Электрическая машина

В электротехнике электрическая машина является общим термином для машин, использующих электромагнитные силы , такие как электродвигатели , электрические генераторы и другие. Это электромеханические преобразователи энергии: электрический двигатель преобразует электричество в механическую мощность, в то время как электрический генератор преобразует механическую мощность в электричество. Перемещающиеся части в машине могут быть вращающиеся ( вращающиеся машины ) или линейные ( линейные машины ). В то время как трансформаторы иногда называют «статическими электрическими машинами», Поскольку у них нет движущихся частей , обычно они не считаются «машинами», но как электрические устройства «тесно связаны» с электрическими машинами.

Электрические машины в виде синхронных и индукционных генераторов производят около 95% всей электроэнергии на Земле (с начала 2020 -х годов), и в виде электродвигателей потребляют приблизительно 60% всей производимой электроэнергии. Электрические машины были разработаны начиная с середины 19 -го века и с тех пор были повсеместным компонентом инфраструктуры. Разработка более эффективной технологии электрических машин имеет решающее значение для любой глобальной сохранения, зеленой энергии или альтернативной энергии стратегии .

Генератор

Электрический генератор.

Основная статья: электрический генератор

Электрический генератор - это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Генератор заставляет электроны проходить через внешнюю электрическую цепь . Это несколько аналогично водяному насосу, который создает поток воды, но не создает воду внутри. Источником механической энергии, первичного двигателя , может быть обратный или турбинный паровой двигатель , вода, падающая через турбину или водяное колесо , двигатель внутреннего сгорания , ветряную турбину , ручную рукоятку , сжатый воздух или любой другой источник механической энергии.

Две основные части электрической машины могут быть описаны либо в механических или электрических терминах. В механическом плане ротор является вращающейся частью, а статор является стационарной частью электрической машины. В электрических терминах якоря является компонентом, производящим мощность, а поле является компонентом магнитного поля электрической машины. Арматура может быть на роторе или статоре. Магнитное поле может быть предоставлено либо электромагнитами , либо постоянными магнитами, установленными на роторе или статоре. Генераторы классифицируются на два типа: генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока .

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электричество переменного тока . Поскольку мощность, передаваемая в полевой цепь, намного меньше, чем мощность, передаваемая в цепь якоря, генераторы переменного тока почти всегда имеют обмотку поля на роторе и обмотка якоря на старе.

Генераторы переменного тока классифицируются на несколько типов.

• В индукционном генераторе магнитный поток статора индуцирует токи в роторе. Затем Prime Mover управляет ротором над синхронной скоростью, в результате чего противоположный поток ротора разрезает катушки статора, создавая активный ток в катушках для статер, тем самым отправляя мощность обратно в электрическую сетку. Индукционный генератор рисует реактивную мощность из подключенной системы и поэтому не может быть изолированным источником мощности.
• В синхронном генераторе (генераторе генератора) ток для магнитного поля обеспечивается источником тока постоянного тока , отдельным или исправленным от выхода машины с использованием полного выпрямителя моста .

Генератор DC

Генератор постоянного тока - это машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Генератор постоянного тока, как правило, имеет коммутатор с разделенным кольцом для создания постоянного тока вместо переменного тока.

Мотор

Электродвигатель.

Основная статья: электродвигатель

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию . Обратный процесс электрических генераторов, большинство электродвигателей работают через взаимодействующие магнитные поля и проводники, несущие ток для генерации силы вращения. Двигатели и генераторы имеют много сходств, и многие типы электродвигателей могут работать в качестве генераторов, и наоборот. Электродвигатели встречаются в таких разнообразных приложениях, как промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, машины, бытовые приборы, электроинструменты и дисковые диски . Они могут питаться путем постоянного тока или чередующегося тока, что приводит к двум основным классификациям: двигателям AC и двигателям постоянного тока .

