Особенности и работа переменных электромашин. Назначение и классификация машин переменного тока

Особенности и работа переменных электромашин. Назначение и классификация машин переменного тока

61.Электрические машины переменного тока, принцип действия

Принцип действия синхронного генератора. На электрических станциях применяют трехфазные синхронные генераторы переменного тока высокого и низ­кого напряжений. Слово синхронный обозначает - одновременный. Это значит, что одновременно и в строгой математической зависимости с изменением оборотов изменяется час­тота тока Эта зависимость определяется формулойгде п 1 - число оборотов генератора в ми­нуту, f 1 - частота тока ге­нератора (гц), р - число пар полю­сов в роторе ге­нератора Синхронный генератор состоит из неподвижной части - статора, в пазах которого помещается трех­фазная обмотка перемен­ного тока, и вращающейся части -ротора, который пред­ставляет собой электромагнит (рис. 163). Обмотки возбуждения ротора питаются через щетки и кольца постоянным током от возбудителя - машины постоянного тока или какого-нибудь выпрямителя Ротор синхронного генератора, находящийся внутри статора, вращают первичным двигателем, при этом маг­нитное поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и индуктирует в них э. д. с. переменного тока. В некоторых конструкциях синхронных генераторов обмотки полюсов неподвижны и укреплены на станине, а вращается трехфазная обмотка переменного тока, выпол­няемая в пазах стального цилиндра, набранного из листов электротехнической стали. Переменный ток в этом случае снимают с колец, т. е. скользящим контактом, что является недостатком таких генераторов. Широкого распростра­нения эти типы генераторов но нашли.

Устройство синхронных генераторов . Статор синхронного генератора состоит из чугунной станины - корпуса, внутри которого находится сердеч­ник статора, собранный из отдельных листов электротех­нической стали, изолированной между собой лаком или тонкой бумагой. В пазы сердечника укладывают обмотку статора из медного изолированного провода (рис. 164).Роторы синхронных генераторов бывают двух типов - явнополюсными и неявнополюсными. Явнополюсными выполняют роторы синхронных гене­раторов с небольшим числом оборотов, обычно соединяемых с тихоходными гидротурбинами, и генераторов не­большой и средней мощности (рис. 165). Роторы неявнополюсные применяют в генераторах с большим числом оборотов (3000 об/мин) и большой мощности, обычно соединяемых на одном валу с паровыми турбинами, называют эти генераторы турбогенераторами . Сердечники полюсов большей частью изготовляют из литой стали, а башмаки - иногда из отдельных листов электротехнической стали. Обмотку полюсов выполняют из медных изолированных проводов. Для получения синусоидально изменяющейся э. д. с. необходимо иметь синусоидальное распределение магнитной индукции в воз­душном зазоре. Это достигается неравномерностью воз­душного зазора между наконечником полюса и сталью статора: по краям полюсов воздушный зазор больше, чем под серединой полюса (рис. 167). На вал генератора надевают два кольца, изолирован­ных от него, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения ротора, их называют контактными кольцами. На контактные кольца устанавливают щетки, а к щеткам подводят постоянный ток от воз­будителя. Чаще всего в качестве возбуди­теля применяют машину постоян­ного тока, которую называют машинным возбудителем, а в по­следнее время используют для возбуждения твердые или механи­ческие выпрямители. У большего количества син­хронных машин возбудитель рас­положен на одном валу с гене­ратором (рис. 168), а в последних конструкциях возбудитель распо­лагают сверху статора синхронной машины (рис. 169). Отечественной электропромышленностью выпускаются синхронные генераторы различной мощности горизон­тальные и вертикальные. Генераторы мощностью до 400 ква и более выпускаются на напряжение 400/230 в и начиная с мощности 400 ква на напряжение 6300 в. Горизонтальные генераторы типа СГ (С - синхрон­ный, Г - генератор) выпускаются с машинным возбуди­телем, с возбуждением от твердых выпрямителей (СГС), с возбуждением от механических выпрямителей (СГТ) и другие. Вертикальные гидрогенераторы типа ВГС (В - вер­тикальный, Г - гидрогенератор, С - синхронный) вы­пускаются мощностью от 250 до 4800 ква с машинными возбудителями. Выпускаются синхронные генераторы для сопряжения с дизелями на одном валу типа СГД - мощностью до 1000 ква

в первом случае получит ускорение, и отдаваемая им на сеть активная мощность увеличится, во втором случае ротор получит замедление, тогда мощность генератора уменьшится. Для изменения реактивной мощности генератора из­меняют его возбуждение.

Принцип действия синхронного двигателя . Синхронная машина обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Конструктивно синхронный двигатель ничем не отли­чается от синхронного генератора. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем полюсов ротора. При работе синхронной машины в режиме двигателя к статору подводят трехфазный переменный ток, а к об­мотке возбуждения ротора - постоянный ток. Трехфазный переменный ток создает в обмотке статора вращающееся магнитное поле, которое вращается в про­странстве со скоростью


где f - частота переменного тока (гц);

р - число пар полюсов в машине.

