Асинхронні машини з фазним ротором.

Основними частинами будь-якого асинхронного двигуна є нерухома частина – статор і обертаюча частина, яка називається ротором.

Статор трифазного асинхронного двигуна складається з шихтованого магнітопроводу, запресованого в литу станину. На внутрішній поверхні магнітопроводу є пази для укладки провідників обмотки. Ці провідники є сторонами багатовиткових м’яких котушок, що утворюють три фази обмотки статора. Геометричні осі котушок зрушені в просторі один відносно одного на 120 градусів. Принци дії: Статорна обмотка цього двигуна така ж, як і статорна обмотка електродвигуна з короткозамкненим ротором, а ротор має трифазну три фазну обмотку, виконану з ізольованого проводу і з’єднану в зірку. Кінці обмоток приєднані до контактних кілець

 

Фази обмотки можна з’єднати за схемою «зірка» або «трикутник» залежно від напруги мережі. Наприклад, якщо в паспорті двигуна вказана напруга 220/380 В, то при напрузі мережі 380 В фази з’єднують «зіркою». Якщо ж напруга мережі 220 В, то обмотка з’єднується в «трикутник». В обох випадках фазна напруга двигуна дорівнює 220В.

Ротор трифазного асинхронного двигуна являє собою циліндр, набраний з штампованих листів електротехнічної сталі і насаджений на вал. Залежно від типу обмотки ротори трифазних асинхронних двигунів поділяються на коротко замкнені і фазні.

В асинхронних електродвигунах більшої потужності і спеціальних машинах малої потужності для поліпшення пускових і регулювальних властивостей застосовують фазні ротори. У цих випадках на роторі укладається трифазна обмотка з геометричними осями фазних котушок, зрушеними в просторі один відносно одного на 120 градусів.

Фази обмотки з’єднуються зіркою і кінці їх приєднуються до трьох контактних кілець, насадженим на вал і електрично ізольованим як від валу, так і один від одного. За допомогою щіток, що знаходяться в ковзному контакті з кільцями, є можливість включати в ланцюзі фазних обмоток регулювальні реостати.

Асинхронний двигун з фазним ротором має кращі пускові та регулювальні властивості, проте йому притаманні велика маса, розміри і вартість, ніж асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором.

 

Синхронні машини.

Виникнення ЕДС у провідниках можливо як при переміщенні цих провідників у нерухомому магнітному полі, так і при переміщенні магнітного поля відносно нерухомих провідників. У першому випадку полюси, тобто індукуючи частина машини, що збуджує магнітне поле, містяться на нерухомій частині машини (на статорі), а індукована частина (якір), тобто провідники, у яких створюється ЕДС, - на обертовій частині машини (на роторі). В другому випадку полюси містяться на роторі, а якір – на статорі. Принцип дії. Трифазну обмотку у разі ввімкнення якої в мережу трифазного змінного струму утворюватиметься обертове магнітне поле з частотою обертання за хвилину 60. На роторі двигуна знаходиться обмотка збудження, яка вмикається в мережу джерела постійного струму. Струм збудження утворює магнітний потік полюсів обертове магнітне поле, утворене струмами статорної обмотки, веде за собою роторні полюси. При цьому ротор може обертатися тільки синхронно з полем, тобто з частотою, яка дорівнює частоті обертання статорного поля. Отже, частота обертання синхроного двигуна стала, якщо незмінна частота струму живильної мережі.

 

Вище ми розглянули принцип дії синхронного генератора з нерухомими полюсами й обертовим якорем. У генераторі з нерухомими полюсами й обертовим якорем енергія, вироблювана ним, передається приймачу енергії за допомогою ковзних контактів - контактних кілець і щіток.

Ковзний контакт у ланцюзі великої потужності створює значні втрати енергії, а при високих напругах наявність такого контакту в край небажано. Тому генератори з обертовим якорем і нерухомими полюсами виконують тільки при невисоких напругах (до 380/220 В) і невеликих потужностях (до 15 кВ◦А). Найбільш широке застосування одержали синхронні генератори, у яких полюси переміщені на роторі, а якір - на статорі.

Будова генератора показано на рисунку 2.7. Струм збудження протікає по обмотці збудження, що являє собою послідовно з’єднання котушки, поміщені на полюси ротора. Кінці обмотки збудження з’єднані с контактними кільцями, що кріпляться на валу машини. На кільцях містяться нерухомі щітки, за допомогою яких в обмотку збудження підводиться постійний струм від стороннього джерела енергії – генератора постійного струму, названого збудником. Пристрій статора синхронного генератора аналогічно пристрою статора асинхронної машини.

