Электрические машины2

1.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ

2.

ТЫ МОЖЕШЬ МНОЙ УПРАВЛЯТЬ!
Для перехода к нужной теме, в содержании просто нажми на название темы!
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ (слайд 4)
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (слайд 8)
В конце каждой темы ты можешь вернуться к
содержанию, просто нажми на меня в нижнем левом
углу слайда
2

3.

СОДЕРЖАНИЕ УРОКА
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ (слайд 4)
КЛАСИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (слайд 8)
КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ (слайд 9)
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ (слайд 11)
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ (слайд 13)
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ (слайд 16)
СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ (слайд 23)
ТРАНСФОРМАТОРЫ (слайд 29)
ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (слайд 31)
3
3

4.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ принято считать электромеханическое устройство, способное
преобразовать механическую энергию в электрическую и обратно
При преобразовании механической энергии в электрическую
происходит выработка электроэнергии и машины являются
генераторами
В случае преобразования электрической энергии в механическую происходит
потребление электроэнергии и машины являются электродвигателями, необходимыми
для того чтобы привести в движение транспортные средства, станки и другие механизмы
4

5.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИИЯ
ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ – основная сфера использования электрических машин
Они могут быть использованы в качестве электромеханических
преобразователей УМФОРМЕРОВ – агрегатов, которые способны
преобразовывать электрическую энергию в различные её формы
5

6.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИИЯ
ИНВЕРТОР – преобразователь
постоянного тока в
переменный
ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ – увеличитель
мощности электрических
сигналов
СЕЛЬСИН – самосинхронизирующиеся
индукционные машины, которые
обеспечивают возможность вращения
нескольких осей независимо друг от
друга с точки зрения механики. Такие
устройства используются в
электронике, в составе сварочных
аппаратов для регулировки их
рабочей мощности
ИНДУКЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР
– устройство способное
отрегулировать напряжение
переменного тока
6

7.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИИЯ
Принципы регулирования частоты вращения в двигательном режиме
реализуются в четырех основных способах регулирования:
реостатно-контакторное регулирование
регулирование по системе «генератор — двигатель»
регулирование по системе «управляемый выпрямитель — двигатель»
тиристорно-импульсное регулирование (применение частотного преобразователя)
7

8.

КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
8

9.

КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ
Коллекторные агрегаты работают только на постоянном токе, поэтому отличительной чертой их
конструкции является наличие механического преобразователя, который позволяет получить
постоянный ток из переменного или наоборот
*Они могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости
внесения изменений в схему
9

10.

КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ
ПРЕИМУЩЕСТВА:
*отличные пусковые характеристики
*возможность плавной регулировки частоты вращения вала
ПРИМЕНЕНИЕ:
*приводы для прокатных станов
*приводы для электротранспорта
*приводы источники питания для сварочных аппаратов
*приводы для электролитических ванн
*в самолётах, тракторах, автомобилях такие
двигатели приводят в движение всё используемое
вспомогательное оборудование
Небольшая группа коллекторных машин
небольшой мощности выполняется в виде
универсальных двигателей, которые уникальны
тем, что могут работать и от постоянного,
и от переменного тока
10

11.

БЕЗКОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ АГРЕГАТЫ РАБОТАЮТ ТОЛЬКО С ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ:
*синхронные
*асинхронные
1 – Сердечник статора (неподвижная часть машины)
ПРИМЕНЕНИЕ:
2 – Обмотка статора
3 – Вал
*синхронные машины широко применяются как в качестве
4 – Ротор двигателя (постоянный магнит)
генераторов, так и электродвигателей
*асинхронные машины в основном служат двигателями
ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА (на картинке):
При помощи привода (двигателя внутреннего сгорания или турбины)
через ременную передачу привести в движение ротор генератор.
Одновременно в обмотке статора наводится ЭДС (указано стрелками) и
благодаря замыканию её на нагрузке в цепи появляется ток
Работа начинается с подачи тока на обмотку статора. Это приводит к
вращению магнитного поля, которое при взаимодействии с полем ротора
вырабатывает силу, которая, в конечном счёте, преобразует электрическую
энергию в механическую и вращает вал
11

12.

БЕЗКОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ:
*В асинхронном электродвигателе при включении обмотки
статора в сеть образуется вращающееся с частотой n1 магнитное
поле. При этом в обмотке статора и ротора наводится ЭДС
*Благодаря тому что обмотка ротора замкнута в ней
возникает ток, который взаимодействуя с полем статора создаёт
электромагнитные силы Fэм приводящие во вращение ротор
двигателя
12

13.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С
КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
*Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение
1 — Вал
2, 6 — Подшипники
3, 7 — Подшипниковые щиты
4 — Коробка выводов
5 — Вентилятор
8 — Кожух вентилятора
9 — Сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой
10 — Сердечник статора с обмоткой
11 — Корпус
12 — Лапы
Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса и
сердечника с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из
алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным.
Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое
исполнение, поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных
ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить
поверхность охлаждения двигателя
13

14.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С
КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
В корпусе расположен сердечник статора, имеющий шихтованную
конструкцию:
*отштампованные листы из тонколистовой
электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем
изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными
скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности
пакета
Такая конструкция сердечника способствует значительному
уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе
перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем.
Конструкция короткозамкнутого ротора:
а — беличья клетка
б — ротор с медной стержневой обмоткой
в — ротор с алюминиевой литой обмоткой
1 — сердечник ротора
2 — стержни
3 — замыкающие кольца
4 — лопасти вентилятора
На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные
пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за
пределами сердечника по его торцовым сторонам.
14

15.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С
КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
Обмотка статора асинхронного электродвигателя может
быть соединена звездой или треугольником. Схемы
соединения представлены на рисунке:
*а – звезда
*б - треугольник
15

16.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
Основные элементы асинхронной машины — это СТАТОР и РОТОР
СТАТОР – это неподвижный элемент электрической машины, который состоит из сердечника с обмоткой,
в него помещается вращающийся ротор
РОТОР — вал, на котором расположен сердечник с короткозамкнутой (у
АД с КЗ-ротором) или изолированной обмоткой (у АД с фазным ротором)
Так как магнитный поток в асинхронном двигателе
переменный, сердечник статора изготавливается
шихтованными, то есть он состоит из набора тонких
пластин, которые изолируются друг от друга окалиной и
покрываются лаком
*Это нужно для снижения вихревых токов и
потерь
16

17.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБМОТОК СТАТОРА
В сердечнике есть пазы, в которые укладывается трёхфазная обмотка. А сам
сердечник запрессовывается в литую станину – корпус двигателя
Обмотка статора – состоит из катушек, намотанных медным
проводником и расположенных в статоре так, что их
геометрические оси сдвинуты в пространстве друг
относительно друга на 120 градусов, как и фазы в
трёхфазной системе питания
Обмотки статора соединяются
по схеме звезды или
треугольника
17

18.

УСТРОЙСТВО ФАЗНОГО РОТОРА
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
На фазном роторе размещены три изолированные обмотки,
соединённые по схеме звезды
Сердечник ротора также, как и статора набирается из штампованных
листов электротехнической стали
Свободные концы обмоток выведены к контактным кольцам
Для съёма тока с колец используются щётки, закреплённые на щёткодержателях
Принцип действия асинхронного двигателя с фазным ротором
такой же, как и у двигателя с короткозамкнутым ротором:
*вращающееся магнитное поле статора пересекая
проводники обмотки ротора индуктирует в них ЭДС. Если
обмотка ротора замкнута, то ЭДС порождает электрический
ток. В результате взаимодействия этого тока с магнитным
полем статора возникает электромагнитный
момент и ротор начинает вращаться.
18

19.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
Частота вращения магнитного поля или синхронная частота n1 рассчитывается по формуле:
n1=60f/p,
где f – частота питающей сети, а p – число пар полюсов обмотки статора, у двигателя с одной
парой полюсов она равна 3000 об/мин
Частота вращения ротора n2 немного ниже, и её можно посчитать по формуле:
n2=n1*(1-S )=(f1×60/p)(1-s),
где n1 – синхронная частота, S – скольжение
Скольжение S – это величина, которая выражает разницу между частотой вращения вала и частотой
вращения магнитного поля статора у асинхронного двигателя, рассчитывается по формуле:
S =((n1-n2)/n1)*100%
Величина скольжения у разных двигателей отличается, зачастую указывается на шильдике и обычно
лежит в пределах 2-8%
Итак, частота вращения ротора любого АД определяется скольжением, частотой питающей сети и
числом пар полюсов в обмотке статора
19

20.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
НАЧНЁМ С КОНЦА: изменить число полюсов в обмотке односкоростного двигателя в процессе работы
не получится — для этого есть многоскоростные двигатели, у которых изначально обмотка рассчитана
на переключения
Для изменения частоты тока используют частотные преобразователи. Раньше они не были слишком
распространены из-за высокой стоимости, но в последнее время используются всё чаще и всё в
большем количестве задач
Изменять скольжение для регулировки частоты вращения АД можно:
*изменением питающего напряжения, подводимого к обмотке статора
*нарушением симметрии питающего напряжения
*изменением активного сопротивления обмотки ротора
РЕГУЛИРОВКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОЛЬЖЕНИЯ ВОЗМОЖНО ТОЛЬКО ДЛЯ
НАГРУЖЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ. ТО ЕСТЬ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ ЕГО ВАЛ ВСЁ РАВНО БУДЕТ ВРАЩАТЬСЯ СО
СКОРОСТЬЮ БЛИЗКОЙ К НОМИНАЛЬНОЙ:
Величину питающего напряжения обычно изменяют с помощью регулировочных автотрансформаторов
или включают реакторы в разрыв линейных проводов (последовательно с обмоткой статора), такой способ
используется с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.
20

