3 Содержание отчёта

3.1 Изобразить схему и заполнить таблицы, записать паспорт.

3.2 Построить рабочие характеристики двигателя на одном графике.

3.3 Построить механическую характеристику двигателя.

4 Вопросы для подготовки к зачёту

4.1 Как устроен однофазный конденсаторный двигатель?

4.2 Назовите условия получения кругового магнитного поля в конденсаторном двигателе.

4.3 Из каких условий и для какого режима работы двигателя выбирают емкость рабочего конденсатора?

4.4 Как можно увеличить пусковой момент двигателя?

4.5 Как изменить направление вращения двигателя?

4.6 Назовите области применения однофазных конденсаторных двигателей, их достоинства и недостатки.

Устройство и принцип работы синхронных машин

Цель работы: изучить устройство и назначение отдельных элементов конструкции синхронных машин и их принцип работы.

1 Программа работы

1.1 Изучить устройство статора, ротора, подшипниковых щитов, возбудителя синхронных машин, принцип их работы.

1.2 Изучить устройство и область применения синхронных машин обращенного исполнения.

1.3 Определить тип обмотки статора, указанного преподавателем, определить шаг обмотки, число пазов на полюс и фазу, вычертить развернутую схему обмотки.

2 Методика выполнения работы

2.1 Объектом изучения являются натуральные образцы синхронных машин, макеты, плакаты. В синхронных машинах нормального исполнения ротор вращается с той же скоростью и в том же направлении, что и вращающееся магнитное поле. Таким образом, вращение ротора осуществляется вместе или синхронно с вращающимся полем, откуда и происходит название этого вида машин. Синхронные машины используются в качестве генераторов, но находят также применение в качестве двигателей для привода крупных насосов, вентиляторов и др.

В двигателях частота вращения ротора n называется синхронной, и она равна частоте вращения магнитного поля n₁, определяемой по выражению

,

где f – частота тока, Гц; p – число пар полюсов.

Скорость вращения поля в

.

Основными элементами конструкции синхронных машин являются статор, ротор, подшипниковые щиты, возбудитель. В зависимости от места расположения трехфазной обмотки переменного тока (якорной) и обмотки возбуждения (индукторной) различают синхронные машины нормального и обращенного исполнения.

2.2 В машинах нормального исполнения якорная обмотка расположена на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе. Статоры таких машин устроены аналогично статорам асинхронных машин. Таким образом, здесь якорь неподвижен с целью удобства и простоты отвода электрической энергии от генератора или подвода ее к двигателю. Для улучшения формы кривой линейной ЭДС генератора якорную (статорную) обмотку соединяют по схеме «звезда».

Ротор синхронной машины нормального исполнения имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника.

Источником питания обмотки возбуждения чаще всего служит генератор постоянного тока (параллельного возбуждения) относительно небольшой мощности, который называется возбудитель. Электрическая схема синхронной машины нормального исполнения представлена на рис. 14,а. Обмотка возбуждения состоит из катушек, расположенных на магнитопроводах (полюсах) и вместе с ними образует индуктор, поэтому выводы обмотки возбуждения синхронной машины обозначают И1-И2. Для получения синусоидальной ЭДС в обмотке якоря добиваются синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, выполняя неодинаковое расстояние между наконечниками полюсов и статором: под серединой полюсного наконечника оно меньше, а на краях – больше.

Роторы по конструкции выполняют явнополюсные и неявнополюсные. В явнополюсных роторах полюса с помощью винтов крепят к валу. Такие роторы, как правило, многополюсные, с числом пар полюсов две и более и применяются в тихоходных машинах (например, в гидрогенераторах).

Рисунок 14 – Электрические схемы синхронных генераторов нормального исполнения - а) и обращенного исполнения - б)

В неявнополюсных роторах магнитопровод цилиндрический, на его внешней поверхности имеются пазы для укладки обмотки возбуждения. Пазы занимают только 2/3 поверхности ротора. Оставшаяся поверхность ротора образует два больших зубца, формирующих два полюса. Неявнополюсные роторы имеют значительно меньший диаметр (но больший осевой размер) и применяются в быстроходных машинах (например, в турбогенераторах).

Схемы возбуждения синхронных машин более подробно описаны на стр. 73-74 [2, ч.II]. Обратите внимание на современную, так называемую бесщеточную схему возбуждения.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей в специальных пазах помещаются стержни пусковой обмотки, которые привариваются по торцам к короткозамыкающим сегментам, а последние соединяются общими короткозамыкающими кольцами. Такая обмотка напоминает обмотку ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя и служит для осуществления асинхронного пуска в ход синхронного двигателя.

Такие же по конструкции обмотки из медных стержней применяются в синхронных генераторах и называют их успокоительными, или демпферными. Подробнее с конструкцией синхронных машин познакомьтесь на стр.366-382 [1].