Представим себе магнитное поле статора в виде круга с явно выраженными полюсами на нем, вращающегося со скоростью п 1 об/мин. Эти полюса магнитными силовыми линиями связываются с полюсами ротора противополож­ной полярности (рис. 212). Вращающееся магнитное поле увлекает за собой полюса ротора и заставляет их вращаться с такой же скоростью. Скорость вращения ротора, равную скорости вращающе­гося магнитного поля, называют синхронной скоростью. При нагрузке ротор синхронного двигателя отстает на некоторый угол в от вращающегося магнитного поля, причем с увеличением нагрузки угол в увеличивается (рис. 212, б Зависимость вращающего момента синхронной машины от угла в представлена на рисунке 213. Кривая имеет вид синусоиды. При поминаль­ной мощности двигателя угол Q = 20-30°, при этом перегрузочная способность двигателя равна-

Вращающий момент синхронного двигателя про­порционален приложен­ному напряжению. Ро­тор вращается с син­хронной скоростью, не зависящей от нагрузки, а при увеличении на­грузки изменяется толь­ко угол в. При вращении рото­ра магнитный поток полюсов Ф 0 пересекает витки обмотки статора и индуктирует в них э. д. с. Е 0 . Согласно уравнению равновесия э. д. c., приложенное к двигателю напряжение сети U с уравновеши­вается суммой обратных э. д. с. двигателя сумм Е ДВ . На основании этого уравнения нарисуем векторную диаграмму синхронного двигателя (рис. 214). Вектор тока I откладываем вертикально. Под углом ф в сторону опережения откладываем вектор на­пряжения сети U c . В фазе с вектором тока откладываем векторы магнитного потока якоря Ф я и потока рассеяния Ф рс, каждый из которых индуктирует соответствующие э. д. с. Е я и Е РС, отстающие от вектора магнитного потока на 90°. Откладываем на векторной диаграмме вектор Е я и пристраиваем к нему вектор э. д. с. рассеяния E рс , сумма этих э. д. с. равна падению напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении двигателя Х сх

поэтому, зная х ох , можно узнать величину суммы векто­ров Е я + E РС . Так как из уравнения равновесия э. д. с. известно, что напряжение сети U С уравновешивается суммой э. д. с. двигателя, то откладываем вектор ОА, равный и противо­положный по направлению вектору напряжения сети U С , который и будет представлять сумму э. д. с. двигателя сумм Е ДВ . Вектор противоэ. д. с. двигателя Е 0 определится как третья сторона треугольника ОАВ, где известны сто­роны ОА и ОВ. Из этой векторной диаграммы видно, что

Вектор напряжения сетиU c изобразим состоящим из двух составляющих, каждая из которых уравновешивает соответствующую обратную э. д. с. В данном случае со­ставляющая - Е 0 уравновеши­вает э. д. с. Е 0 , а составляю­щая I х сх уравновешивает э. д. с. Е я и Е рс .

Рабочие характеристики синхронного двигателя . Рабочими характеристиками синхронного двигателя назы­вают зависимость оборотов п 2 , тока статора I , подведенной мощности P 1 полезного вра­щающего момента М 2 , cos фи к. п. д. т] от полезной мощности на валу двигателя Р 2 при постоянных напряжении сети U C , частоте сети f и токе возбуждения i в (рис. 215).Так как скорость вращения ротора п 2 не зависит от нагрузки и равна скорости вращающегося магнитного.

Принцип действия асинхронного двигателя . Асинхронный трехфазный двигатель - самый распро­страненный в промышленности и сельском хозяйстве. Около 95% всех двигателей - асинхронные.

Асинхронный двигатель изобретен талантливым рус­ским ученым М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Простота устройства, дешевизна, высокий к. п. д., боль­шая надежность в ра­боте способствовали его быстрому внедрению во все отрасли хозяйства. Принцип действия асинхронного двигате­ля основан на взаимо­действии вращающего­ся магнитного поля, соз­даваемого в трехфазной обмотке статора, и про­водников с током, из которых состоит обмот­ка ротора. Скорость вращения поля определяют из фор­мулы (58) Представим себе вращающееся магнитное поле в виде кольца с двумя постоянными магнитами (рис. 221). В середине кольца помещена обмотка ротора в виде короткозамкнутой беличьей клетки. Вращающееся-магнитное поле статора индуктирует в проводах обмотки ротора токи, направление которых определяют по правилу правой руки. При этом нужно иметь в виду, что если магнитное поле вращается по ча­совой стрелке, то относительное вращение проводника нужно принимать против часовой стрелки.В проводах, находящихся под северным полюсом, ток направлен к нам и направление его обозначим точкой.При взаимодействии магнитного поля статора и ротора (рис. 221) к проводу приложена сила F , заставляющая его перемещаться в сторону движения поля статора.Если поле статора вращается со скоростью n 1; которую называют синхронной, то ротор вращается с меньшей скоростью n 2 которую называют асинхронной. Отставание ротора от поля статора называют сколь­жением и обозначают буквой s . Величина скольжения может быть определена из урав­нения

Скольжение - основная переменная величина асин­хронной машины, от которой зависит режим ее работы.Из формулы скольжения можно вывести формулу обо­ротов ротора

Число оборотов ротора п 2 при номинальных нагрузке, напряжении и частоте указывают на заводском щитке двигателя.Величина скольжения асинхронных двигателей со­ставляет примерно s = 0,01- 0,06. Скольжение может быть определено также в процентах.

У асинхронного двигателя при неподвижном роторе скольжение имеет максимальное значение 5=1, так как n2 = 0.В начальный момент пуска в ход асинхронного двига­теля, когда n2 еще равно нулю, 5 = 1.

