continuu montat pe arborele rotorului. La mașinile de mare putere, excitația este uneori creată de o tensiune alternativă redresată.

Datorită imobilității înfășurării armăturii dispar dificultățile tehnice asociate cu utilizarea contactelor glisante la puteri mari.

Figura de mai jos prezintă o schemă a unui generator monofazat. Rotorul său are opt poli. Pe acestea sunt bobine bobinate (neprezentate în figură) alimentate de la o sursă externă prin curent continuu aplicat inelelor colectoare montate pe arborele rotorului. Bobinele polilor sunt înfășurate în așa fel încât semnele polilor orientați spre stator să se alterneze. Numărul de poli trebuie să fie par.

Înfășurarea armăturii este situată în carcasa statorului. Firele sale lungi „active” de lucru, perpendiculare pe planul desenului, sunt prezentate în figură cu cercuri, sunt traversate de liniile de inducție magnetică atunci când rotorul se rotește.

Cercurile arată distribuția instantanee a direcțiilor câmpurilor electrice induse. Firele de conectare care trec de-a lungul părții frontale a statorului sunt prezentate cu linii continue, iar pe partea din spate cu linii întrerupte. Clemele K sunt folosite pentru a conecta un circuit extern la înfășurarea statorului. Sensul de rotație al rotorului este indicat de o săgeată.

Dacă tăiați mental mașina de-a lungul unei raze care trece între clemele K și o transformați într-un plan, atunci poziția relativă a înfășurării statorului și a polilor rotorului (lateral și plan) va fi reprezentată cu un desen schematic:

Având în vedere figură, ne asigurăm că toate firele active (trec prin polii inductorului) sunt conectate între ele în serie și se însumează EMF indus în ele. Fazele tuturor CEM sunt în mod evident aceleași.În timpul unei rotații complete a rotorului, se vor obține patru perioade complete de schimbare a curentului în fiecare dintre fire (și, prin urmare, în circuitul exterior).

Dacă o mașină electrică are p perechi de poli și rotorul se rotește făcând n rotații pe secundă, atunci frecvența curentului alternativ primit de mașină este f = pn hz.

Deoarece frecvența EMF în rețea trebuie să fie constantă, viteza de rotație a rotoarelor trebuie să fie constantă. Pentru a obține un EMF de frecvență tehnică (50 Hz), se poate folosi o rotație relativ lentă dacă numărul de poli rotori este suficient de mare.

Pentru a obține curent trifazat, trei înfășurări separate sunt plasate în corpul statorului. Fiecare dintre ele este decalat față de celelalte două cu o treime din distanța arcului dintre polii adiacenți (opuși) ai inductorilor.

Este ușor de verificat că atunci când inductoarele se rotesc, EMF sunt induse în bobinele deplasate în fază (în timp) cu 120 °. Capetele bobinelor sunt scoase din mașină și pot fi conectate în stea sau triunghi.

Într-un generator, viteza relativă a câmpului și a conductorului este determinată de diametrul rotorului, de numărul de rotații ale rotorului pe secundă și de numărul de perechi de poli.

Dacă generatorul este antrenat de un curent de apă (hidrogenerator), acesta se face de obicei cu rotații lente. Pentru a obține frecvența curentă dorită, este necesară creșterea numărului de poli, ceea ce necesită, la rândul său, o creștere a diametrului rotorului.

Din mai multe motive tehnice generatoare puternice de hidrogen au de obicei un arbore vertical și sunt situate deasupra turbinei hidraulice, ceea ce le face să se rotească.

Generatoare cu turbină cu abur — Generatoarele cu turbină sunt de obicei de mare viteză. Pentru a reduce forțele mecanice, acestea au diametre mici și un număr corespunzător de poli mic.O serie de considerente tehnice impun producerea de turbine generatoare cu ax orizontal.

Dacă generatorul este acționat de un motor cu ardere internă, se numește generator diesel, deoarece motoarele diesel sunt în general folosite ca motoare care consumă combustibil mai ieftin.

