Принцип работы электрических машин

Классификация электрических машин

Классифицируют электрические машины по назначению, принципу действия и роду тока, мощности, по частоте вращения.

Классификация по назначению

Электрические машины по своему назначению подразделяют на:

• Электромашинные генераторы. Они выполняют преобразовании энергии механической (вращение) в электрическую. Они устанавливаются на электрических станциях, автомобилях, самолетах, тепловозах, передвижных электростанциях, кораблях и в других установках. На электростанциях генератор приводят в движение мощные паровые турбины, на автомобилях, тепловозах и прочих транспортных средствах – газовые турбины или двигатели внутреннего сгорания. Генераторы очень часто используют в качестве источников питания в различных установках связи, автоматики и измерительной техники и в других системах.

• Электрические двигатели – выполняют функции обратные генератору, а именно, преобразуют электрическую энергию в механическую. Они используются для приведения в движение множества установок в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, в быту, в системах связи. В системах автоматического регулирования их активно используют в качестве регулирующих, программирующих и исполнительных органов.
• Электромашинные преобразователи – выполняют преобразования электрических величин. Например, могут преобразовывать постоянный ток в переменный и наоборот, изменять частоту, число фаз и другие функции. В связи с активным внедрением полупроводниковых преобразователей электромашинные преобразователи в новых проектах используют крайне редко (практически никогда), а уже установленные электромашинные преобразователи активно модернизируются полупроводниковыми (тиристорными и транзисторными).
• Электромашинные компенсаторы – осуществляют регулирование коэффициента мощности cos φ, а именно баланса реактивной мощности в сети.
• Электромашинные усилители – используют для объектов большой мощности. Это, своего рода усилители, они усиливают сигналы большой мощности, при этом управление ведется сигналами малой мощности. Роль этих усилителей, как и электромашинных компенсаторов, в современном мире практически сведена на нет из – за применения полупроводниковых усилителей (транзисторных и тиристорных).
• Электромеханические преобразователи сигналов – это, как правило, электрические микромашины (например, сельсины), которые довольно широко используют в системах автоматического управления.

Классификация по роду тока и принципу действия

Как известно, существует два рода электрического тока – переменный и постоянный.

Исходя из этого, электрические машины также подразделяют по роду тока на два вида – машины электрические переменного тока и машины электрические постоянного тока.

Электрические машины переменного тока

• Трансформаторы – наиболее широко применимы в сетях электроснабжения для преобразования напряжений (повышение и понижение). Также довольно широко их применяют в выпрямительных установках для согласования напряжений, в устройствах связи, вычислительной техники и автоматики. Часто применяются и для проведения измерений электрических (измерительные трансформаторы), а также для различных функциональных преобразований (трансформаторы вращающиеся).

• Асинхронные электродвигатели – самые распространенные в мире благодаря своей относительной простоте и низкой стоимости. Применяются в промышленных электроустановках (станки, краны, подъемные машины) и в бытовых (компрессора холодильников, вентиляторы, пылесосы). Довольно широкое применение получили однофазные и двухфазные асинхронные управляемые электродвигатели, а также сельсины и тахогенераторы асинхронные.

• Синхронные электродвигатели – наиболее часто применяемы в качестве генераторов электрического тока на электрических станциях. Также применимы в качестве генераторов повышенной частоты в различных источниках питания (например, на кораблях, тепловозах, самолетах). Также в электроприводах большой мощности применяют синхронные электродвигатели, которые могут также помимо выполнения полезной работы и также влиять на коэффициент мощности сети cos φ.
• Коллекторные машины – используют их только в качестве электродвигателей. Это вызвано сложностью их конструкции и необходимостью тщательного ухода. В бытовых электроприборах и устройствах автоматики применяются универсальные коллекторные электродвигатели, способные работать на двух родах тока – постоянном и переменном.

Электрические машины постоянного тока

Они работают практически во всех сферах промышленности и транспорта.

В связи с большим распространением машин постоянного тока также были распространены и генераторы постоянного тока. Они использовались в качестве источников постоянного напряжения для зарядки аккумуляторных батарей, на транспорте (тепловозы, теплоходы и другие), а также в промышленности (система генератор — двигатель). Ввиду развития полупроводниковой техники генераторы постоянного тока постепенно вытесняются из работы и активно заменяются на генераторы переменного тока работающих в паре с полупроводниковым преобразователем.

