Лекція 1
БУДОВА І ПРИНЦИП ДІЇ МАШИН ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
План
1. Класифікація та призначення електричних машин.
2. Застосування основних законів електротехніки.
3. Будова машин постійного струму (МПС).
4. Принцип дії МПС.
5. Основні елементи обмоток.
Класифікація та призначення електричних машин.
Електричні машини розповсюджені в різних галузях промисловості, сільського господарства, енергетики,авіації, медицині, побуті, на транспорті тощо. Габаритні розміри машин коливаються в широких межах – від декількох міліметрів до 16 м.
Перевагами електричних машин є їх високі енергетичні показники, зручність обслуговування і простота керування.
Електрична машина – це електромеханічний перетворювач, в якому механічна енергія перетворюється в електричну або навпаки. Електричні машини, в яких механічна енергія перетворюється в електричну називаються електричними генераторами, а машини, в яких здійснюється зворотне перетворення, називаються електричними двигунами.
До електричних машин відносяться також трансформатори. Хоча в трансформаторі електрична енергія однієї напруги перетворюється в електричну енергію другої напруги, тобто не виникає перетворення одного виду енергії в інший, але фізичні процеси, які виникають в трансформаторі і рівняння, які описують ці процеси, мають багато спільного з процесами і рівняннями, які виникають в обертових електричних машинах, тому доцільно теорію трансформаторів розглядати сумісно з теорією електричних машин.
Першими електричними машинами були двигуни постійного струму. Створення їх почалося після відкриття закону електромагнітних сил. Спочатку двигуни являли собою фізичні прилади і не мали практичного застосування. Перший двигун з обертальним рухом, який отримав практичне застосування, був побудований петербурзьким академіком Б.С.Якобі в 1834 р. Двигуни, побудовані Б.С.Якобі, знайшли застосування для різних механізмів. В 1838 р. побудований ним двигун потужністю 0,75 к.с. був використаний для приведення в рух катеру на річці Неві. В якості джерела живлення використовувалася батарея гальванічних елементів.
Розвиток генераторів постійного струму відставав від розвитку електродвигунів. Перша модель генератора була винайдена братами Піксі в 1832 році. Збудження генератора здійснювалося постійними магнітами. Промисловий варіант генератора був запропонований німецьким вченим З.Граммом в 1870 році.
В кінці ХІХ ст. застосовувався головним чином постійний струм і інтенсивно проводилися роботи по створенню машин постійного струму. Великий вплив на розвиток мереж змінного струму мали роботи російського винахідника П.М.Яблочкова. Перша практична установка змінного струму була сконструйована П.М.Яблочковим в 1878 р. для живлення свічок для освітлення («свічки Яблочкова»).
Великий внесок в розвиток машин змінного струму був зроблений російським електротехніком М.О.Доліво-Добровольським. Використовуючи явище обертового магнітного поля, яке було відкрите в 1888 р. незалежно один від одного італійським вченим Г.Феррарисом і югославським вченим М.Тесла, він в 1889 р. винайшов трифазний асинхронний двигун змінного струму.
Електричні машини класифікуються за: призначенням; родом струму і принципом дії; потужністю, частотою обертання.
За призначенням електричні машини поділяються на:
- генератори – перетворюють механічну енергію в електричну. Їх встановлюють на електричних станціях і різних транспортних установках: автомобілях, літаках, кораблях, пересувних електростанціях. Генератори застосовують також в якості джерел живлення в установках зв’язку, пристроях автоматики, вимірювальної техніки.
- двигуни – перетворюють електричну енергію в механічну. Вони приводять в рух різноманітні машини, механізми и пристрої, які застосовуються в промисловості, сільському господарстві, зв’язку, на транспорті, воєнній справі і в побуті. В сучасних системах автоматичного керування їх використовують в якості виконавчих, регулюючих і програмуючих органів.
- електромашинні перетворювачі – перетворюють змінний струм в постійний і навпаки. Змінюють величину напруги змінного і постійного струму, частоту, кількість фаз тощо. Їх широко використовують в промисловості, на транспорті і в воєнній справі. Але останнім часом роль електромашинних перетворювачів суттєво зменшилась внаслідок застосування статичних напівпровідникових перетворювачів.