Мотор

Основная статья: AC Motor

Двигатель переменного тока преобразует переменный ток в механическую энергию. Обычно он состоит из двух основных частей, внешнего стационарного статора, имеющего катушки, поставляемые с переменным током для получения вращающегося магнитного поля, и внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, которому дается крутящий момент по вращающемуся полю. Два основных типа двигателей переменного тока отличаются типом используемого ротора.

• Индукционный (асинхронный) двигатель , магнитное поле ротора создается индуцированным током . Ротор должен становиться немного медленнее (или быстрее), чем магнитное поле статора, чтобы обеспечить индуцированный ток. Существует три типа роторов индукционного двигателя, которые представляют собой ротор белки-клетки , ротор наражения и ротор твердого ядра .
• Синхронный двигатель , он не полагается на индукцию и, таким образом, может точно вращаться на частоте питания или подмольце. Магнитное поле ротора либо генерируется постоянным током, доставленным через скользящие кольца ( возбуждение ) или постоянным магнитом.

DC Motor

Основная статья: DC Motor

Электродвигатель матового постоянного тока генерирует крутящий момент непосредственно от мощности постоянного тока, поставляемой на двигатель, используя внутреннюю коммутацию, стационарные постоянные магниты и вращающиеся электрические магниты. Щетки и пружины переносят электрический ток от коммутатора в вращающуюся проводной обмотки ротора внутри двигателя. Бесщеточные двигатели постоянного тока используют вращающийся постоянный магнит в роторе и стационарные электрические магниты на корпусе двигателя. Контроллер двигателя преобразует постоянный ток в AC . Эта конструкция проще, чем у матовых двигателей, потому что он устраняет осложнение передачи мощности извне двигателя в вращающийся ротор. Примером бесщеточного синхронного двигателя постоянного тока является шаговый двигатель , который может разделить полное вращение на большое количество ступеней.

Другие электромагнитные машины

Другие электромагнитные машины включают Amplidyne , Synchro , Metadyne , сцепление вихревого тока , вихревый тормоз , динамометр вихревого тока , динамометр гистерезиса , вращающийся преобразователь и набор Ward Leonard . Роторный преобразователь - это комбинация машин, которые действуют как механический выпрямитель, инвертор или частотный преобразователь. Набор Ward Leonard представляет собой комбинацию машин, используемых для обеспечения управления скоростью. Другие комбинации машин включают системы Крамер и Шербиус.

Электромагнитные машины-роторные машины

Электромагнитные роторные машины представляют собой машины, имеющие какой-то электрический ток в роторе, который создает магнитное поле, которое взаимодействует с обмотками статора. Ток ротора может быть внутренним током в постоянном магните (машина PM), ток, поставляемый к ротору через щетки (щетковой машины) или ток, установленный в обмотке с замкнутым ротором различным магнитным полем (индукционная машина).

Постоянные магнитные машины

Машины PM имеют постоянные магниты в роторе, которые устанавливают магнитное поле. Магнитомотивная сила в PM (вызванном вращающимися электронами с выровненным спином), как правило, намного выше, чем возможно в медной катушке. Однако медная катушка может быть заполнена ферромагнитным материалом, который придает катушке гораздо более низкое магнитное нежелание . Тем не менее, магнитное поле, созданное современными PMS ( неодимийские магниты ), более сильнее, что означает, что машины PM имеют лучшее крутящее момент/объем и крутящий момент/вес, чем машины с катушками ротора при непрерывной эксплуатации. Это может измениться с внедрением сверхпроводников в роторе.

Поскольку постоянные магниты в машине PM уже вводят значительное магнитное нежелание, нежелание воздушного зазора и катушек менее важно. Это дает значительную свободу при разработке машин PM.

Обычно можно перегружать электрические машины в течение короткого времени, пока ток в катушках не нагревает части машины до температуры, которая приводит к повреждению. Машины PM могут менее переносить такую ​​перегрузку, потому что слишком высокий ток в катушках может создать магнитное поле, достаточно прочное, чтобы размагнировать магниты.