Также применяются электродвигатели постоянного тока и в системах автоматического управления АСУ в качестве усилителей электромашинных, тахогенераторов и исполнительных электродвигателей.

Электрические микромашины

Микромашины активно применяются в устройствах автоматических.

Их подразделяют на группы:

• Силовые микродвигатели – приводят во вращения механизмы различных автоматических устройств. Например, самопишущие устройства и другие.

• Исполнительные (управляемые) микромашины – выполняют преобразование энергии электрической в механическую, то есть ведут обработку определенных команд из вне.
• Тахогенераторы – преобразуют механическую энергию вращения вала в электрический сигнал напряжения, который пропорционален скорости вращения вала.
• Вращающиеся трансформаторы – на выходе этих трансформаторов устанавливается напряжение, пропорциональное функции углу поворота ротора, например синусу или косинусу данного угла или же самому углу.
• Машины синхронной связи – (магнесины или сельсины) осуществляют синфазный и синхронный поворот или же вращения нескольких осей, не имеющих между собой механической связи.
• Микромашины гироскопических приборов – вращают роторы гироскопов с довольно высокой частотой, а также производят коррекцию их положения.
• Электромашинные усилители и преобразователи.

Классификация по мощности

• Микромашины – их мощность может варьироваться от нескольких долей ватта до 500 Вт. Они могут производится для двух родов тока — постоянного и переменного. Могут быть рассчитаны как на работу при нормальной (промышленной) частоте 50 Гц, так и при повышенной ( от 400 до 2000 Гц).
• Электродвигатели малой мощности – от 0,5 до 10 кВт. Также могут изготавливаться для двух родов тока – постоянного и переменного нормальной и повышенной частоты.
• Электродвигатели средней мощности – от 10 кВт до нескольких сотен ватт.
• Электродвигатели большой мощности – мощность данных машин больше нескольких сотен киловатт. Такие электродвигатели предназначены для работы на постоянном и переменном напряжении нормальной частоты. Исключение могут составлять электродвигатели специального назначения (авиация, флот) и другие.

Классификация по частоте вращения

• До 300 об/мин — тихоходные.
• От 300 до 1500 об/мин — средней быстроходности.
• От 1500 до 6000 об/мин — быстроходные.
• Более 6000 об/мин — сверхбыстроходные.

Микромашины же могут изготавливать с частотой вращения вала от нескольких оборотов в минуту до 60 000 оборотов в минуту. Скорость вращения машин средней и большой мощности, как правило, не превышает 3000 об/мин.

Устройство и принцип работы электромобиля. Плюсы и минусы электрокаров

Устройство электромобиля и принцип его работы

Принцип работы электромобиля заключается в следующем. В нем задействован механизм электромагнитной индукции, который состоит в том, что при наличии переменного электрического тока в проводнике возникает магнитное поле, которое по закону Ампера выполняет отклоняющее действие.

В моторе существуют два основных компонента: ротор и статор.

Статор остается постоянно неподвижным и по нему пропускается электрический ток определенной частоты.

Генерируемое в статоре магнитное поле действует на ротор и тот начинает вращаться. Получаемая механическая энергия используется для движения транспортного средства. Скорость движка прямо пропорциональна частоте тока и количеству установленных магнитных полюсов.

Ток для питания статора генерируется установленными на борту батареями. В зависимости от модели машины, батареи могут иметь разную емкость, конструкцию, особенности используемых механизмов работы.

Типы устройств электромобиля

Выделяют такие машины на электричестве:

• Внутригородские. Имеют невысокую мощность и скорость передвижения, на них установлены специальные ограничения по максимальной мощности. Небольшого диаметра колеса и малый вес позволяют двигаться в нормальном городском режиме;
• Микроэлектромобили. Созданы с учетом плотного городского транспортного потока, имеют батарею небольшой емкости. Используются для небольших переездов, поездок в магазин, на работу и назад и т.п.;
• Различные креативные варианты, типа трициклы;
• Обычные авто. Привычные легковушки, типа некоторых популярных моделей от Tesla;
• Грузовые. Пока еще не слишком распространены, но в перспективе могут использоваться в крупных городах для внутренних перевозок и уменьшения выбросов в атмосферу;
• Троллейбусы, трамваи, автобусы на электродвижках также являются довольно популярным видом транспорта в любом крупном городе.

Плюсы и минусы электрокаров

• Минимальные расходы на заправку.
• Простота сервисного обслуживания.
• Тихая работа мотора.
• Отсутствие опасных выхлопных газов.
• Покупка на перспективу.

• Небольшой выбор авто и высокая цена.
• Ограниченное количество необходимых заправок.
• Высокая цена на батареи.
• Ограниченность использования электроники, например, кондиционера, который будет быстро поглощать имеющийся заряд АКБ.

Электрические машины

Разнообразные по своим конструктивным и функциональным особенностям, электрические машины широко применяются во всех сферах производства, торговли, логистики и жизнеобеспечения.

Управление подобными устройствами производится с помощью программ, заложенных в микропроцессоры.

Проектирование электрических машин и аппаратов

Создание машин, работающих с использованием электрической энергии, начинается с процесса проектирования. На этом этапе необходимо рассчитать габариты, материалы, конструкцию статора и ротора. Следует выбрать обмоточные провода, материал для изоляции и основных деталей оборудования.

Изготовление электрических машин требует соблюдения технических норм и требований, выдвигаемых к разновидностям промышленных установок в различных условиях.

Эффективные проекты электрических машин отличаются:

• низким уровнем затрат времени на производство;
• стабильной бесперебойной работой;
• безопасным отключением в случае непредвиденных ситуаций.

В основе проекта лежит удельная мощность – производительность каждого вида машины за единицу времени. Технический уровень созданной машины характеризует массу машины, соответствующую единице ее мощности.

Принцип действия, устройство и назначение электрических машин

Подобные устройства действуют на основе процесса электромеханического преобразования под воздействием электромагнитных процессов. Если взаимодействие происходит на основе магнитного поля, то машина относится к индуктивным, если электрического – емкостной.

Второй тип машин не используется из-за больших потерь энергии под воздействием проводимости воздушной среды.

Назначение электрических машин состоит в преобразовании энергии, таким образом работают двигатели или генераторы.

Если машина преобразует переменный ток в постоянный и изменяет величину напряжения и мощность электрических сигналов, то она относится к электромашинным усилителям.

Для повышения мощности электрических установок в целом применяют синхронные компенсаторы, а с задачей передачи информации на большие расстояния справляется сельсин.

Классы изоляции электрических машин

Выбор изоляционного материала, который применяется для электрической машины, обусловлен ее мощностью и особенностями применения.

Например, машины с напряжением до 660 В обрабатываются пленками из синтетических материалов: лавсаном, полиамидной бумагой. Толщина таких материалов не превышает 0,06 мм, они отличаются высокой электрической прочностью.

Механические свойства подобных материалов недостаточно хороши, поэтому используют подложки из бумаги или картона, повышающие изоляционные свойства.

Электрические машины с напряжением до 3000 В обрабатывают материалами для изоляции на основе скленной слюды – меканитов. Материал получают путем горячего прессования слюдяных пластин, в результате которого получает плоский, негнущийся материал.

Производство меканитов в основном ручное, поэтому материал дорог в получении. Изоляцию нередко разбавляют с помощью материалов из стеклоткани с высокой устойчивостью к разрывам.

Изоляция на основе асбеста и электрокартона из целлюлозы ненадежна. Материалы обладают низкой электрической прочностью, но при этом очень дешевы, применяются в качестве дополнительных прокладок, сохраняющих основной материал.

Обмотчик и обмотки элементов электрических машин

Защита отдельных элементов электрических машин от механических и химических воздействий, предотвращения пожаров в результате коротких замыканий производится с помощью обмотки.

Отдельные части и соединительные провода электромашин обрабатываются специальными материалами, характеристики которых зависят от мощности и условий эксплуатации машины.

Обмотку элементов машины производит профессиональный рабочий-обмотчик, который имеет навыки:

• подготовки пазов машины к обмотке;
• закрепления с помощью клиньев;
• соединения согласно схемам;
• рихтовки;
• монтажа изолирующих трубок и пусконаладочных работ.

Специалисты имеют несколько разрядов в соответствии с их теоретическим знаниями и практическим опытом в этой сфере.

Способы охлаждения электрических машин

Процесс работы электрической машины предполагает интенсивное нагревание отдельных элементов, что приводит к оплавлению и повышению угрозы возгорания. Машины, установленные в больших цехах и оборудование высокой мощности, необходимо охлаждать.

