Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Синхронные машины и микромашины. Учебное пособие
.pdf
№ 3044
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
Кафедра электротехники и информационно-измерительных
систем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
В.Е. Фединцев
Электрические машины
Синхронные машины и микромашины
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2017
УДК 621.3
Ф32
Рецензент
д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин
Фединцев В.Е.
Ф32 Электрические машины : синхронные машины и микрома-
шины : учеб. пособие / В.Е. Фединцев. – М. : Изд. Дом НИТУ
«МИСиС», 2017. – 33 с.
Рассмотрены устройство и принцип действия, энергетические и внешние
характеристики синхронных машин, микродвигателей и микромашин автоматических устройств. Излагаются способы регулирования скорости и торможения синхронных двигателей, работа синхронных генераторов на автономную нагрузку и параллельная работа на общую сеть. Для лучшего освоения материала приведены структурные схемы всех электрических машин.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и 09.03.03 «Прикладная информатика», профиль «Прикладная информатика в энергосбережении».
УДК 621.3
2
В.Е. Фединцев, 2017
НИТУ «МИСиС», 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................... 4
1. Синхронные машины ........................................................................... 6
1.1. Области применения синхронных машин .................................. 6
1.2. Устройство и принцип действия синхронной машины ............ 7
1.3. Синхронные генераторы .............................................................. 9
1.4. Синхронный двигатель .............................................................. 13
1.5. Синхронные компенсаторы ....................................................... 18
2. Микромашины .................................................................................... 20
2.1. Однофазные асинхронные двигатели ....................................... 20
2.2. Двухфазный асинхронный двигатель ....................................... 21
2.3. Двухфазный асинхронный двигатель с полым ротором ......... 22
2.4. Тахогенераторы .......................................................................... 22
2.5. Асинхронный тахогенератор ..................................................... 25
2.6. Шаговые электродвигатели
....................................................... 28
2.7. Линейные шаговые двигатели ................................................... 30
Библиографический список ................................................................... 32
3
Введение
Классификация электрических машин
Все электрические машины можно классифицировать по ряду
признаков.
1. По назначению:
– электрические генераторы, преобразующие механическую
энергию в электрическую;
– электрические двигатели, преобразующие электрическую энер-
гию в механическую;
– электромашинные преобразователи, преобразующие перемен-
ный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз;
– электромашинные компенсаторы,
вание реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии;
– электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы.
2. По роду тока:
– электрические машины постоянного тока;
– электрические машины переменного тока: синхронные, асинхронные.
3. По мощности:
– микромашины – до 500 Вт
;
– машины малой мощности – 0,5…10 кВт;
– машины средней мощности – 10…300 кВт;
– машины большой мощности – свыше 300 кВт.
4. По частоте вращения:
– тихоходные – до 300 об/мин;
– средней быстроходности –300…1500 об/мин;
– быстроходные – 1500…6000 об/мин;
– сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин.
5. По степени защиты:
– исполнение открытое (соответствует степени защиты IP00);
– защищённое (IP21, IP22);
– брызгозащищённое и каплезащищённое (IP23, IP24);
– водозащищённое (IP55, IP56);
осуществляющие генериро-
4
– пылезащищённое (IP65, IP66);
– закрытое (IP44, IP54);
– герметичное (IP67, IP68).
6. По группе эксплуатации.
Каждая электрическая машина относится к какой–либо группе
эксплуатации, обозначаемой М1 – М31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определённой частотой, к ускорениям и ударам. В основном машины общего назначения
относятся к группе М1, предусматривающих их размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок.
7. По продолжительности и особенностям работы машины.
Продолжительность и особенности работы машины характеризуются режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах.
8. По способу монтажа.
Исполнение электрической машины по
способу монтажа обозна-
чается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ1001, IМ3001
и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности,
электрические машины с фланцем – для крепления к вертикальной
поверхности и т.д.).
Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца
вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение
конца вала (цилиндрический, конический и пр.).
Основные показатели и характеристики электрической машины,
на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются в паспорте или на табличке, прикреплённой к корпусу машины
(см. рисунок).
Табличка с номинальными параметрами
5
1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
1.1. Области применения синхронных машин
Синхронными называются электрические машины переменного
тока, у которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля статора. Синхронные машины могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
В настоящее время большинство электрических станций оснащено трёхфазными синхронными генераторами, которые являются основными источниками электроэнергии. Синхронные
приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами,
а в некоторых случаях двигателями внутреннего сгорания.
Мощность современных синхронных генераторов достигает 1500
МВ·А; проектируются энергоблоки и большей мощности. Мощные
синхронные генераторы в большинстве случаев работают совместно
(параллельно) друг с другом, и вырабатываемая ими энергия поступает в общую электрическую сеть. Кроме
торы служат источниками автономного питания на транспорте, в летательных аппаратах и на передвижных электростанциях.
Синхронные двигатели применяются там, где требуется постоянная частота вращения. Мощные синхронные двигатели устанавливаются на металлургических заводах, шахтах, холодильниках, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводов, где они приводят
вентиляторы, компрессоры и т.п. Специальные синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели) широко используются в системах управления и приборных системах: электрочасах, автоматических самопишущих приборах, устройствах программирования, системах звуко- и видеозаписи и др.
Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их
способность работать при токе
пряжение. Это свойство используется для увеличения коэффициента
мощности (cos φ) в сети. Специальные синхронные двигатели, пред-
назначенные для увеличения коэффициента мощности, называются
синхронными компенсаторами. Они устанавливаются на крупных
промышленных предприятиях и подстанциях.
во вращение прокатные станы, насосы,
, опережающем по фазе питающее на-
того, синхронные генера-
генераторы
6
1.2. Устройство и принцип действия
синхронной машины
Синхронная машина состоит из двух основных частей – статора
и ротора. Синхронные машины имеют такую же конструкцию статора и его обмотки, что и асинхронные двигатели.
На рис. 1.1 представлена схема включения и механическая характеристика синхронной машины.
Двигательный режим
Рис. 1.1. Схема включения (а)
и механическая характеристика (б) синхронной машины
В большинстве синхронных машин ротор представляет вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток
подаётся от электромашинного или тиристорного возбудителя. Наличие
в электрической цепи ротора источника постоянного тока принципиально отличает синхронную машину от асинхронного двигателя.
Роторы бывают двух типов:
– с явно выраженными полюсами;
– неявно выраженными полюсами.
Роторы с
явно выраженными полюсами применяются в сравни-
тельно тихоходных машинах (80…1000 об/мин), например в гидрогенераторах. Конструктивно ротор этого типа состоит из вала 1, ступицы 2, полюсов 3 и полюсных катушек возбуждения 4, размещённых на полюсах (рис. 1.2).
Для быстроходных машин такая конструкция неприемлема из-за
большого диаметра ротора и возникающих
в связи с этим больших
центробежных сил.
7
3
2
1
Рис. 1.2. Ротор с явно выраженными полюсами
Большей механической прочностью обладает ротор с неявно вы-
раженными полюсами. Он состоит из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2, сердечник изготавливается из стальной поковки цилиндрической формы, на его внешней поверхности проточены пазы, в
которые закладывается обмотка возбуждения (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Ротор с неявно выраженными полюсами
Частота вращения синхронного двигателя в установившемся режиме сохраняется постоянной до определённого момента нагрузки,
не превышающего максимального момента двигателя М
n
= 60f1/p. (1.1)
0
мах
:
Если момент нагрузки превысит максимальный момент, то двигатель может выпасть из синхронизма и скорость двигателя изменится.
8
1.3. Синхронные генераторы
Принцип работы синхронного генератора
Принцип действия и физические процессы в нагруженном синхронном генераторе наглядно отображаются на структурной схеме
(рис. 1.4).
Рис. 1.4. Структурная схема синхронного генератора
Приводной двигатель ПД развивает момент Мпд и вращает ротор
гeнеpaтора с частотой n
ток ее мдс F
создает магнитный поток ротора Фо. Вращаясь вместе с
в
ротором относительно статора, поток Ф
. По обмотке ротора протекает постоянный
o
в соответствии с законом
о
электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в каждой фазе обмотки статора ЭДС Е
статора протекает ток нагрузки I
МДС статора F
МДС F
сеяния Ф
ст
(аналогичный асинхронному двигателю), который замыка-
d
.
ст
создаёт магнитный поток реакции ротора Фр и поток рас-
. При замкнутой внешней цепи по обмоткам
0
, который, в свою очередь, образует
ется поперёк пазов статора и вокруг лобовых частей обмотки статора. Эти потоки наводят в обмотке статора ЭДС Е
Векторная сумма ЭДС Е
= Е0 + Ер + Еd и падения напряжения на
активном сопротивлении обмотки статора R
и Еd.
р
равно напряжению U на
1
выводах генератора.
Магнитные потоки статора Ф
потоком ротора Ф
, который, взаимодействуя с током статора I, обра-
о
и Фd складываются c магнитным
р
9
зует тормозной момент Мпр, противодействующий вращающему моменту М
приводного двигателя ПД. Вырабатываемая статором ге-
пд
нератора активная мощность Р поступает в электрическую нагрузку.
Уравнение напряжений обмотки статора
На рис. 1.5 приведена схема замещения одной фазы статора гене-
ратора.
Рис. 1.5. Схема замещения фазы статора синхронного генератора
Составим по этой схеме уравнение по второму закону Кирхгофа:
E
– ЭДС, индуцируемая магнитным потоком ротора Фо;
где Е
о
Е
и Еd – ЭДС, индуцируемые соответственно магнитным пото-
р
= E0 + Ep + Ed = U + R1I, (1.2)
ком реакции ротора и потоком рассеяния;
R
I – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки
1
статора;
U
– фазное напряжение на статоре reнepaтopa.
ЭДС Е
и Еd наводятся магнитными потоками Фр и Фd, которые
p
пропорциональны вызвавшему их току статора. Поэтому эти ЭДС могут быть выражены через индуктивные сопротивления Х
E
= U + [R1 + j(Хp + Хd)I]. (1.3)
0
и Хd, тогда
р
Обозначим сумму внутренних индуктивных сопротивлений машины
Х
где Х
– синхронное сопротивление.
син
Обычно R
<< X
1
, поэтому активным сопротивлением можно
син
+ Хd = Х
p
, (1.4)
син
пренебречь. Тогда уравнение электрического равновесия фазы статора имеет вид:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]