Ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος

Οι ηλεκτρικές μηχανές χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια (γεννήτριες AC και DC) και αντίστροφα (ηλεκτρικοί κινητήρες).

Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ουσιαστικά τρεις κύριες ανακαλύψεις στον τομέα του ηλεκτρομαγνητισμού: το φαινόμενο της μηχανικής αλληλεπίδρασης των ρευμάτων που ανακαλύφθηκε από τον Ampere το 1821, το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ανακαλύφθηκε από τον Faraday το 1831 και η θεωρητική περίληψη αυτών των φαινομένων που έγινε από Ο Lenz (1834) στον γνωστό νόμο του για την κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος (στην πραγματικότητα, ο νόμος του Lenz προέβλεψε το νόμο της διατήρησης της ενέργειας για ηλεκτρομαγνητικές διεργασίες).

Για να μετατραπεί η μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια ή αντίστροφα, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια σχετική κίνηση ενός αγώγιμου κυκλώματος με ρεύμα και μαγνητικό πεδίο (μαγνήτης ή ρεύμα).

Σε ηλεκτρικές μηχανές που έχουν σχεδιαστεί για συνεχή λειτουργία, χρησιμοποιείται η περιστροφική κίνηση του κινούμενου τμήματος της μηχανής (ο ρότορας της μηχανής εναλλασσόμενου ρεύματος) που βρίσκεται μέσα στο ακίνητο τμήμα (τον στάτορα).Το πηνίο της μηχανής που χρησιμεύει για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου ονομάζεται επαγωγέας και το πηνίο που ρέει γύρω με ρεύμα λειτουργίας ονομάζεται οπλισμός. Και οι δύο τελευταίοι όροι χρησιμοποιούνται επίσης για μηχανές συνεχούς ρεύματος.

Για να αυξηθεί η μαγνητική επαγωγή, οι περιελίξεις της μηχανής τοποθετούνται σε σιδηρομαγνητικά σώματα (χάλυβας, χυτοσίδηρος).

Όλες οι ηλεκτρικές μηχανές έχουν την ιδιότητα της αναστρεψιμότητας, δηλαδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο ως γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας όσο και ως ηλεκτροκινητήρες.

Ασύγχρονοι κινητήρες

Χρησιμοποιούνται ασύγχρονοι κινητήρες μία από τις εκδηλώσεις της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής… Στα μαθήματα φυσικής αποδεικνύεται ως εξής:

Κάτω από έναν χάλκινο δίσκο, ο οποίος μπορεί να περιστρέφεται γύρω από έναν κατακόρυφο άξονα που διέρχεται από το κέντρο του, τοποθετείται ένας κατακόρυφος πεταλοειδής μαγνήτης που κινείται για να περιστρέφεται γύρω από τον ίδιο άξονα (η μηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ του δίσκου και του μαγνήτη αποκλείεται). Σε αυτή την περίπτωση, ο δίσκος αρχίζει να περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση με τον μαγνήτη, αλλά με χαμηλότερη ταχύτητα. Εάν αυξήσετε το μηχανικό φορτίο στο δίσκο (για παράδειγμα, αυξάνοντας την τριβή του άξονα έναντι του ρουλεμάν ώσης), τότε η ταχύτητα περιστροφής του μειώνεται.

Η φυσική έννοια αυτού του φαινομένου εξηγείται εύκολα από τη θεωρία της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής: όταν ο μαγνήτης περιστρέφεται, δημιουργείται ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο προκαλεί δινορεύματα στο δίσκο, το μέγεθος του τελευταίου εξαρτάται, ενώ άλλα πράγματα είναι ίσα, από το σχετική ταχύτητα του πεδίου και του δίσκου .

Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, ο δίσκος πρέπει να περιστρέφεται προς την κατεύθυνση του πεδίου. Σε περίπτωση απουσίας τριβής, ο δίσκος πρέπει να αποκτήσει γωνιακή ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του μαγνήτη, μετά την οποία το επαγόμενο emf θα εξαφανιστεί. Στην πραγματική ζωή, η τριβή είναι αναπόφευκτα παρούσα και ο δίσκος γίνεται πιο αργός.Το μέγεθός του εξαρτάται από τη μηχανική ροπή πέδησης που βιώνει ο δίσκος.

