§25. Процесс преобразования энергии в электрических машинах. Режимы их работы. Электродвигатели. Преобразование энергии

Электродвигатель - это механизм, который служит для преобразования электрической энергии в механическую. В основе принципа работы любого электродвигателя находится закон электромагнитной индукции. Обычно электродвигатель состоит из неподвижной части (статора) и ротора (или якоря), в которых создаются неподвижные или вращающиеся магнитные поля. Электродвигатели бывают самых различных типов и модификаций, широко применяются во многих отраслях человеческой деятельности, и представляют собой один из главных компонентов в механизмах и приводах самого различного назначения. ОТ характеристик электродвигателя напрямую зависит эффективность производства.

Классификация электродвигателей

Главными частями, из которых состоит Электродвигатели , являются статор и ротор. Ротор — та часть двигателя, которая вращается, а статор - которая остается неподвижной. Принцип работы электродвигателя заключен во взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора и электрического тока, который находится в замкнутой обмотке ротора. Этот процесс инициирует вращение ротора в направлении поля.

Основные виды электродвигателей:

• Двигатель переменного тока;
• Двигатель постоянного тока;
• Многофазный двигатель;
• Однофазный двигатель;
• Вентильный двигатель;
• Шаговый двигатель;
• Универсальный коллекторный двигатель.

Если говорить о таких электродвигателях как асинхронные электродвигатели , то они относятся к виду двигателей переменного тока. Такие двигатели бывают как однофазные электродвигатели , так и двух- и трехфазные. В асинхронных электродвигателях частота переменного тока в обмотке не совпадает с частотой вращения ротора. Процесс работы асинхронного электродвигателя обеспечивается разницей во времени генерации магнитных полей статора и ротора. Вращение ротора из-за этого задерживается относительно поля статора. Купить электродвигатель асинхронного типа можно для машин, в которых не требуются особые условия работы пускового механизма.

Виды электродвигателей по степени защищенности от внешней среды:

• Взрывозащищенные;
• Защищенные;
• Закрытые.

Взрывозащищенные электродвигатели имеют прочный корпус, который если случится взрыв двигатели, предотвратит поражение всех других частей механизма и воспрепятствует возникновению пожара.

Защищенные электродвигатели при эксплуатации закрыты специальными заслонками и сетками, которые защищают механизм от попадания инородных предметов. Используются в среде, где нет повышенной влажности воздуха и примесей газов, пыли, дыма и химических веществ.

Закрытые электродвигатели имеют специальную оболочку, которая не дает проникать пыли, газам, влаге и другим веществам и элементам, которые способны причинить вред механизму двигателя. Такие электродвигатели бывают герметичными и негерметичными.

Область применения частотных преобразователей достаточно обширна. Они востребованы в станках и электроприводах промышленных механизмов, конвейерах, системах вытяжной вентиляции и так далее. Принцип работы частотника заключается в правиле вычисления угловой скорости вращения вала, которое включает в себя такой фактор как частота питающей сети. Таким образом, меняя частоту питания обмотки электродвигателя, можно регулировать скорость вращения ротора двигателя в прямой зависимости, таким образом уменьшить обороты электродвигателя или повысить их. Эти приборы имеют также название «инверторы», благодаря методу, при помощи которого решается задача одновременного регулирования частоты и напряжения на выходе преобразователя. Все частотные преобразователи в обязательном порядке маркируются табличками, ан которых указаны их характеристики:

• Максимально возможная мощность электродвигателя;
• Напряжение запитывающей сети;
• Количество фаз (однофазный, трехфазный).

Большинство промышленных частотных преобразователей предназначены для работы в трехфазных сетях переменного тока, однако встречаются и другие модели, например частотники для однофазных двигателей.

Применение электродвигателя

Жизнь современного человека тяжело представить без такого механизма как электродвигатель. Оглянитесь вокруг - они получил практически повсеместное распространение. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих в повседневной жизни, на работе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты - вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели.

Особой надежностью отличаются именно асинхронные электродвигатели, благодаря чему они находят широкое применение в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих станков и других промышленных станков, в кузнечных прессах, грузоподъёмных машинах, лифтах, ткацких, швейных и землеройных машинах, промышленных вентиляторах, компрессорах, насосах, центрифугах, бетономешалках. Крановые электродвигатели используются в капитальном, промышленном и гражданском строительстве, в горнодобывающей, металлургической отраслях, энергетике, транспорте.

