Электрические машины. 2

Содержание

1.Введение                                                                                                                             2

2.Виды электрических двигателей                                                                                      3

   2.1. Двигатели постоянного тока                                                                                      3

   2.2.Универсальные коллекторные двигатели                                                                  5

   2.3.Двигатели переменного тока                                                                                      6

   2.3.1.Асинхронные двигатели                                                                                           6

   2.3.1.1. Однофазные асинхронные  двигатели                                                                 8

   2.3.2.Синхронные двигатели                                                                                             9

3.Электрический привод                                                                                                    10

   3.1.Разомкнутые схемы управления электропривода                                                   12

   3.2.Замкнутые схемы  управления электропривода                                                      13

   3.3.Комлектный электропривод                                                                                      13

   3.4. Следящий электропривод                                                                                         14

4.Литература                                                                                                                        18 

ВВЕДЕНИЕ

    Электрические  машины широко применяют на  электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в  системах автоматического управления  и регулирования, в быту. Они  преобразуют механическую энергию  в электрическую (генераторы) и,  наоборот, электрическую  энергию  в механическую.                                      

   Любая электрическая  машина может использоваться как генератор, так и двигатель. Это её свойство называется обратимостью. Она может быть также использована для преобразования одного рода тока в другой (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения) в энергию другого вида тока. Такие машины называются преобразователями.

    Электрические машины в зависимости от рода тока электрической установки, в которой они должны работать, делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение получили  асинхронные двигатели и синхронные двигатели и генераторы. Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. 

   Электрические двигатели, используемые в промышленности, быту выпускают сериями, которые представляют собой ряд электрических машин возрастающей мощности, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих общему комплексу требований.

2.Виды электрических двигателей.

2.1Двигатели постоянного тока.

   Электрические машины постоянного тока, как и какие-либо  другие электрические  машины – это электромеханические преобразователи энергии.  Машины постоянного тока способны работать и как в режиме электрического двигателя, так и в режиме генератора постоянного тока. Двигатели постоянного тока используются гораздо чаще, чем генераторы постоянного тока. Это объясняется важными преимущест-вами этих двигателей. Возможностью плавно, простыми способами и в широких пределах регулировать частоту вращения. Значительным пусковым моментом и одновременно незначительным пусковым током. Способностью к перегрузкам.

   Приведенные выше  качества двигателей постоянного  тока обуславливает широкое их  применение в системах автоматического  управления, автомобильном, железнодорожном,  морском транспорте, городском транспорте  и т. Д.

   Так же у двигателей  есть и недостатки.. Самым главным недостатком является присутствие в конструкции ненадежного узла – «щеточно-коллекторного» механизма, искрение которого под нагрузкой делает невозможной эксплуатацию этих двигателей во взрывоопасных помещениях. Этот главный недостаток уменьшает область применения электрических двигателей постоянного тока.  Сложная технология изготовления,  необходимость особенного  ухода за машиной также весомые недостатки.

   В последнее время созданы и успешно применяются двигатели постоянного тока, в которых механический коллектор заменен  бесконтактным коммутатором на полупроводниковых элементах.

   Конструктивно  машина постоянного тока состоит из неподвижного статора и подвижного ротора, разделенных между собой воздушным зазором.

   Статор состоит из станины, к которой прикреплены сердечники основных и дополнительных полюсов. На этих сердечниках размещены катушки обмотки возбуждения и обмотки дополнительных полюсов. Станина, а также сердечники основных и дополнительных полюсов являются частью магнитопровода. Обмотка возбуждения образует магнитодвижущую силу (МДС) возбуждения и соответственно основной магнитный поток.  Обмотка дополнительных полюсов образует МДС для компенсации реакции якоря и облегчает условия коммутации (устраняет искрение на скользящих контактах «щеточно-коллекторного узла»).

   Сердечники основных полюсов или их наконечники, изготавливают шихтованными (из стальных штампованных листов), а дополнительные массивными или также шихтованными. Это делается с целью уменьшения потерь мощности от вихревых токов, которые наводятся в основных полюсах из-за пульсаций магнитного потока во время вращения якоря.

