49-96 / 61.Электрические машины переменного тока, принцип действия

61.Электрические машины переменного тока, принцип действия

Принцип действия синхронного генератора. На электрических станциях применяют трехфазные синхронные генераторы переменного тока высокого и низ­кого напряжений. Слово синхронный обозначает — одновременный. Это значит, что одновременно и в строгой математической зависимости с изменением оборотов изменяется час­тота тока Эта зависимость определяется формулойгде п₁ — число оборотов генератора в ми­нуту, f₁ — частота тока ге­нератора (гц), р — число пар полю­сов в роторе ге­нератора Синхронный генератор состоит из неподвижной части — статора, в пазах которого помещается трех­фазная обмотка перемен­ного тока, и вращающейся части —ротора, который пред­ставляет собой электромагнит (рис. 163). Обмотки возбуждения ротора питаются через щетки и кольца постоянным током от возбудителя — машины постоянного тока или какого-нибудь выпрямителя Ротор синхронного генератора, находящийся внутри статора, вращают первичным двигателем, при этом маг­нитное поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и индуктирует в них э. д. с. переменного тока. В некоторых конструкциях синхронных генераторов обмотки полюсов неподвижны и укреплены на станине, а вращается трехфазная обмотка переменного тока, выпол­няемая в пазах стального цилиндра, набранного из листов электротехнической стали. Переменный ток в этом случае снимают с колец, т. е. скользящим контактом, что является недостатком таких генераторов. Широкого распростра­нения эти типы генераторов но нашли.

Устройство синхронных генераторов. Статор синхронного генератора состоит из чугунной станины — корпуса, внутри которого находится сердеч­ник статора, собранный из отдельных листов электротех­нической стали, изолированной между собой лаком или тонкой бумагой. В пазы сердечника укладывают обмотку статора из медного изолированного провода (рис. 164).Роторы синхронных генераторов бывают двух типов — явнополюсными и неявнополюсными. Явнополюсными выполняют роторы синхронных гене­раторов с небольшим числом оборотов, обычно соединяемых с тихоходными гидротурбинами, и генераторов не­большой и средней мощности (рис. 165). Роторы неявнополюсные применяют в генераторах с большим числом оборотов (3000 об/мин) и большой мощности, обычно соединяемых на одном валу с паровыми турбинами, называют эти генераторы турбогенераторами. Сердечники полюсов большей частью изготовляют из литой стали, а башмаки — иногда из отдельных листов электротехнической стали. Обмотку полюсов выполняют из медных изолированных проводов. Для получения синусоидально изменяющейся э. д. с. необходимо иметь синусоидальное распределение магнитной индукции в воз­душном зазоре. Это достигается неравномерностью воз­душного зазора между наконечником полюса и сталью статора: по краям полюсов воздушный зазор больше, чем под серединой полюса (рис. 167). На вал генератора надевают два кольца, изолирован­ных от него, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения ротора, их называют контактными кольцами. На контактные кольца устанавливают щетки, а к щеткам подводят постоянный ток от воз­будителя. Чаще всего в качестве возбуди­теля применяют машину постоян­ного тока, которую называют машинным возбудителем, а в по­следнее время используют для возбуждения твердые или механи­ческие выпрямители. У большего количества син­хронных машин возбудитель рас­положен на одном валу с гене­ратором (рис. 168), а в последних конструкциях возбудитель распо­лагают сверху статора синхронной машины (рис. 169). Отечественной электропромышленностью выпускаются синхронные генераторы различной мощности горизон­тальные и вертикальные. Генераторы мощностью до 400 ква и более выпускаются на напряжение 400/230 в и начиная с мощности 400 ква на напряжение 6300 в. Горизонтальные генераторы типа СГ (С — синхрон­ный, Г — генератор) выпускаются с машинным возбуди­телем, с возбуждением от твердых выпрямителей (СГС), с возбуждением от механических выпрямителей (СГТ) и другие. Вертикальные гидрогенераторы типа ВГС (В — вер­тикальный, Г — гидрогенератор, С — синхронный) вы­пускаются мощностью от 250 до 4800 ква с машинными возбудителями. Выпускаются синхронные генераторы для сопряжения с дизелями на одном валу типа СГД — мощностью до 1000 ква

в первом случае получит ускорение, и отдаваемая им на сеть активная мощность увеличится, во втором случае ротор получит замедление, тогда мощность генератора уменьшится. Для изменения реактивной мощности генератора из­меняют его возбуждение.