Принцип действия генераторов основан на явлении электромагнитной индукции: вращающийся магнитный поток наводит в фазах обмотки якоря ЭДС. В режиме двигателя к обмотке якоря подводят трехфазный ток, который создает вращающееся магнитное поле, последнее взаимодействует с током (магнитным потоком обмотки возбуждения) и создает вращающий электромагнитный момент, который вращает ротор синхронно (вместе) с вращающимся магнитным полем.

2.3 Синхронные машины обращённого исполнения изготовляют небольшой мощности (до 50 кВт), так как в машинах нормального исполнения такой же мощности возбудитель соизмерим по габаритам с самой синхронной машиной, что экономически нецелесообразно.

Машины обращенного исполнения имеют вращающийся якорь (якорная обмотка на роторе) и неподвижный индуктор (обмотка возбуждения с полюсами на статоре). В таких машинах ротор по форме аналогичен фазному ротору асинхронного двигателя. В его пазах уложена трехфазная якорная обмотка (соединенная в «звезду»), три вывода которой присоединены к трем контактным кольцам.

Особенностью машины обращенного исполнения является также то, что в ней совмещают конструктивно синхронную машину и возбудитель. При этом в тех же пазах ротора, где уложена трехфазная обмотка, укладывается обмотка якоря возбудителя, соединенная с коллектором. Таким образом, ротор имеет три контактных кольца и коллектор. На статоре машины закреплены явновыраженные полюса с катушками обмотки возбуждения (индукторной), которая получает постоянный ток с обмотки якоря-возбудителя через переход «коллектор – щетки». В машине обращенного исполнения индуктор является общим для синхронной машины и возбудителя.

Электрическая схема синхронной машины обращенного исполнения представлена на рис. 14,б.

2.4 Трехфазная якорная обмотка является одним из основных элементов конструкции синхронной машины. Синхронные машины выполняют большой мощности, и в них применяют двухслойные обмотки. В создании полюсов (магнитного поля) участвуют все три фазы обмотки. Основные понятия в теории обмоток: катушка, число пазов на полюс и фазу, шаг обмотки, полюсное деление, чередование фазных зон – изучите в работе

по устройству асинхронных двигателей.

Двухслойные обмотки имеют меньший коэффициент заполнения паза медью (из-за изоляции между слоями), чем однослойные, но зато имеют такое достоинство, как возможность укорочения шага обмотки, что существенно улучшает форму кривой ЭДС генераторов и МДС двигателей за счет уменьшения амплитуды высших гармонических составляющих ЭДС и МДС.

В двухслойных обмотках активная сторона каждой катушки занимает половину паза. При этом лобовые части катушек, выходящие из одного паза, отогнуты в разные стороны. По этому признаку легко отличить двухслойную обмотку от однослойной.

При выполнении двухслойной обмотки в каждом пазу укладывают активные стороны двух разных катушек. Одна сторона катушки лежит в верхней половине паза; другая сторона той же катушки располагается (на расстоянии шага обмотки) в нижней части другого паза. Катушечная группа образуется из нескольких рядом расположенных катушек, число которых равно числу пазов на полюс и фазу. Общее число катушек в двухслойной обмотке равно числу пазов статора. Это дает возможность выполнять двухслойные обмотки с четным и нечетным числом пазов статора. Число катушечных групп в фазе равно числу полюсов.

В электродвигателях, эксплуатируемых в сельском хозяйстве, применяют в основном двухслойные шаблонные петлевые обмотки с укороченным шагом у=0,8τ. Укорочение шага приводит к уменьшению лобовых частей обмотки, в результате чего уменьшаются расход меди, потери мощности, улучшается форма кривой ЭДС (или МДС). Кроме этого, при шаблонных обмотках можно механизировать процесс изготовления катушек.

При выполнении обмотки с укороченным шагом в некоторых пазах оказываются стороны катушек, принадлежащих разным фазам. Поэтому вдоль паза между катушками укладывают дополнительную изоляционную прокладку, рассчитанную на линейное напряжение электрической машины, что уменьшает коэффициент заполнения паза проводниковым материалом (медью).

При изображении схемы обмотки сначала показывают пазы, затем распределяют на полюсно-фазные зоны (I-III-II) в соответствии с числом пазов на полюс и фазу. Схема обмотки изображается в одной проекции, а верхние и нижние стороны катушек в пазах условными линиями: верхние стороны сплошными, а нижние – пунктирными. Для наглядности катушки разных фаз изображают линиями разного цвета.

Катушечные группы соединяют в фазы. При последовательном соединении (одна ветвь) группы соединяют «встречно», т.е. нижняя сторона катушек соединяется с нижней, а верхняя – с верхней. Для образования нескольких параллельных ветвей катушечные группы соединяют таким образом, чтобы направление тока в них было таким же, как и при последовательном их соединении.

Все три фазы изображают одинаковыми, но сдвинутыми относительно друг друга на удвоенное число пазов на полюс и фазу, т.е. на 2q (или на 120 эл.градусов).