Принцип действия электрических машин

Генераторы. Принцип действия электрических генераторов основан на использовании закона электромагнитной индукции. Этот закон гласит: в проводниках, пересекающих магнитные линии, индуктируются электродвижущие силы (э. д. с), которые пропорциональны числу магнитных линий, пересеченных за единицу времени.

Электродвижущая сила, индуктированная в витке, вращающемся в основном магнитном поле (рис. 2.2), будет тем больше, чем большее число магнитных линий пересекают проводники I и 2 в единицу времени. Число пересекаемых проводниками линий зависит от густоты магнитного потока, т. е. магнитной индукции В, длины проводника / и частоты вращения п.

Индуктируемая в проводнике э. д. с.

е„р — В1п.

В обоих проводниках индуктируются одинаковые э. д. с, следовательно, полная э. д. с.

£я = 2Я/п, (2.1)

так как / и п заданы, то характер изменения э. д. с. определяется изменением магнитной индукции под полюсом.

Направление э. д. с. определяют правилом правой руки. Ладонь (рис. 2.3, а) правой руки располагают так. чтобы в нее входили

Рис. 2.1. Расположение электрооборудования на тепловозе 2ТЭ10М: I приемные катушки АЛСН; 2 двухмашинный агрегат; 3— ящик дешифратора усилителя АЛСН; 4— электродвигатель отопительно-вептиляционного агрегата; 5-- прожектор; 6—локомотивный светофор; 7—электропневматический клапан Э11К; в - громкоговоритель радиостанции; 9 ■ электродвигатель вентилятора к\ зова: 10- световой номер; //— блокировка валоповоротиого устройства; 12 реле сброса нагрузки; 13 - реле остановки дизеля; 14 -дизель; 15 комбинированное реле давления; /6'— электрппиевматические вентили открытия жалюзи; 17—тяговый электродвигатель; 18 ~ буферный фонарь; 19 пульт управления радиостанцией; 20 -пульт управления тепловозом: 21- скоростемер; 22 переговорное устройство; 23 — кнопка маневровой работы; 24--а»тенно-согласующее устройство радиостанции; 25—правая аппаратная камера, 26, 27 блоки радиостанции; 28—трансформатор стабилизирующий; 29 -левая аппаратная камера; 30 - тяговый генератор:,')/- электродвигатель маслопрокачивающего насоса; 32—разъемы пожарной сигнализации; 33 электродвигатель топливоподкачивающего насоса: 34, 41 коробки распределительные; 35-аккумуляторные ящики; 36 — датчики пожарной сигнализации; 37- объединенный регулятор дизеля; 38— синхронный подвозбудитель; 39, 40 -датчики; 42—электропневматический клапан песочницы задней тележки; 43 розетка междутепловозного соединения; 44—задний красный фонарь; 45 задний белый буферный фонарьлинии магнитного поля, а отогнутый большой палец указывал направление движения (вращения) проводника,тогда вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с. Применяя это правило к проводнику, изображенному на рис. 2.2, найдем, что э. д. с. проводника направлена от нас за плоскость чертежа. Такое направление э. д. с. и соответственно тока условились обозначать крестом (+), а противоположное направление, т. е. к нам,— точкой (.). Простейший генератор переменного тока (рис. 2.4) представляет собой виток /—2, вращающийся в равномерном магнитном поле, создаваемом электромагнитами N ч Б. Концы витка /—2 присоединены к двум кольцам, вращающимся с той же частотой, что и виток.

На кольца наложены щетки А и В, к которым присоединяется внешняя цепь.

Вращая виток с постоянной скоростью в равномерном магнитном поле, мы заметим, что через одинаковые промежутки времени он будет пересекать неодинаковое число магнитных линий. При расположении сторон витка в горизонтальной плоскости в нем не будет вовсе индуктироваться э. д. с, так как он не пересекает силовых линий. При расположении витка в вертикальной плоскости, т. е. под серединами полюсов, э. д. с. будет иметь наибольшее число магнитных линий, т. е. между крайними положениями э. д. с. будет плавно изменяться, повторяя кривую распределения индукции В.

Если виток вращается против часовой стрелки, то, применив правило правой руки к одному из проводников витка /—2, например к проводнику /, мы увидим, что, пока он перемещается под северным полюсом, в нем индуктируется э. д. с, направленная к нам (.), а когда он перемещается под южным полюсом,— э. д. с,

направленная от нас (+).

