Машины переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА



Комплексной целью модуля является изучение:

- устройства и принципа работы синхронных и асинхронных машин переменного тока;

- характеристики синхронных генераторов переменного тока;

- системы пуска и режимов работы синхронных и асинхронных двигателей;

- способов регулирования частоты вращения двигателей переменного тока.

синхронный генератор переменный ток



Лекция 1. Конструкция и принцип действия синхронных машин переменного тока

1.1 Генератор с тихоходным и быстроходным ротором

Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Для получения переменного тока нужно, чтобы виток был сцеплен с переменным магнитным потоком. Для этого мы вращаем виток в постоянном магнитном поле, но результат будет таким же если виток оставить неподвижным, а вращать постоянный магнит или электромагнит.

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Чтобы получить достаточно большой магнитный поток (не увеличивая размеров машины), витки располагают на неподвижном, собранном из тонких листов стальном сердечнике, через который магнитный поток может легко проходить. Воздушный зазор между вращающимся электромагнитом (ротор) и статором делают очень малым.

Одному полному обороту ротора соответствует один период переменного тока. Для того чтобы получать переменный ток, имеющий частоту 50 Гц, необходимо за одну секунду повернуть ротор на 50 оборотов. В минуту (60 с) такой ротор будет делать 3000 оборотов. Так вращается большинство турбогенераторов, т. е. генераторов переменного тока, приводимых во вращение паровыми турбинами.

Ротор принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора, так как любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.

На рис. 1.1 а, б приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

аб

Рис. 1. 1. Конструкция синхронных генераторов: а - явнополюсной быстроходный; в - неявнополюсной тихоходный; 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - статор; АУСХВZ - обмотки статора

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.

В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис. 1.2). Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включенные в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель ПВ, собранный по схеме трехфазного моста, и обмотка возбуждения генератора ОВ с регулировочным реостатом R .



Рис. 1. 2. Схема для самовозбуждения генератора

Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора благодаря остаточной индукции в магнитной системе появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.

1.2 ЭДС синхронного генератора

Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки w и скоростью изменения магнитного потока Ф:

1. 1

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде

1. 2

где n - частота вращения ротора генератора, Ф - магнитный поток, c - постоянный коэффициент. При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Влияние магнитного поля статора на магнитное поле, создаваемое вращающимися полюсами ротора, называется реакцией якоря. В случае активной нагрузки (для получения такого режима нагрузка должна быть активно-емкостной, при этом емкость скомпенсирует индуктивность обмотки генератора) ток совпадает по фазе с ЭДС, и максимум тока наступает в тот момент, когда оси полюсов будут находиться против обмоток фаз (рис.1.3, а). Это так называемая поперечная реакция якоря: потоки статора Фс и ротора Фр взаимно перпендикулярны. В результате сложения этих потоков общий магнитный поток генератора несколько увеличивается и смещается в пространстве и, следовательно, ЭДС генератора возрастает.

В случае чисто индуктивной нагрузки ток отстает от ЭДС по фазе на р/2, в момент максимального значения тока в. обмотке А - Х ротор повернут на 90 по часовой стрелке (рис. 1.3, б). Магнитные потоки Фс и Фр направлены навстречу друг другу и общий магнитный поток генератора равен их разности. В этом случае реакция якоря уменьшает суммарный магнитный поток машины и, следовательно, уменьшает ее ЭДС.

Рис. 1. 3



При емкостной нагрузке генератора ток нагрузки опережает по фазе ЭДС на з/2, и, следовательно, ротор генератора еще не дошел на 90° до вертикального положения, а ток в обмотке А - Х уже имеет максимальное значение (рис. 1.3, в). Потоки Фс и Фр направлены в одну сторону, и общий магнитный поток генератора равен их сумме, что приводит к увеличению ЭДС.

При смешанной активно-индуктивной (рис. 1.4, а) или активно-емкостной (рис. 1.4, б) нагрузке ток и ЭДС сдвинуты по фазе на некоторый угол.

а б

Рис. 1. 4

Поток обмотки статора Ф может быть разложен на две взаимно перпендикулярные составляющие: поперечную (активную) - Фс1 и продольную (реактивную) - Фс2. В результате реакции якоря суммарный магнитный поток смещается от вертикали и изменяет свое значение в зависимости от характера нагрузки.

1.3 Характеристики синхронного генератора

Основными характеристиками синхронного генератора являются характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики.

1.4 Характеристика холостого хода

Эта характеристика представляет собой зависимость ЭДС генератора Е0 на холостом ходу (т.е. без нагрузки) от тока возбуждения I в. Она связана с кривой намагничивания стали и напоминает ее по форме (рис. 1.5). На холостом ходу синхронного генератора его ЭДС создается только главным магнитным потоком, поэтому ЭДСЈ'0 пропорциональна главному магнитному потоку Ф0, который, в свою очередь, пропорционален магнитной индукции В0 в статоре. Поэтому зависимость Е0 = f(Ie) подобна зависимости В0 = f(I„) , т.е. первоначальной кривой намагничивания стали.