Η ασυμφωνία μεταξύ της ταχύτητας περιστροφής του δίσκου (ρότορα) και της ταχύτητας περιστροφής του μαγνητικού πεδίου αντανακλάται στο όνομα των κινητήρων.

Η αρχή της λειτουργίας των ασύγχρονων κινητήρων:

Σε τεχνικούς ασύγχρονους κινητήρες (τις περισσότερες φορές τριφασικούς) δημιουργείται ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο πολυφασικό ρεύμαπου ρέει γύρω από τη στατική περιέλιξη του στάτη. Στη συχνότητα του τριφασικού ρεύματος είναι και ο αριθμός των πηνίων του στάτη 3p περιστρεφόμενο πεδίο κάνει n = f / p στροφές / sec.

Ένας περιστρεφόμενος ρότορας βρίσκεται στην κοιλότητα του στάτορα. Στον άξονά του μπορεί να συνδεθεί ένας περιστρεφόμενος μηχανισμός.Στους απλούστερους κινητήρες «σκίουρου», ο ρότορας αποτελείται από ένα σύστημα διαμήκων μεταλλικών ράβδων τοποθετημένων στις αυλακώσεις ενός χαλύβδινου κυλινδρικού σώματος. Τα καλώδια βραχυκυκλώνονται με δύο δακτυλίους. Για να αυξηθεί η ροπή, η ακτίνα του ρότορα γίνεται αρκετά μεγάλη.

Σε άλλα σχέδια κινητήρων (συνήθως κινητήρες υψηλής ισχύος), τα καλώδια του ρότορα σχηματίζουν μια ανοιχτή τριφασική περιέλιξη. Τα άκρα των πηνίων βραχυκυκλώνονται στον ίδιο τον ρότορα και τα καλώδια εξάγονται σε τρεις δακτυλίους ολίσθησης που είναι τοποθετημένοι στον άξονα του ρότορα και απομονώνονται από αυτόν.

Ένας τριφασικός ρεοστάτης συνδέεται με αυτούς τους δακτυλίους χρησιμοποιώντας συρόμενες επαφές (βούρτσες), οι οποίες χρησιμεύουν για την εκκίνηση του κινητήρα σε κίνηση. Μετά την περιστροφή του κινητήρα, ο ρεοστάτης αφαιρείται εντελώς και ο ρότορας μετατρέπεται σε κλωβό σκίουρου (βλ. Ασύγχρονοι κινητήρες με τυλιγμένο ρότορα).

Υπάρχει μια πλακέτα ακροδεκτών στο περίβλημα του στάτορα. Οι περιελίξεις του στάτορα φέρονται προς τα έξω. Μπορούν να συμπεριληφθούν αστέρι ή τρίγωνο, ανάλογα με την τάση του δικτύου: στην πρώτη περίπτωση η τάση δικτύου μπορεί να είναι 1,73 φορές μεγαλύτερη από τη δεύτερη.

Η τιμή που χαρακτηρίζει τη σχετική επιβράδυνση του ρότορα σε σύγκριση με το πεδίο του στάτορα του κινητήρα επαγωγής ονομάζεται γλιστρώντας… Αλλάζει από 100% (τη στιγμή της εκκίνησης του κινητήρα) σε μηδέν (ιδανική περίπτωση κίνησης του ρότορα χωρίς απώλειες).

Η αντιστροφή της φοράς περιστροφής του επαγωγικού κινητήρα επιτυγχάνεται με την αμοιβαία μεταγωγή κάθε δύο γραμμικών αγωγών του ηλεκτρικού δικτύου που τροφοδοτεί τον κινητήρα.

Οι κινητήρες κλωβού σκίουρου χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία. Τα πλεονεκτήματα των ασύγχρονων κινητήρων είναι η απλότητα του σχεδιασμού και η απουσία συρόμενων επαφών.

Μέχρι πρόσφατα, το κύριο μειονέκτημα τέτοιων κινητήρων ήταν η δυσκολία στη ρύθμιση της ταχύτητας, επειδή εάν αλλάξει η τάση του κυκλώματος του στάτη για αυτό, τότε η ροπή αλλάζει απότομα, αλλά ήταν τεχνικά δύσκολο να αλλάξει η συχνότητα του ρεύματος τροφοδοσίας. Οι σύγχρονες συσκευές μικροεπεξεργαστών χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως για τον έλεγχο της συχνότητας του ρεύματος τροφοδοσίας για τη μεταβολή της ταχύτητας των κινητήρων — μετατροπείς συχνότητας.

