Классификация машин переменного тока.

Классификация машин переменного тока.

Действие всех многофазных машин основано на принципе вращающегося магнитного поля, поэтому теория работы во многом для них является общей.

Если вращение ротора происходит в такт, т. е. синхронно вращению магнитного поля, то такая машина называется синхронной. Кроме того, что они вырабатывают электроэнергию на электростанциях, синхронные машины используются как электродвигатели в основном большой мощности, и как компенсаторы реактивной мощности.

Если вращение ротора несинхронно (асинхронно) вращающемуся магнитному полю, то такие машины называются асинхронными; повсеместно в промышленности используются как двигатели.

Коллекторные машины переменного тока, работающие на небольшой мощности, имеют ограниченное применение.

 

УСТРОЙСТВО и ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АД с КЗ ротором.

Асинхронная машины, как и любая другая электрическая машина вращающегося движения, состоит из неподвижной части и подвижной.

Неподвижную часть машины называют статором.

Статор состоит из корпуса цилиндрической формы, выполненного из чугуна, стали или сплава легких металлов. В корпус запрессовываются листы электротехнической стали (толщиной 0,5; 0,35 мм), образующих неподвижный кольцевой стальной сердечник, имеющий на внутренней поверхности пазы, в которые укладываются катушки, так называемой трехфазной обмотки (рис. 1.1).

Подвижная часть – это ротор. Основанием ротора является стальной вал, на который также напрессовываются листы электротехнической стали, образующие цилиндрический сердечник ротора с пазами на внешней стороне сердечника. Вал удерживается боковыми подшипниковыми щитами, которые крепятся к торцам корпуса статора. Сердечники статора и ротора отделены друг от друга равномерным воздушным зазором.

В зависимости от конструктивного выполнения электрической обмотки ротора трехфазные асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: короткозамкнутые двигатели и двигатели с контактными кольцами (двигатели с фазным ротором).

Короткозамкнутые двигатели

Двигатели этого типа снабжаются многофазной стержневой обмоткой, выполненной в виде «беличьей клетки». В старых типах машин «беличья клетка» изготовлялась из медных стержней круглого или овального сечения, которые плотно вставлялись без изоляции в закрытые пазы сердечника ротора. Концы стержней замыкались накоротко между собой на торцах ротора медными кольцами. В настоящее время «беличья клетка» изготовляется путем прямой заливки пазов ротора расплавленным алюминием. В этом случае замыкающие кольца составляют одно целое со стержнями, причем на них одновременно отливаются и вентиляционные лопасти.

Принцип действия асинхронного двигателя

При подключении трех обмоток статора к сети трехфазного симметричного напряжения по ним потечет переменный ток (см. рис. 1.2). Трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле статора с частотой вращения n₁.

Вращающееся поле пересекает как обмотки статора, так и обмотки ротора и наводит в них электродвижущие силы (эдс). При этом эдс обмотки статора, являясь эдс самоиндукции, действует встречно приложенному напряжению и ограничивает значение токов в трехфазной обмотке статора.

Обмотка ротора замкнута накоротко, поэтому даже при незначительных значениях наводимой эдс в обмотке ротора протекают значительные токи. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает на роторе электромагнитные силы F_эм, направление которых определяют по правилу «левой руки». Силы F_эм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Вращение произойдет при условии, если электромагнитные силы превысят тормозные силы на валу ротора. Частота вращения ротора n называется асинхронной, всегда в двигательном режиме меньше частоты вращения поля n₁, так как только в этом случае происходит наведение эдс в обмотке ротора асинхронного двигателя. С увеличением тормозного момента M_c, создаваемого исполнительным механизмом и направленным на встречу электромагнитному моменту M,частота вращения ротора уменьшается.

Электрическая мощность, поступающая в двигатель из сети, за вычетом потерь мощности, преобразуется в полезную механическую мощность на валу ротора и передаётся исполнительному механизму.

Устройство.

Синхронная машина состоит из неподвижной части – статора, в пазах которого размещается многофазная(как правило, трехфазная) обмотка, и вращающейся части– ротора с обмоткой возбуждения постоянного тока, выведенной на два контактных кольца. Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины (см. лекцию 1).

Роторы синхронных машин выполняются явнополюсными и неявнополюсными (рис. 14.1).

 

 

Рис. 14.1. Ротор синхронных машин: a – c явновыраженными
полюсами; б – с неявновыраженными полюсами

 

Явнополюсной ротор собирается из отдельных частей (рис 14.1, а),
а обмотка возбуждения выполняется в виде катушек 1, которые размещают на полюсах 2 и крепят полюсными наконечниками 3. Полюсы укрепляются на крестовине ротора. Такая конструкция применяется в тихоходных машинах: в гидрогенераторах равнинных гидростанций
(n = 80–250 об/мин) и синхронных двигателях (n = 50–750 об/мин). Число полюсов этих машин достигает нескольких десятков; например, генераторы Днепровской ГЭС имеют 72 полюса.

Обмотка возбуждения неявнополюсных роторов закладывается в пазы, выфрезерованные в сплошной стальной паковке, и крепится стальными клиньями. Лобовые части обмотки крепят стальными кольцевыми бандажами. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность ротора и применяется как в турбогенераторах, так и в быстроходных синхронных двигателях, например, в турбо­компрессорах. Скорость этих машин равна 3000 или 1500 об/мин, а число пар полюсов невелико – 1 или 2 пары.