Reversibilitate generator, motoare sincrone

Dacă se aplică o tensiune alternativă înfășurării statorului a generatorului de la o sursă externă, atunci va exista o interacțiune a polilor inductorului cu câmpul magnetic al curentului generat în stator și vor acționa cupluri din aceeași direcție. pe toți stâlpii.

Dacă rotorul se rotește cu o astfel de viteză încât, la scurt timp după jumătate din perioada curentului alternativ, următorul pol al inductorului (opus în semnul primului pol) se va potrivi sub firul considerat al înfășurării statorului, atunci semnul forța de interacțiune dintre acesta și curentul, care și-a schimbat direcția, va rămâne aceeași.

In aceste conditii, rotorul, aflandu-se sub influenta continua a cuplului, va continua sa se miste si va putea actiona orice mecanism. Depășirea rezistenței la mișcarea rotorului se va produce datorită energiei consumate de rețea, și generatorul va deveni un motor electric.

Trebuie remarcat, totuși, că mișcarea continuă este posibilă numai la o viteză de rotație strict definită, deoarece în caz de abatere de la aceasta, un moment de accelerare va acționa parțial pe fiecare dintre polii rotorului, deplasându-se între cei doi conductori ai stator, o parte din timp - oprire .

Astfel, viteza de rotație a motorului trebuie determinată cu strictețe, — timpul în care polul este înlocuit cu următorul trebuie să coincidă cu jumătatea perioadei curentului, motiv pentru care astfel de motoare sunt numite în mod sincron.

Dacă se aplică o tensiune alternativă înfășurării statorului cu un rotor staționar, atunci, deși toți polii rotorului în timpul primului semiciclu al curentului experimentează acțiunea cuplurilor de același semn, totuși, datorită inerției, rotorul nu va avea timp să se miște. În următoarea jumătate de ciclu, semnul cuplurilor pentru toți polii rotorului se va schimba în sens opus.

Ca urmare, rotorul va vibra, dar nu se va putea roti. Prin urmare, motorul sincron trebuie mai întâi înfășurat, adică adus la numărul normal de rotații, și numai atunci curentul din înfășurarea statorului trebuie pornit.

Dezvoltarea motoarelor sincrone se realizează prin metode mecanice (la puteri mici) și dispozitive electrice speciale (la puteri mari).

Pentru modificări mici de sarcină, viteza motorului se va modifica automat pentru a se adapta la noua sarcină. Deci, pe măsură ce sarcina pe arborele motorului crește, rotorul încetinește imediat. Prin urmare, schimbarea de fază între tensiunea de linie și EMF indusă opusă indusă de inductor în înfășurarea statorului se modifică.

În plus, reacția armăturii creează o demagnetizare a inductoarelor, astfel încât curentul statorului crește, inductoarele experimentează un cuplu crescut, iar motorul începe să se rotească din nou sincron, depășind sarcina crescută. Un proces similar are loc cu reducerea sarcinii.

Cu fluctuații ascuțite ale sarcinii, această adaptabilitate a motorului poate fi insuficientă, viteza sa se va schimba semnificativ, va „cădea din sincronism” și, în cele din urmă, se va opri, în timp ce EMF de inducție indus în stator dispare, iar curentul din acesta crește. brusc. Prin urmare, fluctuațiile bruște ale sarcinii trebuie evitate. Pentru a opri motorul, evident că trebuie mai întâi să deconectați circuitul statorului și apoi să deconectați șocurile; la pornirea motorului, trebuie să respectați ordinea inversă a operațiunilor.

Motoarele sincrone sunt cel mai adesea folosite pentru a antrena mecanisme care funcționează la o viteză constantă. Iată avantajele și dezavantajele motoarelor sincrone și metodele de pornire a acestora: Motoare sincrone și aplicațiile acestora

Bandă de film educațional - „Motoare sincrone”, creată de fabrica de ajutoare educaționale-vizuale în 1966. Îl puteți viziona aici: Filmstrip «Synchronous Motor»