Wisselstroom elektrische machines

Elektrische machines worden gebruikt om mechanische energie om te zetten in elektrische energie (AC- en DC-generatoren) en vice versa (elektromotoren).

In al deze gevallen worden in wezen drie belangrijke ontdekkingen op het gebied van elektromagnetisme gebruikt: het fenomeen van mechanische interactie van stromen ontdekt door Ampere in 1821, het fenomeen van elektromagnetische inductie ontdekt door Faraday in 1831, en de theoretische samenvatting van deze verschijnselen gemaakt door Lenz (1834) in zijn bekende wet van de richting van de geïnduceerde stroom (in feite voorspelde de wet van Lenz de wet van behoud van energie voor elektromagnetische processen).

Om mechanische energie om te zetten in elektrische energie of vice versa, is het noodzakelijk om een ​​relatieve beweging van een geleidend circuit met een stroom en een magnetisch veld (magneet of stroom) te creëren.

In elektrische machines die zijn ontworpen voor continu gebruik, wordt de roterende beweging van het bewegende deel van de machine (de rotor van de wisselstroommachine) in het stationaire deel (de stator) gebruikt.De spoel van de machine die dient om het magnetische veld te creëren, wordt de inductor genoemd en de spoel die rondstroomt met werkende stroom wordt het anker genoemd. Beide laatste termen worden ook gebruikt voor DC-machines.

Om de magnetische inductie te vergroten, worden machinewikkelingen op ferromagnetische lichamen (staal, gietijzer) geplaatst.

Alle elektrische machines hebben de eigenschap van omkeerbaarheid, dat wil zeggen dat ze zowel als generatoren van elektrische energie als als elektromotoren kunnen worden gebruikt.

Asynchrone motoren

Er worden asynchrone motoren gebruikt een van de manifestaties van elektromagnetische inductie… In natuurkundevakken wordt het als volgt gedemonstreerd:

Onder een koperen schijf, die kan roteren om een ​​verticale as die door het midden gaat, is een verticale hoefijzermagneet geplaatst die wordt aangedreven om rond dezelfde as te roteren (de mechanische interactie tussen de schijf en de magneet is uitgesloten). In dit geval begint de schijf in dezelfde richting te draaien als de magneet, maar met een lagere snelheid. Als u de mechanische belasting van de schijf verhoogt (bijvoorbeeld door de wrijving van de as tegen het druklager te vergroten), neemt de rotatiesnelheid af.

De fysische betekenis van dit fenomeen wordt gemakkelijk verklaard door de theorie van elektromagnetische inductie: wanneer de magneet roteert, wordt een roterend magnetisch veld gecreëerd, dat wervelstromen in de schijf induceert. relatieve snelheid van het veld en de schijf.

Volgens de wet van Lenz moet de schijf in de richting van het veld draaien. Bij afwezigheid van wrijving moet de schijf een hoeksnelheid krijgen die gelijk is aan de snelheid van de magneet, waarna de geïnduceerde emf zal verdwijnen. In het echte leven is wrijving onvermijdelijk aanwezig en wordt de schijf langzamer.De grootte ervan hangt af van het mechanische remmoment dat de schijf ervaart.

De discrepantie tussen de rotatiesnelheid van de schijf (rotor) en de rotatiesnelheid van het magnetische veld wordt weerspiegeld in de naam van de motoren.

Het werkingsprincipe van asynchrone motoren:

In technische asynchrone motoren (meestal driefasig) wordt een roterend magnetisch veld gecreëerd meerfasige stroomstromen rond de stationaire statorwikkeling. Bij de frequentie van draaistroom is en het aantal statorspoelen 3p draaiveld maakt n = f / p omwentelingen / sec.

In de statorholte bevindt zich een roteerbare rotor. Op de as kan een draaimechanisme worden aangesloten.In de eenvoudigste "eekhoorncel"-motoren bestaat de rotor uit een systeem van metalen langsstaven die in de groeven van een stalen cilindrisch lichaam zijn geplaatst. De draden worden kortgesloten door twee ringen. Om het koppel te vergroten is de straal van de rotor groot genoeg gemaakt.

In andere motorontwerpen (meestal krachtige motoren) vormen de rotordraden een open driefasige wikkeling. De uiteinden van de spoelen worden in de rotor zelf kortgesloten en de kabels worden naar drie sleepringen geleid die op de rotoras zijn gemonteerd en daarvan zijn geïsoleerd.

Op deze ringen is een driefasige reostaat aangesloten met behulp van sleepcontacten (borstels), die dienen om de motor in beweging te brengen. Nadat de motor is gedraaid, wordt de reostaat volledig verwijderd en wordt de rotor een eekhoornkooi (zie - Asynchrone motoren met een gewikkelde rotor).

Op het statorhuis bevindt zich een klemmenbord. De statorwikkelingen worden naar hen toe gebracht. Ze kunnen worden opgenomen ster of driehoek, afhankelijk van de netspanning: in het eerste geval kan de netspanning 1,73 keer hoger zijn dan in het tweede geval.