- електромашинні компенсатори – здійснюють генерування реактивної потужності в електричних установках для покращення енергетичних показників джерел і споживачів електричної енергії.
- електромашинні підсилювачі – використовуються для керування об’єктами відносно великої потужності за допомогою електричних сигналів малої потужності, які подаються на їх обмотки збудження (керування). Роль електромашинних підсилювачів в останній час також зменшилась із-за широко застосування підсилювачів, які виконані на напівпровідникових елементах (транзисторах, тиристорах).
- електромеханічні перетворювачі сигналів, які генерують, перетворюють та підсилюють різноманітні сигнали. Їх виконують зазвичай у вигляді електричних мікромашин і широко використовують в системах автоматичного регулювання, вимірювальних і лічильно-рахувальних пристроях в якості різних датчиків, порівнюючих і регулюючих органів.
Класифікація за родом струму і принципом дії.
За родом струму вони поділяються на машини постійного струму і машини змінного струму. Особливістю більшості машин постійного струму є наявність у них спеціального механічного перемикаючого пристрою – колектора.
Машини змінного струму поділяються на синхронні і асинхронні.
Електричні машини за потужністюподіляються на мікромашини, машини малої потужності, машини середньої потужності, машини великої потужності.
Мікромашини мають потужність від долей вата до 500 Вт. Ці машини працюють як на постійному струмі так і на змінному нормальної і підвищеної (400-2000 Гц) частоти.
Машини малої потужності - від 0,5 до 10 кВт. Вони працюють як на постійному струмі так і на змінному нормальної або підвищеної частоти.
Машини середньої потужності - від 10 кВт до декількох сотен кіловат.
Машини великої потужності - вище декількох сотен кіловат..
Машини середньої та великої потужності зазвичай призначені для роботи на постійному або змінному струмі нормальної частоти.
За частотою обертання електричні машини поділяються на тихохідні (до 300 об/хв); середньої швидкохідності (300 – 1500 об/хв); швидкохідні (1500 – 6000 об/хв), зверхшвидкохідні (більше 6000 об/хв).
Мікромашини виконують для частот обертання від декількох об/хв, до 6000 об/хв., машини середньої і великої потужності – до 3000 об/хв.
2. Застосування основних законів електротехніки.
В основі принципу дії електричних машин лежить закон електромагнітної індукції: відповідно до цього закону в провіднику, що переміщується відносно магнітного поля в площині, перпендикулярній до напряму магнітних силових ліній, індукується електрорушійна сила - е.р.с., величину якої визначають з формули:
Е = v l B,
де
Е – миттєве значення е.р.с., В;
v – лінійна швидкість провідника відносно магнітного поля, м / с.;
l – довжина активної частини (тобто тієї його частини, яка перетинає
силові лінії магнітного поля), м;
В – магнітна індукція, Тл
Напрям е.р.с. у провіднику визначають за правилом правої руки: якщо долоню правої руки розмістити в магнітному полі так, щоб силові лінії поля входили в долоню, а великий палець, відігнутий у площині долоні на 900 показував напрям руху провідника, то решта пальців, витягнутих у площині долоні, покаже напрям індукованої в проводі е.р.с.
Напрям е.р.с. і струму в проводі від нас умовились позначати в перерізі проводу знаком хреста (+), а до нас – крапкою(·).
Принцип дії електродвигуна оснований на взаємодії магнітних полів полюсів і провідників по яких тече струм.
Напрям дії сили на провідник можна визначити за правилом лівої руки: якщо помістити ліву руку в магнітному полі так, щоб у долоню входили магнітні силові лінії, а витягнуті пальці показували напрям струму в провіднику,то великий палець, відігнутий у площині долоні на 900 , показуватиме напрям дії електромагнітної сили на провідник.
Електричні машини оборотні, тобто, якщо у магнітному полі обертати виток, то в ньому буде індуктуватися е.р.с., а якщо пропускати по витку струм, то виток обертатиметься в магнітному полі.
