الآلات الكهربائية ذات التيار المتردد

تستخدم الآلات الكهربائية لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (مولدات التيار المتردد والتيار المستمر) والعكس بالعكس (المحركات الكهربائية).

في جميع هذه الحالات ، يتم استخدام ثلاثة اكتشافات رئيسية في مجال الكهرومغناطيسية: ظاهرة التفاعل الميكانيكي للتيارات التي اكتشفها أمبير عام 1821 ، وظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي اكتشفها فاراداي عام 1831 ، والملخص النظري لهذه الظواهر الذي قدمه لينز (1834) في قانونه المعروف لاتجاه التيار المستحث (في الواقع ، تنبأ قانون لينز بقانون حفظ الطاقة للعمليات الكهرومغناطيسية).

من أجل تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية أو العكس ، من الضروري إنشاء حركة نسبية لدائرة موصلة بتيار ومجال مغناطيسي (مغناطيس أو تيار).

في الآلات الكهربائية المصممة للتشغيل المستمر ، يتم استخدام الحركة الدورانية للجزء المتحرك من الماكينة (دوار آلة التيار المتردد) الموجودة داخل الجزء الثابت (الجزء الثابت).يسمى ملف الآلة الذي يعمل على إنشاء المجال المغناطيسي بالمحث ، والملف الذي يتدفق حوله مع تيار التشغيل يسمى المحرك. كلا المصطلحين الأخيرين يستخدمان أيضًا لأجهزة التيار المستمر.

لزيادة الحث المغناطيسي ، يتم وضع لفات الآلة على أجسام مغناطيسية (فولاذ ، حديد زهر).

تتمتع جميع الآلات الكهربائية بخاصية الانعكاس ، أي يمكن استخدامها كمولدات للطاقة الكهربائية وكمحركات كهربائية.

المحركات غير المتزامنة

يتم استخدام المحركات غير المتزامنة أحد مظاهر الحث الكهرومغناطيسي... في دورات الفيزياء يتم توضيحها على النحو التالي:

تحت قرص نحاسي ، يمكن أن يدور حول محور عمودي يمر عبر مركزه ، يتم وضع مغناطيس عمودي على شكل حدوة حصان يتم دفعه للدوران حول نفس المحور (يتم استبعاد التفاعل الميكانيكي بين القرص والمغناطيس). في هذه الحالة ، يبدأ القرص بالدوران في نفس اتجاه المغناطيس ، ولكن بسرعة أقل. إذا قمت بزيادة الحمل الميكانيكي على القرص (على سبيل المثال ، عن طريق زيادة احتكاك المحور ضد محمل الدفع) ، فإن سرعة دورانه تنخفض.

يمكن تفسير المعنى المادي لهذه الظاهرة بسهولة من خلال نظرية الحث الكهرومغناطيسي: عندما يدور المغناطيس ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي دوار ، مما يؤدي إلى تيارات إيدي في القرص ، ويعتمد حجم هذا الأخير ، وتكون الأشياء الأخرى متساوية ، على السرعة النسبية للمجال والقرص.

وفقًا لقانون لينز ، يجب أن يدور القرص في اتجاه المجال. في حالة عدم وجود احتكاك ، يجب أن يكتسب القرص سرعة زاوية مساوية لسرعة المغناطيس ، وبعد ذلك تختفي قوة emf المستحثة. في الحياة الواقعية ، الاحتكاك موجود حتمًا ويصبح القرص أبطأ.يعتمد حجمها على لحظة الكبح الميكانيكية التي يمر بها القرص.

ينعكس التناقض بين سرعة دوران القرص (الدوار) وسرعة دوران المجال المغناطيسي في اسم المحركات.

مبدأ تشغيل المحركات غير المتزامنة:

في المحركات التقنية غير المتزامنة (غالبًا ثلاثية الأطوار) يتم إنشاء مجال مغناطيسي دوار تيار متعدد الأطوارتتدفق حول لف الجزء الثابت الثابت. عند تردد التيار ثلاثي الطور ، فإن عدد لفائف الجزء الثابت 3p يجعل المجال الدوار n = f / p rd / sec.

يوجد دوار قابل للدوران في تجويف الجزء الثابت. يمكن توصيل آلية الدوران بعمودها. في أبسط محركات "خلية السنجاب" ، يتكون الجزء المتحرك من نظام من قضبان معدنية طولية موضوعة في أخاديد جسم أسطواني فولاذي. يتم تقصير الأسلاك بواسطة حلقتين. لزيادة عزم الدوران ، يكون نصف قطر الدوار كبيرًا بدرجة كافية.

في تصميمات المحركات الأخرى (المحركات عالية الطاقة عادةً) ، تشكل الأسلاك الدوارة ملفًا مفتوحًا ثلاثي الأطوار. تكون نهايات الملفات قصيرة الدائرة في الجزء المتحرك نفسه ، ويتم إخراج الخيوط إلى ثلاث حلقات انزلاقية مثبتة على عمود الدوار ومعزولة عنه.

يتم توصيل مقاومة متغيرة ثلاثية الطور بهذه الحلقات باستخدام ملامسات منزلقة (فرش) ، والتي تعمل على بدء تشغيل المحرك. بعد تشغيل المحرك ، تتم إزالة المقاومة المتغيرة تمامًا ويصبح الدوار قفصًا سنجابيًا (انظر - محركات غير متزامنة مع دوار الجرح).

توجد لوحة طرفية على مبيت الجزء الثابت. يتم إحضار لفات الجزء الثابت لهم. يمكن تضمينها نجمة أو مثلث، اعتمادًا على جهد التيار الكهربائي: في الحالة الأولى ، يمكن أن يكون جهد التيار الكهربائي أعلى بمقدار 1.73 مرة من الثانية.

تسمى القيمة التي تميز التباطؤ النسبي للدوار مقارنة بالمجال الثابت للمحرك التعريفي الانزلاق... يتغير من 100٪ (في لحظة بدء تشغيل المحرك) إلى صفر (حالة مثالية لحركة الدوار بلا خسارة).

يتم تحقيق عكس اتجاه دوران المحرك التعريفي عن طريق التبديل المتبادل لكل موصلين خطيين للشبكة الكهربائية التي تزود المحرك.

تستخدم محركات قفص السنجاب على نطاق واسع في الصناعة. تتمثل مزايا المحركات غير المتزامنة في بساطة التصميم وغياب جهات الاتصال المنزلقة.

حتى وقت قريب ، كان العيب الرئيسي لهذه المحركات هو صعوبة تنظيم السرعة ، لأنه إذا تم تغيير جهد الدائرة الثابتة لهذا الغرض ، فإن عزم الدوران يتغير بشكل حاد ، ولكن كان من الصعب تقنيًا تغيير تردد تيار الإمداد. تُستخدم الآن أجهزة المعالجات الدقيقة الحديثة على نطاق واسع للتحكم في تردد تيار الإمداد لتغيير سرعة المحركات - محولات التردد.

مولدات

تم تصميم المولدات للحصول على طاقة كبيرة وجهد عالٍ. مثل الآلات غير المتزامنة ، لديهم ملفان. عادة ، يقع ملف المحرك في مبيت الجزء الثابت. يتم تثبيت المحاثات التي تخلق التدفق المغناطيسي الأساسي على الجزء المتحرك ويتم تشغيلها بواسطة المثير - وهو مولد تيار مستمر صغير مركب على عمود الدوار. في الآلات عالية الطاقة ، يحدث الإثارة أحيانًا بواسطة جهد متناوب معدل.

نظرًا لعدم حركة ملف المحرك ، تختفي الصعوبات الفنية المرتبطة باستخدام جهات الاتصال المنزلقة في القوى العالية.

يوضح الشكل أدناه مخططًا لمولد أحادي الطور. يتكون الجزء المتحرك من ثمانية أقطاب. توجد على هذه الملفات الملفوفة (غير الموضحة في الشكل) التي يتم تغذيتها من مصدر خارجي بواسطة تيار مباشر مطبق على حلقات الانزلاق المركبة على عمود الدوار. يتم لف ملفات العمود بطريقة تتناوب فيها علامات الأقطاب التي تواجه الجزء الثابت. يجب أن يكون عدد الأعمدة متساويًا.

يقع لف المحرك في مبيت الجزء الثابت. تظهر أسلاكها "النشطة" الطويلة العاملة ، المتعامدة مع مستوى الرسم ، في الشكل مع الدوائر ، وتتقاطع معها خطوط الحث المغناطيسي عندما يدور الدوار.

تظهر الدوائر التوزيع الفوري لاتجاهات المجالات الكهربائية المستحثة. تظهر أسلاك التوصيل الممتدة على طول الجانب الأمامي للجزء الثابت بخطوط متصلة ، وعلى الجانب الخلفي بخطوط متقطعة. تُستخدم مشابك K لتوصيل دائرة خارجية بملف الجزء الثابت. يشار إلى اتجاه دوران الدوار بواسطة سهم.

إذا قمت بقص الآلة عقليًا على طول نصف قطر يمر بين المشابك K وقمت بتحويلها إلى مستوى ، فسيتم رسم الموضع النسبي لملف الجزء الثابت وأعمدة الدوار (الجانب والخطة) برسم تخطيطي:

بالنظر إلى الشكل ، نتأكد من أن جميع الأسلاك النشطة (التي تمر عبر أقطاب المحث) متصلة ببعضها البعض في سلسلة وأن EMF المستحث فيها يتم تلخيصها. من الواضح أن مراحل جميع المجالات الكهرومغناطيسية هي نفسها.أثناء دوران كامل للدوار ، سيتم الحصول على أربع فترات كاملة من التغيير الحالي في كل من الأسلاك (وبالتالي في الدائرة الخارجية).

إذا كانت الآلة الكهربائية تحتوي على أزواج من الأقطاب والدوار يدور مما يجعل عدد الدورات n في الثانية ، فإن تردد التيار المتردد الذي تستقبله الآلة هو f = pn hz.

نظرًا لأن تردد EMF في الشبكة يجب أن يكون ثابتًا ، يجب أن تكون سرعة دوران الدوارات ثابتة. للحصول على EMF للتردد التقني (50 هرتز) ، يمكن استخدام دوران بطيء نسبيًا إذا كان عدد أقطاب الجزء المتحرك كبيرًا بدرجة كافية.

للحصول على تيار ثلاثي الطور ، يتم وضع ثلاث لفات منفصلة في جسم الجزء الثابت. يتم إزاحة كل منهما بالنسبة إلى الاثنين الآخرين بثلث مسافة القوس بين القطبين المتجاورين (المعاكسين) للمحثات.

من السهل التحقق من أنه عندما تدور المحاثات ، يتم تحفيز المجالات الكهرومغناطيسية في الملفات التي يتم إزاحتها في الطور (بمرور الوقت) بمقدار 120 درجة. تتم إزالة نهايات الملفات من الجهاز ويمكن توصيلها بنجمة أو دلتا.

في المولد ، يتم تحديد السرعة النسبية للمجال والموصل حسب قطر الدوار وعدد دورات الجزء المتحرك في الثانية وعدد أزواج القطب.

إذا كان المولد مدفوعًا بتيار مائي (مولد هيدروجين) ، فعادة ما يتم تصنيعه بثورات بطيئة. للحصول على التردد الحالي المطلوب ، من الضروري زيادة عدد الأقطاب ، والتي تتطلب بدورها زيادة قطر الدوار.

لعدد من الأسباب الفنية مولدات هيدروجين قوية عادة ما يكون لها عمود رأسي وتقع فوق التوربين الهيدروليكي ، مما يجعلها تدور.

المولدات التي تعمل بالتوربينات البخارية - عادة ما تكون مولدات التوربينات عالية السرعة. من أجل تقليل القوى الميكانيكية ، لديهم أقطار صغيرة وعدد صغير من الأعمدة. يتطلب عدد من الاعتبارات الفنية إنتاج مولدات توربينية بعمود أفقي.

إذا كان المولد مدفوعًا بمحرك احتراق داخلي ، فإنه يسمى مولد ديزل ، نظرًا لأن محركات الديزل تستخدم عمومًا كمحركات تستهلك وقودًا أرخص.

إمكانية عكس المولد والمحركات المتزامنة

إذا تم تطبيق جهد متناوب على لف الجزء الثابت للمولد من مصدر خارجي ، فسيكون هناك تفاعل بين أقطاب المحرِّض مع المجال المغناطيسي للتيار المتولد في الجزء الثابت ، وستعمل عزم الدوران من نفس الاتجاه على جميع الأقطاب.

إذا كان الجزء المتحرك يدور بسرعة بعد نصف فترة التيار المتردد بفترة وجيزة ، فإن القطب التالي للمحث (المعاكس للإشارة للقطب الأول) سوف يتلاءم مع السلك المدروس لملف الجزء الثابت ، ثم علامة قوة التفاعل بينها وبين التيار ، التي غيرت اتجاهها ، ستبقى كما هي.

في ظل هذه الظروف ، سيستمر الدوار ، تحت التأثير المستمر لعزم الدوران ، في التحرك وسيكون قادرًا على قيادة أي آلية. سيحدث التغلب على مقاومة حركة الدوار بسبب الطاقة التي تستهلكها الشبكة ، و سيصبح المولد محركًا كهربائيًا.

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الحركة المستمرة ممكنة فقط عند سرعة دوران محددة بدقة ، لأنه في حالة الانحراف عنها ، ستعمل لحظة متسارعة جزئيًا على كل من أقطاب الدوار ، وتتحرك بين موصلي المحرك. الجزء الثابت ، جزء من الوقت - التوقف.

وبالتالي ، يجب تحديد سرعة دوران المحرك بدقة - يجب أن يتزامن الوقت الذي يتم فيه استبدال العمود بالعمود التالي مع نصف فترة التيار ، وهذا هو سبب تسمية هذه المحركات بشكل متزامن.

إذا تم تطبيق جهد متناوب على لف الجزء الثابت بدوار ثابت ، فعندئذٍ ، على الرغم من أن جميع أقطاب الجزء المتحرك خلال نصف الدورة الأولى من التجربة الحالية ، فإن تأثير عزم الدوران من نفس العلامة ، لا يزال ، بسبب القصور الذاتي ، الدوار لن يكون لديه وقت للتحرك. في نصف الدورة التالية ، ستتغير علامة عزم الدوران لجميع أقطاب الدوار إلى الاتجاه المعاكس.

نتيجة لذلك ، سوف يهتز الدوار ولكنه لن يكون قادرًا على الدوران. لذلك ، يجب أولاً إيقاف تشغيل المحرك المتزامن ، أي إحضاره إلى العدد الطبيعي للثورات ، وعندها فقط يجب تشغيل التيار في لف الجزء الثابت.

يتم تطوير المحركات المتزامنة بطرق ميكانيكية (بقدرة منخفضة) وأجهزة كهربائية خاصة (بقدرة عالية).

لتغييرات الأحمال الصغيرة ، ستتغير سرعة المحرك تلقائيًا للتكيف مع الحمل الجديد. لذلك ، مع زيادة الحمل على عمود المحرك ، يتباطأ الدوار على الفور. لذلك ، يتغير تحول الطور بين جهد الخط و EMF المستحث المعاكس الناجم عن المحرِّض في لف الجزء الثابت.

بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي تفاعل المحرك إلى إزالة المغناطيسية من المحاثات ، وبالتالي يزداد تيار الجزء الثابت ، وتعاني المحاثات من زيادة عزم الدوران ، ويبدأ المحرك في الدوران بشكل متزامن مرة أخرى ، متغلبًا على الحمل المتزايد. تحدث عملية مماثلة مع تقليل الحمل.

مع التقلبات الحادة في الحمل ، قد تكون هذه القدرة على التكيف للمحرك غير كافية ، وسوف تتغير سرعته بشكل كبير ، وسوف "يخرج من التزامن" ويتوقف في النهاية ، بينما يختفي الحث EMF المستحث في الجزء الثابت ، ويزداد التيار فيه بحدة. لذلك ، يجب تجنب التقلبات الحادة في الحمل. لإيقاف المحرك ، من الواضح أنه يجب عليك أولاً فصل دائرة الجزء الثابت ثم فصل الإختناقات ؛ عند بدء تشغيل المحرك ، يجب الالتزام بترتيب العمليات العكسي.

غالبًا ما تستخدم المحركات المتزامنة لقيادة الآليات التي تعمل بسرعة ثابتة. فيما يلي مزايا وعيوب المحركات المتزامنة وطرق بدء تشغيلها: المحركات المتزامنة وتطبيقاتها

شريط فيلم تعليمي - "محركات متزامنة" ابتكرها مصنع الوسائل التعليمية والبصرية عام 1966. يمكنك مشاهدته هنا: شريط سينمائي «محرك متزامن»