Alternatif akım elektrik makineleri

Elektrik makineleri, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılır (AC ve DC jeneratörler) ve bunun tersi de geçerlidir (elektrik motorları).

Bütün bu durumlarda, elektromanyetizma alanındaki esasen üç ana keşif kullanılır: 1821'de Ampere tarafından keşfedilen akımların mekanik etkileşimi olgusu, 1831'de Faraday tarafından keşfedilen elektromanyetik indüksiyon olgusu ve bu olguların teorik özeti tarafından yapılan teorik özet. Lenz (1834), indüklenen akımın yönüne ilişkin iyi bilinen yasasında (aslında, Lenz yasası elektromanyetik süreçler için enerjinin korunumu yasasını öngörmüştür).

Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek veya tam tersi için, iletken bir devrenin bir akım ve bir manyetik alan (mıknatıs veya akım) ile göreli hareketini oluşturmak gerekir.

Sürekli çalışacak şekilde tasarlanmış elektrik makinelerinde, sabit parçanın (stator) içinde yer alan makinenin hareketli parçasının (alternatif akım makinesinin rotoru) dönme hareketi kullanılır.Makinenin manyetik alan oluşturmaya yarayan bobinine indüktör, çalışma akımı ile etrafından dolaşan bobinine ise armatür adı verilir. Bu son terimlerin her ikisi de DC makineleri için kullanılır.

Manyetik indüksiyonu arttırmak için makine sargıları ferromanyetik gövdeler (çelik, dökme demir) üzerine yerleştirilmiştir.

Tüm elektrik makineleri tersinirlik özelliğine sahiptir, yani hem elektrik enerjisi jeneratörü hem de elektrik motoru olarak kullanılabilirler.

asenkron motorlar

Asenkron motorlar kullanılmaktadır. elektromanyetik indüksiyonun tezahürlerinden biri… Fizik derslerinde şu şekilde gösterilir:

Merkezinden geçen dikey bir eksen etrafında dönebilen bir bakır diskin altına, aynı eksen etrafında dönmesi için tahrik edilen dikey bir at nalı mıknatıs yerleştirilmiştir (disk ile mıknatıs arasındaki mekanik etkileşim hariçtir). Bu durumda disk, mıknatısla aynı yönde, ancak daha düşük bir hızda dönmeye başlar. Disk üzerindeki mekanik yükü artırırsanız (örneğin, aksın baskı yatağına sürtünmesini artırarak), dönüş hızı düşer.

Bu fenomenin fiziksel anlamı, elektromanyetik indüksiyon teorisi ile kolayca açıklanabilir: mıknatıs döndüğünde, diskte girdap akımlarını indükleyen dönen bir manyetik alan yaratılır, ikincisinin büyüklüğü, diğer şeyler eşit olmak üzere, alanın ve diskin göreli hızı.

Lenz yasasına göre disk alan yönünde dönmelidir. Sürtünmenin yokluğunda, disk, mıknatısın hızına eşit bir açısal hız elde etmelidir, bundan sonra indüklenen emf kaybolacaktır. Gerçek hayatta sürtünme kaçınılmaz olarak mevcuttur ve disk yavaşlar.Büyüklüğü, diskin maruz kaldığı mekanik frenleme momentine bağlıdır.

Diskin (rotor) dönüş hızı ile manyetik alanın dönüş hızı arasındaki tutarsızlık, motorların adına yansır.

Asenkron motorların çalışma prensibi:

Teknik asenkron motorlarda (çoğunlukla üç fazlı) dönen bir manyetik alan oluşturulur. çok fazlı akımsabit stator sargısının etrafında akan. Üç fazlı akımın frekansındadır ve stator bobinlerinin sayısı 3p döner alan n = f/p devir/sn yapar.

Stator boşluğunda dönebilen bir rotor bulunur. Miline bir döndürme mekanizması bağlanabilir.En basit "sincap hücreli" motorlarda rotor, çelik silindirik bir gövdenin oluklarına yerleştirilmiş uzunlamasına metal çubuklardan oluşan bir sistemden oluşur. Teller iki halka ile kısa devre edilir. Torku artırmak için rotorun yarıçapı yeterince büyük yapılmıştır.

Diğer motor tasarımlarında (tipik olarak yüksek güçlü motorlar), rotor telleri açık bir üç fazlı sargı oluşturur. Bobinlerin uçları rotorun kendisinde kısa devre edilir ve uçlar, rotor miline monte edilmiş ve ondan izole edilmiş üç kayma halkasına çıkarılır.

Bu halkalara, motoru harekete geçirmeye yarayan kayan kontaklar (fırçalar) kullanılarak üç fazlı bir reosta bağlanır. Motor döndürüldükten sonra, reosta tamamen çıkarılır ve rotor bir sincap kafesine dönüşür (bkz. Sarılmış rotorlu asenkron motorlar).

Stator muhafazasında bir terminal kartı vardır. Stator sargıları onlara getirilir. Dahil edilebilirler yıldız veya üçgen, şebeke voltajına bağlı olarak: ilk durumda şebeke voltajı ikinciden 1,73 kat daha yüksek olabilir.

Asenkron motorun stator alanına kıyasla rotorun göreceli yavaşlamasını karakterize eden değere denir. kayma… %100'den (motorun çalıştırıldığı anda) sıfıra (kayıpsız rotor hareketi için ideal durum) değişir.

Endüksiyon motorunun dönüş yönünün tersine çevrilmesi, motoru besleyen elektrik şebekesinin her iki lineer iletkeninin karşılıklı anahtarlanmasıyla sağlanır.

Sincap kafesli motorlar endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Asenkron motorların avantajları, tasarımın basitliği ve kayan kontakların olmamasıdır.

Yakın zamana kadar, bu tür motorların ana dezavantajı hız düzenlemesindeki zorluktu, çünkü bunun için stator devresinin voltajı değiştirilirse, tork keskin bir şekilde değişir, ancak teknik olarak besleme akımının frekansını değiştirmek zordu. Modern mikroişlemci cihazları artık motorların hızını değiştirmek için besleme akımının frekansını kontrol etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır — frekans dönüştürücüler.

Alternatörler

Alternatörler, önemli güç ve yüksek voltaj için üretilmiştir. Asenkron makineler gibi iki sargıları vardır. Normalde, armatür sargısı stator mahfazasında bulunur. Birincil manyetik akıyı oluşturan indüktörler rotor üzerine monte edilmiştir ve rotor miline monte edilmiş küçük bir DC jeneratörü olan bir uyarıcı tarafından çalıştırılır. Yüksek güçlü makinelerde, uyarma bazen doğrultulmuş bir alternatif voltaj tarafından oluşturulur.

Armatür sargısının hareketsizliği nedeniyle, kayan kontakların yüksek güçlerde kullanılmasıyla ilgili teknik zorluklar ortadan kalkar.

Aşağıdaki şekil, tek fazlı bir jeneratörün şemasını göstermektedir. Rotorunun sekiz kutbu vardır. Bunların üzerinde, rotor miline monte edilmiş kayma halkalarına uygulanan doğru akımla harici bir kaynaktan beslenen sarılı bobinler (şekilde gösterilmemiştir) bulunmaktadır. Kutup bobinleri, statora bakan kutupların işaretleri değişecek şekilde sarılır. Kutup sayısı çift olmalıdır.

Armatür sargısı, stator mahfazasında bulunur. Çizim düzlemine dik olan uzun çalışan "aktif" telleri, şekilde dairelerle gösterilmiştir, rotor döndüğünde manyetik indüksiyon çizgileriyle kesişirler.

Daireler, indüklenen elektrik alanların yönlerinin anlık dağılımını göstermektedir. Statorun ön tarafı boyunca uzanan bağlantı telleri düz çizgilerle ve arka tarafında kesikli çizgilerle gösterilmiştir. K kelepçeleri, harici bir devreyi stator sargısına bağlamak için kullanılır. Rotorun dönüş yönü bir okla gösterilmiştir.

Makineyi K kelepçeleri arasından geçen bir yarıçap boyunca zihinsel olarak kesip bir düzleme çevirirseniz, stator sargısının ve rotor kutuplarının (yan ve plan) göreli konumu şematik bir çizimle gösterilecektir:

Şekil göz önüne alındığında, tüm aktif tellerin (indüktörün kutuplarından geçen) birbirine seri bağlandığından ve bunlarda indüklenen EMF'nin toplandığından emin oluruz. Tüm EMF'lerin fazları açıkça aynıdır.Rotorun bir tam dönüşü sırasında, tellerin her birinde (ve dolayısıyla dış devrede) dört tam akım değişimi periyodu elde edilecektir.

Bir elektrik makinesinin p çift kutbu varsa ve rotor saniyede n devir yaparak dönüyorsa, makine tarafından alınan alternatif akımın frekansı f = pn hz'dir.

Şebekedeki EMF frekansının sabit olması gerektiğinden, rotorların dönüş hızlarının da sabit olması gerekmektedir. Teknik frekansta (50 Hz) bir EMF elde etmek için, rotor kutuplarının sayısı yeterince büyükse nispeten yavaş bir dönüş kullanılabilir.

Üç fazlı akım elde etmek için stator gövdesine üç ayrı sargı yerleştirilmiştir. Her biri, indüktörlerin bitişik (zıt) kutupları arasındaki ark mesafesinin üçte biri kadar diğer ikisine göre kaydırılır.

İndüktörler döndüğünde, fazda (zamanda) 120 ° kaydırılan bobinlerde EMF'lerin indüklendiğini doğrulamak kolaydır. Bobinlerin uçları makineden çıkarılır ve yıldız veya üçgen olarak bağlanabilir.

Bir jeneratörde, alanın ve iletkenin bağıl hızı, rotorun çapı, rotorun saniyedeki devir sayısı ve kutup çiftlerinin sayısı ile belirlenir.

Jeneratör bir su akımı (hidrojeneratör) ile çalıştırılıyorsa, genellikle yavaş devirlerle yapılır. İstenen akım frekansını elde etmek için kutup sayısını artırmak gerekir, bu da rotor çapında bir artış gerektirir.

Bir dizi teknik nedenden dolayı güçlü hidrojen jeneratörleri genellikle dikey bir şafta sahiptirler ve dönmelerine neden olan hidrolik türbinin üzerinde bulunurlar.

Buhar Türbini Tahrikli Jeneratörler — Türbin jeneratörleri genellikle yüksek hızlıdır. Mekanik kuvvetleri azaltmak için küçük çaplara ve buna bağlı olarak az sayıda direğe sahiptirler.Bir dizi teknik husus, yatay milli türbin jeneratörlerinin üretilmesini gerektirir.

Jeneratör içten yanmalı bir motorla çalıştırılıyorsa dizel jeneratör olarak adlandırılır, çünkü dizel motorlar genellikle daha ucuz yakıt tüketen motorlar olarak kullanılır.

Jeneratör tersinirliği, senkron motorlar

Jeneratörün stator sargısına harici bir kaynaktan alternatif bir voltaj uygulanırsa, indüktör kutuplarının statorda üretilen akımın manyetik alanı ile etkileşimi olacak ve aynı yöndeki torklar hareket edecektir. tüm kutuplarda.

Rotor, alternatif akım periyodunun yarısından kısa bir süre sonra, indüktörün bir sonraki kutbu (ilk kutbun işaretinin tersi) stator sargısının dikkate alınan telinin altına sığacak şekilde bir hızda dönerse, ardından işareti yönü değişen akım ile arasındaki etkileşim kuvveti aynı kalacaktır.

Bu koşullar altında, torkun sürekli etkisi altında olan rotor hareket etmeye devam edecek ve herhangi bir mekanizmayı çalıştırabilecektir. Şebeke tarafından tüketilen enerji nedeniyle rotorun hareketine karşı direncin aşılması ve Jeneratör elektrik motoru olacak.

Bununla birlikte, sürekli hareketin yalnızca kesin olarak tanımlanmış bir dönüş hızında mümkün olduğuna dikkat edilmelidir, çünkü bundan sapma durumunda, rotorun iki iletkeni arasında hareket eden bir hızlanma momenti kısmen rotorun kutuplarının her birine etki edecektir. stator, zamanın bir parçası - durma .

Bu nedenle, motorun dönme hızı kesin olarak belirlenmelidir - kutbun bir sonraki ile değiştirildiği süre, akımın yarı periyoduna denk gelmelidir, bu nedenle bu tür motorlara denir. eşzamanlı olarak.

Durağan bir rotor ile stator sargısına alternatif bir voltaj uygulanırsa, akımın ilk yarım döngüsü sırasında rotorun tüm kutupları aynı işaretli torkların etkisini deneyimlese de, yine de atalet nedeniyle, rotorun hareket edecek zamanı olmayacaktır. Bir sonraki yarım döngüde, tüm rotor kutupları için torkların işareti tersine değişecektir.

Sonuç olarak, rotor titreyecek ancak dönemeyecektir. Bu nedenle, önce senkron motor sarılmalı, yani normal devir sayısına getirilmeli ve ancak o zaman stator sargısındaki akım açılmalıdır.

Senkron motorların geliştirilmesi, mekanik yöntemlerle (düşük güçlerde) ve özel elektrikli cihazlarla (yüksek güçlerde) gerçekleştirilir.

Küçük yük değişiklikleri için, yeni yüke uyum sağlamak için motor hızı otomatik olarak değişecektir. Böylece motor miline binen yük arttıkça rotor hemen yavaşlar. Bu nedenle, hat voltajı ile stator sargısındaki indüktör tarafından indüklenen zıt indüklenmiş EMF arasındaki faz kayması değişir.

Ek olarak, armatür reaksiyonu, indüktörlerin manyetikliğini giderir, böylece stator akımı artar, indüktörler artan tork yaşar ve motor, artan yükün üstesinden gelerek tekrar senkronize olarak dönmeye başlar. Yük azaltmada da benzer bir süreç gerçekleşir.

Yükteki keskin dalgalanmalarla, motorun bu uyarlanabilirliği yetersiz olabilir, hızı önemli ölçüde değişecek, "senkronizmadan düşecek" ve sonunda duracak, statorda indüklenen endüksiyon EMF'si kaybolacak ve içindeki akım artacaktır. keskin bir şekilde. Bu nedenle, yükteki keskin dalgalanmalardan kaçınılmalıdır. Motoru durdurmak için, tabii ki önce stator devresinin bağlantısını kesmeniz ve ardından bobinleri ayırmanız gerekir; motoru çalıştırırken, ters işlem sırasına uymalısınız.

Senkron motorlar, çoğunlukla sabit bir hızda çalışan mekanizmaları sürmek için kullanılır. İşte senkron motorların avantaj ve dezavantajları ve onları çalıştırma yöntemleri: Senkron motorlar ve uygulamaları

Eğitici film şeridi - 1966'da eğitici-görsel yardımcılar fabrikası tarafından oluşturulan "Senkron motorlar". Buradan izleyebilirsiniz: Film şeridi «Senkron Motor»