Тема 1.9. Электрические машины переменного тока

1) Назначение электрических машин переменного тока, их классификация и применение

Любая машина переменного тока работает на основе наличия вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора при прохождении по ней тока.

Подразделяются на синхронные (с явновыраженными и неявновыраженными полюсами) и асинхронные (с ФазнымРотором и КЗ ротором) По мощности, напряжению.

Синхронные машины работают в 3-х режимах: СинхГен СинхДвиг (применяется в устройствах, не требующих per, скорости) и СК (повышение коэффициента мощности).

Электрические машины переменного тока используются для преобразования электрической энергии в механическую работу. Они широко применяются в различных отраслях промышленности, в транспорте, в бытовой технике и других сферах.

2) Трехфазный асинхронный электродвигатель, его устройство. Получение вращающегося магнитного поля. Зависимость частоты вращения магнитного поля от частоты тока в обмотке статора и числа пар полюсов. Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя. Способы пуска в ход трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Параметры трехфазного асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель состоит из статора, на котором расположены три обмотки подключенные к трехфазной системе токов, и ротора, который может быть короткозамкнутым или фазным. Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов. Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Вращающееся магнитное поле в асинхронном двигателе создается за счет взаимодействия магнитного поля статора и тока ротора.

Для создания вращающего магнитного поля с помощью трехфазной системы токов нужны три катушки, сдвинутые в пространстве на 120⁰ одна относительно другой. B1=Bm*sin ωt; B2=Bm*sin (ωt-120⁰); B3=Bm*sin (ωt+120⁰); B=B1+B2+B3

Направление вращения поля определяется порядком следования фаз. Для изменения направления вращения поля достаточно поменять местами любые две фазы из трёх. Для получения неискаженного вращ-ся м/п система катушек должна быть полностью симметричной, а точки должны быть строго одинаковыми по амплитуде и частоте и сдвинутыми по фазе на 120⁰ один относительно другого.

Частота вращения магнитного поля в асинхронном электродвигателе зависит от частоты тока в обмотке статора и числа пар полюсов. Рабочая частота вращения определяется по формуле:

n = 60 * f / p, где n - частота вращения в об/мин, f - частота тока в Гц, а р - число пар полюсов.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники. При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действий механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцирован­ный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким обра­зом, возникшие механические силы будут раскручи­вать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.

Достичь частоты вращения поля в реальных усло­виях ротор не может, так как тогда стержни его об­мотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т. е. несинхронно с полем, или асинхронно.

Если силы, тормозящие вращение ротора, неве­лики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагруз­ки на валу двигателя частота вращения ротора умень­шается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента дви­гателя. При некоторой частоте вращения ротора уста­навливается равновесие между тормозным и вращаю­щим моментами.

Пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей осуществляется при полном номинальном и пониженном напряжении на обмотке статора.

П рямой пуск короткозамкнутых двигателей характеризуется простотой операции. Для пуска достаточно подать напряжение на статорною обмотку включением рубильника, магнитного пускателя. Существенный недостаток этого способа — большой пусковой ток, он превышает номинальный в 4—7 раз. Большой ток при прямом пуске асинхронного двигателя не опасен для обмотки статора, так как пусковой ток протекает кратковременно, температура нагрева обмотки не успевает достичь значительной величины. Большой пусковой ток вызывает большую потерю напряжения в питающей сети. Колебание напряжения в сети отрицательно отражается на других потребителях этой сети, особенно это нежелательно при частых пусках двигателей.

Р еакторный способ пуска осуществляется с применением индуктивного сопротивления. Сначала замыкают рубильник 1, ток к статору течет через реактор. Величина пускового тока в этом случае меньше, чем при прямом пуске, так как к двигателю подводится пониженное напряжение за счет потери напряжения в сопротивлении реактора. После разворота ротора реактор шунтируют включением рубильника 2 и на двигатель подают полное напряжение сети. Недостаток этого способа тот, что уменьшение пускового тока двигателя сопровождается значительным уменьшением пускового момента. Пусковой ток зависит от напряжения в первой степени, а пусковой момент — от квадрата напряжения. Например, если пусковой ток уменьшился в два раза, то пусковой момент уменьшится в четыре раза.

А втотрансформаторный способ пуска осуществляется от трехфазного автотрансформатора. Пускают двигатель в такой последовательности. Замыкают рубильник 1, часть обмотки автотрансформатора в этом случае как реактор, двигатель начинает вращаться, если момент сопротивления небольшой. Затем замыкают рубильник 3, соединяющий звездой обмотки автотрансформатора, и к статору подводят напряжение меньше, чем в сети, в коэффициент трансформации Ка раз. Когда двигатель «развернется» до полного числа оборотов, размыкают рубильник 3 и замыкают рубильник 2 и к двигателю подводят полное напряжение сети. Автотрансформатор позволяет уменьшить пусковой ток, который потребляет двигатель из сети в К раз. Напряжение на статорной обмотке уменьшается в Ка раз, а пусковой момент в К а раз, то есть при автотрансформаторном пуске ток и момент уменьшаются в одинаковой мере, что выгодно отличает его от реакторного пуска. Автотрансформатор используют очень кратковременно, в период пуска. Поэтому плотность тока в его обмотках можно допускать значительно большую, чем при работе в обычном режиме. Сложность схемы и большая стоимость аппаратуры ограничивают применение автотрансформаторного пуска лишь двигателями большой мощности.

П уск переключением обмотки статора со звезды на треугольник применяют для двигателей, работающих при соединении треугольником. Перед пуском двигателя переключатель П ставят в положение звезды, обмотка статора оказывается соединена звездой. Затем включают рубильник Р и двигатель «раскручивается». После того как ротор двигателя развернется до скорости, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение треугольник. Этот способ пуска уменьшает пусковой ток в три раза, но и пусковой момент уменьшается также в три раза. Пуск двигателя переключением статорной обмотки со звезды на треугольник равноценен автотрансформаторному пуску с коэффициентом трансформации автотрансформатора 1,73. Значительное снижение пускового момента ограничивает применение этого способа лишь для двигателей, пускаемых в холостую или под очень незначительной нагрузкой.

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут запускаться различными способами, включая пуск напрямую (на полную сетевую напряжение) или с использованием пусковых устройств, таких как пусковые автотрансформаторы или частотные преобразователи.

Основные параметры асинхронного электродвигателя включают мощность, скорость вращения, электрические параметры и тепловые характеристики.