Таким образом, в рассматриваемом витке /—2 индуктируется переменная во времени э. д. с, изменяющая свое направление дважды за один его оборот (рис. 2.5, а).

Точно так же будет изменять свое направление и получаемый

мри этом ток. Такой ток называется переменным.

Время, в течение которого происходит одно полное изменение э. д. с, называется периодом и обозначается буквой Т, а длина окружности якоря т. приходящаяся на один полюс,-■- полюсным делением: т = пЮ/2р.

Число периодов в секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Если машина имеет р пар полюсов, то частота наводимой э. д. с. / увеличивается пропорционально р. т. е.! — пп.

Рис. 2.4. Схема работы машины переменного тока

Обычно частота вращения измеряется числом оборотов в минуту; в этом случае

/ = рл/60. (2.2)

Чтобы выпрямить переменный ток, т. е. заставить его течь во внешней цепи в одном направлении, применяют специальное устройство - коллектор. Коллектор представляет собой медное кольцо, разрезанное па несколько частей (пластик), изолированных друг от друга. Концы витка 1—2 присоединяются к двум пластинам (рис. 2.6), на которые наложены неподвижные щетки А и В. электрически соединенные с внешней цепью.

Щетки на коллекторе должны устанавливаться так, чтобы они переходили с одной пластины на другую г, тот момент, когда индуктируемая э. д. с. в витке равна нулю. В этом слч'чае при вращении витка 1 — 2 в нем по-прежнему будет индуктироваться переменная э. д. с, но каждая щетка будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно с тем проводником, который находится под определенным полюсом. Так, например, щетка А б\дет ыида соединена с проводником, находящимся под северным полюсом, а щетка В -■ с проводником, находящимся под южным полюсом.

Следовательно, при замене двух колец коллектором напряжение и ток во внешней цени получаются постоянными по направлению (ток будет течь от щетки А к щетке В), но переменными по значению, т. е. будут пульсирующими (рис. 2.5, 6). Таким образом, при помощи коллектора происходит выпрямление переменного тока, индуктируемого в витке, в пульсирующий ток во внешней цени, который малопригоден для практических цепей. Чтобы сгладить пульсацию тока, необходимо увеличить число витков и соответственно ему число коллекторных пластин, т. е. уложить на якорь обмотку, состоящую из большого числа проводников, определенным образом выполненную и соединенную с коллектором.

Нел и обмотка якоря имеет большое число проводников, то пульсация значительно уменьшается. Так, при восьми коллекторных пластинах на полюс пульсация напряжения на щетках не превышает 1 % и ток можно считать практически постоянным.

Электродвижущая сила генератора. Если предположить, что Л' - число активных проводников обмотки якоря, 2а -- число параллельных ветвей, Оя — диаметр якоря, п — частота вращения якоря, измеряемая числом оборотов в минуту, то основной ноток Ф = т/В,-Р, тогда э. д. с. якоря

Рис. 2.6. Схема работы машины постоянного тока

Как следует из выражения (2.3), э. д. с. /;я пропорциональнаосновному магнитному потоку и частоте вращения якоря и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре.

Напряжение ІІя на зажимах якоря генератора меньше э. д. с. £я на значение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря гп:

Рис. 2.7. Схема работы простейшей электрической машины постоянного тока в режиме: а- генератора: б двигателя

Ь!я = ЕЙ-1»гя. (2.4)

Следовательно, э. д. с. генератора можно регулировать изме нением магнитного потока (тока возбуждения) генератора иди изменением частоты вращения вала якоря. Падение напряжения обмотки якоря имеет небольшое значение, поэтому, регулируя э. д. с. генератора, мы можем соответственно регулировать его напряжение.

У машин, работающих в режиме генератора, проводники обмотки якоря с током /я находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 2.7, а):

/> = В//„. (2.5)

Направление этих сил определяется по правилу левой руки (см. рис. 2.3, б).

Силы ^„р создают вращающий электромагнитный момент:

Мэм == /^пр^я-

При тех же предположениях, которые были сделаны при определении /:'„. электромагнитный момент может быть выражен:

Л.эм = с„Ф/я, (2.6) при этом с» = ^—постоянная величина для каждой машины.