Метро, трамвай, троллейбус - все эти виды транспорта обязаны своему существованию электродвигателю. Любой офис или жилой дом сегодня невозможно представить без кондиционера или системы очистки воздуха - в них тоже применяются электродвигатели. Функционирование большинства современного оборудования невозможно без электродвигателя, в связи с чем очень многое зависит от качества и надежности этого механизма. Его поломка может привести к очень печальным результатам, вплоть до остановки производства и огромным финансовым убыткам. Следовательно, приобретать электродвигатели можно только у надёжного и проверенного поставщика, который гарантирует качество продукции.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя заключается в эффекте магнетизма, который позволяет эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую. Принцип преобразования энергии в разных типах электродвигателей одинаковый, для всех типов электродвигателей, но конструкция двигателей и способы контроля скорости вращающегося момента могут различаться. Всем со школьной скамьи известен простейший пример электродвигателя - когда рамка вращается между полюсами постоянного магнита. Разумеется, устройство электродвигателя, который применяется в промышленных механизмах или бытовых приборах намного сложнее. Давайте рассмотрим как работает асинхронный электродвигатель, который получил наибольшее распространение в промышленности.

Принцип работы асинхронного электродвигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя, как и прочих, основан на использовании вращающегося магнитного поля. Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она соответствует скорости вращения магнита. При этом скорость вращения цилиндра принято называть асинхронной, то есть не совпадающей со скоростью вращения магнита. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением. Чтобы заставить заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора обычно используется трехфазный ток.

Устройство электродвигателя

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, размещаются три обмотки, сети трехфазного тока расположенные одна относительно другой под углом 120°. Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя. Если обмотки соединить между собой и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся. Суммарный магнитный поток в тоже время будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов). При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим, таким образом асинхронный электродвигатель.

Обмотки статора могут быть соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником». Если поменять местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное. Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора. Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Подключение электродвигателя

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе. В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка. В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п. В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии. Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Лабораторный стенд для изучения электромеханического преобразования энергии состоит из двух однотипных машин постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В процессе его эксплуатации произошло повреждение. Задачей была модернизация стенда. В результате выполнена разработка рабочей схемы и замена поврежденных элементов, что позволяет улучшить качество работы стенда для изучения электромеханического преобразования энергии.

Значение электроматериалов. Материалы, применяемые в электромашиностроительной промышленности, в значительной степени определяют технические показатели электрических машин. Использование высококачественной стали позволяет существенно уменьшить вес и габариты машин и увеличить их к. п. д. Свойства

изолирующих материалов и лаков ограничивают допустимые электромагнитные нагрузки. Толщина и нагревостойкость изоляционных материалов определяют степень использования электрических машин. Обычно изоляция занимает в среднем 30% общего объема паза, в котором заложены проводники обмотки. Уменьшение толщины изоляции позволяет увеличить объем проводников в пазу, а следовательно, увеличить мощность машины при сохранении ее габаритов. Повышенная нагревостойкость изоляционных материалов также позволяет увеличить нагрузку машины.

Технические показатели электрических машин и их надежность в значительной мере зависят не только от правильной конструкции и расчета, но и от правильного выбора магнитных и изолирующих материалов, их свойств и качеств, а также от материалов конструктивных элементов, обеспечивающих требуемую механическую проч ность.

Применяемые в электропромышленности материалы делятся на три группы: конструктивные, активные и электроизоляционные.

Конструктивные и активные материалы. Из конструктивных материалов изготовляются части машины, несущие механическую нагрузку. В электромашиностроении применяются в основном те же конструктивные материалы, что и в общем машиностроении. К ним относятся сталь, чугун, цветные металлы и пластмассы.

Активные материалы служат для проведения магнитного потока машины и электрического тока и делятся на токопроводящие и магнитопроводящие.