Устройство асинхронных двигателей. Асинхронный двигатель состоит из неподвижной ча­сти - статора и вращающейся - ротора. Статор представляет собой стальной сердечник в виде пустотелого цилиндра, набираемого из отдельных листов электротехнической стали, изолированных между собой лаком. Внутри цилиндра выштампованы пазы, куда ук­ладывают обмотку статора. По устройству статор асин­хронного двигателя почти ничем не отличается от статора синхронной машины. Обмотки статоров асинхронной и синхронной машин рассчитывают и выполняют аналогично (рис. 222).Внутри статора помещается ротор, представляющий собой стальной цилиндр, который набирают из отдельных листов электротехнической стали, покрытых изоляцион­ным лаком. Роторы бывают двух типов: короткозамкнутые и фазные. В пазы короткозамкнутого ротора укладывают обмотку в виде беличьей клетки, выполняемую из медных стержней, которую с торцовых сторон замыкают кольцами (рис.223,а). В двигателях неболь­шой мощности, до 100 квт, беличью клет­ку изготовляют путем заливки пазов ротора алюминием под давле­нием. Беличью клетку от стали ротора не изо­лируют, так как про­водимость проводников обмотки в десятки раз больше проводимости стали. При отливке беличьей клетки из алюминия одновременно отливают и боковые кольца вместе с вентиляцион­ными крыльями (рис. 224).В пазы фазного ро­тора укладывают трех­фазную обмотку, вы­полняемую по типу об­мотки статора. Разрез двигателя с фазным ро­тором представлен па рисунке 225. Как правило, фаз­ную обмотку ротора оединяют в звезду. При этом концы обмотки соединяют вместе, а начала присоединяют к контактным кольцам, на которые устанавливают щетки, соединенные с пусковым реостатом.С

хемы двигателей приведены на рисунке 226. Выводы обмоток асинхронных двигателей обозначают следующим образом:


Обмотки двигателя могут быть соединены в звезду или в треугольник. Для удобства соединения обмоток в тре­угольник выводы обмоток присоединены к доске зажимовно схеме, приведенной на рисунке 227, а. На том же ри­сунке показаны способы и схемы соединения обмоток. Если на паспорте двигателя написано 220/380 в и стоит обозна­чение треуг/звезда, то это значит, что при линейном напряжении в сети 220 в обмотки нужно соединить в треугольник, а при линейном напряжении 380 в - в звезду. Выводы обмоток ротора обозначают буквами Р 1 Р. 2 Р 3 . В СССР выпускается единая серия асинхронных дви­гателей А. В нее входят двигатели мощностью от 0,6 до 125 кет. Все двигатели этой серии выполняются с коротко-замкнутой обмоткбй из алюминия. Эти двигатели имеют чугунный корпус, а при малых мощностях корпус отливают из сплава с большим содер­жанием алюминия, тогда они обозначаются как серия АЛ. Если двигатели имеют закрытую конструкцию с обду­вом внешней ребристой поверхности статора при помощи вентилятора, укрепляемого на валу, тогда они обозначают­ся как серия АО, а при изготовлении корпуса из алюми­ния - АОЛ.Для замены существующей серии асинхронных элек­тродвигателей А и АО разработана новая единая серия А2

Машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Группа асинхронных машин представлена на практике главным образом трехфазными асинхронными двигателями, самыми распространенными из всех типов двигателей. В силу обратимости трехфазная асинхронная машина может работать и в режиме генератора, что имеет место в тормозных режимах. Однако, использование асинхронных машин в качестве генераторов в связи с осложнениями, возникающими при их работе в этом режиме и несомненными преимуществами синхронных генераторов, не применяется. Однофазные асинхронные двигатели получили свое распространение только в виде двигателей малой мощности. Синхронные машины переменного тока получили наибольшее распространение как трехфазные генераторы, в основном это все генераторы на современных электрических станциях. Трехфазные синхронные двигатели получили преимущественно применение в качестве привода мощных производственных машин.

Асинхронная машина - такая машина, в которой преобразование энергии осуществляется посредством вращающегося магнитного поля, возбуждаемого переменным током частотой , поступающим из сети. Основным принципом работы является то, что ротор вращается со скоростью n 2 отличающееся от скорости вращения магнитного поля n 1 , называемой синхронной скоростью двигателя. В большинстве асинхронных двигателей магнитное поле создается системой трехфазного тока. При работе в качестве двигателя ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Если ротор с помощью первичного двигателя вращается быстрее, чем магнитное поле, то машина является генератором. Как в режиме двигателя, так и режиме генератора скорость вращения ротора асинхронной машины зависит от нагрузки.

Неподвижная часть машины - статор, состоит из стального сердечника и расположенных на нем трех обмоток, оси которых сдвинуты на угол 120 0 одна относительно другой, подключенные к источнику трехфазного тока. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра, вдоль образующих внутренней поверхности которого, сделаны пазы. В диаметрально противоположных пазах статора уложены стороны трех катушек обмотки. В полости статора расположен ротор, представляющий собой цилиндрический сердечник, в диаметрально противоположных пазах которого, уложены короткозамкнутые витки. Если катушки статора соединить между собой в звезду или треугольник, то симметричная трехфазная цепь питания создает в магнитной системе машины вращающееся магнитное поле.

При вращении магнитного поля токов статора со скоростью n 1 , в проводниках ротора наводится ЭДС. Под действием ЭДС в короткозамкнутых витках ротора возникнут токи, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем. Это взаимодействие проявится в возникновении электромагнитных сил, действующих на ротор. Если электромагнитные силы, действующие на неподвижный ротор, превышают тормозные усилия на его валу, то он получит ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля. По мере возрастания скорости вращения ротора относительная скорость движения его проводников в равномерно вращающемся поле уменьшается, вследствие чего уменьшается и величина тока в них. Процесс изменения тока и скорости вращения ротора прекратиться, как только наступит устойчивое равновесие между моментом электромагнитных сил, вызывающих вращение ротора, и тормозным моментом, создаваемым устройством, приводимым в движение электрической машиной. В этих условиях ротор машины будет вращаться с постоянной скоростью и в его короткозамкнутых контурах установятся токи, обеспечивающие создание вращающего момента, равного тормозному. Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора.

