Принцип работы электрогенераторов и электродвигателей кратко

Обновлено: 05.07.2024

В режиме генератора якорь машины вращается под действием внешнего момента. Между полюсами статора имеется постоянный магнитный поток, пронизывающий якорь. Проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле и, следовательно, в них индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу "правой руки". При этом на одной щетке возникает положительный потенциал относительно второй. Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в ней пойдет ток. После поворота якоря на некоторый угол щетки окажутся соединенными с другой парой пластин, т.е. подключаются к другому витку якорной обмотки, ЭДС в котором будет иметь то же направление. Таким образом, генератор вырабатывает

электрический ток, и направление этого тока, протекающего через нагрузку, не изменяется.

При подключении нагрузки к генератору и с появлением тока якоря, на валу возникает электромагнитный момент, направленный против направления вращения якоря. В режиме двигателя на зажимы машины подается постоянное напряжение, и по якорной обмотке идет ток. Проводники якорной обмотки находятся в магнитном поле машины, созданном током возбуждения и, следовательно, на них, согласно закону

Ампера, будут действовать силы. Совокупность этих сил создает вращающий момент, под действием которого якорь будет вращаться. При вращении якоря в его обмотке наводится ЭДС, которая направлена навстречу току, и поэтому для двигателей она называется противо-ЭДС.

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. В основе его работы лежит явление электромагнитной индукции, т, е. наведение ЕДС в проводниках, движущихся в магнитном поле. Простейший генератор постоянного тока состоит из постоянного магнита (статор), между полюсами которого размещена рамка (виток или секция) из проводникового материала (якорь). Концы рамки присоединены к двум медным изолированным полукольцам (простейший коллектор). На эти полукольца наложены две неподвижные щётки. Коллектор и щётки предназначены для преобразования наведенной в рамке переменной ЭДС в постоянную, а точнее в пульсирующую ЭДС, и для подключения якоря к внешней электричес кой цепи (рис. 1).

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока:

— ЭДС и ток в обмотке якоря; --- ЭДС и ток во внешней цепи

(на выходе) генератора.

Пульсирующий ток не всегда пригоден для практического применения. Пульсацию тока можно значительно уменьшить и сделать ток практически постоянным по величине, а не только по направлению, если на якоре установить не одну, а несколько секций, а наколлекторе столько же пластин.

Электродвигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. В основе его работы, как и у генератора постоянного тока, лежит явление электромагнитной индукции. Следовательно, одна и та же машина постоянного тока, может работать как генератор и как электродвигатель. Разница между ними состоит в том, что к зажимам генератора подключается потребитель электрической энергии, а на зажимы электродвигателя подаётся питающее напряжение.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока:

— ЭДС и ток в обмотке якоря; --- ЭДС и ток во внешней цепи

(на выходе) генератора.

Тема — Электродвигатели и Генераторы — работа электрических машин.

Каждый из нас знает, что если подключить к электродвигателю провода и подать через них на него напряжение от источника питания, то мотор начнёт вращаться. Если этот электродвигатель отсоединить от источника питания и к имеющимся проводам (подсоединённые к мотору) включить лампочки (электрическую нагрузку), а саму ось электрического двигателя начать раскручивать, то лампочка начнёт светиться. В итоге мы из электромотора получили электрогенератор, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Выше описанное демонстрирует возможность обратимости работы электродвигателя и электрического генератора. Одно и тоже устройство легко может быть использовано, как для преобразования механической энергии в электрическую, так и наоборот. Хотя всё же и первое, и второе электрическое устройство имеет свои специфические особенности.

Работа электрических машин на основе электродвигателя — как мы помним из физики, в основе принципа действия электрического двигателя лежит явление взаимного отталкивания магнитных полей ротора и статора. Статор представляет собой неподвижную часть электродвигателя, который может состоять либо из постоянных магнитов, либо из статорной обмотки, уложенной в специальных пазах магнитопровода. А откуда возникают взаимоотталкивающие магнитные поля? А вот откуда.

Таким образом, получается — имеются катушка и постоянный магнит или катушка и катушка, которые при протекании через них электрического тока (подаваемого от внешнего источника электропитания) начинают отталкиваться друг от друга, поскольку действуют образовавшиеся вокруг них магнитные поля. В итоге имеем — магнитное поле статора действует на магнитное поле ротора, а в результате начинает вращаться ось электродвигателя.

Работа электрических машин на основе генератора — принцип действия электрогенератора противоположен работе электродвигателя. А именно: если в электрическом двигателе при протекании тока (отрицательных заряженных частиц - электронов) по обмоткам порождало магнитное поле вокруг этой обмотки, то в электрическом генераторе для того что бы создать электрический поток электронов внутри катушки (а также разность потенциалов на клеммах двигателя), а именно, заставить электроны двигаться упорядоченно необходимо наличие движущегося магнитного потока через эту катушку.

Физика утверждает, что если через электрический проводник (катушку) пропустить магнитное поле, то этот магнитный поток заставит сместиться свободные электроны на концы проводника. Но они сместятся не навсегда, а только лишь на том момент времени пока движется магнитный поток сквозь проводник. При подобном смещении отрицательных заряженных частиц возникает электродвижущая сила ЭДС (напряжение).

Подобное явление получила название индукции. Следует заметить, что этот эффект (наведение ЭДС в проводнике) возникает и длится в том случае, когда проводник (катушка) не просто пронизан магнитным полем, а это поле постоянно движется сквозь проводник. В результате и получаем, у генератора при вращении его оси идёт постоянное воздействие магнитного потока на обмотки, на которых и возникает ЭДС.

Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель - электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является - электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F

4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на якоре, чтобы обеспечить больший постоянный момент.

5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по закону электромагнитной индукции ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:

Классификация электродвигателей

Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, - датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
Вентильный электродвигатель постоянного тока - электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

КДПТ - коллекторный двигатель постоянного тока
БДПТ - бесколлекторный двигатель постоянного тока
ЭП - электрический преобразователь
ДПР - датчик положения ротора
ВРД - вентильный реактивный двигатель
АДКР - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
АДФР - асинхронный двигатель с фазным ротором
СДОВ - синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина - вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Может работать на переменном и постоянном токе. Широко используется в ручном электроинструменте и в некоторых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). В США и Европе использовался как тяговый электродвигатель. Получил большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низкой цены и легкости управления.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую. Преимуществами электродвигателя постоянного тока являются: высокий пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина - вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоинствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является сложность регулирования частоты вращения.

Cинхронный электродвигатель

Синхронные двигатели обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров как мощность/объем, КПД и др.

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей. В качестве серводвигателя могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока с датчиком положения ротора. Серводвигатель используется в составе сервомеханизма для точного управления угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма. Для работы серводвигатель требует относительно сложную систему управления, которая обычно разрабатывается специально для сервопривода.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) - векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

где M – вращающий момент, Нм,
F – сила, Н,
r – радиус-вектор, м

где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
n_ном - номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент - момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя - это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность - физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

где P – мощность, Вт,
A – работа, Дж,
t - время, с

Работа - скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

Для вращательного движения

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение - значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя - характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
P₁ - подведенная мощность (электрическая), Вт,
P₂ - полезная мощность (механическая), Вт

электрическими потерями - в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями - потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями - потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями - потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

где n - частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции - скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
m - масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) - напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени - это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора

Читайте также: