Виды электрических машин переменного тока, их устройство и принцип работы

Применение электричества состоит в превращении его в иные виды энергии — световую, тепловую, магнитную, химическую и механическую.

В последнем случае преобразователями чаще всего выступают электрические машины переменного тока.

Устройство

Машина, работающая и на постоянном, и на переменном токе, состоит из двух частей:

1. неподвижной — индуктора или статора;
2. вращающейся внутри нее — якоря или ротора.

Каждый узел состоит из сердечника и обмотки, размещенной в его пазах. Отличие машин I_пост и I_пер. состоит в порядке подачи тока: в первом случае – на обмотку вращающейся части, во втором – неподвижной.

Еще одна особенность: статорные и роторные сердечники набирают из отдельных изолированных листов электротехнической стали, что препятствует возникновению в них вихревых токов.

Принцип работы

Электрические машины могут выступать в роли:

1. генератора. Установка производит ток, обусловленный явлением электромагнитной индукции: изменения магнитного потока, пересекающего проводник, приводит к возникновению в нем ЭДС;
2. двигателя. Электромагнитное воздействие со стороны статора заставляет подвижную составляющую вращаться.

Важное отличие от устройств I_пост: в режиме двигателя вращается магнитное поле, создаваемое статором. Это обусловлено характером I_пер. (периодическое изменение величины и направления) и расположением катушек обмотки.

По типу питания электрические машины делятся на два вида:

1. однофазные. Статорные катушки разнесены на угол в 180⁰, вследствие чего при протекании в них I_пер. формируется пульсирующее магнитное поле. Его можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположном направлении. Наличия пульсирующего поля для обращения ротора недостаточно, но если тому придать такое движение извне, он продолжит вращение в ту же сторону. Это обусловлено тем, что за счет электромагнитного взаимодействия подвижный элемент гасит ту составляющую пульсирующего магнитного поля, что направлена против его вращения. В результате действующим остается только одно вращающееся магнитное поле, оно и увлекает ротор за собой. На ранних этапах ротор раскручивали вручную, сегодня для этого применяют пусковую обмотку, шунтирование или запуск через конденсатор;
2. трехфазные. Обмотки фаз А, В и С разносят на треть периода (в однополюсной машине это 120 градусов), вследствие чего из-за разности токов в фазах результирующее магнитное поле как бы вращается в одну сторону. Очевидно, что за период оно совершит один оборот, то есть при частоте тока 50 Гц поле вращается со скоростью 3000 об/мин. Если на роторе установить электромагнит с двумя парами полюсов, а на статоре — 6 равноудаленных катушек, подключенных к фазам в последовательности А – В – С – А – В – С, то скорость вращения поля сократится вдвое: до 1500 об/мин. Она равна W = (60*f)/n, где f — частота электрического тока, n — число пар полюсов и катушек, подключенных к одной фазе.

Сказанное относится как к двигателю, так и к генератору. То есть для создания 3-фазного тока частотой 50 Гц при наличии 30 пар полюсов ротор требуется вращать со скоростью всего 100 об/мин вместо 3000, что важно для роторов гидроэлектростанций.

Особенности

По способу взаимодействия ротора и вращающегося магнитного поля, устройства делятся на два вида – синхронные и асинхронные. В первом случае скорости вращения поля и ротора совпадают, во втором – отличаются.

Синхронная электрическая

Установки данного типа одинаково широко применяются в роли двигателей и генераторов. Подобные машины используются на всех электростанциях. Ротор имеет собственные магнитные полюсы.

Ротор представляет собой электромагнит на I_пост от стороннего источника, реже — постоянный магнит. Сторонним источником I_пост.  обычно выступает генератор, смонтированный на валу машины. Но в некоторых случаях используют и аккумулятор.

Вращение обусловлено взаимодействием вращающегося магнитного поля статора и собственного поля ротора. Первое увлекает за собой второе, заставляя подвижный элемент вращаться с той же скоростью (режим двигателя). Если же вращать ротор сторонней механической силой, на выводах обмотки статора получится 3-фазное напряжение (режим генератора).

Асинхронная электрическая

Данное устройство в основном используется как двигатель. В сравнении с синхронной имеет более простую конструкцию, чем и объясняется широкое распространение. Ротор собственных магнитных полюсов не имеет, поскольку его магнитное поле является наведенным (у синхронных — собственное).

Асинхронные машины делятся на два вида:

• коллекторные;
• бесколлекторные.

Первые более разнообразны по характеристикам, но из-за наличия такого дорогого и малонадежного узла, коим является коллектор, сфера их использования ограничена.

Бесколлекторные устройства наиболее распространены, они делятся на два вида:

• с короткозамкнутым ротором;
• с фазным ротором.

Обмотка первого представляет собой обойму из медных или алюминиевых стержней в форме беличьего колеса, тогда как тело самого элемента изготовлено из ферромагнитной стали и представляет собой сердечник.

Вместе сердечники ротора и статора образуют магнитопровод, а имеющиеся на них обмотки работают подобно трансформаторным:

1. в обмотках статора при подключении его клемм к 3-фазному напряжению формируется вращающееся магнитное поле, как было описано выше;
2. для ротора движущееся относительно него вращающееся магнитное поле является переменным, отчего в его обмотке, согласно закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС и возникает ток;
3. он создает в обмотке ротора магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора. Иными словами, возникает действующая на стержни ротора амперова сила. Он начинает вращаться вслед за полем статора.

Очевидно, что скорость вращения ротора V не может быть равна аналогичному параметру поля статора V0, поскольку при таких условиях последнее уже не будет переменным для роторной обмотки.

Потому данный двигатель и называют асинхронным. Если при вращении ротор обгоняет поле статора, машина переходит в режим генератора. Разность V и V0 характеризуется коэффициентом скольжения S = (V0 — V) / V0.

У двигателей с короткозамкнутым ротором есть три недостатка, ограничивающих сферу применения:

• небольшой пусковой момент: при активации полюсы наведенного в роторе магнитного поля находятся под полюсами вращающегося поля статора;
• высокий пусковой ток: в 5-15 раз выше рабочего;
• в случае приложения нагрузки на вал более максимального момента двигатель останавливается.

Назначение

По эксплуатационным характеристикам машины I_пер. превосходят аналоги на I_пост, потому им отдают предпочтение, их преимущества:

• технологичная конструкция;
• надежность;
• высокая энергетическая отдача.

В то же время они уступают устройствам I_пост. в точности регулирования рабочих параметров. Потому двигатели электротранспорта, сложных измерительных приборов и некоторых обрабатывающих станков работают на I_пост. В большинстве же случаев применяются машины I_пер.. Асинхронные двигатели отличаются простотой и используются чаще всего и в самых разных областях.

При этом наиболее распространена разновидность с короткозамкнутым ротором — опять же в силу простоты конструкции. Такими двигателями оснащают насосы, компрессоры, центрифуги, ручной электроинструмент, станки и пр. Аналогичные установки с фазным ротором устроены сложнее и потому применяются реже.

Их преимущество — хорошие пусковые и регулировочные характеристики, благодаря чему эти двигатели используют в качестве привода подъемных устройств, конвейеров, цементных, угольных и прочих мельниц, систем вентиляции и конструкций, предназначенных для непрерывной работы в течение длительного времени.

Видео по теме

О машинах переменного тока в видео:

Полная классификация машин переменного тока более разнообразна, чем приведенная в данной статье. Так, существуют устройства с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением, а также многие другие виды. Они отличаются пусковыми и рабочими характеристиками, но принцип действия у всех один и тот же.