Существует два способа охлаждения электрических машин.

Естественный метод охлаждения основан на теплопроводности и конвекции. Теплопроводность представляет собой передачу тепла от более нагретых элементов к частям с более низкой температурой. Конвекция представляет собой естественный подъем нагретых частиц воздуха, уступающим место более холодным. Как правило, естественное охлаждение применяется к маломощным машинам, установленным в просторных помещениях.

Искусственное охлаждение электрических машин производится с помощью вентиляторов, которые создают направленный поток холодного воздуха, стабилизирующий температуру машины.

Чаще всего используются модели с самовентиляцией – устройство для нагнетания воздуха закрепляется на вал, что создает аэродинамический напор. В зависимости от расположения устройства относительно машины, различают наружную и внутреннюю вентиляцию.

Классификация, виды и типы электрических машин

Разделение электрических машин на отдельные группы производится по их функциональным характеристикам. В зависимости от типа используемой энергии различаются машины постоянного и переменного тока.

В зависимости от того, во что преобразуется электрическая энергия под воздействием вала устройства, различают:

• двигатели – электричество создает механическую работу;
• генераторы – механическое движение рождает энергию;
• преобразователи – машины для изменения типа тока, величины его напряжения и частоты;
• компенсаторы – устройства для стабилизации мощности, усиления основных характеристик оборудования.

В зависимости от принципа действия, электрические машины разделяются на транфсорматоры, асинхронные и синхронные, коллекторные, и оборудование постоянного тока. Каждый вид машин применяется в своей среде, для решения узкого спектра задач.

Синхронные электрические машины

Подобные электрические машины работают с переменным током, при этом частоты вращения ротора и магнитного поля в воздушном зазоре равны. Составные элементы такого устройства – якорь, расположенный на статоре, и обмотка.

Электрический ток, подаваемый на якорь, создает вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с обмоткой преобразует энергию.

Запуск двигателя производят асинхронным прямым замыканием обмоток индуктора через реостат. Когда скорость вращения двигателя под воздействием возбужденного магнитного поля приближается к номинальной, на индуктор подается постоянный ток, оборудование входит в рабочий режим.

Работа синхронных двигателей в режиме генератора основана на явлении электромагнитной индукции. В этом случае на каждой из фаз обмотки якоря создается напряжение, которое затем отводится с помощью трехфазных выпрямителей.

Асинхронные электрические машины

Подобные устройства используют переменный ток, при этом частоты вращения их ротора и магнитного поля, созданного обмоткой статора, отличаются.

Как правило, в двигательном режиме первый показатель меньше второго. Электрический ток в подобных устройствах создается вращающимся статором, поэтому второе название оборудование — индукционные электрические машины.

Подобные устройства применяются в качестве двигателей, для запуска которых используют короткозамкнутый ротор.

Цепь ротора не оборудована механическими коммутаторами, что:

• позволяет подключать асинхронные машины в сеть напрямую;
• снижает затраты на эксплуатацию;
• уменьшает стоимость оборудования в целом.

Электрические машины автоматических устройств

В основе устройств вычислительной техники и автоматики применяются электрические приводы, которые обеспечивают движение рабочих органов оборудования. Как правило, в основе таких устройств лежат индукционные электрические машины мощностью до 600 Вт – микромашины.

Машины автоматических устройств используются в нерегулируемых, регулируемых и следящих приводах, датчиках механических координат и различных преобразователях.

Благодаря широким функциям управления, которые осуществляют такие машины, их создание требует соблюдения технических условий и требований ГОСТ. В целом технические допущения на такую продукцию меньше, а используемые материалы значительно дороже.

Электрические машины тепловозов

Оборудование используется для преобразования механической энергии дизель-генератора в электрическую. Полученный ток поступает к тяговым электродвигателям, применяется для запуска самого дизеля.

В основе конструкции — магнитная система, состоящая из станины, полюсов, якоря, подшипникового щита, поворотной траверсы и электрощеток. Как правило, устройства снабжаются искусственным охлаждением с помощью установки внутренней вентиляции.

Авиационные электрические машины

Электрооборудование на самолете состоит из двух систем, одна из которых питается трехфазным переменным током, а вторая – постоянным. При этом напряжение этих устройств значительно больше, чем у наземных. Таким образом, можно уменьшить габариты трансформатора и других составных частей.