De waarde die de relatieve vertraging van de rotor ten opzichte van het statorveld van de inductiemotor kenmerkt, wordt genoemd uitglijden… Het verandert van 100% (op het moment dat de motor start) naar nul (ideaal geval van rotorbeweging zonder verlies).

De omkering van de draairichting van de asynchrone motor wordt bereikt door wederzijds schakelen van elke twee lineaire geleiders van het elektrische netwerk dat de motor voedt.

Kooiankermotoren worden veel gebruikt in de industrie. De voordelen van asynchrone motoren zijn de eenvoud van het ontwerp en de afwezigheid van sleepcontacten.

Tot voor kort was het grootste nadeel van dergelijke motoren de moeilijkheid van snelheidsregeling, want als hiervoor de spanning van het statorcircuit wordt gewijzigd, verandert het koppel sterk, maar het was technisch moeilijk om de frequentie van de voedingsstroom te veranderen. Moderne microprocessorapparaten worden nu veel gebruikt om de frequentie van de voedingsstroom te regelen om de snelheid van motoren te variëren - frequentieomvormers.

Dynamo's

Dynamo's zijn gebouwd voor aanzienlijk vermogen en hoge spanning. Net als asynchrone machines hebben ze twee wikkelingen. Normaal gesproken bevindt de ankerwikkeling zich in het statorhuis. De inductoren die de primaire magnetische flux creëren, zijn op de rotor gemonteerd en worden aangedreven door een exciter - een kleine gelijkstroomgenerator die op de rotoras is gemonteerd. In krachtige machines wordt de excitatie soms gecreëerd door een gelijkgerichte wisselspanning.

Vanwege de onbeweeglijkheid van de ankerwikkeling verdwijnen de technische moeilijkheden die gepaard gaan met het gebruik van sleepcontacten bij hoge vermogens.

Onderstaande figuur toont een schema van een enkelfasige generator. De rotor heeft acht polen. Hierop zijn gewikkelde spoelen (niet weergegeven in de afbeelding) gevoed door een externe bron door gelijkstroom die wordt toegepast op sleepringen die op de rotoras zijn gemonteerd. De poolspoelen zijn zo gewikkeld dat de tekens van de polen die naar de stator zijn gericht elkaar afwisselen. Het aantal polen moet even zijn.

De ankerwikkeling bevindt zich in het statorhuis. De lange werkende "actieve" draden, loodrecht op het vlak van de tekening, worden in de figuur weergegeven met cirkels, ze worden doorkruist door de lijnen van magnetische inductie wanneer de rotor draait.

De cirkels tonen de momentane verdeling van de richtingen van de geïnduceerde elektrische velden. De verbindingsdraden die langs de voorkant van de stator lopen, zijn weergegeven met getrokken lijnen en aan de achterkant met stippellijnen. K-klemmen worden gebruikt om een ​​extern circuit aan te sluiten op de statorwikkeling. De draairichting van de rotor wordt aangegeven met een pijl.

Als je de machine mentaal doorsnijdt langs een straal die tussen de klemmen K gaat en deze in een vlak verandert, dan wordt de relatieve positie van de statorwikkeling en de rotorpolen (zijkant en bovenaanzicht) weergegeven met een schematische tekening:

Gezien de figuur zorgen we ervoor dat alle actieve draden (die door de polen van de inductor gaan) in serie met elkaar zijn verbonden en dat de EMF die erin wordt geïnduceerd, wordt opgeteld. De fasen van alle EMF's zijn uiteraard hetzelfde.Tijdens één volledige omwenteling van de rotor zullen vier volledige perioden van stroomverandering worden verkregen in elk van de draden (en dus in het buitenste circuit).

Als een elektrische machine p paar polen heeft en de rotor draait met n omwentelingen per seconde, dan is de frequentie van de wisselstroom die door de machine wordt ontvangen f = pn hz.

Aangezien de frequentie van de EMF in het netwerk constant moet zijn, moet de rotatiesnelheid van de rotoren constant zijn. Om een ​​EMF van technische frequentie (50 Hz) te verkrijgen, kan een relatief langzame rotatie worden gebruikt als het aantal rotorpolen groot genoeg is.

Om driefasige stroom te verkrijgen, worden drie afzonderlijke wikkelingen in het statorlichaam geplaatst. Elk van hen is verschoven ten opzichte van de andere twee met een derde van de boogafstand tussen aangrenzende (tegenovergestelde) polen van de inductoren.

Het is gemakkelijk te verifiëren dat wanneer de inductoren roteren, EMF's worden geïnduceerd in de spoelen die in fase (in de tijd) zijn verschoven met 120 °. De uiteinden van de spoelen worden uit de machine verwijderd en kunnen in ster of driehoek worden aangesloten.

In een generator wordt de relatieve snelheid van het veld en de geleider bepaald door de diameter van de rotor, het aantal omwentelingen van de rotor per seconde en het aantal poolparen.

Als de generator wordt aangedreven door een waterstroom (hydrogenerator), wordt deze meestal gemaakt met langzame toeren. Om de gewenste stroomfrequentie te verkrijgen, is het noodzakelijk om het aantal polen te vergroten, wat op zijn beurt een vergroting van de diameter van de rotor vereist.