21.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
СХЕМА ФАЗНОГО РОТОРА С ПОДКЛЮЧЁННЫМ
РЕГУЛИРОВОЧНЫМ РЕОСТАТОМ
Изменение скольжения за счёт изменения активного
сопротивления обмотки ротора возможно только на
асинхронных двигателях с фазным ротором, как отмечалось
выше, к кольцам ротора подключаются, через щётки, резисторы
или реостат
При движении бегунка реостата изменяется его
сопротивление, так как реостат подключён к обмотке
ротора, то при этом изменяется активное сопротивление в
цепи ротора
21

22.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
При увеличении активного сопротивления обмотки ротора увеличивается скольжение,
соответствующее заданному нагрузочному моменту. Говоря простым языком – при одной и
той же нагрузке на двигатель, при увеличении скольжения будут уменьшаться обороты
ротора. По той же причине при увеличении активного сопротивления ротора увеличивается
и пусковой момент.
Влияние активного сопротивления обмотки ротора на
механическую характеристику асинхронного двигателя
ЗАВИСИМОСТЬ СКОЛЬЖЕНИЯ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ПО ФОРМУЛЕ:
Предлагаю не вдаваться в подробности и не
рассматривать эти вопросы глубже, а просто
запомнить – чем больше активное
сопротивление обмоток – тем меньше
обороты ротора при той же нагрузке
22

23.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ
Разберём схему включения асинхронного двигателя
с фазным ротором на примере схемы плавного пуска
На рисунке схема запуска асинхронного двигателя с
фазным ротором с выведением резисторов по
задержке времени
Схему условно можно разделить на 2 цепи:
силовую и управления
23

24.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ
СИЛОВАЯ ЧАСТЬ СХЕМЫ
Разберём схему включения асинхронного двигателя
с фазным ротором на примере схемы плавного пуска
Силовая цепь состоит из
*автоматического выключателя QF
*контактора КМ1
*теплового реле КК, включённого в разрыв
питающего двигатель кабеля
*самого двигателя
Контактор КМ1 подаёт напряжение на обмотку статора.
Контакторы КМ2, КМ3 и КМ4 шунтируют (выводят из цепи)
резисторы, соединённые с обмоткой ротора
Резисторы, кстати, соединяются тоже по схеме звезды.
24

25.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ
Разберём схему включения асинхронного двигателя
с фазным ротором на примере схемы плавного пуска
ЦЕПЬ УПРАВЛЕНИЯ
Цепь управления состоит из катушки контактора
двигателя КМ1, подключённой по стандартной схеме
с самоподхватом через нормально замкнутый контакт
теплового реле КК
И цепи управления контакторами резисторов КМ2,
КМ3 и КМ4, реле времени КТ1, КТ2 и КТ3
При срабатывании теплового реле, контакт КК разомкнётся и
отключит контактор КМ1 и все цепи обесточатся – и двигатель, и
цепь управления.
25

26.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ
Разберём схему включения асинхронного двигателя
с фазным ротором на примере схемы плавного пуска
ЦЕПЬ УПРАВЛЕНИЯ
При включении автомата QF напряжение через нормально
замкнутую кнопку SB2 (СТОП) поступает на нормально
разомкнутую кнопку SB1 (ПУСК)
При нажатии на кнопку SB1 напряжение подаётся на
контактор катушку контактора КМ1, в результате чего
нормально разомкнутые контакты КМ1.1, КМ1.2.
КМ1.2 замкнётся и будет удерживать контактор КМ1 во
включённом состоянии – это называют самоподхватом,
когда контактор удерживается во включенном состоянии за
счет того, что катушка питается через контакт этого же
самого контактора.
26

27.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ
1. Начинается «процесс» запуска двигателя. В первый
момент времени, когда вал ещё не вращается к нему
подключены все сопротивления, ток ротора, наводимый
вращающимся магнитным полем, будет протекать через
всю цепочку, а его значение будет минимальным
ЦЕПЬ УПРАВЛЕНИЯ
2. Реле времени КТ1, КТ2 и КТ3 настроены на определённую
задержку времени, через которую они будут включаться. Время
задержки настраиваться для каждого конкретного случая, в
зависимости от режима запуска и работы двигателя, нагрузки
на его валу. Поэтому опустим конкретные цифры, просто
примем, что эти реле включаются одно за другим.
3. По истечении времени задержки КТ1 включится и включит контактор
КМ2, тем самым выведет из цепи первую цепочку сопротивлений.
Активное сопротивление ротора уменьшится, уменьшиться и его
скольжение, а значит обороты станут больше при том же моменте.
27