Принцип действия синхронного двигателя. Синхронная машина обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Конструктивно синхронный двигатель ничем не отли­чается от синхронного генератора. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем полюсов ротора. При работе синхронной машины в режиме двигателя к статору подводят трехфазный переменный ток, а к об­мотке возбуждения ротора — постоянный ток. Трехфазный переменный ток создает в обмотке статора вращающееся магнитное поле, которое вращается в про­странстве со скоростью

где f — частота переменного тока (гц);

р — число пар полюсов в машине.

Представим себе магнитное поле статора в виде круга с явно выраженными полюсами на нем, вращающегося со скоростью п₁об/мин. Эти полюса магнитными силовыми линиями связываются с полюсами ротора противополож­ной полярности (рис. 212). Вращающееся магнитное поле увлекает за собой полюса ротора и заставляет их вращаться с такой же скоростью. Скорость вращения ротора, равную скорости вращающе­гося магнитного поля, называют синхронной скоростью. При нагрузке ротор синхронного двигателя отстает на некоторый угол в от вращающегося магнитного поля, причем с увеличением нагрузки угол в увеличивается (рис. 212, б Зависимость вращающего момента синхронной машины от угла в представлена на рисунке 213. Кривая имеет вид синусоиды. При поминаль­ной мощности двигателя угол Q = 20—30°, при этом перегрузочная способность двигателя равна-

Вращающий момент синхронного двигателя про­порционален приложен­ному напряжению. Ро­тор вращается с син­хронной скоростью, не зависящей от нагрузки, а при увеличении на­грузки изменяется толь­ко угол в. При вращении рото­ра магнитный поток полюсов Ф₀ пересекает витки обмотки статора и индуктирует в них э. д. с. Е₀. Согласно уравнению равновесия э. д. c., приложенное к двигателю напряжение сети Uс уравновеши­вается суммой обратных э. д. с. двигателя сумм Е_ДВ. На основании этого уравнения нарисуем векторную диаграмму синхронного двигателя (рис. 214). Вектор тока I откладываем вертикально. Под углом ф в сторону опережения откладываем вектор на­пряжения сети U_c. В фазе с вектором тока откладываем векторы магнитного потока якоря Ф_я и потока рассеяния Ф_рс, каждый из которых индуктирует соответствующие э. д. с. Е_я и Е_РС, отстающие от вектора магнитного потока на 90°. Откладываем на векторной диаграмме вектор Е_я и пристраиваем к нему вектор э. д. с. рассеяния E_рс, сумма этих э. д. с. равна падению напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении двигателя Х_сх

поэтому, зная х_ох, можно узнать величину суммы векто­ров Е_я + E_РС. Так как из уравнения равновесия э. д. с. известно, что напряжение сети U_С уравновешивается суммой э. д. с. двигателя, то откладываем вектор ОА, равный и противо­положный по направлению вектору напряжения сети U_С, который и будет представлять сумму э. д. с. двигателя сумм Е_ДВ. Вектор противоэ. д. с. двигателя Е₀ определится как третья сторона треугольника ОАВ, где известны сто­роны ОА и ОВ. Из этой векторной диаграммы видно, что

)

Вектор напряжения сети U_c изобразим состоящим из двух составляющих, каждая из которых уравновешивает соответствующую обратную э. д. с. В данном случае со­ставляющая — Е₀ уравновеши­вает э. д. с. Е₀, а составляю­щая I х_сх уравновешивает э. д. с. Е_я и Е_рс.

Рабочие характеристики синхронного двигателя. Рабочими характеристиками синхронного двигателя назы­вают зависимость оборотов п_{2 ,}тока статора I, подведенной мощности P₁ полезного вра­щающего момента М₂, cos ф и к. п. д. т] от полезной мощности на валу двигателя Р₂ при постоянных напряжении сети U_C, частоте сети f и токе возбуждения i_в (рис. 215).Так как скорость вращения ротора п₂ не зависит от нагрузки и равна скорости вращающегося магнитного.

Принцип действия асинхронного двигателя. Асинхронный трехфазный двигатель — самый распро­страненный в промышленности и сельском хозяйстве. Около 95% всех двигателей — асинхронные.