Одной из важнейших величин, характеризующих работу асинхронного двигателя, является скольжение ротора, под которым понимают отношение:

где - частота вращения ротора;

Частота вращения магнитного поля;

Число пар полюсов двигателя.

Для большинства современных типов асинхронных двигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке заключено в пределах 2-6%.

При отсутствии нагрузки, когда двигатель работает вхолостую, и вращению ротора препятствуют лишь незначительные силы трения, скольжение очень мало и не превосходит десятых долей процента. С увеличением нагрузки скорость вращения ротора уменьшается, а скольжение и вращательный момент соответственно увеличиваются. Однако увеличивается ток в роторе и потери электрической энергии.

Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Обмотку статора двигателя можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а обмотку ротора - как вторичную. Особенностью двигателя по сравнению с трансформатором является то, что в его статорной и роторной обмотках действуют ЭДС и токи разных частот.

Величины этих ЭДС определяются по формулам:

где - ЭДС обмотки статора,

ЭДС обмотки неподвижного ротора,

И - соответственно обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора,

И - число обмоток статора и ротора,

Основной магнитный поток,

Частота тока цепи,

Частота ЭДС ротора. Из этого соотношения следует, что частота ЭДС ротора пропорциональна скольжению.

При неподвижном роторе , т.е частота тока и ЭДС ротора равна частоте ЭДС и тока статора и равна частоте питающего напряжения. Векторная диаграмма в этом режиме, называемым холостым ходом, аналогична соответствующей векторной диаграмме трансформатора.

ЭДС во вращающемся роторе .

Индуктивное сопротивление вращающегося ротора:

Активное сопротивление ротора не зависит от частоты.

По закону Ома ток в роторе равен:


.

Электрическая мощность, подведенная к двигателю из сети , преобразуется в нем в механическую. Преобразование энергии сопровождается потерями. Часть подводимой мощности тратится на потери в стали машины - и на потери в меди статора, т.е. на нагрев обмотки статора .Остальная мощность электромагнитным путем передается на ротор и называется электромагнитной мощностью . Часть мощности. Переданной на ротор, тратится на нагрев меди обмоток ротора и зависит от скольжения . Остальная часть мощности называется полной механической мощностью . Если из полной механической мощности вычесть механические потери и добавочные потери то получится полезная мощность на валу двигателя .

КПД асинхронного двигателя:

, где .

Величина КПД асинхронных двигателей составляет от 0,7 до 0,9 и выше.

Механическая мощность ротора:

,

где - вращающий момент двигателя.

Электромагнитная мощность вращающегося магнитного поля:

.

Основные режимы работы асинхронного двигателя это

1) пуск двигателя в ход,

2) холостой ход двигателя,

3) рабочий режим двигателя, в частности режим при полной номинальной нагрузке.

Рабочий режим двигателя при номинальной нагрузке характеризуется номинальными параметрами различными для каждого асинхронного двигателя. Основным номинальным параметром асинхронного двигателя является его номинальная мощность . Это мощность выражается в киловаттах и соответствует той наибольшей механической мощности на валу двигателя, которая может быть полезно отдана механизму, приводимого двигателем во вращение. Работа двигателя с нагрузкой превышающей его номинальную мощность, рассматривается как перегрузка и потому длительно не допустима.

Вторым параметром двигателя является его номинальная скорость вращения .

Важным электрическим параметром является напряжение, для которого предназначен двигатель . Номинальный ток двигателя устанавливается, исходя из номинальной мощности двигателя и номинального напряжения. К номинальным параметрам относят также номинальный коэффициент мощности двигателя. ,

При пуске двигателя с короткозамкнутым ротором скорость вращения ротора в первый момент , чему соответствует максимальное скольжение , двигатель находится в режиме короткого замыкания. Ток в роторе имеет наибольшее значение и наибольший сдвиг фаз по отношению к ЭДС. При этом пусковой ток статора в 4-10 раз больше номинального. Пусковой момент составляет 0,9 - 1,8 от номинального момента. По мере разгона двигателя величина пускового тока быстро уменьшается. Большая величина пускового тока вызывает резкие колебания напряжения в сети, что плохо отражается на работе других потребителей. При включении двигателей в мощные энергосистемы эти колебания нивелируются, поэтому используется прямой пуск - включением обмотки статора на полное напряжение цепи. Для уменьшения пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют способы, позволяющие понизить на время пуска напряжение, подводимое к статору: переключение обмотки статора со звезды на треугольник, запуск двигателя через автотрансформатор, включение дополнительного сопротивления в обмотку статора. При запуске двигателя через автотрансформатор уменьшение пускового тока в цепи произойдет в раз, где - коэффициент трансформации автотрансформатора. Однако недостатком этих способов является уменьшение пускового момента, величина которого пропорциональна квадрату напряжения сети: .

Асинхронный двигатель с фазным ротором пускается в ход с помощью пускового реостата, включенного последовательно с обмоткой ротора.

Пусковые качества двигателей характеризуются коэффициентами кратности пускового тока и пускового момента .

Для частоты вращения двигателя используются:

1) изменение частоты вращения магнитного поля (частоты питающего напряжения),

2) переключение пар полюсов,

3) изменение активного сопротивление фазного ротора с помощью трехфазного реостата, включаемого так же как пусковой.

В синхронном двигателе частота вращения двигателя равна частоте вращения магнитного поля: .