Подачу переменного тока обеспечивает пара генераторов, установленных на коробке приводов каждого двигателя, дополнительно устанавливается турбина.

В аварийных ситуациях она приводится в движение потоком воздуха, и напитывает важнейшие системы самолета трехфазным током. Постоянный ток предоставляют выпрямители, никель-кадмиевые аккумуляторы. Наземное питание самолетов производится от переменного тока, с помощью отдельных разъемов.

Монтаж электрических машин

Особенности установки электрических машин зависят от их изначальной мощности, материала и длины валов. Крупное оборудование необходимо установить на фундамент, затем провести центровку валов.

Если машины доставляются в собранном состоянии, следует дополнительно сделать разметку и подготовить колодцы под фундаментные болты.

Машины небольшой мощности соединяются с помощью муфт и передач, которые устанавливают с учетом цилиндричности и соответствия внутренних и наружных валов.

Эксплуатация и неисправности электрических машин

Особенности использования электрических машин и требования к их эксплуатации описаны в технической документации, прилагаемой к оборудованию.

На основе этой информации составляется график профилактического обслуживания, в котором указана периодичность осмотров, проверок, испытаний и мелкого ремонта электроустановок с целью поддержания их в рабочем состоянии.

Эксплуатация неисправных электрических машин угрожает здоровью людей и стабильности системы энергоснабжения, поэтому необходимо своевременно проводить ремонтные работы.

В целом, все неисправности разделяются на электрические и механические. В обоих случаях предусмотрен регламент обслуживания оборудования.

Техническое обслуживание и ремонт электрических машин

В ходе технического обслуживания таких установок проводят очистку корпуса с помощью сжатого воздуха, проводят визуальный осмотр, убеждаясь в отсутствии механических повреждений.

Необходимо проверить затяжки болтов крепления машины к раме или фундаменту, при необходимости – подтянуть их, проверить заземляющую шину на предмет затяжки контакта между ней и оборудованием.

Ремонт электрических машин включает замену отдельных элементов: валов, выпрямителей, проводов и механизм регулирования тока.

Производство и испытание электрических машин

Созданием электрических машин занимаются предприятия тяжелой промышленности, действующие в соответствии с техническими условиями, требованиями ГОСТов и проектной документацией от заказчиков.

Готовую продукцию необходимо подвергать контрольным испытаниям, проведение которых регулируется стандартами ГОСТ. Среди необходимых мероприятий — измерение сопротивления изоляции обмоток, испытания при различной скорости вращения, измерение коммутации при номинальной нагрузке и в условиях перегрузок.

Производители и поставщики электрических машин

«Электрические машины» – московский поставщик электрооборудования широкого профиля, специализируется на машинах малой и средней мощности. Специфика предприятия – проектировка и создание инверторно-аккумуляторных систем электроснабжения.

«РусЭлПром» – поставщик специализированных электрических машин для обеспечения нужд атомной энергетики. Поставщик предлагает готовые решения, прошедшие все необходимые испытания, а также конструирует установки «с нуля» по требованиям заказчиков.

«Снежинский завод специальных электрических машин» специализируется на разработке и поставке преобразовательной техники, предлагает электродвигатели и различные типы дросселей для промышленных производств.

Заводы крупных электрических машин

Производители крупных электрических машин предлагают оборудование стабильной мощности и высоким КПД с полностью автоматизированными системами управления. При условии надлежащего технического обслуживания, срок эксплуатации таких машин составляет десятки лет.

Завод крупных электрических машин, созданный на базе «Южэлектромаш» – один из крупнейших поставщиков специализированной техники высокой мощности, занимающий лидирующее положение на отечественном рынке.

«ЛенЭнергоМаш» – поставщик насосного оборудования, трубопроводных систем и крупных вентиляционных электрических машин.

Островский завод электрических машин

Предприятие, расположенное в Пскове, предлагает:

• синхронные трехфазные тахогенераторы;
• электродвигатели постоянного тока;
• трансформаторы;
• металлоизделия.

Продукция завода применяется на производствах различной направленности, в железнодорожном и городском транспорте. В наличии широкий выбор готовой продукции. Предприятие разрабатывает продукцию по индивидуальным требованиям клиентов.

Больше об электрических машинах: классификации, проектировании, производстве, обслуживании; можно узнать на выставке «Электро».