Ротор синхронних генераторів виконують або з явно вираженими (виступаючими) полюсами, або з неявно вираженими полюсами, тобто без виступаючих полюсів.

У машинах з відносно малою частотою обертання (при великому числі полюсів) ротори повинні бути з явно вираженими полюсами, рівномірно розташованими по окружності ротора.

Полюс складається із сердечника, полюсного наконечника і котушки обмотки збудження, що поміщається на сердечнику полюса.

Первинні двигуни синхронних генераторів з явно вираженими полюсами звичайно являють собою гідравлічні турбіни, які є тихохідними машинами.

При великій частоті обертання такий пристрій ротора не може забезпечити потрібної механічної міцності і тому високошвидкісних машин ротори виконують з неявно вираженими полюсами.

Сердечники роторів з неявно вираженими полюсами звичайно виготовляють з цільних кувань, на поверхні яких фрезеруються пази. Після укладання обмоток збудження на роторі пази його забиваються клинами, а лобові з’єднанняобмотки збудження зміцнюються сталевими бандажами, поміщеними на торцевих частинах ротора. При такій конструкції ротора допускаються великі частоти обертання.

Для генераторів з неявно вираженими полюсами первинними двигунами звичайно є парові турбіни, що належать до числа швидкохідних машин.

Для можливості монтажу та нормальної експлуатації електричних, машин приміщення з електроустановками повинні задовольняти ряд вимог. Так, відстань між елементами електроустаткування, що транспортуються, і елементами будівлі має бути не менше 0,3 м по вертикалі і 0,5 м по горизонталі. Ширина проходів між фундаментами або корпусами машин, між машинами і частями будівлі має бути не менше 1 м. Ширина проходу для обслуговування між машинами і щитами управління має бути не менше 2 м (при відкритих дверцях щита управління ця відстань має бути не менше 0,6 м для установок напругою до 1000 В). Електричні машини мають бути встановлені так, щоб їх робота не викликала шуму і вібрації самої машини, її фундаменту і самої будівлі вище допустимих меж. Крім того, в електромашинному приміщенні мають бути передбачені монтажні майдани, на яких може проводитися ремонт і монтаж устаткування, а також необхідні вантажопідйомні пристрої для підйому і перенесення устаткування. Лише при дотриманні цих необхідних умов можливий нормальний монтаж електричних машин, їх поточне обслуговування і проведення ремонтних робіт.

Машини постійного струму.

Зовнішній вигляд колекторного двигуна наведено на рисунку 2.8.Нерухома (індукуючи) частина машини складається з головних полюсів, додаткових полюсів і станини. Головний полюс являє собою електромагніт, що створює магнітний потік. Він складається із сердечника, обмотки збудження і полюсного наконечника. Полюси кріпляться на станині за допомогою болта.

Осердя полюса відливається зі сталі і має поперчений переріз овальної форми. На сердечнику полюса поміщено котушка обмотки збудження, намотана з ізольованого мідного проводу.

Котушки всіх полюсів з’єднуються збудження. Струм, що проходить по обмотці збудження, створює магнітний потік. Полюсний наконечник утримує обмотку збудження на полюсі і забезпечує рівномірний розподіл магнітного поля під полюсом. Полюсному наконечнику додають таку форму, при якій повітряний зазор між полюсам і якорем однаковий по всій довжині полюсної дуги.

Додаткові полюси мають також сердечник і обмотку. Додаткові полюси розташовані між головними полюсами, і число їх може бути або рівним числу головних полюсів, або вдвічі меншим. Додаткові полюси встановлені у машинах великих потужностей; вони служать для усунення іскріння під щітками у машинах малих потужностей додаткових полюсів звичайно немає.

Станину відливають зі сталі; вона є кістяком машини на станині кріплять головні і додаткові полюси, а також на торцевих сторонах її – бічні щити про підшипниками, що отримують вал машини.

Вигляд якоря представлено на рисунку (2.9 В). Сердечник якоря являє собою циліндр зібраний з листів електротехнічної сталі. Листи ізолюються друг від друга лаком чи папером для зменшення втрат на вихрові струми. У тілі якоря роблять повітряні канали для охолодження обмотки і його сердечника. Обмотка ретельно ізолюється від сердечника і закріплюється в пазах дерев’яними клинами. Лобові з’єднання зміцнюються сталевими бандажами. Усі секції обмотки, поміщені на якорі, включають між собою послідовно, утворити замкнутий ланцюг, і приєднуються до колекторних пластин.