Рис.1. 5

При достижении области магнитного насыщения магнитной системы генератора скорость роста ЭДС уменьшается, а спрямление кривой при малых значениях индукции происходит за счет воздушного зазора в магнитной цепи машины, обладающего большим магнитным сопротивлением. Опытным путем эту характеристику получают, изменяя ток возбуждения при номинальной скорости вращения ротора.

Номинальный режим возбуждения генератора выбирают в области изгиба кривой (точка А). Использование области магнитного насыщения для увеличения ЭДС генератора приводит к неоправданному увеличению тока и размеров обмотки возбуждения.

1.5 Внешняя характеристика

Внешняя характеристика синхронного генератора характеризует его электрические свойства и представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора U от его тока нагрузки J при постоянных значениях коэффициента мощности cos cp, скорости вращения ротора п и тока возбуждения Jе (рис. 1.6).

Рис.1. 6

Чтобы экспериментально получить внешнюю характеристику, нужно сначала нагрузить генератор до номинального тока I н при номинальном напряжении Uн, которое устанавливается путем регулировки тока возбуждения. Затем, поддерживая ток возбуждения и частоту вращения постоянными, постепенно уменьшают ток нагрузки до нуля. Внешние характеристики могут иметь спад (кривая 2) или подъем (кривая 3) в зависимости от характера нагрузки и действия реакции якоря. Номинальный режим нагрузки выбирают таким, чтобы при cos < p = 0,8 изменения напряжения AU не превышали 35 - 45 % от номинального (кривая 1).

1.6 Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика синхронного генератора представляет собой зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при U = U н = const, n = nн = const и cos (p = const). Эта характеристика показывает, как выбрать ток возбуждения, при котором напряжение на зажимах генератора оставалось бы постоянным при изменениях нагрузки.

Чтобы экспериментально получить регулировочную характеристику, нужно сначала включить генератор и сообщить его ротору номинальную скорость вращения nн при холостом ходе, а потом путем изменения тока возбуждения добиться получения номинального напряжения Uн. Далее, постепенно увеличивают ток нагрузки и снимают характеристику, добиваясь в каждой точке постоянства напряжения на зажимах машины (U = Uн = const) путем регулирования тока возбуждения.

Рис. 1. 7

На рис.1.7 изображены регулировочные характеристики для различных значений cos < p. Из рисунка мы видим, что при активно-индуктивной нагрузке, когда (р > 0 ( кривая 2), ток возбуждения необходимо увеличивать, а при активно-емкостной нагрузке, когда р < 0 (кривая 3) -- уменьшать. Кривая 1 соответствует оптимальному режиму. Все эти явления обусловлены реакцией якоря.

Регулировочные характеристики имеют важное практическое значение, так как они определяют пределы изменения тока возбуждения для поддержания номинального напряжения при изменении нагрузки. 

1.7 Работа синхронного генератора параллельно с сетью

Практически все современные электростанции оборудованы несколькими генераторами, одновременно работающими на общую сеть. Такую работу генераторов называют параллельной. Параллельная работа генераторов необходима по следующим причинам. Если станция оборудована одним генератором, то его нагрузка сильно колеблется в зависимости от времени суток и времени года. Использование нескольких генераторов дает возможность при необходимости останавливать часть генераторов, экономя при этом топливо. Для надежного снабжения потребителей на случай аварии каждая электростанция должна иметь резервный генератор, который включается при необходимости. Наконец, параллельная работа генераторов и электростанций необходима для объединения нескольких электростанций в единую энергосистему, что позволяет рационально загружать станции в течение года и бесперебойно снабжать потребителей электроэнергией.

Для включения синхронного генератора трехфазного тока на параллельную работу с мощной электросетью (или с другим синхронным генератором) необходимо соблюдение следующих условий:

1. Частота напряжения, вырабатываемого генератором fг, должна быть равна частоте сети fc. Это достигается регулированием скорости вращения генератора.

Действующее значение напряжения на зажимах генератора Uг должно быть равно действующему значению напряжения сети Uс. Это достигается регулированием тока возбуждения.

Чередование последовательности фаз у включаемого генератора должно соответствовать чередованию фаз сети (т.е. направление вращающихся полей должно быть одинаковым),

Напряжения сети Uс и генератора Uг в момент включения должны совпадать по фазе.

Приведение синхронного генератора в состояние, соответствующее всем перечисленным выше четырем условиям называется синхронизацией генератора. Добиваются синхронизации следующим образом.

Чтобы уравнять частоты генерируемого напряжения и напряжения сети регулируют частоту вращения первичного двигателя, так как скорость вращения ротора определяет частоту генерируемого переменного тока. Равенства действующих напряжений генератора и сети добиваются путем изменения тока возбуждения синхронного генератора при номинальном числе оборотов.

