2.Синхронные машины (см).

Если асинхронные машины используются в основном в качестве двигателей, то синхронные машины используются чаще в качестве генераторов. На всех ГЭС, ТЭЦ, АЭС, на дорожных и строительных машинах в качестве источников электрической энергии используются синхронные генераторы. Синхронные двигатели выпускаются малой мощности (до нескольких десятков ватт) и большой мощности (сотни и тысячи киловатт). Микродвигатели используются в системах управления и контроля, где требуется постоянная скорость, двигатели большой мощности используются в качестве электропривода мощных рабочих машин с редким пуском, так как у них сложный и не всегда удачный процесс пуска. Синхронные машины имеют несколько лучшие энергетические характеристики, чем асинхронные и, что особо важно, у них можно регулировать коэффициент мощности – при перевозбуждении они не потребляют, как асинхронные двигатели, а вырабатывают реактивную энергию.

Статор синхронной машины по конструкции почти не отличается от статора асинх-ронной машины: так же имеет три фазные обмотки 1 (на рис.2), магнитные оси кото-рых располагаются под углом 120°, и которые соединяются в звезду или треугольник и подключаются к трёхфазной электрической сети. Ротор – электромагнит постоян-ного тока. Обмотка ротора (возбуждения) 2 через два контактных кольца 3, вращаю-щихся вместе с валом, и неподвижные щётки 4 подключается к источнику постоян-ного тока. Ротор синхронной машины выполняется явнополюсным (рис.3а) при частоте вращения до 1000 об/мин (гидрогенераторы), и неявнополюсным (рис.3б) при частоте вращения выше 1500 об/мин (турбогенераторы).

1

3

SA

2

На рис.2 приведена схема синхронного генератора. Ротор с обмоткой возбуждения 2 получает вращение от приводного двигателя (гидротурбины, паровой турбины, двигателя внутреннего сгорания). По обмотке возбуждения 2 протекает через щётки 4 и контактные кольца 3 постоянный ток, создающий неподвижное относительно ротора магнитное поле, которое при враще-нии ротора пересекает обмотки статора 1 и индуцирует в них трёхфазную ЭДС. Обмотка статора выключателем SA подключается к трехфазной сети (Z_нагр).

4

На рис.3 приведены эскизы явнополюсного ротора а и неявнополюсного ротора б синхронной машины.

У синхронного двигателя при подключении трехфазной

Рис.2 обмотки к трехфазному источнику переменного

напряжения создаётся вращающееся магнитное

поле с частотой n₀₍₁₎ =60f/p,об/мин.

Постоянное магнитное поле ротора сцепляется с

вращающимся полем статора и ротор вращается со

скоростью поля статора.

Следовательно, у синхронного двигателя частота

вращения ротора n₍₂₎ = n₀₍₁₎ и не изменяется при

изменении нагрузки. Механическая характеристика синхронного двигателя приведена на рис.1

Рис.3.

2. Машины постоянного тока (мпт)

Устройство: Неподвижная часть – статор (индуктор) с магнитными полюсами (главными, создающими основное неподвижное магнитное поле, и дополнитель-ными, снижающими отрицательное воздействие реакции якоря). На полюсах расположены обмотки возбуждения постоянного тока.

Вращающаяся часть – ротор (якорь) с обмоткой, по которой протекает переменный ток, и коллектором, служащим выпрямителем переменного тока, протекающего по обмоткам якоря в постоянный во внешней цепи – у генератора, и распределителем тока – у двигателя. К коллектору прижимаются неподвижные графитовые щётки, осуществляющие электрический контакт между вращающейся обмоткой якоря (через коллектор) и неподвижными зажимами внешней электрической цепи. Щеточно-коллекторный узел является самой ненадёжной частью МПТ.

Магнитная цепь – разветвлённая симметричная. Магнитная индукция наибольшая под полюсами (на продольной магнитной оси) и в витках, пересекающих продольную ось, индуцируется максимальная ЭДС. Посредине между полюсами (на геометрической нейтрали) магнитная индукция равна нулю и в витках, проходящих через геометрическую нейтраль, ЭДС не индуцируется. Поэтому щётки устанавливают на геометрической нейтрали, чтобы в витке, который при вращении якоря замыкается щеткой, не возникала ЭДС, и не происходило искрения.