Постоянный ток на обмотку возбуждения подается от специального генератора-возбудителя или от выпрямителя через неподвижные щетки и контактные два кольца. Кольца расположены на валу, вращающиеся вместе с валом, изолированы от вала и друг от друга.

В ряде случаев как в синхронных, так и асинхронных машинах для улучшения формы кривой эдс осуществляется скос пазов относительно бегущего магнитного поля. Скос пазов выполняют либо в статоре относительно ротора или наоборот.

эдс проводника от основной гармоники
с учетом скоса пазов

Фаза эдс, индуктируемых в отдельных участках проводника в скошенном пазе беспрерывно изменяется вдоль проводника (рис. 4.1),
т. е. индуктируемые эдс на концах проводника и появляются в разное время, они имеют сдвиг по фазе на угол . Используя соотношение (рис. 4.1, б)

, (4.7)

 

где – ширина скоса паза; – полюсное деление;

 

. (4.8)

 

 

Рис. 4.1. Эдс индуктируемая в скошенном пазе: а – скос пазов; б – сдвиг
фаз между элементарными эдс на концах проводника и

 

Чтобы определить эдспроводника , необходимо геометрически сложить векторы эдс отдельных участков проводника D

 

, (4.9)

 

как это показано на рис. 4.2. В пределе, если рассматривать бесконечно малые участки проводников, D ®0, то геометрическая сумма векторов DЕ ® 0 изобразится другой и будет равна хорде окружности, опирающейся на центральный угол , как показано на рис. 4.3

Если бы не было скоса пазов, то эдспроводника равнялось вытянутой дуге, так как элементарные эдсD складывались бы арифметически.

 

Рис. 4.2. Результирующая эдс проводника при скосе пазов	Рис. 4.3. Определение эдс проводника при скосе пазов

 

Отношение длины хорды на рис. 4.3 к ее дуге определяет степень уменьшения эдс при наличии скоса и называется коэффициентом скоса пазов обмотки :

. (4.10)

 

Подставив в (4.10) приведенное в (4.8) значение угла получим

 

. (4.11)

 

Если не выполнять скоса пазов при , то . Таким образом, в общем случае правую часть выражения (4.6) нужно умножить на . Теперь эдс проводника с учетом скоса пазов

 

(4.12)

 

Обычно скос пазов относительно невелик и значение близко к единице. Например, при

 

,

 

т. е. эдспроводника при скосе пазов уменьшается на 1,1 % относительно эдс проводника без скоса пазов.

 

Обмотки с жесткими катушками обеспечивают большой коэффициент заполнения паза, они более надежны. При применении жестких обмоток пазы прямоугольные, а зубцы имеют трапецеидальную форму. У всыпных обмоток наоборот. Обмотки с жесткими секциямиприменяются в машинах мощностью свыше 100 кВт.

 

ПОСТРОЕНИЕ.

Если число пар полюсов четное, то количество малых катушек = кол-ву больших.

Если Р - нечетное, то в результате останется одна сторона большей катушки, а одна маленькой.

 

10.Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =1.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/2 = 6 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 2 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/2∙3 = 2 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из двух пазов.

 

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 1;)

 

11.Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =2.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/4 = 3 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 4 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/4∙3 = 1 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из одного паза.

 

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 2;)

 

 

13.Шаблонная. Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =1.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/2 = 6 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 2 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/2∙3 = 2 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из двух.

 

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 1;)

 

14.Шаблонная. Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =2.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/4 = 3 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 4 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/4∙3 = 1 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из одного паза.

 

 

 

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 2;)

Ротор с глубокими пазами

В момент включения двигателя, когда частота тока в роторе имеет наибольшее значение (f₂ = f₁), индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня значительно больше верхней.

Таким образом, двигатель с глубокими пазами на роторе обладает благоприятным соотношением пусковых параметров: большим пусковым моментом при сравнительно небольшом пусковом токе.

При работе двигателя с номинальной частотой вращения, когда f₂<< f₁, процесс «вытеснения» тока практически прекращается и двигатель работает как обычный короткозамкнутый.

25. Прямой пуск асинхронного двигателя

(к обмотке статора сразу подключается номинальное напряжение сети)

Перед пуском целесообразно определиться со способом соединения обмоток статора: звездой () или треугольником (). На паспортном щитке двигателя приводится рекомендация: – 220/380. Эту рекомендацию следует понимать так.

Если в трехфазной сети, куда подключается двигатель линейное напряжение , то обмотки статора должны быть включены по схеме треугольника:

Если в сети линейное напряжение , то обмотки статора надо соединять в звезду, тогда на одну фазу обмотки приходится U_Ф= U_Л/ = 220 В.

Частые пуски ведут:

- к нагреву и старению изоляции (3-10 кВт 10-15вкллючений/час)

- к понижению напряжения в сети, а это пагубно сказывается на работе.

Двигательный режим

При помощи постороннего двигателя частота вращения ротора
машины может быть увеличена до скорости вращения магнитного поля, т. е. n = n₁

При этом скольжение

. (2.3)

В этом случае ротор и поле будут взаимно неподвижны, а токи в роторе и электромагнитные силы исчезнут. Такой режим называют идеальным холостым ходом асинхронной машины.

 

Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n = n ₀). При этом в обмотке ротора ЭДС E ₂ будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I ₂=0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. (т.к. момент пропорционален квадрату напряжения U₂)

Зависимость электромагнитного момента от скольжения.

 

классификация машин переменного тока.