Εναλλάκτες

Οι εναλλάκτες είναι κατασκευασμένοι για σημαντική ισχύ και υψηλή τάση. Όπως τα ασύγχρονα μηχανήματα, έχουν δύο περιελίξεις. Κανονικά, η περιέλιξη του οπλισμού βρίσκεται στο περίβλημα του στάτορα. Οι επαγωγείς που δημιουργούν την κύρια μαγνητική ροή είναι τοποθετημένοι στον ρότορα και τροφοδοτούνται από έναν διεγέρτη—μια μικρή γεννήτρια DC τοποθετημένη στον άξονα του ρότορα. Σε μηχανές υψηλής ισχύος, η διέγερση δημιουργείται μερικές φορές από μια ανορθωμένη εναλλασσόμενη τάση.

Λόγω της ακινησίας της περιέλιξης του οπλισμού, εξαφανίζονται οι τεχνικές δυσκολίες που σχετίζονται με τη χρήση συρόμενων επαφών σε υψηλές δυνάμεις.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα σχηματικό σχήμα μιας μονοφασικής γεννήτριας. Ο ρότορας του έχει οκτώ πόλους. Σε αυτά υπάρχουν τυλιγμένα πηνία (δεν φαίνονται στο σχήμα) που τροφοδοτούνται από μια εξωτερική πηγή από συνεχές ρεύμα που εφαρμόζεται στους δακτυλίους ολίσθησης που είναι τοποθετημένοι στον άξονα του ρότορα. Τα πηνία των πόλων τυλίγονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα σημάδια των πόλων που βλέπουν τον στάτορα να εναλλάσσονται. Ο αριθμός των πόλων πρέπει να είναι ζυγός.

Η περιέλιξη του οπλισμού βρίσκεται στο περίβλημα του στάτορα. Τα μακριά λειτουργούντα «ενεργά» καλώδιά του, κάθετα στο επίπεδο του σχεδίου, φαίνονται στο σχήμα με κύκλους, διασχίζονται από τις γραμμές μαγνητικής επαγωγής όταν περιστρέφεται ο ρότορας.

Οι κύκλοι δείχνουν τη στιγμιαία κατανομή των κατευθύνσεων των επαγόμενων ηλεκτρικών πεδίων. Τα καλώδια σύνδεσης που εκτείνονται κατά μήκος της μπροστινής πλευράς του στάτορα εμφανίζονται με συμπαγείς γραμμές και στην πίσω πλευρά με διακεκομμένες γραμμές. Οι σφιγκτήρες K χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση ενός εξωτερικού κυκλώματος στην περιέλιξη του στάτορα. Η φορά περιστροφής του ρότορα υποδεικνύεται με ένα βέλος.

Εάν κόψετε νοερά το μηχάνημα κατά μήκος μιας ακτίνας που διέρχεται μεταξύ των σφιγκτήρων K και το μετατρέψετε σε επίπεδο, τότε η σχετική θέση της περιέλιξης του στάτορα και των πόλων του ρότορα (πλευρά και κάτοψη) θα απεικονιστεί με ένα σχηματικό σχέδιο:

Λαμβάνοντας υπόψη το σχήμα, βεβαιωνόμαστε ότι όλα τα ενεργά καλώδια (που περνούν από τους πόλους του επαγωγέα) συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά και αθροίζεται το EMF που επάγεται σε αυτά. Οι φάσεις όλων των EMF είναι προφανώς οι ίδιες.Κατά τη διάρκεια μιας πλήρους περιστροφής του ρότορα, θα ληφθούν τέσσερις πλήρεις περίοδοι μεταβολής του ρεύματος σε καθένα από τα καλώδια (και επομένως στο εξωτερικό κύκλωμα).

Εάν μια ηλεκτρική μηχανή έχει p ζεύγη πόλων και ο ρότορας περιστρέφεται κάνοντας n στροφές ανά δευτερόλεπτο, τότε η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που λαμβάνει η μηχανή είναι f = pn hz.

Δεδομένου ότι η συχνότητα του EMF στο δίκτυο πρέπει να είναι σταθερή, η ταχύτητα περιστροφής των ρότορων πρέπει να είναι σταθερή. Για να ληφθεί ένα EMF τεχνικής συχνότητας (50 Hz), μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια σχετικά αργή περιστροφή εάν ο αριθμός των πόλων του ρότορα είναι αρκετά μεγάλος.