Принцип работы: Ток I_В, протекающий по обмоткам возбуждения, создает в магнитной системе машины неподвижный магнитный поток Ф. При вращении якоря с угловой скоростью ω,1/с (или с частотой вращения n,об/мин) в неподвижном магнитном потоке Ф,Вб в обмотке якоря индуцируется ЭДС Е=сФω= с_еФn, безразлично от режима работы машины (генератором или двигателем). Здесь с - конструктивная постоянная обмотки якоря. При работе генератором эта ЭДС создаёт на зажимах якоря разность потенциалов – напряжение U, значение которого при отсутствии нагрузки (I=0) U=Е. При нагрузке (ток I) напряжение U отличается от ЭДС Е на величину падения напряжения в обмотке якоря I R_Я. Уравнение баланса напряжений (второй закон Кирхгофа) для генератора: U=Е–IR_Я. Одновременно при взаимодействии тока I, протекающего по обмотке якоря с магнитным потоком полюсов Ф возникает момент М=сФI, который у генератора будет противодействовать моменту приводного двигателя. При работе двигателем на обмотку якоря подаётся напряжение U, под действием которого по обмотке протекает ток I, при взаимодействии которого с магнитным полем возникает вращающий момент М=сФI, приводящий двигатель во вращение. Одновременно в обмотке якоря индуцируется ЭДС Е=сФω, действующая против приложенного напряжения и называемая противоЭДС, значение которой отличается от напряжения U на величину падения напряжения в обмотке якоря IR_Я. Уравнение баланса напряжений (второй закон Кирхгофа) для двигателя: U=Е+IR_Я.

Свойства машин постоянного тока зависят от способа возбуждения, отличающего-ся друг от друга способом подключения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря.

а б в г

Рис.4

На рис. 4 приведены схемы машин постоянного тока с различными способами возбуждения. Различают четыре способа возбуждения:

- независимое возбуждение, при котором обмотка возбуждения подключается к неза-висимому от цепи якоря источнику постоянного тока (рис.4а);

- параллельное возбуждение, при котором обмотка возбуждения подключается парал-лельно с обмоткой якоря и получает питание от обмотки якоря (у генератора) или от общего с обмоткой якоря источника постоянного тока (рис.4б);

- последовательное возбуждение, при котором обмотка возбуждения последователь-но с обмоткой якоря включается в цепь постоянного тока (рис.4в);

- смешанное возбуждение, при котором машина имеет две обмотки возбуждения – последовательную и параллельную и обладает промежуточными свойствами машин с последовательным и параллельным возбуждением (рис.4г).

Генераторы постоянного тока (ГПТ) могут быть с независимым, параллельным и смешанным возбуждением. В настоящее время применение их ограничено, так как по сложности устройства, надёжности и стоимости они не выдерживают конкуренции с синхронными генераторами, оснащёнными выпрямителями.

Свойства ГПТ отображаются характеристиками: - холостого хода Е(I_В) – зависи-мость ЭДС (напряжения холостого хода) от тока возбуждения при токе нагрузки I=0; - внешней характеристикой U(I_Я) - зависимостью напряжения на зажимах якоря от тока нагрузки при неизменном сопротивлении цепи возбуждения R_B=const; - регули-ровочной характеристикой I_B(I) – зависимостью тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на зажимах якоря U=const.

Двигатели постоянного тока (ДПТ), несмотря на низкую надёжность и высокую стоимость, благодаря высокому пусковому моменту и хорошим регулировочным свойс-твам, ещё не полностью уступили место асинхронным двигателям. Все тяговые дви-гатели на электрическом транспорте, строительных и дорожных машинах – двигатели постоянного тока. На рис. 5 приведены схемы ДПТ с различными способами возбуж-дения.

На рис.6 приведены механические характеристики ДПТ с различными способами возбуждения.

Рис.6

На рис.7 – рабочие характеристики ДПТ с последовательным возбуждением.

5

6

Рис.7 Рис.8

На рис.8 приведены механические характеристики большинства электрических двигателей:

1 – синхронного двигателя;

2 – двигателя постоянного тока с независимым (параллельным) возбуждением;

3 – двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением;

4 – двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.

5 – асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

6 – асинхронного двигателя с фазным ротором.

У ДПТ электромеханическая (пусковая) характеристика n=(U/cФ)-R_ЯI_Я /cФ. Поскольку M=cФI_Я , для ДПТ с параллельным и независимым возбуждением механическая характеристика имеет вид:

У ДПТ с последовательным и смешанным возбуждением магнитный поток Ф зависит от тока I_Я (последовательная обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно) и эта зависимость аналитически не описывается, механические характеристики строятся по универсальным характеристикам ν(i) и μ(i) в относительных величинах, где ν=n/n_Н ; μ=M/M_Н ; i=I/I_Н ;