Машины переменного тока: устройство, принцип работы, применение

Электрические машины выполняют ответственную функцию преобразования энергии в рабочих механизмах и генераторных станциях. Такие устройства находят свое место в разных областях, снабжая исполнительные органы достаточным силовым потенциалом. Одну из самых востребованных систем данного типа представляют машины переменного тока (МПТ), которые имеют несколько разновидностей и отличий внутри своего класса.

Общие сведения об МПТ

Сегмент МПТ или электромеханических преобразователей можно условно разделить на однофазные и трехфазные системы. Также на базовом уровне выделяют асинхронные, синхронные и коллекторные устройства, при этом общий принцип действия и конструкционное исполнение у них имеет много схожего. Данная классификация машин переменного тока носит условный характер, поскольку современные станции электромеханического преобразования частично задействуют рабочие процессы от каждой группы устройств.

Вам будет интересно: Пылеулавливающий агрегат (ПУ). Типы пылеулавливающих агрегатов

Как правило, в основе МПТ находится статор и ротор, между которыми предусматривается воздушный зазор. Опять же, независимо от типа машины, рабочий цикл строится на вращении магнитного поля. Но если в синхронной установке движение ротора соответствует направлению силового поля, то в асинхронной машине ротор может двигаться в другом направлении и с разными частотами. Это различие обуславливает и особенности применения машин. Так, если синхронные могут выступать и в качестве генератора, и как электромеханический двигатель, то асинхронные в основном используют как двигатели.

Вам будет интересно: Кожевенное производство: история, описание и применяемые технологии

Что касается количества фаз, то выделяют одно- и многофазные системы. Причем, с точки зрения практического использования, заслуживают внимание представители второй категории. Это по большей части трехфазные машины переменного тока, в которых функцию энергоносителя как раз выполняет магнитное поле. Однофазные же устройства ввиду эксплуатационной непрактичности и крупных размеров постепенно выходят из практики применения, хотя в некоторых сферах решающим фактором их выбора является низкая стоимость.

Отличия от машин постоянного тока

Принципиальная конструкционная разница заключается в расположении обмотки. В системах переменного тока она охватывает статор, а в машинах постоянного тока – ротор. В обеих группах электродвигатели различаются по типу возбуждения тока – смешанные, параллельные и последовательные. Сегодня машины переменного и постоянного тока используются в промышленности, сельском хозяйстве и в бытовой сфере, однако первый вариант более привлекателен по своим эксплуатационным качествам. Генераторы и двигатели переменного тока выигрывают за счет более технологичной конструкции, надежности и высокой энергетической отдачи.

Вам будет интересно: «Корвет-57»: устройство, технические характеристики, отзывы

Применение устройств, работающих на постоянном токе, распространено в сферах, где на первый план выходят требования к точности регулирования рабочих параметров. Это могут быть тяговые механизмы транспорта, обрабатывающие станки и сложные измерительные приборы. В плане производительности машины постоянного и переменного тока имеют высокий КПД, но с разными возможностями технико-конструкционной подстройки под конкретные условия применения. Работа с постоянным током дает больше возможностей для управления частотой вращения, что важно при обслуживании серводвигателей и шаговых моторов.

Устройство асинхронной МПТ

Для технической основы данного устройства в виде ротора и статора используется листовая сталь, которую перед сборкой покрывают изоляционным масляно-канифольным слоем с обеих сторон. В машинах малой мощности сердечник может выполняться из электрической стали без дополнительного покрытия, поскольку изолятором в данном случае выступает естественный оксидный слой на металлической поверхности. Статор фиксируется в корпусе, а ротор на валу. В асинхронных машинах переменного тока большой мощности сердечник ротора может крепиться и на ободе корпуса втулкой, насаженной на вал. Непосредственно вал должен вращаться на подшипниковых щитах, которые также фиксируются к основе корпуса.