Наиболее трудным является выбор момента включения генератора так, чтобы напряжение сети Uс и генератора Uг совпадали по фазе. Для выбора момента включения, а также для контроля правильного чередования фаз используют специальные устройства, которые называются синхроноскопами.

Равенство фазных напряжений и частот сети и генератора контролируется вольтметром и частотомером. Эта схема называется "на потухание" (см. рис. 1.8).

Рис. 1. 8

Когда чередование (порядок следования) фаз генератора совпадает с чередованием фаз сети, все три лампы будут загораться и гаснуть одновременно. Если это не так, то следует поменять местами два каких-либо линейных провода, идущих от синхронного генератора. Пока нет точного совпадения частот генератора Iг и сети Iс, напряжение на лампах будет изменяться с частотой равной разности этих частот Iг - Iс (так называемые "биения"), и лампы будут то гаснуть, то вновь загораться. Чем ближе частота генератора к частоте сети, тем ниже частота биений.

1.8 Синхронный двигатель переменного тока

Рассмотренные выше машины переменного тока могут работать и в качестве двигателей. Например, ротор расположен относительно статора так, как показано на рис. 1.9, и пусть переменный ток, текущий по обмотке статора, в этот момент течет в направлении, показанном на рис. 1.9.

Рис. 1. 9 Разноименные полюсы притягиваются, ротор стремится повернуться налево

Рис. 1. 10. Ротор стремится повернуться направо Рис. 1. 11. Ротор стремится повернуться налево

Этот ток теперь будет намагничивать сталь статора, создавая на нем чередующиеся северные и южные полюсы. Мы знаем, что разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются, поэтому, взглянув на рис. 1.9, можно убедиться в том, что магнитные силы будут стремиться повернуть ротор против часовой стрелки.

Но через половину периода ток в статоре уже будет иметь противоположное направление. Если ротор остался на прежнем месте (как показано на рис. 1.10), то теперь силы взаимодействия между полюсами будут стремиться повернуть ротор в обратную сторону, т. е. по часовой стрелке. Поэтому если ротор был неподвижен при включении переменного тока в обмотку статора, он и не сдвинется с места; на ротор будут действовать быстро чередующиеся силы противоположных направлений. Совсем иное дело, если ротор предварительно раскрутить и вращать с такой скоростью, что за время полупериода он переместится из положения, указанного на рис. 1.9, в положение, указанное на рис. 1.11.

Теперь полюсы ротора повернулись так, что при новом направлении тока в обмотках статора взаимодействие магнитных полюсов статора и ротора стремится вращать ротор все в том же направлении.

Теперь уже не нужно прибегать к посторонней силе для кручения ротора, он будет продолжать вращаться с той же скоростью благодаря взаимодействию токов (их магнитного поля). Эта скорость, в точности соответствующая скорости изменения магнитного поля статора, называется синхронной скоростью. С другой скоростью при 50-периодном токе ротор вращаться не может, поэтому такие машины называют синхронными. В самом деле, если бы ротор вращался со скоростью, отличной от синхронной, то полюса ротора и статора перестали бы попадать в такт. При этом, говорят, что вращение ротора выпадает из синхронизма.

Чем больше пар полюсов имеет синхронная машина, тем медленнее она будет вращаться. На практике синхронные машины строят как с одной парой полюсов (быстроходные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами), так и с десятками пар полюсов (например, тихоходные генераторы, приводимые во вращение водяными турбинами).

Из рассмотренного примера ясно, почему ротор должен быть раскручен к моменту присоединения переменного тока, но важно обратить внимание еще на следующее; переменный ток, протекающий через обмотку статора, должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнитным полем постоянного тока создавало вращающую силу требуемого направления. Если бы положению ротора, изображенному на рис. 1.11, соответствовал переменный ток противоположного направления, то машина не работала бы. Вместо того чтобы поддерживать вращение, электромагнитное взаимодействие ему препятствовало бы.

Поэтому для присоединения синхронной марины к сети необходимо не только дать машине нормальную скорость, но и убедиться в том, что ход изменения напряжений на машине и в сети одинаков.

1.9 Система пуска синхронного двигателя

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается «магнитным сцеплением» полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора. Это можно объяснить следующим образом. Пусть в момент включения двигателя направление питающего тока в обмотках статора соответствует рис. 1.12, а. В этот момент на неподвижный ротор будет действовать пара сил F, стремящихся повернуть его по часовой стрелке. Через полпериода направление тока в обмотках статора изменится на противоположное (рис. 1.12, б).

В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо «разогнать» до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.

Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным. Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.

Рис. 1. 12

Таким образом, характерной особенностью синхронного двигателя является необходимость предварительного разгона ротора.

Обычно мощность пускового двигателя составляет 5 - 15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу. Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.

