11 Лекция №11. Электромеханические свойства машин переменного тока. Основные типы машин переменного тока и их устройство

Цель лекции:

- ознакомить студентов с классификацией  машин переменного тока,

областью применения и устройством, принципом действия машин переменного тока.

Содержание лекции:

- классификация машин переменного тока;

- области применения машин переменного тока;

- устройство и принцип действия синхронной машины;

- устройство и принцип действия асинхронной машины.

Действие всех электрических машин переменного тока основано на принципе вращающегося магнитного поля и поэтому их теория является общей. На практике применяются преимущественно трехфазные (т=3) машины переменного тока. Машины с другим числом фаз (т=2;6) используются для специальных целей.

Трехфазные машины переменного тока подразделяются на два основных типа: 1) синхронные и 2) асинхронные. В свою очередь асинхронные машины подразделяются на: а) бесколлекторные и б) коллекторные.

Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n₂ находится в строго постоянном отношении к частоте сети

п₂=     [об/с],

где р - число пар полюсов машины.

Другими словами, в синхронной машине ротор (подвижная часть) вращается с такой скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле статора.

Применение синхронных машин весьма широко и многообразно. Синхронная машина, как и все электрические машины, обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, устанавливаемого на электростанции для производства электроэнергии.

Синхронные двигатели обладают рядом преимуществ, главными из которых являются постоянная частота вращения и возможность регулирования их коэффициента мощности. Поэтому они находят широкое применение в электроприводах большой мощности. Синхронные двигатели малой мощности применяются в системах автоматики.

Синхронные машины применяются в качестве синхронных компенсаторов, дающих возможность улучшать коэффициент мощности энергосистем.

Асинхронной называется такая машина, частота вращения которой зависит не только от частоты сети , но и от нагрузки на валу, т.е. ротор асинхронной машины вращается не синхронно по отношению к вращающемуся магнитному полю статора.

На практике асинхронные машины используются, главным образом, в качестве двигателей. Выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и надежностью в работе, асинхронный двигатель в настоящее время является основным типом электродвигателя.

 

11.1 Устройство и принцип действия синхронных машин

В конструктивном отношении различают два основных типа синхронных машин: а) неявнополюсные, т.е. машины с неявно выраженными полюсами и б) явнополюсные, т.е. машины с явно выраженными полюсами.

Полюса, возбуждаемые постоянным током, располагаются на вращающейся части машины, называемой ротором, а обмотка переменного тока укладывается в пазах неподвижной части машины, называемой статором.         При заданной частоте сети  наибольшую частоту вращения имеют машины с числами пар полюсов р = 1 и  р=2 (соответственно =3000 об/мин и = 1500 об/мин). В таких машинах большой мощности скорость на окружности ротора настолько велика, что из соображений механической прочности и укрепления обмотки возбуждения ее приходится распределять по поверхности ротора, т.е. выполнять обмотку как не явнополюсную.

Синхронные генераторы приводятся во вращение паровыми и гидравлическими турбинами. В первом случае синхронный генератор называется турбогенератором, а во втором - гидрогенератором.

Паровые турбины принадлежат к числу быстроходных машин и поэтому турбогенераторы имеют неявнополюсное исполнение. Гидрогенераторы имеют явнополюсное исполнение, так как гидравлические турбины принадлежат к тихоходным машинам.

На одном валу с гидрогенератором устанавливаются вспомогательные машины: возбудитель генератора (генератор постоянного тока) и регуляторный генератор.

При аварийном отключении гидрогенератора от сети его частота вращения сильно возрастает, т. к. быстрое прекращения доступа воды в турбину невозможно (из-за гидравлического удара), а подача энергии в сеть прекращается (исчезает тормозной электромагнитный момент). Достигаемая при этом максимальная (угонная) частота вращения может в два и более раз превышать номинальную, поэтому механическая прочность генератора рассчитывается на эту частоту вращения.

Гидрогенераторы обычно изготовляются в вертикальном исполнении для непосредственного соединения с гидравлической турбиной.

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор из массивной стальной поковки, в пазах которого уложена обмотка возбуждения.

Турбогенераторы предназначены для непосредственного соединения с работающими на тепловых станциях паровыми турбинами и поэтому они имеют горизонтальное исполнение.

Увеличение предельных мощностей связано с увеличением электромагнитных нагрузок (линейной нагрузки и плотности тока обмоток) и интенсификацией способов охлаждения.

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции и заключается в преобразовании механической энергии, отдаваемой потребителю.

Намагничивающая сила, создаваемая током обмотки возбуждения, возбуждает постоянный магнитный поток. Этот поток, вращаясь вместе с ротором генератора, пересекает обмотки статора и наводит в них трехфазную систему электродвижущих сил (ЭДС) При замыкании обмотки статора через нагрузку под действием ЭДС начинает протекать ток.