Основными характеристиками синхронного двигателя являются угловая, механическая и регулировочная. Угловая характеристика определяет зависимость вращающего момента от угла между ЭДС и напряжением:

где - угол между векторами ЭДС и напряжения, т.е. ,

Полное индуктивное сопротивление двигателя.

На специальных электростанциях, покрывающих пиковые нагрузки в энергосистемах, синхронная машина работает генератором в часы максимума нагрузки и двигателем - в остальное время, перекачивая с помощью гидротурбины, которая теперь становится насосом, воду в водохранилище, создавая необходимый запас её для последующей работы. Такие агрегаты называют обратимыми.

Принципиально конструкция синхронной машины такая же, как у машин переменного тока. Синхронная машина так же состоит из двух частей: неподвижной части - статора и вращающейся части - ротора и имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает основное магнитное поле машины. Это обмотка возбуждения. Другая обмотка является обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. В обмотке якоря индуцируется основная ЭДС машины. В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе.

Особенностью синхронных машин является то, что ротор должен быть раскручен к моменту присоединения переменного тока, при этом должны выполнятся следующие условия: переменный ток, протекающий через обмотку статора, должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнитным полем постоянного тока создавало силу требуемого направления, иначе, вместо того чтобы поддерживать вращение, электромагнитное взаимодействие будет ему препятствовать.

Поэтому для присоединения синхронной машины к сети необходимо не только придать вращению ротора нужную скорость, но и убедиться в том, что ход изменения напряжений на машине и в сети одинаков.

Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости хотя бы на 1% приводит к тому, что изменения тока в обмотке переменного тока перестают соответствовать изменениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы выпадают из такта, машина выпадает из синхронизма: обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направленным то в одну, то в другую сторону, и машина останавливается.

Синхронные двигатели и синхронные генераторы устроены совершенно одинаково. Во всяком синхронном двигателе, приведенном во вращение, начинает наводиться ЭДС, если только в его обмотке возбуждения протекает ток.

Для того чтобы увеличивать или уменьшать напряжение синхронного генератора, нужно изменять величину постоянного тока, при этом будет изменяться величина магнитного потока, чем больше будет изменяющийся магнитный поток, тем больше будет и напряжение, наводимое в машине (разумеется, при постоянстве других условий).

Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхронной машине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наводимое в машине.

Электрические машины, как и другие устройства, также можно классифицировать. Классифицируют электрические машины по назначению, принципу действия и роду тока, мощности, по частоте вращения.

Классификация по назначению

Электрические машины по своему назначению подразделяют на:

  • Электромашинные генераторы. Они выполняют преобразовании энергии механической (вращение) в электрическую. Они устанавливаются на электрических станциях, автомобилях, самолетах, тепловозах, передвижных электростанциях, кораблях и в других установках. На приводят в движение мощные паровые турбины, на автомобилях, тепловозах и прочих транспортных средствах – газовые турбины или двигатели внутреннего сгорания. Генераторы очень часто используют в качестве источников питания в различных установках связи, автоматики и измерительной техники и в других системах.
  • Электрические двигатели – выполняют функции обратные генератору, а именно, преобразуют электрическую энергию в механическую. Они используются для приведения в движение множества установок в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, в быту, в системах связи. В их активно используют в качестве регулирующих, программирующих и исполнительных органов.
  • Электромашинные преобразователи – выполняют преобразования электрических величин. Например, могут преобразовывать постоянный ток в переменный и наоборот, изменять частоту, число фаз и другие функции. В связи с активным внедрением полупроводниковых преобразователей электромашинные преобразователи в новых проектах используют крайне редко (практически никогда), а уже установленные электромашинные преобразователи активно модернизируются полупроводниковыми (тиристорными и транзисторными).
  • – осуществляют регулирование коэффициента мощности cos φ, а именно баланса реактивной мощности в сети.
  • Электромашинные усилители – используют для объектов большой мощности. Это, своего рода усилители, они усиливают сигналы большой мощности, при этом управление ведется сигналами малой мощности. Роль этих усилителей, как и электромашинных компенсаторов, в современном мире практически сведена на нет из – за применения полупроводниковых усилителей (транзисторных и тиристорных).
  • Электромеханические преобразователи сигналов – это, как правило, электрические микромашины (например, сельсины), которые довольно широко используют в системах автоматического управления.

Классификация по роду тока и принципу действия

Как известно, существует два рода электрического тока – переменный и постоянный. Исходя из этого, электрические машины также подразделяют по роду тока на два вида –машины электрические переменного тока и машины электрические постоянного тока.

Электрические машины переменного тока

В свою очередь электрические машины переменного тока делят на:

  • Трансформаторы – наиболее широко применимы в сетях электроснабжения для преобразования напряжений (повышение и понижение). Также довольно широко их применяют в выпрямительных установках для согласования напряжений, в устройствах связи, вычислительной техники и автоматики. Часто применяются и для проведения измерений электрических (измерительные трансформаторы), а также для различных функциональных преобразований (трансформаторы вращающиеся).

  • Асинхронные электродвигатели – самые распространенные в мире благодаря своей относительной простоте и низкой стоимости. Простота конструкции и высокая надежность позволяет применять их не только в промышленных электроустановках (станки, краны, подъемные машины), но и в бытовых (компрессора холодильников, вентиляторы, пылесосы). Довольно широкое применение получили однофазные и двухфазные асинхронные управляемые электродвигатели, а также сельсины и тахогенераторы асинхронные.


  • Синхронные электродвигатели – наиболее часто применяемы в качестве генераторов электрического тока на электрических станциях. Также применимы в качестве генераторов повышенной частоты в различных источниках питания (например, на кораблях, тепловозах, самолетах). Также в электроприводах большой мощности применяют синхронные электродвигатели, которые могут также помимо выполнения полезной работы и также влиять на коэффициент мощности сети cos φ. Относительно электроприводов малой мощности, то там довольно широкое распространение получили реактивные синхронные электродвигатели, шаговые, индукторные, с постоянными магнитами и другие.
  • – используют их относительно редко и зачастую только в качестве электродвигателей. Это вызвано сложностью их конструкции, а также в необходимости довольно тщательного ухода за ними. В бытовых электроприборах и устройствах автоматики применяются универсальные коллекторные электродвигатели, способные работать на двух родах тока – постоянном и переменном.

Электрические машины постоянного тока

В недалеком прошлом были они самыми популярными в регулируемом электроприводе из-за простоты управления ими. Они работают практически во всех сферах промышленности и транспорта. Из-за повышенной стоимости и требовательности в обслуживании активно вытесняются частотно-регулируемыми электроприводами переменного тока.

В связи с большим распространением машин постоянного тока также были распространены и генераторы постоянного тока. Они использовались в качестве источников постоянного напряжения для зарядки аккумуляторных батарей, на транспорте (тепловозы, теплоходы и другие), а также в промышленности (). Ввиду развития полупроводниковой техники генераторы постоянного тока постепенно вытесняются из работы и активно заменяются на генераторы переменного тока работающих в паре с полупроводниковым преобразователем.

Также применяются электродвигатели постоянного тока и в системах автоматического управления АСУ в качестве усилителей электромашинных, тахогенераторов и исполнительных электродвигателей.

Электрические микромашины

Микромашины активно применяются в устройствах автоматических. Соответственно их подразделяют на группы:

  • Силовые микродвигатели – приводят во вращения механизмы различных автоматических устройств. Например, самопишущие устройства и другие.


  • Исполнительные (управляемые) микромашины – выполняют преобразование энергии электрической в механическую, то есть ведут обработку определенных команд из вне.
  • Тахогенераторы – преобразуют механическую энергию вращения вала в электрический сигнал напряжения, который пропорционален скорости вращения вала.
  • Вращающиеся трансформаторы – на выходе этих трансформаторов устанавливается напряжение, пропорциональное функции углу поворота ротора, например синусу или косинусу данного угла или же самому углу.
  • Машины синхронной связи – (магнесины или сельсины) осуществляют синфазный и синхронный поворот или же вращения нескольких осей, не имеющих между собой механической связи.
  • Микромашины гироскопических приборов – вращают роторы гироскопов с довольно высокой частотой, а также производят коррекцию их положения.
  • Электромашинные усилители и преобразователи.

Машины первых двух групп довольно часто называют силовыми, а электродвигатели третьей – пятой групп информационными.

Классификация по мощности

Также электрические машины классифицируют еще и по мощности. И по мощности их делят на:

  • Микромашины – их мощность может варьироваться от нескольких долей ватта до 500 Вт. Они могут производится для двух родов тока — постоянного и переменного. Могут быть рассчитаны как на работу при нормальной (промышленной) частоте 50 Гц, так и при повышенной (от 400 до 2000 Гц).
  • Электродвигатели малой мощности – от 0,5 до 10 кВт. Также могут изготавливаться для двух родов тока – постоянного и переменного нормальной и повышенной частоты.
  • Электродвигатели средней мощности – от 10 кВт до нескольких сотен ватт.
  • Электродвигатели большой мощности – мощность данных машин больше нескольких сотен киловатт. Такие электродвигатели предназначены для работы на постоянном и переменном напряжении нормальной частоты. Исключение могут составлять электродвигатели специального назначения (авиация, флот) и другие.


Классификация по частоте вращения

Условно их разделяют на:

  • До 300 об/мин — тихоходные.
  • От 300 до 1500 об/мин — средней быстроходности.
  • От 1500 до 6000 об/мин — быстроходные.
  • Более 6000 об/мин — сверхбыстроходные.

Микромашины же могут изготавливать с частотой вращения вала от нескольких оборотов в минуту до 60 000 оборотов в минуту. Скорость вращения машин средней и большой мощности, как правило, не превышает 3000 об/мин.

» особенности и работа переменных электромашин.

Тема: особенности и работа электрических машин переменного тока.

Из самого названия понятно, что отличительной особенностью данного рода электрических машин является то, что они функционируют на переменном токе. Если при постоянном токе электрические заряженные частицы перемещаются только в одном направлении, и могут в определённом диапазоне менять свою интенсивность (величина разности потенциалов, напряжение), то у переменного тока появляются новые характеристики - такие как частота, её форма и т.д. Что естественным образом влияет на непосредственную конструкцию и принцип действия электрической машины. В статье разберём основные особенности и работу электрических машин переменного тока.

Электромашины переменного тока представляют собой электротехнические устройства, которые являются своеобразными преобразователями электрической энергии, в основе принципа действия которых лежат силы Лоренца и явление электромагнитной индукции, работающие на переменном токе. К таким электромашинам относятся много разновидностей - электродвигатели, электрогенераторы, сельсины, трансформаторы. Итак, двигатели и генераторы по принципу действия разделяются на синхронные и асинхронные. Что бы было ясно дальнейшее объяснение хочу сказать о следующем.

Главной особенностью электрических машин переменного тока, что электрическую энергию преобразуют в механическую или наоборот, является взаимодействие магнитных полей, одно из которых является вращающимся, динамическим (получаемое в силу работы переменного тока - циклические изменения силы тока и напряжения, как по величине, так и по полюсам), а другое поле в определённом смысле статическое, постоянное. Следовательно, для получения движения ротора движущееся магнитное поле должно действовать на постоянное поле, что и порождает механическое движение вала машины. Это ближе к электродвигателям, у генераторов работа проходит по иному принципу. Есть два различных принципа работы переменных электромашин (двигателей и генераторов) - синхронные и асинхронный.

