Вопрос 64

Генераторное торможение

Машина переходит в режим генератора, если n>n₀, т.е. если ротор вращается быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты источника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля.

В режиме генератора изменяется направление электромагнитного момента, т.е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстрое снижение скорости вращения. Одновременно изменяется фаза тока в обмотке статора, что приводит к изменению направления передачи электрической энергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.

Динамическое торможение

Этот тормозной режим используется для точной остановки мощных двигателей. На время торможения обмотка статора отключается от сети переменного напряжения и подключается и источнику с постоянным напряжением. При этом обмотка статора будет создавать постоянное неподвижное магнитное поле. При вращении ротора относительно этого магнитного поля изменяется направление ЭДС и тока ротора, что приведет к изменению направления электромагнитного момента, т.е. он станет тормозным. Под действием этого момента происходит торможение. Изменяя величину подведенного к обмотке статора напряжения, можно регулировать время торможения. Основным достоинством этого тормозного режима является точная остановка. Постоянное напряжение можно подводить к обмотке статора только на время торможения. После остановки двигатель нужно отключить от сети постоянного тока.

Торможение противовключением

Этот тормозной режим возникает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, т.к. тормозной момент действует на всем тормозном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможении, необходима аппаратура, контролирующая скорость вращения и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших потерь мощности.

Вопрос 65

Магнитное поле в синхронной машине создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Потребность в ис­точнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения – очень существенный недостаток синхронных машин.

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от генератора постоянного тока параллельного возбуждения (возбудите­ля), находящегося на одном валу с основной машиной. Его мощность составляет 1 – 5% мощности синхронной машины. При небольшой мощности широко используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин из сети переменного тока через выпрямители.

Принцип действия синхронного генерато­ра основан на использовании закона элек­тромагнитной индукции. На рис. 1 пока­зана простейшая трехфазная обмотка, со­стоящая из трех катушек, сдвинутых на 120°, и помещенная на роторе (якоре). Ка­тушки соединяют между собой в звезду или треугольник и подключают к трем контакт­ным кольцам, на которых помещают неподвижные щетки. В катушках при вращении якоря индуктируются переменные во времени э. д. с., равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 2π/3.

Рис. 1 Принцип действия синхронного генератора

Современные синхронные генераторы изготавливают на линей­ное напряжение до 16000 В (иногда и выше), изоляция контактных колец и щеток которых представляет собой большую сложность. Основной недостаток такой конструкции – наличие скользящего контакта в цепи основной мощности машины. Для его исключения обмотку якоря, т. е. индуктируемую часть, помещают на статоре, а полюсную систему с обмоткой возбуждения – на роторе машины.

Обмотка возбуждения получает питание через контактные коль­ца. В этом случае скользящий контакт находится в цепи малой мощности и напряжение в цепи обмотки возбуждения относительно невелико (не более 500 В).

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины.

В зависимости от устройства ротора различают две конструкции синхронных машин:

а) с явновыраженными полюсами;

б) с неявновыраженными полюсами.

В машинах с относительно малой частотой вращения роторы выполняют с явновыраженными полюсами. На роторе (рис. 2 а) равномерно помещают явновыраженные полюсы, состоящие из по­люсного сердечника 1, на котором расположена катушка обмотки возбуждения 3, удерживаемая полюсным наконечником 2. Такое устройство ротора облегчает выполнение обмотки возбуждения, но при большой частоте вращения не может быть использовано, так как не обеспечивает нужной механической прочности.

Рис. 2 Схема устройства ротора с явновыраженными (а) и неявновыраженными (б) полюсами

Поэтому при большой частоте вращения роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 2 б). Такой ротор изго­товляют в виде цилиндра, на части поверхности которого имеются пазы. В пазах укладывают проводники обмотки возбуждения, за­тем пазы заклинивают и лобовые соединения обмотки возбуждения стягивают стальными бандажами.

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приво­дится во вращение синхронный генератор, последний называют гидрогенератором(первичный двигатель – гидравлическая турби­на)» турбогенератором(первичный двигатель – паровая турбина) и дизель-генератором (первичный двигатель – дизель). Гидрогене­раторы – обычно тихоходные явно полюсные машины с большим числом полюсов, выполняемые с вертикальным расположением вала. Турбогенераторы – быстроходные неявно полюсные машины, выполняемые в настоящее, время с двумя полюсами. Ротор современного турбогенератора делают из цельной стальной поковки. На части поверхности ротора выфрезованы пазы для размещения обмотки возбуждения. Дизель генераторы – явно полюсные машины с горизонтальным расположением вала.

Синхронные машины небольшой мощности (до 15 кВА) и не­высокого напряжения (до 380/220 В) изготавливают с неподвижной полюсной системой и вращающимся якорем (подобно машинам постоянного тока). Синхронный двигатель не имеет принципиаль­ных конструктивных отличий от синхронного генератора. На стато­ре двигателя помещают трехфазную обмотку, при включении кото­рой в сеть трехфазного переменного тока создается вращающееся магнитное поле. На роторе двигателя размещают обмотку возбуж­дения, включаемую в сеть источника постоянного тока. Ток возбуж­дения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле токов обмотки статора увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной частотой, т. е. с частотой, равной частоте вращения поля статора. Таким образом, частота синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основное достоинство синхронных двигателей – возможность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель мо­жет представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой дви­гатель повышает cosȹ всего предприятия, компенсируя реактив­ную мощность других приемников энергии.

Синхронные двигатели имеют меньшую, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети, вра­щающий момент у синхронных двигателей пропорционален напря­жению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения.

Источник: В. Е. Китаев “Электрические машины”