Асинхронный двигатель изобретен талантливым рус­ским ученым М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Простота устройства, дешевизна, высокий к. п. д., боль­шая надежность в ра­боте способствовали его быстрому внедрению во все отрасли хозяйства. Принцип действия асинхронного двигате­ля основан на взаимо­действии вращающего­ся магнитного поля, соз­даваемого в трехфазной обмотке статора, и про­водников с током, из которых состоит обмот­ка ротора. Скорость вращения поля определяют из фор­мулы (58) Представим себе вращающееся магнитное поле в виде кольца с двумя постоянными магнитами (рис. 221). В середине кольца помещена обмотка ротора в виде короткозамкнутой беличьей клетки. Вращающееся-магнитное поле статора индуктирует в проводах обмотки ротора токи, направление которых определяют по правилу правой руки. При этом нужно иметь в виду, что если магнитное поле вращается по ча­совой стрелке, то относительное вращение проводника нужно принимать против часовой стрелки.В проводах, находящихся под северным полюсом, ток направлен к нам и направление его обозначим точкой.При взаимодействии магнитного поля статора и ротора (рис. 221) к проводу приложена сила F, заставляющая его перемещаться в сторону движения поля статора.Если поле статора вращается со скоростью n_1; которую называют синхронной, то ротор вращается с меньшей скоростью n₂ которую называют асинхронной. Отставание ротора от поля статора называют сколь­жением и обозначают буквой s.Величина скольжения может быть определена из урав­нения

(162)

Скольжение — основная переменная величина асин­хронной машины, от которой зависит режим ее работы.Из формулы скольжения можно вывести формулу обо­ротов ротора

Число оборотов ротора п₂ при номинальных нагрузке, напряжении и частоте указывают на заводском щитке двигателя.Величина скольжения асинхронных двигателей со­ставляет примерно s = 0,01- 0,06. Скольжение может быть определено также в процентах.

(164)

У асинхронного двигателя при неподвижном роторе скольжение имеет максимальное значение 5=1, так как n2 = 0.В начальный момент пуска в ход асинхронного двига­теля, когда n2 еще равно нулю, 5 = 1.

Устройство асинхронных двигателей. Асинхронный двигатель состоит из неподвижной ча­сти — статора и вращающейся — ротора.Статор представляет собой стальной сердечник в виде пустотелого цилиндра, набираемого из отдельных листов электротехнической стали, изолированных между собой лаком. Внутри цилиндра выштампованы пазы, куда ук­ладывают обмотку статора. По устройству статор асин­хронного двигателя почти ничем не отличается от статора синхронной машины. Обмотки статоров асинхронной и синхронной машин рассчитывают и выполняют аналогично (рис. 222).Внутри статора помещается ротор, представляющий собой стальной цилиндр, который набирают из отдельных листов электротехнической стали, покрытых изоляцион­ным лаком. Роторы бывают двух типов: короткозамкнутые и фазные. В пазы короткозамкнутого ротора укладывают обмотку в виде беличьей клетки, выполняемую из медных стержней, которую с торцовых сторон замыкают кольцами (рис.223,а). В двигателях неболь­шой мощности, до 100 квт, беличью клет­ку изготовляют путем заливки пазов ротора алюминием под давле­нием. Беличью клетку от стали ротора не изо­лируют, так как про­водимость проводников обмотки в десятки раз больше проводимости стали. При отливке беличьей клетки из алюминия одновременно отливают и боковые кольца вместе с вентиляцион­ными крыльями (рис. 224).В пазы фазного ро­тора укладывают трех­фазную обмотку, вы­полняемую по типу об­мотки статора. Разрез двигателя с фазным ро­тором представлен па рисунке 225. Как правило, фаз­ную обмотку ротора оединяют в звезду. При этом концы обмотки соединяют вместе, а начала присоединяют к контактным кольцам, на которые устанавливают щетки, соединенные с пусковым реостатом.Схемы двигателей приведены на рисунке 226. Выводы обмоток асинхронных двигателей обозначают следующим образом:

Обмотки двигателя могут быть соединены в звезду или в треугольник. Для удобства соединения обмоток в тре­угольник выводы обмоток присоединены к доске зажимовно схеме, приведенной на рисунке 227, а. На том же ри­сунке показаны способы и схемы соединения обмоток. Если на паспорте двигателя написано 220/380 в и стоит обозна­чение треуг/звезда, то это значит, что при линейном напряжении в сети 220 в обмотки нужно соединить в треугольник, а при линейном напряжении 380 в — в звезду. Выводы обмоток ротора обозначают буквами Р₁ Р.₂ Р₃. В СССР выпускается единая серия асинхронных дви­гателей А. В нее входят двигатели мощностью от 0,6 до 125 кет. Все двигатели этой серии выполняются с коротко-замкнутой обмоткбй из алюминия. Эти двигатели имеют чугунный корпус, а при малых мощностях корпус отливают из сплава с большим содер­жанием алюминия, тогда они обозначаются как серия АЛ. Если двигатели имеют закрытую конструкцию с обду­вом внешней ребристой поверхности статора при помощи вентилятора, укрепляемого на валу, тогда они обозначают­ся как серия АО, а при изготовлении корпуса из алюми­ния — АОЛ.Для замены существующей серии асинхронных элек­тродвигателей А и АО разработана новая единая серия А2