2.3 Коммутация.

Причины искрения щеток. Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией. В более широком смысле под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то это значит, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации. Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы — механические и электромагнитные.

К механическим причинам относятся: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора — примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует воз­никновению искрения по механическим причинам. Неустой­чивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин. Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/3 стоимости машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

3.Синхронная машина.

На статоре расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка. Обмотку ротора, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец и щеток. При вращении ротора с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E.

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток I_a создаст вращающееся магнитное поле. Ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной.

В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием между собой возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор. В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рисунке статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – на статоре.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U_с и частотой f₁ протекающий по обмотке ток создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с током I_в, протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме–тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с одинаковой частотой вращения, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки. Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля;

б) частота изменения э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э. д. с. не индуктируется, определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.

Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем.

Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3–3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений.

Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором называют обращённой. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами и неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами. Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие ²/₃ каждого полюсного деления. Показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения.

Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде. В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе.

4.Асинхронная машина:

Состоит: Сердечник статора. Корпус. Обмотка статора, размещена в пазах сердечника статора. Пазы сердечника ротора. Трёхфазная обмотка ротора, уложена в пазах сердечника ротора.Лопасти вентилятора, установленные на валу засасывают воздух в машину через отверстия в подшипниковых щитах и выбрасывают его через отверстия в корпусе двигателя.Выводные кольца обмотки ротора подключаются к трём контактным кольцам болтами.Подшипниковый щит – к нему прикреплён траверс , в котором находятся щёткодержатели с щётками.Токосъемное устройство закрыто коробкой.

Асинхронной машиной (АМ) называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети , а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. ЭДС и ток во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Угловая скорость ротора зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Асинхронные машины – наиболее распространенные электрические машины. Как всякая электрическая машина, асинхронная машина обратима и используется как преобразователь электрической энергии в механическую или для обратного преобразования. Чаще всего асинхронные машины работают в качестве электродвигателей. Асинхронные генераторы применяют значительно реже. В системах автоматики используют большое количество разновидностей и модификаций асинхронных машин: двухфазные исполнительные асинхронные двигатели, тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы. В соответствии с этим мощность асинхронных машин, изготавливаемых электропромышленностью, колеблется в широких пределах от долей ватта до многих тысяч киловатт.

Номинальные напряжения в асинхронных машинах большой мощности достигают 10000 вольт. Для бытовых приборов и специальных приводов используют одно-фазные асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели в нашей стране выпускают едиными сериями. В эксплуатации единые серии значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудования. Опыт разработки и внедрения крупных серий асинхронных двигателей показал необходимость совместной работы расчетчиков, конструкторов и технологов, начиная с момента разработки технического задания в серию. Создание высокоэкономичных асинхронных двигателей единых серий – сложная научно-техническая задача. Применение современных компьютерных технологий позволяет в кратчайшие сроки разрабатывать и запускать в серийное производство новые серии АМ.

Грамотная эксплуатация асинхронных двигателей – залог длительной работы самих двигателей и сложного оборудования, основным звеном которого являются эти двигатели. Анализ электромеханических преобразователей показывает, что функции преобразования энергии выполняются при периодическом пространственном изменении магнитного поля. Магнитные поля (потокосцепления), индуктивности и взаимные индуктивности не могут быть монотонно возрастающими функциями токов и угла поворота подвижной части (ротора) и, следовательно, единственно возможным является случай их периодического изменения в зависимости от взаимного перемещения индуктора и якоря. При этом можно перемещать индуктор просто механически или создавать условия для перемещения (вращения) магнитного поля, созданного обмотками. Создание вращающихся магнитных полей в ЭМ осуществляют многофазными обмотками. Для этого требуется также многофазная сеть – источник питания. Необходимо выполнить всего два условия:

1. Обмотка т-фазная подключается к т-фазному источнику питания.

2. Оси фаз обмотки располагают в ЭМ с пространственным сдвигом на угол α электрических градусов, равным временному сдвигу фаз источника.

В асинхронной машине выполняются вышеперечисленные условия.

Конструктивно асинхронная машина состоит из двух совершенно необходимых частей:

1.Магнитной, предназначенной для локализаций магнитного поля в заданном объеме;

2.Электрической, выполняющей две функции: во-первых, создание магнитного поля, во-вторых, восприятие действия созданного в АМ магнитного поля. Магнитная система асинхронной машины выполняется (из листовой электротехнической стали) в виде двух концентрических цилиндров, из которых внутренний (ротор), укрепленный на валу в подшипниках, может свободно вращаться внутри неподвижного внешнего (статора).

5.Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформаторы бывают: повышающие, понижающие однофазные, трех и многофазные. Силовые, измерительные, и испытательные.

Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 1-лампа накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток.

Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток , который в сумме с током I0 составит ток первичной обмотки. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотка более низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.

В трехобмоточных трансформаторах на магнитопровод помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор, питаемый со стороны одной из обмоток, дает возможность получать два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Кроме обмоток высшего и низшего напряжения трехобмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения (СН).

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения или прямоугольного изолированного провода. Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.

Обмотку низшего напряжения изолируют от стержня прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Такую же изолирующую прокладку помещают между обмотками высшего и низшего напряжения.

При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня магнитопровода желательно придать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня.

Однако стержни круглого сечения изготовлять сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов, и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 15—17. Количество ступеней сечения стержня определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.

Для лучшего охлаждения в магнитопроводах, а также в обмотках мощных трансформаторов устраивают вентиляционные каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.

Заключение

Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научно-технического прогресса, способ­ствуют совершенствованию всех отраслей промыш­ленности и транспорта. В первую очередь, это отно­сится к электрическим машинам, составляющим основу электроэнергетики, как в процессе производ­ства электроэнергии, так и в процессе ее потребле­ния.

Совершенствование электрических машин ве­дется по двум направлениям.

Во-первых,совершенствование технологии изготовления электрических машин, с целью увеличе­ния их производства и снижения стоимости.

Во-вторых, применение в электрических маши­нах более качественных магнитных и электроизоля­ционных материалов, с целью повышения технико-экономических показателей электрических машин. И, наконец, в-третьих, создание новых видов элек­трических машин нетрадиционной конструкции, с использованием новейших достижений науки.

Работы последних лет показали, что резервы по усовершенствованию электрических машин тради­ционной конструкции во многом исчерпаны. Поэто­му оказывается целесообразным переход к электри­ческим машинам нового принципа исполнения.

Список литературы.

1.М.М.Кацман Электрические машины

2.Б.Ф.Токарев Электрические машины

3.А.А.Дайлидко Электрические машины

4.Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины