Elektrische Wechselstrommaschinen
Elektrische Maschinen dienen der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie (Wechsel- und Gleichstromgeneratoren) und umgekehrt (Elektromotoren).
In all diesen Fällen werden im Wesentlichen drei Hauptentdeckungen auf dem Gebiet des Elektromagnetismus verwendet: das Phänomen der mechanischen Wechselwirkung von Strömen, das 1821 von Ampere entdeckt wurde, das Phänomen der elektromagnetischen Induktion, das 1831 von Faraday entdeckt wurde, und die theoretische Zusammenfassung dieser Phänomene von Lenz (1834) in seinem bekannten Gesetz über die Richtung des induzierten Stroms (tatsächlich sagte das Gesetz von Lenz den Energieerhaltungssatz für elektromagnetische Prozesse voraus).
Um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt, ist es notwendig, eine Relativbewegung eines Stromkreises mit einem Strom und einem Magnetfeld (Magnet oder Strom) zu erzeugen.
Bei elektrischen Maschinen, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind, wird die Drehbewegung des beweglichen Teils der Maschine (des Rotors der Wechselstrommaschine) genutzt, der sich im stationären Teil (dem Stator) befindet.Die Spule der Maschine, die zur Erzeugung des Magnetfeldes dient, wird als Induktor bezeichnet, die vom Betriebsstrom umflossene Spule wird als Anker bezeichnet. Die beiden letztgenannten Begriffe werden auch für Gleichstrommaschinen verwendet.
Um die magnetische Induktion zu erhöhen, werden Maschinenwicklungen auf ferromagnetische Körper (Stahl, Gusseisen) gelegt.
Alle elektrischen Maschinen haben die Eigenschaft der Reversibilität, das heißt, sie können sowohl als Generatoren elektrischer Energie als auch als Elektromotoren eingesetzt werden.
Asynchronmotoren
Es kommen Asynchronmotoren zum Einsatz eine der Erscheinungsformen der elektromagnetischen Induktion… In Physikkursen wird es wie folgt demonstriert:
Unter einer Kupferscheibe, die sich um eine durch ihr Zentrum verlaufende vertikale Achse drehen kann, befindet sich ein vertikaler Hufeisenmagnet, der so angetrieben wird, dass er sich um dieselbe Achse dreht (die mechanische Wechselwirkung zwischen der Scheibe und dem Magneten ist ausgeschlossen). In diesem Fall beginnt sich die Scheibe in die gleiche Richtung wie der Magnet zu drehen, jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit. Wenn Sie die mechanische Belastung der Scheibe erhöhen (z. B. durch Erhöhen der Reibung der Achse am Axiallager), verringert sich ihre Drehzahl.
Die physikalische Bedeutung dieses Phänomens lässt sich leicht durch die Theorie der elektromagnetischen Induktion erklären: Wenn sich der Magnet dreht, entsteht ein rotierendes Magnetfeld, das Wirbelströme in der Scheibe induziert, deren Größe unter sonst gleichen Bedingungen von der Größe abhängt relative Geschwindigkeit des Feldes und der Scheibe.
Nach dem Lenzschen Gesetz muss sich die Scheibe in Richtung des Feldes drehen. Ohne Reibung muss die Scheibe eine Winkelgeschwindigkeit erreichen, die der Geschwindigkeit des Magneten entspricht, woraufhin die induzierte EMK verschwindet. Im wirklichen Leben ist zwangsläufig Reibung vorhanden und die Scheibe wird langsamer.Seine Größe hängt vom mechanischen Bremsmoment ab, das die Scheibe erfährt.
Die Diskrepanz zwischen der Drehzahl der Scheibe (Rotor) und der Drehzahl des Magnetfeldes spiegelt sich im Namen der Motoren wider.
Das Funktionsprinzip von Asynchronmotoren:
In technischen Asynchronmotoren (meist dreiphasig) entsteht ein rotierendes Magnetfeld Mehrphasenstromumströmt die stationäre Statorwicklung. Bei der Frequenz des Drehstroms und der Anzahl der Statorspulen beträgt das Drehfeld n = f/p Umdrehungen/Sek.
Im Statorhohlraum befindet sich ein drehbarer Rotor. Mit seiner Welle kann ein Drehmechanismus verbunden werden. Bei den einfachsten „Eichhörnchenzellen“-Motoren besteht der Rotor aus einem System länglicher Metallstäbe, die in den Nuten eines zylindrischen Stahlkörpers angeordnet sind. Die Drähte werden durch zwei Ringe kurzgeschlossen. Um das Drehmoment zu erhöhen, wird der Radius des Rotors groß genug gewählt.
Bei anderen Motorkonstruktionen (typischerweise Hochleistungsmotoren) bilden die Rotordrähte eine offene Dreiphasenwicklung. Die Enden der Spulen werden im Rotor selbst kurzgeschlossen und die Leitungen werden zu drei Schleifringen geführt, die auf der Rotorwelle montiert und von dieser isoliert sind.
An diese Ringe ist über Schleifkontakte (Bürsten) ein dreiphasiger Rheostat angeschlossen, der dazu dient, den Motor in Bewegung zu setzen. Nachdem der Motor gedreht wurde, wird der Rheostat vollständig entfernt und der Rotor wird zu einem Käfigläufer (siehe – Asynchronmotoren mit gewickeltem Rotor).
Am Statorgehäuse befindet sich eine Klemmenleiste. Zu ihnen werden die Statorwicklungen herausgeführt. Sie können einbezogen werden Stern oder Dreieck, abhängig von der Netzspannung: Im ersten Fall kann die Netzspannung 1,73-mal höher sein als im zweiten.
Der Wert, der die relative Verzögerung des Rotors im Vergleich zum Statorfeld des Induktionsmotors charakterisiert, wird aufgerufen rutschen… Sie wechselt von 100 % (im Moment des Motorstarts) auf Null (Idealfall verlustfreier Rotorbewegung).
Die Drehrichtungsumkehr des Induktionsmotors wird durch gegenseitiges Umschalten von jeweils zwei linearen Leitern des den Motor versorgenden Stromnetzes erreicht.
Käfigläufermotoren werden in der Industrie häufig eingesetzt. Die Vorteile von Asynchronmotoren sind die einfache Konstruktion und das Fehlen von Schleifkontakten.
Der Hauptnachteil solcher Motoren war bis vor kurzem die Schwierigkeit der Drehzahlregelung, denn wenn dafür die Spannung des Statorkreises geändert wird, ändert sich das Drehmoment stark, es war jedoch technisch schwierig, die Frequenz des Versorgungsstroms zu ändern. Moderne Mikroprozessorgeräte werden heute häufig verwendet, um die Frequenz des Versorgungsstroms zu steuern und so die Drehzahl von Motoren zu variieren. Frequenzumrichter.
Lichtmaschinen
Lichtmaschinen sind für erhebliche Leistung und Hochspannung ausgelegt. Sie verfügen wie Asynchronmaschinen über zwei Wicklungen. Normalerweise befindet sich die Ankerwicklung im Statorgehäuse. Die Induktoren, die den primären Magnetfluss erzeugen, sind am Rotor montiert und werden von einem Erreger angetrieben – einem kleinen Gleichstromgenerator, der auf der Rotorwelle montiert ist. Bei leistungsstarken Maschinen erfolgt die Erregung teilweise durch eine gleichgerichtete Wechselspannung.
Aufgrund der Unbeweglichkeit der Ankerwicklung entfallen die technischen Schwierigkeiten, die mit der Verwendung von Schleifkontakten bei hohen Leistungen verbunden sind.
Die folgende Abbildung zeigt ein Schema eines Einphasengenerators. Sein Rotor hat acht Pole. Darauf sind Spulen gewickelt (in der Abbildung nicht dargestellt), die von einer externen Quelle durch Gleichstrom gespeist werden, der an auf der Rotorwelle montierte Schleifringe angelegt wird. Die Polspulen sind so gewickelt, dass sich die Vorzeichen der dem Stator zugewandten Pole abwechseln. Die Anzahl der Pole muss gerade sein.
Die Ankerwicklung befindet sich im Statorgehäuse. Seine langen „aktiven“ Arbeitsdrähte, die senkrecht zur Zeichenebene verlaufen, sind in der Abbildung mit Kreisen dargestellt. Sie werden von den magnetischen Induktionslinien gekreuzt, wenn sich der Rotor dreht.
Die Kreise zeigen die momentane Richtungsverteilung der induzierten elektrischen Felder. Die entlang der Vorderseite des Stators verlaufenden Anschlussdrähte sind mit durchgezogenen Linien und auf der Rückseite mit gestrichelten Linien dargestellt. K-Klemmen werden verwendet, um einen externen Stromkreis an die Statorwicklung anzuschließen. Die Drehrichtung des Rotors ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Wenn Sie die Maschine gedanklich entlang eines Radius zwischen den Klemmen K schneiden und in eine Ebene verwandeln, wird die relative Position der Statorwicklung und der Rotorpole (Seite und Draufsicht) in einer schematischen Zeichnung dargestellt:
Unter Berücksichtigung der Abbildung stellen wir sicher, dass alle aktiven Drähte (die durch die Pole des Induktors verlaufen) in Reihe miteinander verbunden sind und die in ihnen induzierte EMF summiert wird. Die Phasen aller EMFs sind offensichtlich gleich.Während einer vollständigen Umdrehung des Rotors werden in jedem der Drähte (und damit im äußeren Stromkreis) vier vollständige Stromänderungsperioden erzielt.
Wenn eine elektrische Maschine p Polpaare hat und der Rotor sich mit n Umdrehungen pro Sekunde dreht, dann beträgt die Frequenz des von der Maschine empfangenen Wechselstroms f = pn hz.
Da die Frequenz der EMF im Netzwerk konstant sein muss, muss die Drehzahl der Rotoren konstant sein. Um eine EMK mit technischer Frequenz (50 Hz) zu erhalten, kann eine relativ langsame Rotation verwendet werden, wenn die Anzahl der Rotorpole groß genug ist.
Um Drehstrom zu erhalten, werden im Statorkörper drei separate Wicklungen platziert. Jeder von ihnen ist gegenüber den anderen beiden um ein Drittel des Bogenabstands zwischen benachbarten (entgegengesetzten) Polen der Induktoren versetzt.
Es ist leicht zu überprüfen, dass beim Drehen der Induktoren EMFs in den um 120° phasenverschobenen Spulen induziert werden. Die Enden der Spulen werden von der Maschine entfernt und können in Stern oder Dreieck angeschlossen werden.
Bei einem Generator wird die relative Geschwindigkeit von Feld und Leiter durch den Durchmesser des Rotors, die Anzahl der Rotorumdrehungen pro Sekunde und die Anzahl der Polpaare bestimmt.
Wenn der Generator durch einen Wasserstrom angetrieben wird (Hydrogenerator), erfolgt er normalerweise mit langsamen Umdrehungen. Um die gewünschte Stromfrequenz zu erhalten, ist eine Erhöhung der Polzahl erforderlich, was wiederum eine Vergrößerung des Rotordurchmessers erfordert.
Aus mehreren technischen Gründen leistungsstarke Wasserstoffgeneratoren Sie verfügen meist über eine vertikale Welle und befinden sich oberhalb der Wasserturbine, wodurch sie in Rotation versetzt werden.
Von Dampfturbinen angetriebene Generatoren – Turbinengeneratoren arbeiten normalerweise mit hoher Geschwindigkeit. Um mechanische Kräfte zu reduzieren, weisen sie kleine Durchmesser und eine entsprechend geringe Polzahl auf. Eine Reihe technischer Überlegungen erfordern die Herstellung von Turbinengeneratoren mit horizontaler Welle.
Wird der Generator von einem Verbrennungsmotor angetrieben, spricht man von einem Dieselgenerator, da Dieselmotoren in der Regel als Motoren eingesetzt werden, die günstigeren Kraftstoff verbrauchen.
Reversibilität des Generators, Synchronmotoren
Wenn an die Statorwicklung des Generators eine Wechselspannung von einer externen Quelle angelegt wird, kommt es zu einer Wechselwirkung der Pole der Induktivität mit dem Magnetfeld des im Stator erzeugten Stroms und es wirken Drehmomente aus der gleichen Richtung an allen Polen.
Wenn sich der Rotor mit einer solchen Geschwindigkeit dreht, dass kurz nach der halben Periode des Wechselstroms der nächste Pol der Induktivität (mit entgegengesetztem Vorzeichen zum ersten Pol) unter den betrachteten Draht der Statorwicklung passt, dann ist das Vorzeichen des Die Wechselwirkungskraft zwischen ihm und dem Strom, der seine Richtung geändert hat, bleibt gleich.
Unter diesen Bedingungen bewegt sich der Rotor, der ständig dem Drehmoment ausgesetzt ist, weiter und kann jeden Mechanismus antreiben. Die Überwindung des Widerstands gegen die Bewegung des Rotors erfolgt aufgrund der vom Netzwerk verbrauchten Energie und Der Generator wird zum Elektromotor.
Es ist jedoch zu beachten, dass eine kontinuierliche Bewegung nur bei einer genau definierten Drehzahl möglich ist, da bei Abweichung davon ein Beschleunigungsmoment teilweise auf jeden der Pole des Rotors einwirkt und sich zwischen den beiden Leitern des Rotors bewegt Stator, zeitweise - Anhalten.
Daher muss die Drehzahl des Motors genau bestimmt werden. Die Zeit, in der der Pol durch den nächsten ersetzt wird, muss mit der Halbperiode des Stroms übereinstimmen, weshalb solche Motoren genannt werden synchron.
Wird bei stillstehendem Rotor eine Wechselspannung an die Statorwicklung angelegt, so wirken zwar während der ersten Halbwelle des Stroms alle Pole des Rotors mit Drehmomenten gleichen Vorzeichens, dennoch aufgrund der Trägheit die Der Rotor hat keine Zeit, sich zu bewegen. In der nächsten Halbwelle ändert sich das Vorzeichen der Drehmomente aller Rotorpole ins Gegenteil.
Dadurch vibriert der Rotor, kann sich aber nicht drehen. Daher muss der Synchronmotor zunächst aufgezogen, also auf die normale Drehzahl gebracht werden, und erst dann sollte der Strom in der Statorwicklung eingeschaltet werden.
Die Entwicklung von Synchronmotoren erfolgt mit mechanischen Methoden (bei kleinen Leistungen) und speziellen elektrischen Geräten (bei hohen Leistungen).
Bei kleinen Laständerungen ändert sich die Motorgeschwindigkeit automatisch, um sie an die neue Last anzupassen. Wenn also die Belastung der Motorwelle zunimmt, wird der Rotor sofort langsamer. Daher ändert sich die Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung und der entgegengesetzten induzierten EMK, die durch die Induktivität in der Statorwicklung induziert wird.
Darüber hinaus führt die Ankerreaktion zu einer Entmagnetisierung der Induktoren, sodass der Statorstrom ansteigt, die Induktoren ein erhöhtes Drehmoment erfahren und der Motor beginnt, sich wieder synchron zu drehen und so die erhöhte Belastung zu überwinden. Ein ähnlicher Vorgang findet bei der Lastreduzierung statt.
Bei starken Lastschwankungen reicht diese Anpassungsfähigkeit des Motors möglicherweise nicht aus, seine Drehzahl ändert sich erheblich, er „gerät aus der Synchronität“ und stoppt schließlich, während die im Stator induzierte Induktions-EMK verschwindet und der Strom darin zunimmt scharf. Daher müssen starke Lastschwankungen vermieden werden. Um den Motor zu stoppen, müssen Sie natürlich zuerst den Statorstromkreis und dann die Drosseln trennen. Beim Anlassen des Motors ist die umgekehrte Reihenfolge einzuhalten.
Synchronmotoren werden am häufigsten zum Antrieb von Mechanismen verwendet, die mit konstanter Geschwindigkeit arbeiten. Hier sind die Vor- und Nachteile von Synchronmotoren und die Methoden zu deren Anlassen: Synchronmotoren und ihre Anwendungen
Lehrfilmstreifen - „Synchronmotoren“, erstellt von der Fabrik für pädagogisch-visuelle Hilfsmittel im Jahr 1966. Hier können Sie es sich ansehen: Filmstreifen «Synchronmotor»