Внешние поверхности ротора и внутренние поверхности статора изначально обеспечиваются пазами для размещения проводников обмотки. У статора машин переменного тока обмотка чаще выполняется трехфазной и подключается к соответствующей сети на 380 В. Ее также называют первичной. Аналогично выполняется и обмотка ротора, окончания которой обычно формируют соединение в конфигурации звезды. Предусматриваются и контактные кольца, через которые дополнительно может подключаться реостат для регулировки или трехфазный пусковой элемент.

Важно отметить и параметры воздушного зазора, который выполняет функцию демпферной зоны, снижающей шум, вибрации и нагрев при работе устройства. Чем габаритнее машина, тем больше должен быть зазор. Его величина может варьироваться от одного до нескольких миллиметров. Если конструкционно невозможно оставить достаточно места для воздушной зоны, то предусматривается система дополнительного охлаждения установки.

Принцип работы асинхронной МПТ

Вам будет интересно: Реактивно-бомбометная установка (РБУ-6000) «Смерч-2»: история и тактико-технические характеристики

Трехфазную обмотку в данном случае подключают к симметричной сети с трехфазным напряжением, в результате чего в воздушном зазоре формируется магнитное поле. Относительно обмотки якоря принимаются специальные меры для достижения гармонического пространственного распределения поля для демпферного зазора, что образует систему вращающихся магнитных полюсов. Согласно принципу действия машины переменного тока, на каждом полюсе формируется магнитный поток, который пересекает контуры обмотки, тем самым провоцируя генерацию электродвижущей силы. В трехфазной обмотке индуцируется трехфазный ток, обеспечивающий вращающий момент двигателя. На фоне взаимодействия тока ротора с магнитными потоками происходит формирование электромагнитной силы на проводниках.

Если ротор под действием внешней силы приводится в движение, направление которого соответствует направлению потоков магнитного поля машины переменного тока, то ротор начнет обгонять темпы вращения поля. Это происходит в тех случаях, когда частота вращения статора превосходит номинальную синхронную частоту. В то же время будет изменено направление движения электромагнитных сил. Таким образом формируется тормозящий момент с обратным действием. Данный принцип работы позволяет использовать машину и в качестве генератора, работающего в режиме отдачи активной мощности в сеть.

Устройство и принцип действия синхронных МПТ

В части исполнения и расположения статора синхронная машина похожа на асинхронную. Обмотка называется якорем и выполняется с тем же количеством полюсов, как и в предыдущем случае. У ротора предусматривается обмотка возбуждения, энергетическое снабжение которой обеспечивают контактные кольца и щетки, подключенные к источнику постоянного тока. Под источником подразумевается маломощный генератор-возбудитель, устанавливаемый на одном валу. В синхронной машине переменного тока обмотка выполняет функцию генератора первичного магнитного поля. В процессе проектирования конструкторы стремятся создавать условия для того, чтобы индукционное распределение поля возбуждения на поверхностях статора было как можно ближе к синусоидальному.

При повышенных нагрузках обмотка статора формирует магнитное поле с вращением в направлении ротора с аналогичной частотой. Таким образом образуется единое поле вращения, при котором поле статора будет оказывать воздействие на ротор. Данное устройство машин переменного тока позволяет их использовать как электродвигатели, если изначально обеспечивается подводка трехфазного тока к синхронной обмотке. Такие системы создают условия для координированного вращения ротора с частотой, соответствующей полю статора.

Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины

Главным отличием явнополюсных систем является присутствие в конструкции выступающих полюсов, которые крепятся к специальным выступам вала. В типовых механизмах фиксация выполняется с помощью Т-образных хвостовых крепежей к ободу крестовины или валу через втулку. В устройстве машин переменного тока малой мощности эта же задача может решаться болтовыми соединениями. В качестве материала обмотки используется полосовая медь, которую наматывают на ребро, изолируя специальными прокладками. В наконечниках с полюсами в пазах размещаются стержни обмотки для пуска. В этом случае применяется материал с высоким удельным сопротивлением наподобие латуни. Контуры обмотки по торцам приваривают к короткозамыкающим элементам, образуя общие кольца для короткого замыкания. Явнополюсные машины с силовым потенциалом на 10-12 кВт могут выполняться в так называемой обращенной конструкции, когда якорь вращается, а полюса индуктора сохраняют неподвижное состояние.