В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 1.1).

Рис. 1. 1 Ротор синхронного двигателя с пусковой обмоткой: 1 - пусковая обмотка; 2 - обмотка возбуждения

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем - как синхронный. В целях безопасности, обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику постоянного тока.

1.10 Реактивный синхронный двигатель

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели. От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Принцип действия реактивного синхронного двигателя

Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше.

В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче.

Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис. 1.15).

Рис.1.15 Модернизация ротора асинхронного двигателя

1.11 Шаговый двигатель

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель. Как видно из рис. 1.16, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Рис.1.16



Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую в сеть постоянного тока. Ротор - двухполюсный. Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 - 1', то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 - 2', а катушки полюсов 1 - 1' обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полюсов 2 - 2'. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 - 3'. Так, шагами, ротор будет «следовать» за своей обмоткой управления.

1.12 Коллекторный двигатель переменного тока

Безколлекторные асинхронные и синхронные двигатели при многих положительных качествах имеют существенные недостатки. Они не допускают плавного и экономичного регулирования вращения. Этот пробел частично восполняют коллекторные двигатели переменного тока. Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Ротор однофазного коллекторного двигателя выполнен в виде цилиндра с фазными обмотками, статор - явнополюсный. Так как обмотка полюсов статора, подключаемая к сети переменного тока, создает пульсирующее магнитное поле, то все элементы магнитной цепи машины набираются из отдельных листов электротехнической стали.

Рис.1.1 7 Схема подключения однофазного коллекторного двигателя переменного тока:ОВ - обмотка возбуждения; Я1 - Я2 обмотка якоря (ротора)

Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе рис.1.17 создается взаимодействием токов в обмотке ротора с магнитным потоком полюсов. Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко применяются для привода стиральных машин, швейных машин, пылесосов, электроинструмента и т.д.



Лекция 2. Конструкция и принцип действия асинхронных машин переменного тока

2.1 История создания и область применения асинхронных двигателей

Электрические машины делятся на две большие категории: генераторы, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую ,и двигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую.

Машины переменного тока, в свою очередь, делятся на асинхронные и синхронные. Асинхронная машина была изобретена М.О.Доливо-Добровольским еще в 1888 г., но до настоящего времени сохранила свои основные черты. Статор асинхронной машины создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с меньшей скоростью, т.е. асинхронно. Увеличение нагрузки двигателя вызывает уменьшение скорости вращения ротора. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели. За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъемно-транспортных машин, транспортеров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики. Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: простота конструкции и невысокая стоимость, высокая надежность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

2.2 Принцип работы и устройство трехфазной асинхронной машины

Принцип работы асинхронных двигателей основан на опыте Араго. Если под горизонтально подвешенным на нити диском из проводящего немагнитного материала (например, из меди) поместить вращающийся подковообразный магнит, то диск начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Это явление объясняется следующим образом. Вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитом, индуцирует в диске замкнутые вихревые токи. Эти вихревые токи, в соответствии с законом Ампера, взаимодействуют с вращающимся магнитным полем, благодаря чему создается вращающий момент. Диск начинает вращаться в ту же сторону, что и поле, причем по мере увеличения скорости диска, скорость диска относительно поля уменьшается, что приводит к уменьшению величины индукционных токов в диске и вращающего момента. Диск начинает приостанавливаться и скорость диска относительно поля увеличивается, что приводит к увеличению величины индукционных токов в диске и вращающего момента. В конце концов, установится равновесие, при котором диск будет вращаться с некоторой постоянной скоростью, которая меньше скорости вращения магнитного поля, т.е. вращение диска будет асинхронным.

Это явление асинхронного вращения диска из проводящего немагнитного материала во вращающемся магнитном поле и положено в основу устройства асинхронных двигателей.

Основные части машины: неподвижная называется статор, подвижная - ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 2.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трехфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже - из алюминия. В простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120". В этом случае создается двухполюсное вращающееся магнитное поле. Для создания четырехполюсного вращающегося магнитного поля необходимо число секций обмотки увеличить до 6 и т.д. Начала и концы обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя выводятся на щиток корпуса (рис. 2.2 а), закреплённый на станине

Обмотка статора состоит из трех отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами с1, с2, с3, концы - с4, с5, с6.

Рис. 2. 1

Обмотка статора может быть соединена по схеме на звезду (рис. 2.2, б) или треугольник (рис. 2.2, в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трехфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 380/220, Y/?. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 380В по схеме звезда или в сеть с Uл =220В - по схеме треугольник. Основное назначение обмотки статора - создание в машине вращающего магнитного поля.



Рис. 2. 2

Сердечник ротора (рис. 2.3 б) набирается, из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая уложена в виде беличьего колеса (рис. 2.3 а). Здесь каждая пара диаметрально противоположных стержней с соединительными кольцами представляет собой рамку, т.е. короткозамкнутыи виток. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутым. Фазная: в пазы укладывается обмотка, к которой через контактные кольца и щетки подводится трехфазное напряжение.

Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Рис. 2. 3

Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счет этого такие двигатели обладают высокой надежностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьезный недостаток - ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка - сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

На рис. 2.4 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 - станина, 2 - обмотка статора, 3 - ротор, 4 - контактные кольца, 5 - щетки.

Рис. 2. 4

Обмотка фазного ротора выполняется трехфазной аналогично обмотке статора с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме на звезду. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щеток используют металлографитовые щетки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щеткодержателей, закрепленных неподвижно в корпусе машины. На рис. 2.5 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.

Рис. 2. 5

На рис. 2.6 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 - станина, 2 - сердечник статора, 3 - обмотка статора, 4 - сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 - вал.

Рис. 2. 6

2.3 Создание вращающегося магнитного поля

Если три катушки, расположенные по окружности под углом 120° друг относительно друга, включить в трехфазную сеть переменного тока, а в центре этой окружности поместить магнитную стрелку на оси, то стрелка придет во вращение. Следовательно, эти три катушки создают вращающееся магнитное поле. Временная диаграмма изменения трехфазного тока представлена на рис.2.7

Рис. 2. 7

Используя график изменения трехфазного тока Рис.2.7, проставим на нем несколько отметок времени; tl, t2, t3,...tn. Наиболее удобными будут отметки, когда один из графиков пересекает ось времени.

Теперь рассмотрим электромагнитное состояние обмоток статора в каждые из принятых, моментов времени.

Рассмотрим вначале точку t1. Ток в фазе А равен нулю, в фазе С он будет положительным - (+) , а в фазе В - отрицательным (·) (рис. 2.8, а).



Рис. 2. 8 Электромагнитные состояния трехфазной обмотки статора

Поскольку каждая фазная обмотка имеет замкнутую форму, то конец фазной обмотки В-У будет иметь противоположный знак, т.е. У - (+), а конец Z обмотки C-Z - (·).

Известно, что вокруг проводника с током всегда образуется магнитное поле. Направление его определяется правилом «буравчика».

Проведем силовую магнитную линию вокруг проводников С и У и, соответственно, В и Z (см. штриховые линии на рис. 2.8 a).

Рассмотрим теперь момент времени t2. В это время тока в фазе В не будет. В проводнике А фазы А-Х он будет иметь знак (+), а в проводнике С фазы C-Z он будет иметь знак (·). Теперь проставим знаки: в проводнике Х - (·), а в проводнике Z - (+).

Проведем силовые линии магнитного поля в момент времени t2 (рис. 2.8, б). Заметим при этом, что вектор совершил поворот.

Аналогичным образом проведем анализ электромагнитного состояния в фазных обмотках статора в момент времени t3,…tn (рис. 2.8, б, в, г, д).

Из рисунков 2.8 наглядно видно, что магнитное поле в обмотках и его поток Ф совершают круговое вращение.

Необходимым условием получения вращающегося магнитного поля является:

наличие не менее двух обмоток;

токи в обмотках должны отличаться по фазе;

оси обмоток должны быть смещены в пространстве.

2.4 Скорость вращения магнитного поля. Скольжение

Известно, что скорость магнитного поля определяется и частотой переменного тока. В частности, если трехфазную обмотку двигателя разместить в шести пазах на внутренней поверхности статора, то за половину периода переменного тока вектор магнитной индукции сделает пол-оборота, а за полный период - один оборот. В этом случае обмотка статора создает магнитное поле с одной парой полюсов и называется двухполюсной.

Рис. 2. 9

Если обмотка статора состоит из шести катушек (по две последовательно соединенные катушки на каждую фазу), размещенных в двенадцати пазах, то за половину периода переменного тока вектор магнитной индукции повернется на четверть оборота, а за полный период - на пол-оборота. Вместо двух полюсов на трех обмотках теперь магнитное поле статора имеет четыре полюса (две пары полюсов).

Скорость вращения магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов.

2. 1

где ѓ -- частота переменного тока в Гц, а коэффициент 60 появился из-за того, что n1 принято измерять в оборотах в минуту.

Поскольку число пар полюсов может быть только целым, то скорость вращения магнитного поля может принимать не произвольные, а только определенные значения:

P	1	2	3	4	5	6	8	12	24
n1	3000	1500	1000	750	600	500	375	250	125

Ротор асинхронного двигателя вращается в ту же сторону, что n магнитное поле, со скоростью, несколько меньшей скорости вращения магнитного поля, так как только в этом случае в обмотке ротора будут индуцироваться ЭДС и токи, и на ротор будет действовать вращающий момент. Обозначим скорость вращения ротора n2. Тогда величина n1 - n2 , которая называется скоростью скольжения, представляет собой относительную скорость магнитного поля и ротора, а степень отставания ротора от магнитного поля, выраженная в процентах, называется скольжением s:

2. 2

Скольжение асинхронного двигателя при номинальной нагрузке обычно составляет 3-7 %. При увеличении нагрузки скольжение увеличивается, и двигатель может остановиться.

Вращающий момент М асинхронного двигателя создается благодаря взаимодействию магнитного потока поля статора Ф с индуцированным в обмотке ротора током I2, поэтому величина его пропорциональна произведению I2Ф.Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью ротора при равновесии моментов, т.е. тогда, когда вращающий момент Мер равен тормозному моменту на валу двигателя M mop:

2. 3

Любой нагрузке машины соответствует определенное число оборотов ротора n2 и определенное скольжение S.

Обратите внимание, что частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и ее нагрузки.

При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля щ0, которая определяется соотношением:

щ0 = (2 р f) / p = р n0 / 30 [рад/с] 2. 4

2.5 Режимы работы трехфазной асинхронной машины

Асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

2.6 Режим двигателя

Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую.



Рис. 2. 10

Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n0 в указанном направлении (рис. 2.10). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца - по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме (рис. 2.10) электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнет вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведенного напряжения, т.е. переключить две фазы.

При номинальном режиме работы двигателя скольжение равно:

Sn = (2 ч 5) %. 2. 5

В режиме холостого хода асинхронного двигателя:

Sхх = (0,2 ч 0,7) %. 2. 6

2.7 Режим генератора

Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n > n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.

Пусть n > n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.11). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).

Рис. 2. 11

При n > n0 S = 0. При n > +? S > - ?.

Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах:

0 > S > - ?.

2.8 Режим электромагнитного тормоза

Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении.

Согласно рис. 2.12 электромагнитная сила будет создавать тормозной электромагнитный момент, под действием которого будет снижаться частота вращения ротора, а затем произойдет реверс.

В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.

Рис. 2. 12

При n = n0, S = 1. При n > - ?, S > + ?.

Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах:

0 < S < ?.

2.9 Механическая характеристика асинхронного двигателя

Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f(M). Эту характеристику (рис. 2.1) можно получить, используя зависимость M = f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Рис. 2. 1

Так как S = (n0 - n) / n0, отсюда n = n0(1 - S). Напомним, что n0 = (60 f)/p - частота вращения магнитного поля.

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 - неустойчивой. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n0. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты Мн и nн. Точка 3 соответствует критическому моменту Мкр и критической частоте вращения nкр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя Мпуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1: n0 = (60 f) / p, где р - число пар полюсов машины; f - частота сети.

Точка 2 с координатами nн и Мн. Номинальная частота вращения nн задается в паспорте. Номинальный момент рассчитывается по формуле:

, 2. 7

здесь Рн - номинальная мощность (мощность на валу).

Точка 3 с координатами Мкр nкр. Критический момент рассчитывается по формуле Мкр = Мн л. Перегрузочная способность л задается в паспорте двигателя nкр = n0 (1 - Sкр), , Sн = (n0 - nн) / n0 - номинальное скольжение.

Точка 4 имеет координаты n = 0 и М = Мпуск. Пусковой момент вычисляют по формуле Мпуск = Мн лпуск,

где лпуск - кратность пускового момента задается в паспорте.

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, так как частота вращения ротора (участок 1-3) мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из достоинств этих двигателей.

2.10 Работа с нагрузкой на валу

На рис. 2.2 рассматривается совместная работа асинхронного двигателя с нагрузкой на валу. Нагрузочный механизм (рис. 2.2 а) соединяется с валом двигателя и при вращении создает момент сопротивления (момент нагрузки). При изменении нагрузки на валу автоматически изменяется частота вращения ротора, токи в обмотках ротора и статора и потребляемый из сети ток. Пусть двигатель работал с нагрузкой Мнагр 1 в точке 1 (рис. 2.2 б). Если нагрузка на валу увеличится до значения Мнагр 2, рабочая точка переместится в точку 2. При этом частота вращения ротора снизится (n2<n1), а возрастет вращающий момент (М2>М1). Снижение частоты вращения ротора приводит к увеличению скольжения, увеличению токов в обмотках ротора и статора, т.е. к увеличению потребляемого из сети тока.

Рис. 2. 2

2.11 Пуск в ход асинхронного двигателя

Известно, что в момент пуска асинхронного двигателя в его цепи возникает большой пусковой ток, который значительно превышает номинальный. В маломощной сети этот ток может вызвать кратковременное понижение напряжения, что отражается на работе других потребителей энергии, включенных в эту сеть. Существует несколько способов включения двигателя в сеть.

Прямое включение в сеть

Самым простым способом пуска асинхронных двигателей является прямое включение их в сеть. Прямое включение в сеть допускается, если мощность двигателя не превышает 5% от мощности трансформатора, если от него питается и осветительная сеть. Если от трансформатора осветительная сеть не питается, то прямое включение можно применять для двигателей, мощность которых не превышает 25% от мощности трансформатора.

Пуск при пониженном напряжении

Рис. 2. 15

Для уменьшения пускового тока можно на время понизить напряжение на зажимах статора, включив для этого последовательно с его обмоткой трехфазное индуктивное сопротивление (рис.2.15). При пуске замыкается рубильник Р1 и к обмоткам статора последовательно подключаются индуктивности. Это значительно уменьшает пусковой ток. Когда скорость двигателя приближается к номинальной, замыкается рубильник Р2 - он закорачивает катушки индуктивности, и статор включается на полное напряжение сети. Уменьшение пускового тока, вызванное понижением напряжения на статоре, вызывает уменьшение пускового момента, пропорционального квадрату напряжения на статоре. Например, при таком пуске уменьшение пускового тока в 2 раза будет сопровождаться уменьшением пускового момента в 4 раза. Для понижения напряжения на статоре вместо индуктивных сопротивлений можно использовать активные сопротивления реостатов.

Реостатный пуск асинхронных двигателей

Этот способ применяют при большой нагрузке на валу. Для реостатного пуска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь ротора включается пусковой реостат (рис.2.16). Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит уменьшение пускового тока двигателя. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится и после окончания пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Рис. 2. 16

Пуск переключением обмоток статора с треугольника на звезду

Понижение напряжения на статоре на время пуска можно осуществить также посредством временного переключения обмоток статора, нормально работающих при соединении треугольником, на соединение звездой. Практически такое переключение выполняется с помощью простого трехполюсного переключателя (рис. 2.17). Этот способ запуска может быть применен для двигателя, обмотки статора которого при питании от сети данного напряжения нормально должны быть соединены треугольником.

Рис. 2. 17

Использование двигателей с улучшенными пусковыми свойствами

Стремление совместить достоинства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (высокая надежность) и фазным ротором (большой пусковой момент) привело к созданию двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора специальной конструкции. Различают двигатели с обмоткой ротора в виде двойной «беличьей клетки» (рис. 2.18 а) и с глубоким пазом (рис. 2.18 б).

Рис. 2. 18

На рис. 2.18 показаны конструкции ротора двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

У двигателя с двойной «беличьей клеткой» на роторе закладывается две короткозамкнутые обмотки. Обмотка 1 пусковая, а обмотка 2 является рабочей. Для получения повышенного пускового момента пусковая обмотка должна обладать большим активным сопротивлением, чем рабочая обмотка. Поэтому обмотка 1 выполняется из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь), чем обмотка 2 (медь). Сечение проводников, образующих пусковую обмотку, меньше, чем у рабочей обмотки. За счет этого повышается активное сопротивление пусковой обмотки.

Рабочая обмотка, расположенная глубже, охватывается большим магнитным потоком, чем пусковая. Поэтому индуктивное сопротивление рабочей обмотки значительно больше, чем пусковой. За счет этого в момент пуска в ход, когда частота тока ротора имеет наибольшее значение, ток в рабочей обмотке, как следует из закона Ома, будет небольшим, и в создании пускового момента будет участвовать в основном пусковая обмотка, имеющая большое активное сопротивление. По мере разгона двигателя частота тока ротора падает, уменьшается и индуктивное сопротивление обмоток ротора, это приводит к увеличению тока в рабочей обмотке, за счет этого в создании вращающего момента будет участвовать, в основном, рабочая обмотка. Так как она обладает малым активным сопротивлением, естественная механическая характеристика двигателя будет жесткой.

Аналогичная картина наблюдается у двигателя с глубоким пазом (рис. 2.18,б). Глубокий стержень обмотки (1) можно представить в виде нескольких проводников, расположенных по высоте паза. За счет высокой частоты тока в обмотке ротора в момент пуска в ход происходит «вытеснение тока к поверхности проводника». За счет этого в создании пускового момента участвует только верхний слой проводников обмотки ротора. Сечение верхнего слоя значительно меньше сечения всего проводника. Поэтому при пуске в ход обмотка ротора обладает повышенным активным сопротивлением, двигатель развивает повышенный пусковой момент. По мере разгона двигателя плотность тока по сечению проводников обмотки ротора выравнивается, сопротивление обмотки ротора снижается.

В целом эти двигатели имеют жесткие механические характеристики, повышенный пусковой момент и меньшую кратность пускового тока, чем двигатели с короткозамкнутым ротором обычной конструкции.