28.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ
4. Двигатель продолжит разворачиваться и по истечении времени
задержки КТ2 сработает, включит КМ3 и выведет из цепи ротора
следующую цепочку резисторов, сопротивление ротора уменьшится ещё
больше, вал начнёт вращаться ещё быстрее и так далее
5. Такой процесс будет повторяться столько раз, сколько ступеней резисторов
подключено к ротору, что вы и можете видеть на следующей анимации
6. Так и происходит плавный пуск асинхронного двигателя с фазным ротором, таким
образом, повышается пусковой момент и снижается пусковой ток.
7. Но из-за того, что двигатель работает, по сути своей, как трансформатор – то ток,
протекающий через резисторы ротора, преобразуется в тепло, то есть КПД двигателя в
таких режимах низкая
СЕРВОДВИГАТЕЛЬ – это вращающийся двигатель с датчиком
обратной связи, который позволяет точно контролировать угловое
положение, скорость и ускорение исполнительного механизма.
28

29.

ТРАНСФОРМАТОРЫ
ТРАНСФОРМАТОР – электрический аппарат, который представляет собой статическое
устройство, преобразующее одну систему переменного тока в другую. Параметры для
преобразования могут быть самыми разными: ток, напряжение, частота, число фаз.
Но чаще всего в системах электроснабжения используются силовые трансформаторы,
которые позволяют изменить величину тока и напряжения
(при этом все остальные параметры сети остаются неизменными)
По назначению существует деление аппаратов на трансформаторы силового
и специального назначения
Силовые являются одним из основных элементов систем энергоснабжения
и используются при транспортировке электроэнергии для получения
напряжения требуемого класса
Специальные же очень разнообразны по своей конструкции и рабочим
характеристикам, например, сварочные, печные, испытательные
Отдельной их категорией являются автотрансформаторы – однообмоточные
аппараты, которые способны изменять величину напряжения в минимальных
пределах (когда коэффициент трансформации приближён к 1)
29

30.

ТРАНСФОРМАТОРЫ
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Простейший силовой однофазный трансформатор конструктивно состоит из:
*сердечника, выполненного из листовой электротехнической стали *обмоток 1 и 2 (первичной
и вторичной), которые размещены на стержнях и электрически не связаны между собой
*к обмотке 1 подключается источник питания, к обмотке 2 – нагрузка (потребитель)
За счёт явления электромагнитной индукции переменный ток i1 создаёт
магнитный поток, который замыкается в сердечнике и сцепляясь с обеими
обмотками наводит в них ЭДС само- и взаимоиндукции соответственно. При
подключении потребителя во вторичной обмотке создаётся ток i2, а на
выводах – вторичное напряжение
Разница в напряжениях на вводах и выводах образуется за счёт разного количества
витков в 1 и 2 обмотках. Отношение параметров может быть любым
По количеству фаз существует разделение на одно- и трехфазный трансформатор, по виду охлаждения –
на воздушный и масляный, по форме магнитопровода – на стержневой, бронестержневой, броневой,
тороидальный. Особенностью трёхфазного от однофазного трансформатора в плане его электрической
схемы состоит в том, что схемы трёх отдельных систем объединены в одну.
30

31.

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – это устройство, используемое для того чтобы обеспечить
непрерывное управление процессом
*Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и
моментом асинхронных и/или синхронных двигателей
Преобразователи частоты находят все более
широкое применение в различных
приложениях промышленности и транспорта
ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Благодаря развитию силовых
полупроводниковых элементов, инверторы
напряжения и инверторы тока с ШИМ
управлением получают все более широкое
распространение.
Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и
частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью
электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи
31

32.

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
КОНСТРУКЦИЯ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Основными элементами частотного преобразователя являются
*силовая часть (преобразователь электрической энергии)
*управляющее устройство (контроллер)
Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру,
что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется
возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей
расширения каналов ввода/вывода.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
На микроконтроллере частотного преобразователя выполняется программное
обеспечение, которое управляет основными параметрами электродвигателя (скоростью и
моментом)
32

33.

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
33

34.

Урок «Электрические машины»
ЗАКОНЧЕН!
Ты молодец, удачного тестирования!
ПРОГРЕСС ТВОЕГО ОБУЧЕНИЯ