Για να ληφθεί τριφασικό ρεύμα, τοποθετούνται τρεις ξεχωριστές περιελίξεις στο σώμα του στάτορα. Κάθε ένα από αυτά μετατοπίζεται σε σχέση με τα άλλα δύο κατά το ένα τρίτο της απόστασης τόξου μεταξύ γειτονικών (απέναντι) πόλων των επαγωγέων.

Είναι εύκολο να επαληθευτεί ότι όταν οι επαγωγείς περιστρέφονται, τα EMF προκαλούνται στα πηνία μετατοπισμένα στη φάση (σε χρόνο) κατά 120 °. Τα άκρα των πηνίων αφαιρούνται από το μηχάνημα και μπορούν να συνδεθούν σε αστέρι ή δέλτα.

Σε μια γεννήτρια, η σχετική ταχύτητα του πεδίου και του αγωγού καθορίζεται από τη διάμετρο του δρομέα, τον αριθμό των περιστροφών του ρότορα ανά δευτερόλεπτο και τον αριθμό των ζευγών πόλων.

Εάν η γεννήτρια κινείται από ρεύμα νερού (υδρογεννήτρια), συνήθως κατασκευάζεται με αργές στροφές. Για να αποκτήσετε την επιθυμητή συχνότητα ρεύματος, είναι απαραίτητο να αυξήσετε τον αριθμό των πόλων, κάτι που με τη σειρά του απαιτεί αύξηση της διαμέτρου του ρότορα.

Για διάφορους τεχνικούς λόγους ισχυρές γεννήτριες υδρογόνου συνήθως έχουν κατακόρυφο άξονα και βρίσκονται πάνω από τον υδραυλικό στρόβιλο, που τους αναγκάζει να περιστρέφονται.

Γεννήτριες με τουρμπίνα ατμού — Οι γεννήτριες στροβίλου είναι συνήθως υψηλής ταχύτητας. Προκειμένου να μειωθούν οι μηχανικές δυνάμεις, έχουν μικρές διαμέτρους και αντίστοιχα μικρό αριθμό πόλων.Μια σειρά τεχνικών παραμέτρων απαιτούν την παραγωγή στροβιλογεννήτριων με οριζόντιο άξονα.

Εάν η γεννήτρια κινείται από κινητήρα εσωτερικής καύσης, ονομάζεται γεννήτρια ντίζελ, καθώς οι κινητήρες ντίζελ χρησιμοποιούνται γενικά ως κινητήρες που καταναλώνουν φθηνότερα καύσιμα.

Αναστρεψιμότητα γεννήτριας, σύγχρονοι κινητήρες

Εάν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση στην περιέλιξη του στάτορα της γεννήτριας από εξωτερική πηγή, τότε θα υπάρξει αλληλεπίδραση των πόλων του επαγωγέα με το μαγνητικό πεδίο του ρεύματος που δημιουργείται στον στάτορα και οι ροπές από την ίδια κατεύθυνση θα ενεργούν σε όλους τους πόλους.

Εάν ο ρότορας περιστρέφεται με τέτοια ταχύτητα που λίγο μετά τη μισή περίοδο του εναλλασσόμενου ρεύματος, ο επόμενος πόλος του επαγωγέα (απέναντι από τον πρώτο πόλο) θα χωρέσει κάτω από το εξεταζόμενο σύρμα της περιέλιξης του στάτορα, τότε το σύμβολο του Η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτού και του ρεύματος, που έχει αλλάξει την κατεύθυνση, θα παραμείνει η ίδια.

Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ο ρότορας, όντας υπό τη συνεχή επίδραση της ροπής, θα συνεχίσει να κινείται και θα μπορεί να κινήσει οποιονδήποτε μηχανισμό. Η υπέρβαση της αντίστασης στην κίνηση του ρότορα θα συμβεί λόγω της ενέργειας που καταναλώνεται από το δίκτυο και η γεννήτρια θα γίνει ηλεκτροκινητήρας.

Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι η συνεχής κίνηση είναι δυνατή μόνο με μια αυστηρά καθορισμένη ταχύτητα περιστροφής, αφού σε περίπτωση απόκλισης από αυτήν μια ροπή επιτάχυνσης θα ενεργήσει μερικώς σε κάθε έναν από τους πόλους του ρότορα, κινούμενη μεταξύ των δύο αγωγών του στάτορας, μέρος του χρόνου - στάση .

Επομένως, η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα πρέπει να προσδιορίζεται αυστηρά, — ο χρόνος κατά τον οποίο ο πόλος αντικαθίσταται από τον επόμενο πρέπει να συμπίπτει με τη μισή περίοδο του ρεύματος, γι' αυτό οι κινητήρες αυτοί ονομάζονται συγχρονισμένα.

Εάν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση στην περιέλιξη του στάτορα με ακίνητο ρότορα, τότε, παρόλο που όλοι οι πόλοι του ρότορα κατά τον πρώτο μισό κύκλο του ρεύματος αντιμετωπίζουν τη δράση ροπών του ίδιου σημείου, παρόλα αυτά, λόγω αδράνειας, η ρότορας δεν θα έχει χρόνο να κινηθεί. Στον επόμενο μισό κύκλο, το πρόσημο των ροπών για όλους τους πόλους του ρότορα θα αλλάξει προς το αντίθετο.

Ως αποτέλεσμα, ο ρότορας θα δονείται αλλά δεν θα μπορεί να περιστραφεί. Επομένως, ο σύγχρονος κινητήρας πρέπει πρώτα να τυλιχθεί, δηλαδή να φτάσει στον κανονικό αριθμό στροφών και μόνο τότε θα πρέπει να ενεργοποιηθεί το ρεύμα στην περιέλιξη του στάτορα.

Η ανάπτυξη σύγχρονων κινητήρων πραγματοποιείται με μηχανικές μεθόδους (σε χαμηλές ισχύς) και ειδικές ηλεκτρικές συσκευές (σε υψηλές ισχύς).

Για μικρές αλλαγές φορτίου, η ταχύτητα του κινητήρα θα αλλάξει αυτόματα για να προσαρμοστεί στο νέο φορτίο. Έτσι, καθώς το φορτίο στον άξονα του κινητήρα αυξάνεται, ο ρότορας επιβραδύνεται αμέσως. Επομένως, η μετατόπιση φάσης μεταξύ της τάσης γραμμής και του αντίθετου επαγόμενου EMF που προκαλείται από τον επαγωγέα στην περιέλιξη του στάτη αλλάζει.

Επιπλέον, η αντίδραση οπλισμού δημιουργεί απομαγνήτιση των επαγωγέων, έτσι το ρεύμα του στάτη αυξάνεται, οι επαγωγείς παρουσιάζουν αυξημένη ροπή και ο κινητήρας αρχίζει να περιστρέφεται ξανά συγχρονισμένα, ξεπερνώντας το αυξημένο φορτίο. Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει με τη μείωση του φορτίου.

Με έντονες διακυμάνσεις στο φορτίο, αυτή η προσαρμοστικότητα του κινητήρα μπορεί να είναι ανεπαρκής, η ταχύτητά του θα αλλάξει σημαντικά, θα "πέσει εκτός συγχρονισμού" και τελικά θα σταματήσει, ενώ το EMF επαγωγής που προκαλείται στον στάτορα εξαφανίζεται και το ρεύμα σε αυτόν αυξάνεται απότομα. Επομένως, πρέπει να αποφεύγονται απότομες διακυμάνσεις στο φορτίο. Για να σταματήσετε τον κινητήρα, προφανώς πρέπει πρώτα να αποσυνδέσετε το κύκλωμα του στάτη και μετά να αποσυνδέσετε τα τσοκ. κατά την εκκίνηση του κινητήρα, πρέπει να τηρείτε την αντίστροφη σειρά λειτουργιών.

Οι σύγχρονοι κινητήρες χρησιμοποιούνται συχνότερα για την κίνηση μηχανισμών που λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα. Ακολουθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των σύγχρονων κινητήρων και οι μέθοδοι εκκίνησης τους: Σύγχρονοι κινητήρες και οι εφαρμογές τους

Εκπαιδευτική ταινία ταινίας - "Σύγχρονοι κινητήρες", που δημιουργήθηκε από το εργοστάσιο εκπαιδευτικών-οπτικών βοηθημάτων το 1966. Μπορείτε να το παρακολουθήσετε εδώ: Filmstrip «Synchronous Motor»