2.12 Реверсирование асинхронного двигателя

--изменение направления вращения ротора двигателя. Направление вращения ротора зависит от направления вращения магнитного поля статора, поэтому для изменения направления вращения ротора следует изменить последовательность фаз. На практике это осуществляется путем перемены мест любых двух фаз. Для этого часто используют трехполюсные переключатели (рис. 2.19):

Рис. 2. 19



Лекция 3. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей, однофазные двигатели

3.1 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

При работе многих механизмов, приводящихся во вращение асинхронными двигателями, в соответствии с технологическими требованиями возникает необходимость регулировать скорость вращения этих механизмов. Способы регулирования частоты (скорости) вращения асинхронных двигателей раскрывает соотношение:

. 3. 1

Отсюда следует, что при заданной нагрузке на валу частоту вращения ротора можно регулировать:

изменением скольжения;

изменением напряжения на зажимах;

изменением числа пар полюсов;

изменением частоты источника питания.

3.2 Изменением скольжения

Путем введения в цепь обмотки ротора регулировочного реостата. Этот способ требует применения двигателя с фазным ротором. Регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. При увеличении сопротивления цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата будет расти скольжение, следовательно, частота вращения двигателя будет уменьшаться. На рис. 3.1 приведены механические характеристики асинхронного двигателя при разных сопротивлениях регулировочного реостата Rр3 > Rр2 > 0, Rр1 = 0.

Рис. 3. 1

Как следует из рис. 3.1, при этом способе можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Основные недостатки этого способа:

Из-за больших потерь на регулировочном реостате снижается коэффициент полезного действия, т.е. способ неэкономичный.

Механическая характеристика асинхронного двигателя с увеличением активного сопротивления ротора становится мягче, т.е. снижается устойчивость работы двигателя.

Невозможно плавно регулировать частоту вращения.

Из-за перечисленных недостатков этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.

3.3 Изменением напряжения на зажимах статора

Плавное регулирование частоты вращения двигателя в узких пределах возможно уменьшением напряжения на обмотках статора. Этот способ применим к двигателям с короткозамкнутым ротором. Если при работе двигателя уменьшить напряжение сети, то ток в обмотке ротора уменьшится, что приведет к увеличению скольжения, т.е. к уменьшению частоты вращения двигателя. Следует отметить, что при этом резко снижается вращающий момент, пропорциональный квадрату сетевого напряжения.

3.4 Изменением числа пар полюсов

Ступенчатое изменение частоты вращения двигателя возможно при изменении числа полюсов магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Для этого на статоре размещают две обмотки с различным числом полюсов или одну обмотку, которая допускает переключение на различное число полюсов.

Такая обмотка изображена на рис. 3.2. На рисунке (а) схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно, которые создают четыре полюса. Если мы изменим направление тока в одной из катушек, включив ее навстречу другой, то обмотка будет создавать два полюса (рисунок (б)). При изменении числа полюсов обмотки статора изменится число оборотов магнитного поля статора, а, следовательно, и скорость вращения ротора.

Двумя отдельными обмотками снабжаются только статоры маломощных двигателей; у крупных двигателей более целесообразным является переключение катушек одной и той же обмотки для получения различного числа полюсов. В большинстве случаев статор асинхронной машины снабжается двумя независимыми обмотками, каждая из которых переключается в соотношении 1:2. Таким образом, двигатель имеет четыре скорости вращения, например: 3000, 300, 1000 и 500 об/мин.

На рис. 3.2 показана схема соединения и магнитное поле статора двигателя при последовательном б и параллельном а соединении обмоток.



а б

Рис. 3. 2

Достоинства этого способа регулирования: сохранение жесткости механических характеристик, большой К.П.Д. Недостатки: ступенчатое регулирование, большие габариты и большая стоимость двигателя.

3.5 Изменением частоты источника питания

Наиболее перспективным методом управления частотой вращения асинхронного двигателя является регулирование частоты переменного тока, питающего двигатель. Для этого используются тиристорные преобразователи частоты. При регулировании частоты необходимо, чтобы при изменении частоты вращения двигателя не изменялся его вращающий момент. Поэтому при изменении частоты для поддержания вращающего момента постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на зажимах статора. Другими словами, условием постоянства вращающего момента двигателя при регулировании частоты будет i/f = const.

Блок-схема тиристорного преобразователя (рис. 3.3) состоит из четырех основных элементов: регулируемого выпрямителя, звена постоянного тока, регулируемого инвертора и блока управления. Управление блоком выпрямления используется для регулирования напряжения на выходе преобразователя, т.е. на зажимах асинхронного двигателя, а управление инвертором служит для регулирования выходной частоты.

Установка может быть дополнена тахогенератором - небольшим генератором, приводимым в движение от вала двигателя. ЭДС тахогенератора, пропорциональная скорости управляемого двигателя, воздействует на блок управления, что дает возможность автоматически поддерживать постоянную частоту вращения асинхронного двигателя.

Рис. 3. 3

Достоинства этого способа: плавное регулирование, возможность повышать и понижать частоту вращения, сохранение жесткости механических характеристик, экономичность. Основной недостаток - требуется преобразователь частоты, т.е. дополнительные капитальные вложения.

...