В качестве основного токопроводящего материала до последнего времени использовалась медь, которая сравнительно недорога, имеет малое электрическое сопротивление, хорошо сваривается и обладает хорошими антикоррозийными свойствами. Однако медь дефицитна, поэтому в последние годы в качестве проводникового материала начали применять более дешевый и широко распространенный алюминий. Его достоинствами являются низкий удельный вес, более высокая проводимость на единицу веса, легкость механической обработки и хорошие антикоррозийные свойства. Недостатком алюминия является повышенное удельное электрическое сопротивление и плохая свариваемость. Вследствие повышенного удельного электрического сопротивления машины с алюминиевыми обмотками имеют большие габариты. В электромашиностроении широко применяют различные медные сплавы, например латунь, фосфористую бронзу и т. д.

К токопроводящим элементам следует отнести также щетки, при помощи которых осуществляется съем тока с вращающихся обмоток через контактные кольца или коллектор. Щетки обычно изготовляются на основе графита, угля или меди. Основным магнитопроводящим материалом является листовая легированная электротехническая сталь, содержащая от 2 до 5%

кремния. Присадка кремния уменьшает потери на гистерезис. Вследствие увеличения удельного электрического сопротивления стали уменьшаются потери на вихревые токи. Сталь становится устойчивой к окислению и старению, но делается более хрупкой. В последние годы широко используется холоднокатаная текстуро-ванная сталь с более высокими магнитными свойствами в направлении проката. Сердечник магнитопровода выполняется в виде пакета, собранного из листов штампованной стали. Толщина стального листа от 0,5 до 0,15 мм.

Для проведения постоянного магнитного потока широко используется стальное литье и чугун.

Электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих частей машины. Изоляция обмоточных проводников машины в значительной мере определяет ее технико-экономические показатели и эксплуатационные качества. От толщины изоляции существенно зависят габариты и вес машины. Применяемые изоляционные материалы должны иметь высокую электрическую прочность, быть на-грево-, влаго- и химически стойкими. Изоляция должна также обладать высокими удельными сопротивлениями и малыми диэлектри- . ческими потерями. От твердых материалов требуется достаточная механическая прочность.

По условию нагревостойкости твердые электроизоляционные материалы делятся на семь классов. Наибольшее распространение до последнего времени имели материалы класса А, к которому относятся пропитанные бумага, картон, дерево, хлопчатобумажные и шелковые ткани и ленты. Материалы пропитываются с целью улучшения электрической прочности и теплопроводности, а также для уменьшения гигроскопичности. Пропитывающими веществами могут служить трансформаторное масло, масляные лаки и битумные составы. Допустимая температура нагрева для материалов этого класса составляет 105° С. При отсутствии пропитки эти изоляционные материалы принадлежат к классу У , их допустимая температура нагрева 90° С.

В последнее время начинают широко применять синтетические изоляционные материалы, которые имеют малую толщину и высокие электрические и механические показатели. Синтетические органические пленки типа лавсан, пластмассы с органическим наполнителем и слоистые пластики принадлежат к электроизоляционным материалам класса Е, допустимая температура нагрева которых 120° С.

К материалам класса В принадлежат изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, содержащие для их связывания и пропитки органические лаки и смолы повышенной нагревостойкости, а также изделия из пластмассы с неорганическим наполнителем. К этому классу относятся такие высококачественные материалы, как микалента и микафолий, изготовляемые из пластинок слюды,

склеенных между собой и наклеенных на бумагу. Они хорошо удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам, но относительно дороги. Предельно допустимая температура нагрева для материалов класса В 130° С.

В последнее время получает широкое распространение синтетическая изоляция типа термопластик, изготовленная на слюдяной основе с применением термоактивного полиэфиро-стирольного компаунда. Электроизоляционные и механические свойства термопластика выше, чем микаленты, но он имеет более сложную технологию изготовления. Изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, на основе синтетических пропитывающих составов, принадлежат к электроизоляционным материалам класса F, их допустимая температура нагрева 155° С. Те же материалы, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими веществами, принадлежат к классу Н , допустимая температура нагрева которого 180° С. Кремнийорганическая изоляция является особенно перспективной, хотя она в настоящее время относительно дорога.

К материалам класса С относятся изделия из слюды, стекла, стекловолокна, фарфора и других неорганических материалов без примеси органических связывающих веществ. Допустимая температура для материалов этого класса не ограничивается.