У неявнополюсных машин конструкция базируется на цилиндрическом роторе, выполняемом из стальной поковки. В роторе присутствуют пазы для формирования обмотки возбуждения, полюса которой рассчитываются на высокие частоты вращения. Однако применение такой обмотки в электрических машинах с переменным током большой мощности невозможно из-за высокой степени износа ротора в жестких условиях эксплуатации. По этой причине даже в установках средней мощности для роторов применяют высокопрочные компоненты из цельных поковок на основе хромоникельмолибденовых или хромоникелевых сталей. В соответствии с техническими требованиями к прочности, максимальный диаметр рабочей части у ротора неявнополюсной синхронной машины не может быть выше 125 см. Это объясняет необычный форм-фактор ротора с удлиненным корпусом, хотя и по данному параметру есть ограничения, связанные с увеличением вибраций у слишком длинных элементов. Предельная длина ротора составляет 8,5 м. К неявнополюсным агрегатам, которые используются в промышленности, можно отнести различные турбогенераторы. С их помощью, в частности, связывают рабочие моменты паровых турбин с тепловыми энергостанциями.

Особенности вертикальных гидрогенераторов

Отдельный класс явнополюсных синхронных МПТ, обеспеченных вертикальным валом. Такие установки подключаются к гидравлическим турбинам и подбираются под мощности обслуживаемых потоков по частоте вращения. Большинство машин переменного тока данного типа являются тихоходными, но при этом имеют большое количество полюсов. Среди ответственных рабочих компонентов вертикального гидрогенератора можно отметить упорный подшипник и подпятник, на который приходится нагрузка от вращающихся частей движка. На подпятник, в частности, накладывается и давление от потоков воды, которая действует на турбинные лопасти. Кроме того, для остановки вращения предусматривается тормоз, а в рабочей структуре также присутствуют направляющие подшипники, воспринимающие радиальные усилия.

Вам будет интересно: Из чего делают ткань? Классификация тканей по типу сырья, свойствам и назначению

В верхней части машины наряду с гидрогенератором могут размещаться вспомогательные агрегаты – например, возбудитель генератора и регулятор. К слову, последний представляет собой самостоятельную машину переменного тока с обмоткой и полюсами на постоянных магнитов. Данная установка обеспечивает питание двигателя для обеспечения функции автоматического регулятора. В больших вертикальных гидрогенераторах возбудитель может заменяться синхронным генератором, который вместе с возбудительными узлами и ртутными выпрямителями обеспечивает энергоснабжение силовых устройств, обслуживающих рабочий процесс основного гидрогенератора. Конфигурация машины с вертикальным валом также используется в качестве приводного механизма мощных гидравлических насосов.

Коллекторные МПТ

Наличие коллекторного узла в конструкции МПТ зачастую обуславливается необходимостью выполнения функции преобразования частоты вращения в электрической связи разночастотных цепей на обмотках ротора и статора. Это решение позволяет наделять устройство дополнительными эксплуатационными свойствами, в числе которых автоматическая регуляция рабочих параметров. Коллекторные машины переменного тока, которые подключаются к трехфазным сетям, получают по три щеточных пальца в каждом сегменте двойного полюсного деления. Соединение щеток между собой выполняется по параллельной схеме перемычками. В этом смысле коллекторные МПТ похожи на электродвигатели с постоянным током, но отличаются от них количеством применяемых щеток на полюсах. Помимо этого, статор в данной системе может иметь несколько дополнительных обмоток.

