교류 전기 기계

전기 기계는 기계 에너지를 전기 에너지(AC 및 DC 발전기)로 또는 그 반대로(전기 모터) 변환하는 데 사용됩니다.

이 모든 경우에 전자기학 분야에서 본질적으로 세 가지 주요 발견이 사용됩니다. 1821년 Ampere가 발견한 전류의 기계적 상호 작용 현상, 1831년 Faraday가 발견한 전자기 유도 현상, Lenz(1834)는 잘 알려진 유도 전류 방향의 법칙(사실, Lenz의 법칙은 전자기 과정에 대한 에너지 보존 법칙을 예측했습니다)에서 발견했습니다.

기계 에너지를 전기 에너지로 또는 그 반대로 변환하려면 전류와 자기장(자석 또는 전류)을 사용하여 전도성 회로의 상대적인 움직임을 생성해야 합니다.

연속 작동을 위해 설계된 전기 기계에서는 고정 부품(고정자) 내부에 위치한 기계의 가동 부품(교류 기계의 회전자)의 회전 운동이 사용됩니다.자기장을 만드는 역할을 하는 기계의 코일을 인덕터라고 하고, 동작 전류를 가지고 흐르는 코일을 전기자라고 합니다. 후자의 두 용어는 모두 DC 기계에도 사용됩니다.

자기 유도를 증가시키기 위해 강자성체(강철, 주철)에 기계 권선을 배치합니다.

모든 전기 기계는 가역성을 가지고 있습니다. 즉, 전기 에너지의 발전기와 전기 모터로 모두 사용할 수 있습니다.

비동기 모터

비동기 모터가 사용됩니다. 전자기 유도 현상 중 하나… 물리학 과정에서는 다음과 같이 증명됩니다.

중심을 통과하는 수직 축을 중심으로 회전할 수 있는 구리 디스크 아래에는 동일한 축을 중심으로 회전하도록 구동되는 수직 편자 자석이 배치됩니다(디스크와 자석 사이의 기계적 상호 작용은 제외됨). 이 경우 디스크는 자석과 같은 방향으로 더 낮은 속도로 회전하기 시작합니다. 디스크의 기계적 부하가 증가하면(예: 스러스트 베어링에 대한 축의 마찰 증가) 회전 속도가 감소합니다.

이 현상의 물리적 의미는 전자기 유도 이론으로 쉽게 설명됩니다. 자석이 회전할 때 회전 자기장이 생성되어 디스크에 맴돌이 전류를 유도합니다. 후자의 크기는 다른 조건이 동일할 때 필드와 디스크의 상대 속도 .

Lenz의 법칙에 따르면 디스크는 필드 방향으로 회전해야 합니다. 마찰이 없으면 디스크는 자석의 속도와 같은 각속도를 얻어야 하며, 그 후에 유도된 EMF가 사라집니다. 실생활에서는 필연적으로 마찰이 존재하고 디스크가 느려집니다.그 크기는 디스크가 경험하는 기계적 제동 모멘트에 따라 다릅니다.

디스크(로터)의 회전 속도와 자기장의 회전 속도 사이의 불일치는 모터의 이름에 반영됩니다.

비동기 모터의 작동 원리:

기술 비동기 모터(대부분 3상)에서는 회전 자기장이 생성됩니다. 다상 전류고정 고정자 권선 주위에 흐르고 있습니다. 3상 전류의 주파수와 고정자 코일의 수에서 3p 회전 필드는 n = f / p 회전/초를 만듭니다.

회전식 로터는 고정자 캐비티에 있습니다. 축에 회전 메커니즘을 연결할 수 있습니다.가장 단순한 "다람쥐 셀" 모터에서 회전자는 강철 원통형 본체의 홈에 배치된 세로 방향 금속 막대 시스템으로 구성됩니다. 와이어는 두 개의 링으로 단락됩니다. 토크를 높이기 위해 로터의 반경을 충분히 크게 만듭니다.

다른 모터 설계(일반적으로 고출력 모터)에서 회전자 와이어는 개방형 3상 권선을 형성합니다. 코일의 끝은 로터 자체에서 단락되고 리드는 로터 샤프트에 장착된 3개의 슬립 링으로 연결되어 분리됩니다.

3상 가변 저항은 슬라이딩 접점(브러시)을 사용하여 이러한 링에 연결되며, 이는 모터를 움직이기 시작하는 역할을 합니다. 모터를 돌린 후 가감 저항기가 완전히 제거되고 로터가 다람쥐 케이지가 됩니다(참조 — — 권선 로터가 있는 비동기식 모터).

고정자 하우징에 터미널 보드가 있습니다. 고정자 권선이 그들에게 나옵니다. 그들은 포함될 수 있습니다 별 또는 삼각형, 주 전압에 따라: 첫 번째 경우 주 전압은 두 번째보다 1.73배 높을 수 있습니다.

유도 전동기의 고정자 필드와 비교하여 회 전자의 상대적 감속을 특성화하는 값을 호출합니다. 미끄러지다… 100%(모터 시동 시)에서 0(무손실 회전자의 이상적인 경우)으로 변경됩니다.

유도 전동기의 회전 방향의 역전은 전동기에 전원을 공급하는 전기 네트워크의 모든 두 개의 선형 도체를 상호 전환하여 이루어집니다.

농형 모터는 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 비동기 모터의 장점은 설계가 단순하고 슬라이딩 접점이 없다는 것입니다.

최근까지 이러한 모터의 가장 큰 단점은 고정자 회로의 전압이 변경되면 토크가 급격히 변경되지만 공급 전류의 주파수를 변경하는 것이 기술적으로 어려웠 기 때문에 속도 조절이 어렵다는 것입니다. 최신 마이크로프로세서 장치는 이제 모터 속도를 변경하기 위해 공급 전류의 주파수를 제어하는 ​​데 널리 사용됩니다. 주파수 변환기.

발전기

교류 발전기는 상당한 전력과 고전압을 위해 제작되었습니다. 비동기 기계와 마찬가지로 두 개의 권선이 있습니다. 일반적으로 전기자 권선은 고정자 하우징에 있습니다. 1차 자속을 생성하는 인덕터는 회전자에 장착되며 회전자 샤프트에 장착된 작은 DC 발전기인 여자기에 의해 구동됩니다. 고전력 기계에서 여기(excitation)는 때때로 정류된 교류 전압에 의해 생성됩니다.

전기자 권선의 부동성으로 인해 고전력에서 슬라이딩 접점을 사용하는 것과 관련된 기술적 어려움이 사라집니다.

아래 그림은 단상 발전기의 개략도를 보여줍니다. 로터에는 8개의 극이 있습니다. 여기에는 로터 샤프트에 장착된 슬립 링에 적용되는 직류에 의해 외부 소스에서 공급되는 권선 코일(그림에는 표시되지 않음)이 있습니다. 폴 코일은 고정자를 향하는 폴의 부호가 번갈아 가도록 감겨 있습니다. 극의 수는 짝수여야 합니다.

전기자 권선은 고정자 하우징에 있습니다. 그림의 평면에 수직인 길게 작동하는 «활성» 와이어는 그림에 원으로 표시되어 있으며 로터가 회전할 때 자기 유도선과 교차합니다.

원은 유도 전기장의 방향의 순간적인 분포를 보여줍니다. 고정자의 전면을 따라 이어지는 연결 와이어는 실선으로 표시되고 후면에는 점선으로 표시됩니다. K 클램프는 외부 회로를 고정자 권선에 연결하는 데 사용됩니다. 로터의 회전 방향은 화살표로 표시됩니다.

클램프 K 사이를 통과하는 반경을 따라 기계를 정신적으로 절단하고 평면으로 바꾸면 고정자 권선과 회 전자 극 (측면 및 평면)의 상대적 위치가 개략도와 함께 표시됩니다.

그림을 고려하여 인덕터의 극을 통과하는 모든 활성 와이어가 서로 직렬로 연결되어 있고 그 안에 유도된 EMF가 합산되어 있는지 확인합니다. 모든 EMF의 단계는 분명히 동일합니다.로터가 한 번 완전히 회전하는 동안 각 와이어(따라서 외부 회로)에서 4개의 완전한 전류 변화 기간이 얻어집니다.

전기 기계에 p쌍의 극이 있고 회전자가 초당 n번 회전하면 기계가 받는 교류 주파수는 f = pn hz입니다.

네트워크에서 EMF의 주파수가 일정해야 하므로 회전자의 회전 속도도 일정해야 합니다. 기술 주파수(50Hz)의 EMF를 얻기 위해 회전자 극 수가 충분히 많은 경우 상대적으로 느린 회전을 사용할 수 있습니다.

3상 전류를 얻기 위해 3개의 개별 권선이 고정자 본체에 배치됩니다. 이들 각각은 인덕터의 인접(반대) 극 사이의 아크 거리의 1/3만큼 다른 2개에 대해 오프셋됩니다.

인덕터가 회전할 때 위상(시간)이 120° 이동된 코일에 EMF가 유도되는 것을 쉽게 확인할 수 있습니다. 코일의 끝은 기계에서 제거되며 스타 또는 델타로 연결할 수 있습니다.

발전기에서 필드와 전도체의 상대 속도는 회전자의 직경, 초당 회전자의 회전 수 및 극 쌍의 수에 의해 결정됩니다.

발전기가 수류(수소발전기)에 의해 구동되는 경우 일반적으로 느린 회전으로 만들어집니다. 원하는 전류 주파수를 얻으려면 극 수를 늘려야 하며, 이를 위해서는 회전자 직경을 늘려야 합니다.

여러 기술적인 이유로 강력한 수소 발생기 그들은 일반적으로 수직축을 가지고 있으며 수력 터빈 위에 위치하여 회전합니다.

증기 터빈 구동 발전기 — 터빈 발전기는 일반적으로 고속입니다. 기계적인 힘을 줄이기 위해 직경이 작고 그에 따라 극 수가 적습니다.여러 가지 기술적 고려 사항으로 인해 수평 샤프트가 있는 터빈 발전기를 생산해야 합니다.

발전기가 내연기관에 의해 구동되는 경우, 일반적으로 디젤 엔진은 더 저렴한 연료를 소비하는 엔진으로 사용되기 때문에 디젤 발전기라고 합니다.

발전기 가역성, 동기 모터

외부 소스에서 발전기의 고정자 권선에 교류 전압이 가해지면 인덕터 극과 고정자에서 생성 된 전류의 자기장이 상호 작용하고 같은 방향의 토크가 작용합니다 모든 기둥에.

회 전자가 교류 기간의 절반 직후에 인덕터의 다음 극 (첫 번째 극과 반대 부호)이 고정자 권선의 고려 된 와이어 아래에 맞도록 회전하는 속도로 회전하면 그것과 방향을 바꾼 현재 사이의 상호 작용력은 동일하게 유지됩니다.

이러한 조건에서 토크의 지속적인 영향을 받는 로터는 계속 움직이며 모든 메커니즘을 구동할 수 있습니다. 회 전자의 움직임에 대한 저항을 극복하는 것은 네트워크에서 소비하는 에너지로 인해 발생하며, 발전기는 전기 모터가 될 것입니다.

그러나 연속 이동은 엄격하게 정의된 회전 속도에서만 가능하다는 점에 유의해야 합니다. 회전 속도에서 벗어나는 경우 가속 모멘트가 회전자의 각 극에 부분적으로 작용하여 회전자의 두 도체 사이를 이동하기 때문입니다. 고정자, 시간의 일부 - 정지 .

따라서 모터의 회전 속도는 엄격하게 결정되어야 합니다. 극이 다음 극으로 교체되는 시간은 전류의 반주기와 일치해야 하므로 이러한 모터를 호출합니다. 동시에.

고정자 권선이 있는 고정자 권선에 교류 전압을 인가하면 전류의 첫 번째 반주기 동안 회전자의 모든 극이 동일한 부호의 토크 작용을 경험하지만 여전히 관성으로 인해 로터는 움직일 시간이 없습니다. 다음 반주기에서 모든 회전자 극의 토크 부호는 반대 방향으로 변경됩니다.

결과적으로 로터가 진동하지만 회전할 수는 없습니다. 따라서 동기 모터를 먼저 감아야합니다. 즉, 정상 회전 수로 가져온 다음 고정자 권선의 전류를 켜야합니다.

동기 모터의 개발은 기계적 방법(저전력)과 특수 전기 장치(고전력)로 수행됩니다.

작은 부하 변경의 경우 모터 속도가 새 부하에 맞게 자동으로 변경됩니다. 따라서 모터 샤프트의 부하가 증가하면 로터가 즉시 느려집니다. 따라서 선간 전압과 고정자 권선의 인덕터에 의해 유도된 반대 유도 EMF 사이의 위상 편이가 변경됩니다.

또한 전기자 반응은 인덕터의 자기 소거를 생성하므로 고정자 전류가 증가하고 인덕터의 토크가 증가하며 모터가 다시 동기 회전을 시작하여 증가된 부하를 극복합니다. 유사한 프로세스가 부하 감소와 함께 발생합니다.

부하의 급격한 변동으로 인해 모터의 이러한 적응성이 불충분할 수 있으며 속도가 크게 변하고 "동기화에서 떨어지고" 결국 정지하는 반면 고정자에서 유도된 유도 EMF가 사라지고 전류가 증가합니다. 날카롭게. 따라서 부하의 급격한 변동을 피해야 합니다. 모터를 정지하려면 먼저 고정자 회로를 분리한 다음 초크를 분리해야 합니다. 엔진을 시동할 때 역순으로 작동해야 합니다.

동기식 모터는 일정한 속도로 작동하는 메커니즘을 구동하는 데 가장 자주 사용됩니다. 다음은 동기식 모터의 장단점과 시동 방법입니다. 동기 모터 및 그 응용

교육용 필름 스트립 - 1966년 교육용 시각 보조 장치 공장에서 만든 "동기식 모터". 여기에서 볼 수 있습니다: 필름 스트립 «동기식 모터»