Om een ​​aantal technische redenen krachtige waterstofgeneratoren ze hebben meestal een verticale as en bevinden zich boven de hydraulische turbine, waardoor ze gaan draaien.

Stoomturbine-aangedreven generatoren - Turbinegeneratoren zijn meestal snel. Om mechanische krachten te verminderen, hebben ze kleine diameters en een overeenkomstig klein aantal polen.Een aantal technische overwegingen vereist de productie van turbinegeneratoren met een horizontale as.

Als de generator wordt aangedreven door een verbrandingsmotor, wordt dit een dieselgenerator genoemd, aangezien dieselmotoren over het algemeen worden gebruikt als motoren die goedkopere brandstof verbruiken.

Generatoromkeerbaarheid, synchrone motoren

Als een wisselspanning wordt toegepast op de statorwikkeling van de generator van een externe bron, dan zal er een interactie zijn van de polen van de inductor met het magnetische veld van de stroom die in de stator wordt gegenereerd, en zullen koppels uit dezelfde richting werken op alle polen.

Als de rotor met een zodanige snelheid draait dat kort na de helft van de periode van de wisselstroom de volgende pool van de inductor (tegenover het teken van de eerste pool) onder de beschouwde draad van de statorwikkeling past, dan is het teken van de interactiekracht tussen het en de stroom, die van richting is veranderd, zal hetzelfde blijven.

Onder deze omstandigheden zal de rotor, die onder voortdurende invloed van het koppel staat, blijven bewegen en elk mechanisme kunnen aandrijven. Het overwinnen van de weerstand tegen de beweging van de rotor zal optreden als gevolg van de energie die door het netwerk wordt verbruikt, en de generator wordt een elektromotor.

Er moet echter worden opgemerkt dat continue beweging alleen mogelijk is met een strikt gedefinieerde rotatiesnelheid, aangezien in het geval van afwijking hiervan een versnellend moment gedeeltelijk zal werken op elk van de polen van de rotor, bewegend tussen de twee geleiders van de stator, een deel van de tijd - stoppen.

De rotatiesnelheid van de motor moet dus strikt worden bepaald, — de tijd waarin de pool wordt vervangen door de volgende moet samenvallen met de halve periode van de stroom, daarom worden dergelijke motoren genoemd synchroon.

Als een wisselspanning wordt toegepast op de statorwikkeling met een stationaire rotor, dan, hoewel alle polen van de rotor tijdens de eerste halve cyclus van de stroom de werking van koppels met hetzelfde teken ervaren, toch, als gevolg van traagheid, de rotor heeft geen tijd om te bewegen. In de volgende halve cyclus verandert het teken van de koppels voor alle rotorpolen in het tegenovergestelde.

Als gevolg hiervan zal de rotor trillen, maar niet kunnen draaien. Daarom moet de synchrone motor eerst worden opgewonden, dat wil zeggen op het normale aantal omwentelingen worden gebracht, en pas daarna moet de stroom in de statorwikkeling worden ingeschakeld.

De ontwikkeling van synchrone motoren wordt uitgevoerd door mechanische methoden (bij lage vermogens) en speciale elektrische apparaten (bij hoge vermogens).

Bij kleine veranderingen in de belasting verandert het motortoerental automatisch om zich aan te passen aan de nieuwe belasting. Dus naarmate de belasting op de motoras toeneemt, vertraagt ​​de rotor onmiddellijk. Daarom verandert de faseverschuiving tussen de lijnspanning en de tegengestelde geïnduceerde EMF die wordt geïnduceerd door de inductor in de statorwikkeling.

Bovendien zorgt de ankerreactie voor een demagnetisatie van de inductoren, dus de statorstroom neemt toe, de inductoren ervaren een verhoogd koppel en de motor begint weer synchroon te draaien, waardoor de verhoogde belasting wordt overwonnen. Een soortgelijk proces vindt plaats bij belastingvermindering.

Met sterke schommelingen in de belasting kan dit aanpassingsvermogen van de motor onvoldoende zijn, de snelheid zal aanzienlijk veranderen, hij zal "niet synchroon lopen" en uiteindelijk stoppen, terwijl de inductie-EMK die in de stator wordt geïnduceerd, verdwijnt en de stroom daarin toeneemt scherp. Daarom moeten sterke schommelingen in de belasting worden vermeden. Om de motor te stoppen, moet u natuurlijk eerst het statorcircuit loskoppelen en vervolgens de smoorspoelen loskoppelen; bij het starten van de motor moet u de omgekeerde volgorde van handelingen aanhouden.

Synchrone motoren worden meestal gebruikt om mechanismen aan te drijven die met een constante snelheid werken. Hier zijn de voor- en nadelen van synchrone motoren en de methoden om ze te starten: Synchrone motoren en hun toepassingen

Educatieve filmstrip - "Synchrone motoren", gemaakt door de fabriek voor educatieve visuele hulpmiddelen in 1966. Je kunt hem hier bekijken: Filmstrip «Synchronous Motor»