   Полюса крепятся к станине с помощью болтов. Катушки основных и дополнительных полюсов изготавливают из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Кроме приведенных выше обмоток, в наконечниках основных полюсов,  машин  постоянного тока со сложными условиями коммутации (прокатные двигатели, специального назначения и др.), размещают компенсационную обмотку, которая подключается последовательно с обмоткой якоря так, чтобы магнитный поток от неё был направленным навстречу потоку от тока якоря и полностью компенсировал бы его реакцию. 

   Якорь крепится на валу, состоит из сердечника (который является частью магнитопровода машины), обмотки и коллектора. Сердечник якоря, который перемагничивается с частотой  f , собирают из листов электротехнической стали. В пазы сердечника вкладывают секции обмотки якоря. В каждом пазу уложено две части разных секций обмоток, одна поверх другой. Концы обмоток припаивают к соответствующим пластинам коллектора.  Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми. Якорь соединен со статором с помощью подшипниковых щитов, а на якоре закрепляются подшипники. Выводы от обмоток возбуждения и якорной группы размещают в клемной коробке. Вся машина крепится к фундаменту с помощью лап. Для охлаждения машины предусмотрены вентиляционные каналы.

   Особым конструкционным компонентом электрических  машин постоянного тока является коллектор. В основном коллектор изготавливают виде цилиндра, который собран из пластин из твердой меди. Между пластинами размещены изоляционные прокладки из миканита. Над коллектором устанавливают щетки, которые размещаются в щеткодержателях, укрепленных на подшипниковом щите с помощью траверсы. Щетки прижимаются к коллектору с помощью пружин, прижим которых можно регулировать.

   Основное магнитное поле машины образуется током в обмотке возбуждения. В зависимости от того как включается обмотка, различают такие способы возбуждения рис 1:

 А) параллельное, в котором обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря (рисунок а);

 Б) последовательное, в котором обмотка возбуждения и обмотка якоря включены последовательно (рисунок б);

 В) смешанное, с параллельной и последовательной обмоткой возбуждения (рисунок в)

 Г) независимое, в котором обмотка возбуждения питается от независимого источника питания (рисунок Г);

2.2.Универсальные коллекторные двигатели.

   Принципиально любой  двигатель постоянного тока может  работать от сети переменного  тока, так как развиваемый двигателем  вращающий момент, зависящий от  произведения тока в якоре  и магнитного поля полюсов,  не меняет направления при  одновременном изменении направления  тока в якоре и магнитного  потока полюсов.

   Для создания достаточно  большого вращающего момента  необходима одновременность изменения  направления тока в якоре и  магнитного потока полюсов, т.е.  совпадение по фазе тока в  якоре и магнитного потока  полюсов. В двигателе последовательного  возбуждения ток в якоре является  одновременно и током возбуждения.  Пренебрегая углом сдвига фаз  между током возбуждения и  магнитным потоком, можно считать  их изменения одновременными.

   При малых мощностях коллекторные двигатели делают универсальными, т.е. предназначенными для работы как от сети переменного, так и от сети постоянного тока. Такие двигатели обычно выполняют без компенсационной обмотки. Таким образом, при работе на переменном токе число витков обмотки возбуждения значительно меньше, чем при работе на постоянном токе, так что коэффициент мощности оказывается сравнительно высоким, несмотря на отсутствие компенсационной обмотки.

  Однофазные коллекторные двигатели переменного тока  малой мощности  находят применение в установках автоматики, связи и бытовых целей.

         Электромагнитное излучение, сопровождающее работу коллекторного двигателя, создает помехи радиоприему. При работе коллекторного двигателя уровень создаваемых ими радиопомех не должен превышать установленных норм. Радиопомехи от коллекторного двигателя распространяются в виде  электромагнитного излучения и в виде электрических сигналов через электросеть.

   Для подавления электромагнитных излучений применяют экранирование электрических двигателей. В качестве экрана используют заземленный корпус двигателя. Если в подшипниковом щите со стороны коллектора имеются окна или корпус двигателя и передний подшипниковый щит (со стороны коллектора) изготовлены из пластмассы, то неметаллические части закрывают металлической сеткой и заземляют.