Общий принцип работы асинхронной электрической машины переменного тока заключается в следующем. Разберём классический вариант трёхфазника. Имеются на статоре три обмотки, к которым подключают три электрические фазы. Из электротехники известно, что трёхфазный ток представляет собой циклическое изменение величин тока и напряжения плавно перетекающее по кругу (обычная плавно меняющаяся синусоида). То есть, максимум электрической мощности плавно переходит из одной точки, обмотки в другую, естественно на противоположной стороне круга будет минимум мощности. Так вот при подачи трёхфазного напряжения на три обмотки статора асинхронного электродвигателя мы имеем вращающееся магнитное поле, частота которой равна 50 Гц (стандартная производственная частота).

Из электрофизики также известно, что при помещении электрического проводника в переменное магнитное поле на его концах появляется разность потенциалов, а если его замкнут (соединить концы), потечёт ток, который образует вокруг себя своё магнитное поле. Вот это и используется в асинхронных электрических машинах. Внутри машины расположен короткозамкнутый ротор (является упрощённой обмоткой). Во вращающемся магнитном поле на нём наводится ЭДС и у него появляется собственное магнитное поле, что и отталкивается от поля статора. Учтите, что поле на короткозамкнутом роторе может возникнуть только в силу некоторого отставания одного поля от другого, по этому и называются эти машины асинхронными.

У синхронных машин подобного отставания нет. Там поле индуктора (статического, постоянного магнитного поля) как бы цепляется за вращающееся поле якоря (подвижное, динамическое поле), что и ведёт к синхронной работе магнитных полей. Если в асинхронниках статическое поле является следствием работы динамического, то в синхронниках в определённом смысле причины появления вращающегося полями и поля статического независимы друг от друга, но их взаимодействие и позволяет осуществлять работу электрической машины переменного тока.

P.S. О конкретных электромашинах и их работе мы поговорим в более развёрнутой форме и других статьях, а это был общий обзор и поверхностное ознакомление с темой электрических машин переменного тока.

Машины переменного тока предназначены для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) или для преобразования электрической энергии в механическую (двигатели).

Они подразделяются на:

Асинхронные

Синхронные

У первых частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора, а у вторых - нет.

Асинхронные и синхронные МПТ бывают:

С короткозамкнутым ротором

С фазным ротором

В зависимости от количества фаз они делятся на однофазные, двухфазные и трехфазные.

78. Устройство, принцип действия и характеристики трёхфазных асинхронных двигателей.

Основными частями АД являются неподвижный статор и вращающийся ротор, разделённые воздушным зазором.

Статор состоит из алюминиевого или чугунного корпуса, внутри которого находится сердечник статора – полый цилиндр из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. На внутренней поверхности этого цилиндра в пазах размещена трёхфазная обмотка из трёх одинаковых частей, называемых фазами. Фазы обмотки соединяются звездой или треугольником и подключаются к трёхфазной сети.

Ротор представляет собой цилиндрический сердечник из изолированных друг от друга листов электротехнической стали с пазами на наружной поверхности, в которых размещаются проводники обмотки ротора. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде беличьего колеса – цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции закладываются в пазы ротора. Торцовые концы стержней замыкают накоротко с обеих сторон ротора кольцами.

Принцип действия АД заключается в следующем: при питании обмотки статора от сети трёхфазный ток статора создаёт вращающееся магнитное поле, пронизывающее сердечник статора, ротор и воздушный зазор. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора и наводит в них ЭДС, под действием которых в проводниках ротора возникают токи. Взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем создаёт вращающий момент М, под действием которого ротор вращается.

Для АД выделяют следующие виды характеристик: механические и рабочие. Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора от нагрузки. Рабочими характеристиками называют зависимости частоты вращения n, момента на валу М 2 , тока статора I 1 , коэффициента полезного действия ƞ и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности P 2 .

79. Режимы работы, механические и рабочие характеристики трёхфазных асинхронных двигателей.

Режимы работы двигателя: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный.

Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора n от момента на валу. От её характера зависит пригодность АД для привода различных механизмов. Рабочими характеристиками называют зависимости частоты вращения n, момента на валу М 2 , тока статора I 1 , коэффициента полезного действия ƞ и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности P 2 . Эти характеристики служат для полного выявления свойств самого двигателя. Рабочие характеристики изображены на рисунке.



80. Энергетическая диаграмма и К.П.Д. трёхфазных асинхронных двигателей.


Исходная величина – это мощность Р1 = U1I1cosφ1, подводимая к двигателю из сети 3-х фазного тока. Часть этой мощности ΔРпр1 идёт на нагрев проводников обмотки статора. Остальная мощность Рврп = Р1 - ΔРпр1 преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля. Из неё часть мощности ΔРм тратится на потери в магнитопроводе. Эти потери состоят из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Потери в сердечнике ротора практической роли не играют, т.к. они пропорциональны f2, а f2 очень мало. Таким образом, ротору через воздушный зазор передаются электромагнитная мощность Рэм = Рврм – ΔРм. Механическая мощность, передаваемая ротору Рм = Рэм – ΔРпр2, где ΔРпр2 – это мощность потерь в обмотке ротора и полезная мощность на валу ротора Р2 = Рмех – ΔРмех – ΔРдоб, где ΔРмех – механические потери, ΔРдоб – добавочные потери, создаваемые пульсацией магнитного поля. КПД двигателя η = Р2 / Р1 = Р2 / (Р2 + ΔРс + ΔРэ) , где ΔРс – постоянные потери. ΔРс = ΔРм + ΔРмех. ΔРэ – переменные потери. ΔРэ = ΔРпр1 + ΔРпр2.

