Машины переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Машины переменного тока

1. Понятие активной мощности

Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи или её проводимость.

2. Понятие реактивной мощности

Реактивная мощность -- величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения и тока , умноженному на синус угла сдвига фаз между ними: (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает -- отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью и активной мощностью соотношением: .

Физический смысл реактивной мощности -- это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

3. Как создается трехфазный ток

Трехфазная система переменного тока широко распространена и применяется во всем мире. При помощи этой системы обеспечиваются оптимальные условия для передачи по проводам электроэнергии на большие расстояния, возможность для создания простых по устройству и удобных в эксплуатации электродвигателей.

Трехфазной системой переменного тока называется Система, состоящая из трех цепей с действующими электродвижущими силами (ЭДС) одинаковой частоты. Эти ЭДС сдвинуты относительно друг друга по фазе на одну треть. Каждая отдельная цепь в системе называется фазой. Вся система трех переменных токов, сдвинутых по фазе, и называется трехфазным током. Практически все генераторы, которые установлены на электростанциях - это генераторы трехфазного тока. В конструкции соединены в одном агрегате три генератора переменного тока. Электродвижущие силы, индуцированные в- них, как сказано ранее, сдвинуты на одну треть периода относительно друг друга.

Как же осуществляется работа генератора? В генераторе трехфазного тока есть три отдельных якоря, располагающихся на статоре устройства. Они имеют смещение на 1200 между собой. В центре устройства вращается индуктор, общий для трех якорей. Переменная ЭДС одинаковой частоты индуцируется в каждой катушке. Однако, моменты прохождения этих электродвижущих сил через нуль в каждой из этих катушек оказываются сдвинуты на 1/3 периода, так как индуктор проходит возле каждой катушки на 1/3 времени позднее, чем предыдущей. Все обмотки являются самостоятельными генераторами тока и источниками электроэнергии. Если присоединить провода к концам каждой обмотки, то получаются три независимые цепи. В- данном случае, чтобы передать всю электроэнергию потребуется шесть проводов. Однако при других соединениях обмоток между собой вполне можно обойтись 3-4 проводами, что дает большую экономию электропровода.

4. Виды соединения обмоток

Основным элементом обмотки является виток -- электрический проводник, или ряд параллельно соединённых таких проводников (многопроволочная жила), однократно обхватывающий часть магнитной системы трансформатора, электрический ток которого совместно с токами других таких проводников и других частей трансформатора создаёт магнитное поле трансформатора и в котором под действием этого магнитного поля наводится электродвижущая сила.

Обмотка -- совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.

Сечение проводника обмотки в силовых трансформаторах обычно имеет квадратную форму для наиболее эффективного использования имеющегося пространства (для увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади сечения проводника он может быть разделён на два и более параллельных проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и облегчения функционирования обмотки. Проводящий элемент квадратной формы называется жилой.

Каждая жила изолируется при помощи либо бумажной обмотки, либо эмалевого лака. Две отдельно изолированных и параллельно соединённых жилы иногда могут иметь общую бумажную изоляцию. Две таких изолированных жилы в общей бумажной изоляции называются кабелем.

Особым видом проводника обмотки является непрерывно транспонированный кабель. Этот кабель состоит из жил, изолированных при помощи двух слоёв эмалевого лака, расположенных в осевом положении друг к другу, как показано на рисунке. Непрерывно транспонированный кабель получается путём перемещения внешней жилы одного слоя к следующему слою с постоянным шагом и применения общей внешней изоляции.

Бумажная обмотка кабеля выполнена из тонких (несколько десятков микрометров) бумажных полос шириной несколько сантиметров, намотанных вокруг жилы. Бумага заворачивается в несколько слоёв для получения требуемой общей толщины.

Обмотки разделяют по:

1. Назначению

· Основные -- обмотки трансформатора, к которым подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного переменного тока.

· Регулирующие -- при невысоком токе обмотки и не слишком широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть предусмотрены отводы для регулирования коэффициента трансформации напряжения.

· Вспомогательные -- обмотки, предназначенные, например, для питания сети собственных нужд с мощностью существенно меньшей, чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и т. п.

2. Исполнению

· Рядовая обмотка -- витки обмотки располагаются в осевом направлении во всей длине обмотки. Последующие витки наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного пространства.

· Винтовая обмотка -- винтовая обмотка может представлять собой вариант многослойной обмотки с расстояниями между каждым витком или заходом обмотки.

· Дисковая обмотка -- дисковая обмотка состоит из ряда дисков, соединённых последовательно. В каждом диске витки наматываются в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и наружу на соседних дисках.

· Фольговая обмотка -- фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Назначение нулевого провода обеспечить необходимую для отключения электроустановки величину тока короткого замыкания путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением.

Что такое линейный ток. Ток, протекающий в линейном проводнике трехфазной электрической цепи, соединяющем источник и приемник электрической энергии.

Четырехпроводная система трехфазного тока

Нейтраль - общая точка соединенных концов фазных обмоток генератора (источника питания). То же самое относится и к потребителю (нагрузке).

Линейные провода (проводники) - проводники, присоединенные к началу фазных обмоток (А, В и С).

Звезда (соединение звездой) - представленное на рисунке соединение, в котором начала обмоток соединены в одну общую точку.

Нулевой провод (проводник) или нулевой рабочий провод (проводник) - проводник соединяющий нейтрали генератора (источника питания) и потребителя (нагрузки). Нулевой провод выполняет роль обратного провода.

Линейное напряжение - напряжение между линейными проводами.

Фазное напряжение - напряжение между линейным и нулевым проводом.

Фазный ток - ток, протекающий по фазной обмотке генератора (источника питания) или потребителя.

Линейный ток - ток, протекающий по линейному проводу.

При соединении звездой линейный ток равен фазному.

При работе по нулевому проводу протекает ток, равный векторной сумме трех линейных токов: I_А, I_B и I_C.

Если фазы нагружены равномерно, то ток нулевого провода равен нулю.

Что такое фазный ток. Ток, протекающий в фазной обмотке (фазе) источника или приемника электрической энергии.Фазный ток - ток, протекающий по фазной обмотке генератора (источника питания) или потребителя.

Что такое реактор. Реактором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. На э. п. с. переменного и постоянного тока и на тепловозах широко применяют реакторы: сглаживающие -- для сглаживания пульсаций выпрямленного тока; переходные -- для переключения выводов трансформатора; делительные -- для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями; токоограничивающие -- для ограничения тока короткого замыкания; помехоподавления -- для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов; индуктивные шунты -- для распределения при переходных процессах тока между обмотками возбуждения тяговых двигателей и включенными параллельно им резисторам.

реактивный мощность генератор обмотка

5. Создание вращающегося магнитного поля

В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

6. Отличие синхронного двигателя от асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя вращается не строго одновременно с возбуждающим его током, а непрерывно отстает от него. В таком двигателе частота вращения ротора задается частотой питающего напряжения, но сам ротор реагирует на магнитные поля, так сказать, любым боком, в каком положении его застанет изменения поля. Ротор быстро перемагничивается этим полем и начинает на него реагировать сам. На перемагничивание расходуется время, поэтому ротор вращается всегда слегка медленнее, чем задана частота тока.

В синхронном двигателе ротор представляет собой магнит (или электромагнит) , у которого полюса заданы явно, самой конструкцией. В таком случае ротор следует за возбуждающим полем строго синхронно. Другой вариант - когда ротор САМ управляет переключениями магнитных полей - и в этом случае двигатель получается тоже синхронный.

Разница между этими типами двигателей в том, что у синхронного ротор имеет явно выраженные полюса, заданные его конструкцией, а в асинхронном двигателе ротор имеет вид "болванки", способной намагничиваться в произвольном направлении в любой момент.

Синхронный только толкает якорь от магнита, а асинхронный сначала тянет, а потом толкает.

У синхронного двигателя ротор делает столько же оборотов, сколько вращаются магнитныеполя, ротор асинхронного двигателя делает чуть меньше оборотов, чем поле, то есть вращение ротора отстаёт от вращения поля.

7. Конструктивные особенности двигателя с фазным ротором и двигателем с короткозамкнутым ротором

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трехфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме "звезда" и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора:

§включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток, добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости.

§включают индуктивности (дроссели) в каждую фазу ротора. Сопротивление дросселей зависит от частоты протекающего тока, а, как известно, в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается, и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя, а при необходимости - "подхватить" двигатель, у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.

§включают источник постоянного тока, получая таким образом синхронную машину.

§включают питание от инвертора, что позволяет управлять оборотами и моментными характеристиками двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора, с фазировкой, противоположной той, которой запитан статор.

Короткозамкнутый ротор. Ротор асинхронной машины типа "беличья клетка.

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая "беличья клетка" из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями "беличьей клетки" отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности "беличью клетку" выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами. Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе применяют специальную форму паза. При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счет которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (при пуске).

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком "беличьей клетки". Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда магнитопровод "ротора" остается неподвижным, а вращается в магнитном зазоре только полый цилиндр из алюминия (беличья клетка или короткозамкнутая обмотка ротора) можно достичь малой инерционности двигателя.

8. Понятие скольжения двигателя

Относительная разность скоростей вращения ротора и магнитного потока, создаваемого обмотками статора двигателя переменного тока. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

9. Методы пуска асинхронного двигателя

1)Прямой пуск. Этот способ применяют для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины.

2)Пуск двигателя с фазным ротором - Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора, как это показано на рис.3.30. Начала фаз обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам и через щетки подключаются к пусковому реостату с сопротивлением.

3)Пуск переключение мобмоткистатора -Если при нормальной работе двигателя фазы статора соединены в треугольник, то при пуске первоначально они соединяются в звезду. Для этого сначала включается выключатель Q, а затем переключатель S ставится в нижнее положение Пуск. В таком положении концы фаз Х, Y, Z соединены между собой, т.е. фазы соединены звездой. При этом напряжение на фазе в v3 раз меньше линейного. В результате линейный ток при пуске в 3 раза меньше, чем при соединении треугольником. При разгоне ротора в конце пуска переключатель S переводится в верхнее положение, фазы статора пересоединяются в треугольник. Недостатком этого способа является то, что пусковой момент также уменьшается в 3 раза, так как момент пропорционален квадрату фазного напряжения, которое в v3 раз меньше при соединении фаз звездой. Поэтому такой способ применим при небольшом нагрузочном моменте и только для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток статора в треугольник.

4)Пуск при включении добавочных резисторов в цепь статора.Перед пуском выключатель (пускатель) находится в разомкнутом состоянии и замыкается выключатель Q₁.

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы R_ДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U_1n = U_1НОМ - I_nR_ДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q₂ и обмотка статора включается на номинальное напряжение U_1НОМ. Подбором R_ДОБможно ограничить пусковой ток до допустимого. Следует иметь в виду, что момент при пуске, пропорциональный U²_1П, будет меньше и составляет (U_1П / U_1НОМ)² номинального. Важно отметить, что при этом способе пуска значительны потери в сопротивлении R_ДОБ (R_ДОБI²_1n). Можно вместо резисторов R_ДОБ включить катушки с индуктивным сопротивлением Х_ДОБ, близким к R_ДОБ.

Применение катушек позволяет уменьшить потери в пусковом сопротивлении.

5)Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами. Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока в роторе за счет специальной конструкции беличьей клетки.

10. Цепи переменного тока

а) Активное сопротивление

Электрические устройства, преобразующие электрическую энергию во внутреннюю, называютсяактивными сопротивлениями. Активное сопротивление ,

где r - удельное сопротивление.

б)Индуктивное сопротивление- катушке, включенной в цепь переменного напряжения, сила тока меньше силы тока в цепи постоянного напряжения для этой же катушки. Следовательно, катушка в цепи переменного напряжения создает большее сопротивление, чем в цепи постоянного напряжения.

в)Цепь с конденсатором- При включении конденсатора в цепь постоянного напряже­ния сила тока I=0, а при включении конденсатора в цепь пере­менного напряжения сила тока I ? 0. Следовательно, конденса­тор в цепи переменного напряжения создает сопротивление меньше, чем в цепи постоянного тока.

г)Смешанным соединением называется последовательно-параллельное соединение сопротивлений или участков цепи.

Наиболее типичным примером смешанного соединения служит несколько параллельно соединенных приемников энергии, соединенных последовательно с сопротивлением подводящих проводов (рис. 2-9). Расчет такой цепи при заданном напряжении на зажимах и известных сопротивлениях участков заключается в нахождении токов и напряжений на всех участках цепи. Цепь, изображенная на рис. 2-9, состоит из двух последовательно соединенных участков: участка БВ, состоящего из трех параллельных ветвей и участка А Б с сопротивлением .

Размещено на Allbest.ru