Режим двигателя. Рассмотрев принцип действия простейшей машины, можно установить, что она может работать также двигателем. Действие электродвигателей основывается на взаимодействии магнитного поля с проводником, по которому проходит ток. Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать электромагнитная сила /-"„р, определяемая по формуле (2.5). Под действием силы проводник начнет перемещаться перпендикулярно магнитным линиям. Направление перемещения проводника определяют по правилу левой руки.

Если к обмотке якоря машины подвести постоянный ток от внешнего источника, то в результате взаимодействия с магнитным потоком главных полюсов возникает электромагнитный момент Мэм, определяемый равенством (2.6). При достаточном значении Мач якорь придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Электромагнитный момент Мэм действует в направлении вращения и является движущим (см. рис. 2.7, б). При работе машины электродвигателем коллектор превращает потребляемый от внешнего источника постоянный ток в переменный в обмотке якоря.

Противоэлектродвижущая сила. При вращении якоря электродвигателя проводники его обмотки пересекают магнитные линии, вследствие этого в них индуктируется э. д. с. Ея, определяемая равенством (2.3). Электродвижущая сила якоря £я направлена против тока /я и приложенного к зажимам якоря напряжения /7Я, поэтому ее также называют противоэлектродвижущей силой.

Напряжение, приложенное к якорю двигателя, уравновешивается э. д. с. Ея и падением напряжения в обмотке якоря:

(2.7)

Нельзя не отметить, что сопротивление обмоток тяговых двигателей тепловозов мало (около 0,04 Ом) и, следовательно, напряжение ия практически уравновешивается противо э. д. с. Ея.

Ток, протекающий по обмотке якоря /я, согласно закону Ома

(2.8;

Если в формулу (2.7) подставить значение £я из условия (2.3), то получим зависимость, определяющую регулирование частоты вращения якоря электродвигателя:

Регулирование частоты вращения валов тяговых двигателей тепловозов описано ниже.

Принцип обратимости. Изложенное выше показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким свойством обладают все вращающиеся электрические машины, и называется оно обратимостью. Переход машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения осуществляется изменением направления тока в обмотке якоря. Аналогично может происходить изменение режима работы в машинах переменного тока.

Преобразование энергии. Направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока показаны на рис. 2.8. По первому закону Ньютона действующие на вращающееся тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга.

В генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

(2.10)

гдеМ, — момент иа валу генератора, развиваемый первичным двигателем; /Итр— момент сил трения (в подшипниках, о воздух, на коллекторе); /Ис — тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.

В электродвигателе

(2.1I)

где М„ — тормозящий момент на валу двигателя (насос, станок, генератор и др.).

В генераторе Мэм является тормозящим моментом, а в двигателе — движущим, причем в обоих случаях Мэм и Мв противоположны по направлению. Электромагнитный момент Мэм развивает мощность Я,м, которая называется электромагнитной мощностью:

/>,„ = £„/,. (2.12)

В обмотке якоря под действием Ея и /я развивается внутренняя электрическая мощность:

Рис. 2.8. Направление э. д. с, тока и моментов:

а — в генераторе; б — в двигателе постоянного тока

Яя = £я/я. (2.13)

Как видно, внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Если умножить соотношения (2.4) и (2.7) на /я, то для генератора получим

1/„/, = £,/„-/,/■„ (2.14)

а для двигателяс/я/я = Яя/я + /я'-я. (2.15)

Левые части выражений — это электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитные мощности якоря, а последние члены — электрические потери в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины, они действительны и для машин с более сложной обмоткой, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников суммируются. Эти соотношения выражают закон сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока. По этому закону механическая мощность, развиваемая на валу генератора (кроме механических и магнитных потерь), преобразуется в электрическую мощность в обмотке якоря, которая за вычетом потерь в обмотке якоря поступает во внешнюю цепь.

В двигателях электрическая мощность, подводимая к якорю, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля, а затем в механическую мощность, которая без потерь на трение и в стали якоря передается на вал двигателя (на нагрузку). Общие закономерности преобразования энергии, установленные применительно к машине постоянного тока, относятся также к машине переменного тока.

«СОГЛАСОВАНО»

Date: 2016-05-25; view: 553; Нарушение авторских прав