Колектор являє собою циліндр, що складається з окремих пластин. Колекторні пластини виготовляють із твердотягнутої міді й ізолюють між собою і від корпуса прикладками з міканіту. Для кріплення втулці колекторним пластинам додають форму «ластівкового хвоста», що затискаються між виступом на втулці і шайбою, які мають форму що відповідає формі пластини. Шайба кріпиться до втулки болтами.

Колектори є найбільш складною в конструктивному відношенні і найвідповідальнішою в роботі частиною машини. Поверхня колектора повинна бути строго циліндричною щоб уникнути биття й іскріння щиток.

Для з’єднання обмотки якоря з зовнішнім ланцюгом на колекторі поміщають нерухомі щітки, що можуть бути графітними, вугільно - графітними чи бронзо – графітними. У машинах високої напруги застосовують графітні щітки, що мають великий перехідний опір між щіткою і колектором, у машинах низької напруги – бронзо – графітні щітки.

Щітки поміщають в особливих щіткотримачах. Щітка, поміщена в обмотці щіткотримача, притискається пружиною до колектора. На кожному щіткотримачі може знаходитися кілька щіток, включених паралельно.

Щіткотримачі містяться на щіткових болтах-пальцях, що у свою чергу, закріплені на траверсі.

Щіткові пальці ізолюють від траверси ізоляційними шайбами і втулками.

Число щіткотримачів звичайно дорівнює числу полюсів. Траверса встановлюється на підшипниковому щиті в машинах малої та середньої потужності чи прикріпляють до станини в машинах великої потужності. Траверсу можна повертати і цим змінювати положення щіток щодо полюсів.

Звичайно траверса знаходиться в такому положенні, при якому розташування щіток у просторі збігається з розташуванням осей головних полюсів.

Принцип дії та будова машини постійного струму

(Принцип дії машини постійного струму розглянемо на прикладі моделі генератора постійного струму (рис. 2.10). Магнітна система моделі генератора складається з двох нерухомих у просторі полюсів N-S, що створюють постійний за часом магнітний потік. У між полюсному просторі вміщений виток abcd (приводиться в рух будь-яким двигуном), кінці якого приєднують до ізольованих один від одного двох металевих півкілець. На обертові разом з витком півкільця накладено нерухомі щітки так, що кожна з них стикується тільки з тим пів витком і провідником, які перебувають у сфері дії одного і того самого полюса. Наприклад, при обертанні витка верхня щітка в кожний момент часу стикується с півкільцем, яке з’єднується з провідником, що міститься під північним полюсом.

У між полюсному просторі вміщений виток abcd (приводиться в рух будь-який двигуном), кінці якого приєднуються до ізольованих один від одного двох металевих півкілець. На обертові разом з витком півкільця накладено нерухомі щітки так, що кожна з них стикується тільки з тим пів витком і провідником, які перебувають у сфері дії одного і того самого полюса. Наприклад, при обертанні витка верхня щітка в кожний момент часу стикується з півкільцем, яке з’єднується з провідником, що міститься під північним полюсом.

Отже, при обертанні витка в однорідному магнітному полі з постійною кутовою швидкістю в його провідниках індукується змінна синусоїдальна е. р. с. Проте в колі навантаження струм тече тільки в одному напрямку (від верхньої щітки до нижньої) – відбувається випрямлення індукованої у витку змінної е. р. с. і змінного струму.

Випрямлення змінної е. р. с. на щітках генератора відбувається з допомогою колектора, який у моделі подано двома півкільцями. Величину е. р. с. можна збільшити, а її пульсації зменшити, якщо виток замінити обмоткою, розподіленою по колу й укладеною в пази обертальної частини машини – якоря.

Отже, під час роботи машини постійного струму в режимі генератора останній одержану від первинного двигуна механічну енергію перетворює в електричну.

Модель двигуна постійного струму не відрізняється від моделі генератора. Для переходу від генераторного режиму до режиму в роботі двигуна слід відімкнути від щіток навантаження і подати на них напругу від джерела постійного струму. При цьому струм у витку потече у зворотному напрямку, а внаслідок взаємодії магнітного поля і струму у провідниках з’явиться електромагнітна сила.

Електромагнітні сили, напрямок яких визначається за правилом лівої руки, створюють у моделі обертальний момент. Під його впливом виток почне обертатися в напрямку дії моменту з певною кутовою швидкістю. Щоб змінити напрямок обертання витка, слід змінити напрямок струму в провідниках.