Для подавления радиопомех, проникающих в электрическую  сеть, применяют разнообразные фильтры. В качестве фильтров используют конденсаторы, включенные  между каждым токоведущим  проводом и заземленным корпусом двигателя. Значение емкости С подбирают опытным путем. Конденсаторы должны быть рассчитаны на рабочее напряжение двигателя. Часто конденсаторные фильтры располагают в коробке выводов двигателя.

2.3.Двигатели переменного  тока.

2.3.1Асинхронные двигатели.

   Асинхронный двигатель имеет такие положительные качества, как несложная технология изготовления, простота эксплуатации, высокая надежность и способность к перегрузкам, отсутствие искрения. Благодаря этим свойствам асинхронный двигатель нашел широкое применение в промышленности для привода станков и механизмов, а также сельскохозяйственных машинах разного назначения. Однако управление частотой вращения асинхронного двигателя в широком диапазоне значительно сложнее, чем двигателя постоянного тока. Это ограничивает применение асинхронных двигателей в тех случаях, когда необходимо изменять частоту вращения двигателя в широких пределах. Однако следует отметить, что в последнее время, в связи с быстрым развитием силовой электроники, с появлением мощных полупроводниковых тиристоров и транзисторов, параметры которых постоянно улучшаются, возросло применение асинхронных двигателей с частотным регулированием скорости вращения. Асинхронные двигатели постепенно вытесняют двигатели постоянного тока, особенно в тех случаях, где искрение недопустимо, например в нефтяной, газовой и химической промышленности.

         Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей – ротора и статора.   Асинхронная машина обладает свойством обратимости, то есть может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически не применяются, тогда, как асинхронные двигатели получили очень широкое распространение.

   Роторы асинхронных электродвигателей выполняют двух видов: с короткозамкнутой и фазной обмотками. Первый вид двигателей называют асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а второй – асинхронными двигателями с фазным ротором или асинхронными двигателями с контактными кольцами. Наибольшее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором.

     Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и надежнее в эксплуатации, значительно дешевле, чем двигатели с фазным ротором. Однако двигатели с фазным ротором обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

   В настоящее время асинхронные двигатели выполняют преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и специальных случаях используют фазную обмотку ротора.

    Асинхронные двигатели производят мощностью от нескольких десятков ватт до 15000кВт при напряжениях обмотки статора до 6кВ.

   Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величина которого оказывает существенное влияние на рабочие свойства двигателя.

   Наряду с важными положительными качествами – простой конструкции и обслуживания, малой стоимостью – асинхронный двигатель имеет и некоторые недостатки, из которых наиболее существенным является относительно низкий коэффициент мощности. У асинхронного двигателя соsj  при полной нагрузке может достигать значения 0,85-0,9; при недогрузках двигателя его соs   резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2-0,3. 

    Низкий коэффициент мощности асинхронного двигателя объясняется большим потреблением реактивной мощности, которая необходима для возбуждения магнитного поля. Магнитный поток в асинхронном двигателе встречает на своем пути воздушный зазор между статором и ротором, который в большей степени увеличивает магнитное сопротивление, а следовательно, и потребляемую двигателем мощность.

     В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей воздушный зазор стремятся делать наиболее минимальным, доводя его у малых двигателей (порядка 2-5кВт) до 0,3мм. В двигателях большой мощности воздушный зазор приходится увеличивать по конструктивным соображениям, но все же он не превышает 2-2,5мм.

   Коэффициент мощности изменяется в зависимости от нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе cosj мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока статора (обусловленная потерями мощности в машине) мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток. При увеличении нагрузки на валу cosj возрастает (достигая значения 0,8 –0,9) в результате увеличения активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение cosj, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

   Коэффициент полезного действия АД. С увеличением нагрузки на валу двигателя кпд резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения кпд достигает при такой нагрузке, когда механические потери и потери мощности в стали, не  зависящие от нагрузки равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.

2.3.1.1Однофазные  асинхронные двигатели.

      Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях (до 1— 2  кВт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного тем, что на статоре помещается однофазная обмотка. Ротор однофазного асинхронного двигателя имеет фазную или короткозамкнутую обмотку. Особенностью однофазного двигателя является отсутствие начального или пускового момента,  т.е. при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным.

   Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающийся момент. Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.

   Пуск однофазного двигателя осуществляется включением двух обмоток в одну общую для них однофазную сеть. Для получения угла сдвига фаз между токами в обмотках, примерно равного ±p/2 (четверть периода), одну из обмоток (рабочую) включают в сеть непосредственно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую обмотку (пусковую)  --- последовательно с катушкой или с конденсатором.

   Пусковая обмотка включается только на период пуска в ход. В момент когда ротор приобретает определенную частоту вращения, пусковая обмотка отключается от сети центробежным выключателем или специальным реле  и двигатель работает как однофазный. В качестве однофазного двигателя может быть использован любой трехфазный асинхронный двигатель. При работе трехфазного двигателя в качестве однофазного рабочая, или главная, обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных фаз, являющаяся пусковой, или вспомогательной, обмоткой, включается в сеть через пусковой элемент – резистор, катушку или конденсатор.

   Конденсаторный двигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель с двумя обмотками на статоре и короткозамкнутым ротором. Вспомогательная обмотка рассчитана на длительное прохождение тока и остается включенной не только при пуске в ход двигателя, но и при работе. При работе конденсаторного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое улучшает его рабочие свойства. При увеличении емкости конденсатора возрастает пусковой момент двигателя. Однако увеличение емкости батареи конденсаторов в рабочем режиме нежелательно, так как это ведет к снижению частоты вращения и кпд. Поэтому конденсаторные двигатели выполняют с двумя батареями конденсаторов – рабочей и пусковой.

2.3.2Синхронные  двигатели.

   Синхронные двигатели получили менее широкое применение чем асинхронные двигатели.  В основном их используют в электроустановках, где требуется постоянная частота вращения. Они обладают высоким коэффициентом мощности cosj и могут работать как синхронные компенсаторы реактивной энергии.

   Устройство:

   Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах статора размещена обмотка переменного тока, получающая питание от сети, а в роторе обмотка возбуждения. Синхронные двигатели средней и большой мощности выполняют с электромагнитным возбуждением. В этом случае расположенная на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца. Для машин малой мощности применяют  постоянные магниты без обмотки возбуждения. Ротор синхронного двигателя с явновыраженными и неявновыраженными полюсами.

   Принцип действия:

  В синхронном двигателе момент на валу машины создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Частота вращения ротора в синхронном двигателе не зависит от нагрузки и равна частоте вращения поля статора. Вращение ротора только с синхронной частотой — характерная особенность синхронного двигателя.  Для пуска синхронного двигателя в полюсных наконечниках ротора уложена пусковая обмотка, выполненная наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных двигателей. Наличие её позволяет пускать двигатель как асинхронный. При достижении ротором угловой скорости 0,95w0  в его обмотку подают постоянный ток и двигатель входит в синхронизм.

3.Электрический  привод.

   Современное промышленное и сельскохозяйственное  производство  характеризуется большим многообразием технологических процессов. Для их осуществления человеком созданы тысячи самых разнообразных машин и механизмов.

   Рабочая машина состоит из множества взаимосвязанных деталей и узлов, один из которых непосредственно выполняет заданный технологический процесс или операцию, и поэтому называется исполнительным органом.

   Для совершения исполнительным органом технологической операции к нему должна быть подведена определенная механическая энергия от устройства, которое в соответствии со своим назначением получило название привода. Привод вырабатывает механическую энергию, преобразуя её из других видов энергии. В современном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в других областях наибольшее применение имеет электрический привод (ЭП).

   Такое широкое применение электроприводов объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии наиболее экономично; большой диапазон мощности и скорости движения; разнообразие конструктивных исполнений и др.

   Энергетическую основу производства составляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности и надежности за счет дальнейшего      совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным явлением в этом процессе является применение микропроцессоров и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики.