КПД двигателя изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. Коэффициент нагрузки β = Р2 / Р2ном. С учётом коэффициента нагрузки η = βР2 / (βР2 + ΔРс + β 2 ΔРэ).

График зависимости КПД от β


Обычно КПД = 0,75 – 0,95.

С ростом нагрузки cosφ = P1 / S1 = P1 / (P1 2 + Q1 2) 0.5 = 1 / (1 + (Q1 2 / P1 2)) растёт, т.к. растёт Р1, а Q1 остаётся постоянной. При дальнейшем росте β растёт поток рассеяния магнитного потока, поэтому растёт Q1, а cosφ уменьшается. АД целесообразно использовать при нагрузках близких к номинальным (β = 1).

вверх 81. Способы регулирования скорости трёхфазных асинхронных двигателей.

Запишем формулу для определения скорости вращения:

.

Частоту вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением скольжения , числа пар полюсов и частоты тока питающей сети .

1. Изменения скольжения можно достичь 3 способами:

1.1. изменением подводимого к статору симметричного напряжения U 1 ;

При неизм. моменте на валу двигателя повышение напряжения вызывает повышение частоты вращения двигателя, но диапазон изменения частоты получается небольшим, что обьясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя. Кроме того, значит. увеличение напряжения вызывает перегрев двигателя, а снижение напряжения снижает перегрузочную способность .

1.2. нарушением симметрии этого напряжения;

Нарушение симметрии подводимого напряжения осуществляется с помощью автотрансформатора, включённого в одну из фаз. При уменьшении напряжения на входе автотрансформатора напряжение на выходе автотрансформатора несимметрично увеличивается, а частота вращения уменьшается. Недостатками являются уменьшение КПД двигателя и узкая зона регулирования. Применяется для АД небольшой мощности.

1.3. изменением активного сопротивления цепи ротора.

Применяется для АД с фазным ротором.

2. Регулирование частоты вращения изменением частоты тока питающей сети (частотное регулирование).

Для этого необходимы источники питания с регулируемой частотой тока, в качестве которых применяются полупроводниковые и электромагнитные преобразователи частоты. Но с изменением частоты тока изменяется и электромагнитный момент двигателя, поэтому для сохранения момента, коэффициента мощности и КПД двигателя необходимо одновременно изменять и напряжение сети. Если регулирование производится при условии постоянной нагрузки, то напряжение нужно изменять пропорционально частоте. Частотное регулирование позволяет плавно изменять скорость вращения в широком диапазоне.

3. Изменение частоты вращения путём изменения числа пар полюсов.

Этот способ применяется лишь для АД с короткозамкнутым ротором и даёт лишь ступенчатое регулирование частоты. Изменение числа пар полюсов производиться двумя способами:

1) в пазы статора укладываются две обмотки с разным числом пар полюсов, не связанных электрически между собой. Включая разные обмотки в сеть, получают разные частоты вращения. Недостатками метода являются: увеличение габаритов и массы АД;

2) в пазах статора размещена одна обмотка, схема которой путём переключения позволяет уменьшить число пар полюсов, например, обмотка фазы состоит из двух катушек, при их последовательном соединении =2, а при параллельном =1. Начала и концы обмоток выводят на клеммы щитка, поэтому переключение может производиться при работающем двигателе.

82. Схемы управления трёхфазными асинхронными двигателями.


Простейшая схема управления двигателем. В данной схеме при нажатии кнопки SB1 подаётся напряжение на катушку контактора KM1. Контактор KM1 включается и своими замыкающими главными контактами подключает статор двигателя M к сети. Двигатель пускается в ход. При отпускании кнопки SB1 происходит размыкание цепи катушки контактора KM1, отключение контактора и выключение двигателя. Эта схема применяется при наладочных пусках электропривода, когда нет необходимости длительной работы.


В этой схеме двигатель включается путём нажатия кнопки SB1 и продолжает работать после отпускания кнопки, благодаря замыкающему блок-контакту KM1, который замыкается при включении контактора и обеспечивает питание катушки током после отпускания кнопки, т.е. блокирует пусковую кнопку SB1. Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку SB2, которая размыкает цепь питания катушки контактора. Эта схема находит самое широкое применение для управления электродвигателями таких нереверсивных механизмов, как насосы, вентиляторы и т.д.


Данная схема применяется для управления двигателями, которые должны иметь прямое и обратное направление вращения ротора. В этой схеме изменение направления вращения двигателя осуществляется переключением двух фаз статора путём выключения контактора KM1 и включения контактора КМ2. При нажатии кнопки SB1 включается контактор KM1 и двигатель будет вращаться в направлении «вперёд» (при условии, если контактор KM2 отключён и замкнут его размыкающий блок-контакт KM2 в цепи питания катушки контактора KM1). Для изменения направления вращения необходимо предварительно отключить нажатием кнопки SB2 двигатель и лишь после этого нажать кнопку SB3. Размыкающий блок-контакт КМ1 в цепи катушки контактора КМ2 и блок-контакт КМ2 в цепи катушки контактора КМ1 осуществляют электрическую блокировку контакторов, т.е. исключают возможность одновременной работы контакторов КМ1 и КМ2. При отсутствии данной блокировки контакторы КМ1 и КМ2 могут быть включены независимо друг от друга, что приведёт к короткому замыканию двух фаз сети главными контактами.



top