Мастичные машины

Маточные машины - это машины, где катушка ротора поставляется с током через кисти почти так же, как и ток, поставляется на автомобиль на дорожке электрического игрового автомата . Более прочные щетки могут быть изготовлены из графита или жидкого металла. Возможно, даже можно устранить кисти в «матовой машине», используя часть ротора и статора в качестве трансформатора, который передает ток без создания крутящего момента. Кисти не следует путать с коммутатором. Разница в том, что кисти передают только электрический ток в движущийся ротор, в то время как коммутатор также обеспечивает переключение направления тока.

Существует железо (обычно ламинированные стальные ядра из листового металла ) между катушками ротора и зубами железа между катушками статора в дополнение к черному железу за катушками статора. Разрыв между ротором и статором также сделан максимально небольшим. Все это сделано, чтобы минимизировать магнитное приостановление магнитной цепи , через которую проходит магнитное поле, создаваемое катушками ротора, что важно для оптимизации этих машин.

Крупные матовые машины, которые проводятся с постоянным током к обмотке статора на синхронной скорости, являются наиболее распространенным генератором в электростанциях , поскольку они также обеспечивают реактивную мощность в сетку, потому что их можно запустить турбиной и потому, что машина в этой системе может генерировать мощность при постоянной скорости без контроллера. Этот тип машины часто упоминается в литературе как синхронную машину.

Эта машина также может быть запущена путем подключения катушек статора к сетке и снабжения катушек ротора с помощью переменного тока с инвертора. Преимущество заключается в том, что можно контролировать скорость вращения машины с помощью инвертора с дробно номинальным. При выполнении этого способа машина известна как матовая двойная кормление «Индукция» . «Индукция» вводит в заблуждение, потому что в машине нет полезного тока, который настроен на индукцию.

Индукционные машины

Индукционные машины имеют короткие цирковые катушки ротора, где ток установлен и поддерживается путем индукции . Это требует, чтобы ротор вращался с другой, кроме синхронной скорости, так что катушки ротора подвергались различному магнитному полю, созданному катушками статора. Индукционная машина - это асинхронная машина.

Индукция устраняет необходимость в кистях, которая обычно является слабой частью в электрической машине. Это также позволяет конструкциям, которые облегчают производство ротора. Металлический цилиндр будет работать как ротор, но для повышения эффективности обычно используется ротор «белка клетки» или ротор с закрытыми обмотками. Скорость асинхронных индукционных машин будет уменьшаться с увеличением нагрузки, поскольку для установки достаточного тока ротора и магнитного поля ротора необходима большая разница скорости между статором и ротором. Асинхронные индукционные машины могут быть сделаны, чтобы они запускались и работали без каких -либо средств управления, если они подключены к сетке переменного тока, но стартовый крутящий момент низкий.

Специальным случаем будет индукционная машина с сверхпроводниками в роторе. Ток в сверхпроводниках будет установлен путем индукции, но ротор будет работать с синхронной скоростью, потому что не будет необходимости в разнице скорости между магнитным полем в статоре и скоростью ротора для поддержания тока ротора.

Другим специальным случаем будет бесщеточная индукционная машина с двойным кормом , которая имеет двойной набор катушек в статоре. Поскольку в статоре есть два движущихся магнитных поля, он не дает смысла говорить о синхронной или асинхронной скорости.

Машины нежелания

Машины нежелания не имеют обмотков на роторе, а только ферромагнитный материал сформировался так, что «электромагниты» в статоре могут «захватить» зубы в роторе и немного продвигать его. Затем электромагниты выключаются, в то время как еще один набор электромагнитов включается для дальнейшего перемещения ротора. Другое имя - Step Motor, и оно подходит для низкой скорости и точного управления положением. Машины нежелания могут поставляться с постоянными магнитами в статоре для повышения производительности. «Электромагнит» затем «выключен», отправляя отрицательный ток в катушке. Когда ток является положительным, магнит и ток сотрудничают, чтобы создать более сильное магнитное поле, которое улучшит максимальный крутящий момент машины неохотного машины без увеличения максимального абсолютного значения токов.

Полифазные машины переменного тока

Армбатура смещенные полифазных электрических машин включает в себя несколько обмотков, включенных в силу токов переменного тока, друг от друга с помощью равных углах фазора . Наиболее популярными являются трехфазные машины, где обмотки (электрически) на расстоянии 120 ° друг от друга.

3фазные машины имеют основные преимущества однофазных:

• Устойчивый крутящий момент является постоянным, что приводит к меньшему вибрации и более длительному сроку службы (мгновенный крутящий момент однофазного моторного пульсата с циклом )
• Мощность постоянна (энергопотребление однофазного двигателя варьируется в течение цикла);
• меньший размер (и, следовательно, более низкая стоимость) для той же силы;
• Передача более 3 проводов требует всего 3/4 металла для проводов, которые потребуются для двухпроводной однофазной линии передачи для той же мощности;
• Лучший коэффициент мощности .

Последовательность

Основная статья: симметричные компоненты

Фазы обмотки 3-фазного двигателя должны быть включены в последовательности для двигателя для вращения, например, фазу V-фазы отставания u на 120 °, а фаза W отстает от фазы V (u> v> w, нормальное вращение фазы, положительная последовательность ). Если последовательность перевернута (w <v <u), двигатель вращается в противоположном направлении ( отрицательная последовательность ). Общий ток через все три обмотки называется нулевой последовательности . Любая комбинация токов переменного тока в трех обмотках может быть выражена в виде суммы трех симметричных токов, соответствующих положительным, отрицательным и нулевым последовательностям.

Электростатические машины

В электростатических машинах крутящий момент создается при притяжении или отталкивании электрического заряда в роторе и статоре.

Электростатические генераторы генерируют электричество, создавая электрический заряд. Ранние типы были машинами для трений , более поздние машины были влиянием, которые работали путем электростатической индукции . Генератор Van de Graaff - это электростатический генератор, который все еще используется в исследованиях сегодня.

Гомополярные машины

Гомополярные машины - это истинные машины постоянного тока, где ток поставляется в вращающееся колесо через щетки. Колесо вставлено в магнитное поле, а крутящий момент создается, когда ток движется от края к центру колеса через магнитное поле.

Электрические машины системы

Для оптимизированной или практической работы электрических машин современные системы электрических машин дополняются электронным управлением.

Источники

• Чепмен, Стивен Дж. (2005). Основы электрического механизма (PDF) . Серия McGraw-Hill в электротехнике (4-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-246523-9 Полем Получено 2024-01-18 .
• Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Электротешница» . Encyclopædia Britannica . Тол. 9 (11 -е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 176–179. Это имеет подробный обзор современной истории и состояния электрических машин.
• Парк, RH; Робертсон, Бл (1928). «Реактирование синхронных машин». Сделки Американского института инженеров -электриков . 47 (2). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 514–535. doi : 10.1109/t-aiee.1928.5055010 . ISSN   0096-3860 . S2CID   51655013 .
• Rohit, MVKM (2008). Основная электротехника . S. Chand Limited. ISBN  978-81-219-0871-9 Полем Получено 2023-07-03 .
• Ритонджа, Jožef (2021-04-21). «Надежный и адаптивный контроль для улучшения работы синхронного генератора». Автоматизация и управление . Intechopen. doi : 10.5772/intechopen.92558 .
• Икбал, а.; Moinoddin, S.; Редди, БП (2021). Основы электрической машины с численным моделированием с использованием Matlab / Simulink . Уайли. ISBN  978-1-119-68265-3 Полем Получено 2024-01-18 .
• Раджпут, Рамеш К. (2006). Учебник электрических машин (4 -е изд.). Laxmi Publications. ISBN  978-81-7008-859-2 Полем Получено 2024-01-18 .