   Электрический привод включает в себя ряд электротехнических, электронных и механических устройств, в результате чего он представляет собой электромеханическую систему.

Электрическим приводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

   В электроприводе наиболее характерным является использование следующих типов:

-электродвигателей постоянного: тока независимого, параллельного и смешанного возбуждения, асинхронных, синхронных, шаговых и др.

- механических передаточных устройств: цилиндрических и червячных редукторов, цепных и ременных передач, электромагнитных муфт;

- силовых преобразователей: управляемых выпрямителей, инверторов тока и напряжения, регуляторов частоты и напряжения и импульсных регуляторов напряжения;

- блоков управления: кнопок управления, командо-аппаратов, реле, логических элементов, микропроцессоров и управляющих электронных машин.

   Реализация электроприводов может быть весьма разнообразной, что находит отражение в классификации электроприводов. Электроприводы классифицируют по характеру движения, видам и реализации силового преобразователя, количеству используемых электродвигателей, видам источников электроэнергии, способам управления, наличию или отсутствию механической передачи и т.д.

   По характеристике движения различают электроприводы вращательного и поступательного движения, при этом скорость исполнительного органа может быть регулируемой или нерегулируемой, а само движение – непрерывным или дискретным, однонаправленным, двунаправленным (реверсивным) или вибрационным (возвратно-поступательным).

    Групповой электрический привод характеризуется тем, что один двигатель приводит в движение несколько исполнительных органов одной или один исполнительный орган нескольких рабочих машин.

     Индивидуальный электрический привод обеспечивает  движение одного исполнительного органа рабочей машины.

          Взаимосвязанный электрический  привод представляет собой   два или несколько электрически  или механически связанных между  собой индивидуальных электрических  приводов, работающих совместно  на один или несколько исполнительных  органов. Если двигатели связаны  между собой механически и  работают на общий вал, то  такой взаимосвязанный электрический  привод называется  многодвигательным,  а если двигатели связаны электрическими  цепями, то такой взаимосвязанный  электропривод называется электрическим  валом.

По виду силового преобразователя  электрический привод отличается большим  многообразием. По характеру преобразования  напряжения можно выделить четыре вида силовых преобразователей: управляемые и неуправляемые выпрямители, которые преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока; инверторы, выполняющие обратное преобразование; преобразователи частоты и напряжения переменного тока, изменяющие параметры напряжения переменного тока; импульсные преобразователи напряжения постоянного тока с различным видом модуляции выходного напряжения постоянного тока.

Названные виды силовых преобразователей могут быть выполнены на различной  элементной базе, а именно, с использованием электрических машин, ионных и полупроводниковых  элементов. Современные силовые  преобразователи являются, как правило, полупроводниковыми, в которых используются главным образом силовые транзисторы, диоды, тиристоры и их разновидности.

   Конкретная реализация электрического привода может быть очень разнообразной. Тем не менее, работа электрического привода подчиняется общим закономерностям, связанным с процессом преобразования энергии, определением характера механического движения и его управления. 

3.1. Разомкнутые схемы управления электропривода 

   К разомкнутым относятся схемы, в которых для управления электрическим приводом не используются обратные связи по его координатам или технологическим параметрам приводимых в движение рабочей машины или производственного механизма. Эти схемы, отличаясь простотой своей реализации, широко используются там, где не требуется высокое качество управления движением электропривода, в частности для пуска, реверса и торможения.

Разомкнутые схемы, осуществляя  управление электрическим приводом, обеспечивают защиту электропривода, питающей сети и технологического оборудования при возникновении различных  ненормальных режимов – коротких замыканий, перегрузке двигателей, исчезновении питающего напряжения или обрыва фазы питающей сети и т.д. Для этого  они содержат соответствующие аппараты и устройства, находящиеся во взаимодействии с устройствами управления двигателями. В разомкнутых схемах управления главным образом используется релейно-контакторная аппаратура, в состав которой входят командные маломощные аппараты, силовые коммутационные аппараты с ручным и дистанционным управлением, реле управления и защиты.