Замкнутая обмотка якоря при использовании коллектора с трехфазными щетками будет представлять собой трехфазную комплексную обмотку с соединением в виде треугольника. В процессе вращения якоря каждая фаза обмотки сохраняет неизменную позицию, однако секции поочередно переходят от одной фазы к другой. Если в коллекторной машине переменного тока используется шестифазный комплект щеток со сдвигом на 60° относительно друг друга, то формируется шестифазная обмотка с соединением по схеме многоугольника. На щетках многофазной машины с коллекторной группой частота тока определяется вращением магнитного потока по отношению к неподвижным щеткам. Направление вращения ротора может быть как встречным, так и согласованным.

Применение МПТ

Сегодня МПТ используются всюду, где в том или ином виде требуется генерация механической или электрической энергии. Крупные производительные агрегаты применяются в обслуживании инженерных систем, энергетических станций и подъемно-транспортных узлов, а маломощные – в обычной бытовой технике от вентиляторов до насосов. Но в обоих случаях назначение машин переменного тока сводится к выработке энергетического потенциала в достаточном объеме. Другое дело, что имеют принципиальное значение конструкционные отличия, реализация внутренней конфигурации статора и ротора, а также управляющая инфраструктура.

Хотя общее устройство МПТ на протяжении длительного времени сохраняет один и тот же набор функциональных компонентов, повышающиеся требования к эксплуатации таких систем заставляют разработчиков вносить дополнительные органы контроля и управления. На современном этапе технологического развития особенно в контексте применения машин переменного тока в производственной сфере эксплуатацию подобных двигателей и генераторов сложно представить без высокоточных средств регуляции рабочих параметров. Для этого используются самые разные способы управления – импульсный, частотный, реостатный и т.д. Внедрение автоматики в регулирующую инфраструктуру также является характерной чертой современной эксплуатации МПТ. Управляющая электроника подключается к силовой установке с одной стороны, а с другой – к программным контроллерам, которые по заданному алгоритму дают команды на установку конкретных параметров работы механизма.

Заключение

Генераторы тока и электродвигатели являются обязательным силовым компонентом в современной промышленности. За счет их функции работают станки, транспорт, коммуникационные установки и прочие электротехнические агрегаты и приборы, требующие энергоснабжения. При этом существует огромный массив видов и подвидов электрические машины переменного и постоянного тока, особенности и характеристики которых в итоге определяют нишу для их эксплуатации. К технико-эксплуатационным особенностям МПТ можно отнести более простое конструкционное устройство и относительно низкие требования к обслуживанию. С другой стороны, машины постоянного тока оказываются более привлекательным решением задач энергоснабжения в сложных ответственных системах питания. Отечественный производственный сегмент энергетического промышленного оборудования имеет огромный опыт в проектировании и выпуске электрических машин обоих типов. Крупные предприятия все больший упор делают на разработку индивидуальных решений с конструкционными и эксплуатационными особенностями. Отклонения от типовых проектов часто связаны с необходимостью подключения вспомогательных функциональных узлов и оборудования наподобие систем охлаждения, защитных средств от перегрева и сетевых колебаний, дополнительного и резервного питания. Кроме того, на часть конструкционных свойств электрических машин немалое влияние оказывает внешняя среда эксплуатации, что также учитывается на этапах проектирования и создания техники.

Электрические машины

В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.

На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.

Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:

• генераторы — источники электрической энергии;
• электродвигатели — источники механической энергии;
• специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением

Области применения электрических машин

Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10 -17 — 10 9 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.

Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

• где F – сила, Н,
• I – сила тока, А,
• – длина проводника, м,
• B — магнитная индукция, Тл,
• — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

• где E – напряженность электрического поля, В/м,
• ds – элемент контура, м,
• Ф — магнитный поток, Вб,
• t — время, с

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

• где – электродвижущая сила индукции, В

Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Вращающиеся электрические машины

Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].

Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.

Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.

Виды вращающихся электрических машин

По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре

Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.

Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.

Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.

Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.

https://vkmp.ru/promyshlennost/10306-mashiny-peremennogo-toka-ustrojstvo-princip-raboty-primenenie/
https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/electricmachine/