Отже, машина постійного струму може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Властивість оборотності можна використовувати в електроприводах для здійснення електричного гальмування.

Трансформатори.

Трансформатором називається електромагнітний статичний пристрій, призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції електричної енергії змінного струму однієї напруги в електричну енергію іншої напруги. Це пристрій найчастіше складається з двох (а іноді і більшого числа) взаємно нерухомих електрично не пов’язаних між собою обмоток, розташованих на феромагнітному магнітопроводі.

Принцип дії трансформатора являє собою магнітний зв’язок, здійснюваний змінним магнітним полем. Феромагнітний магнітопровід призначений для посилення магнітного зв’язку між обмотками. Іноді в трансформаторах феромагнітний сердечник може бути відсутній. Такі трансформатори називаються повітряними. Вони застосовуються в спеціальних випадках при перетворенні змінних струмів високої частоти.

Обмотка трансформатора, що споживає енергію з мережі, називається первинною обмоткою.

Обмотки трансформатора підключаються до мереж з різними напругами. Обмотка, призначена для приєднання до мережі з більш високою напругою (ВН), а приєднується до мережі з меншою напругою, - обмоткою нижчої напруги (НН).

Якщо вторинна напруга менше первинної, то трансформатор називається понижуючими, а якщо більше - підвищує. Залежно від включення тих чи інших обмоток до мережі трансформатор може бути як підвищувати, так і понижувати.

Однофазні трансформатори невеликої потужності застосовують як зварювальних, вимірювальних, випробувальних, спеціального призначення і для побутових потреб.

Потужні однофазні силові трансформатори служать для трансформації електричної енергії трифазного струму і для живлення спеціальних промислових установок. Найпростіший однофазний трансформатор (рис. 2.11) складається з рамо образної магнітної системи, що включає два стрижня 3, верхнє 4 і нижнє 5 ярмо, обмоток вищої 1 і нижньої 2 напруги.

Лівий стрижень, якщо дивитися на трансформатор з боку виведених на обмотку ВН кінців (відводів), прийнято позначати літерою А, правий – Х.Щоб двухстрижневу магнітну систему однофазного трансформатора використовувати найбільш раціонально і трансформатор конструктивно був більш компактним, обмотки ВН і НН як би ділять на дві частини і розміщують їх на стержнях А і Х. Поєднавши між собою паралельно чи послідовно окремі частини обмоток ВН і відповідально НН, від обмоток, розміщенні на стержні А, виводять їх «початку», а на стержні Х їх «кінці».

Трансформація трифазного струму однофазними трансформаторами здійснюється наступним чином (рис. 2.12): встановлюють поруч три однофазних трансформатора, що обмоток ВН і НН (при три обмоткових трансформаторах і СН) з’єднують в трифазні електричні схеми (зірка-зірка, зіка-трикутнин). Отримана трифазна трансформаторна група має загальну електричну схему, а електромагнітна система кожного трансформатора працює окремо.

У трифазному трансформаторі електричні й електромагнітні системи трьох однофазних трансформаторів об’єднані в одну.

Фізичну сторону такого суміщення схематично можна пояснити наступним чином. Якщо три магнітних системи однофазних трансформаторів з обмотками ВН і НН, розміщеному на одному стрижні, скласти під кутом 120°

один до одного, вільні від обмоток стрижні примкнути – зістикувати в один, з’єднати обмотки в трифазні схеми та подати на одну з них трифазну напругу, то і вийдетрифазний трансформатор іззагальноюелектричної та магнітної системою, щоскладається з трьохстрижнів з обмотками і одного центрального стрижня без обмоток.

Однак виходячи з відомого положення електротехніки про те, що сума миттєвих значень струмів і магнітних полів трифазної системи дорівнює нулю, магнітний потік в центральному стрижні буде відсутній, а отже, в ньому немає необхідності, тому його з конструкції магнітної системи видаляють. Отримана при цьому трьохстержнева просторова магнітна система (рис. 2.13, б) є симетричною - у неї довжина шляхів основного магнітного поля кожної фази однакова.

Симетрична магнітна система найбільш досконала, проте труднощі, пов'язані з технологією виготовлення і ремонту трансформаторів з такою магнітною системою, обмежують її застосування; вона використовується тільки в трансформаторах деяких серій потужністю в основному до 250 кВ-А.

На рис. 2.13 а) зображена одна з трифазних просторових магнітних систем, що застосовується в трансформаторах І ічастково II габаритів. Вона складається з трьохстрічкових магнітних систем, складених під кутом 60 ° і скріплених стеклобандажною стрічкою. Кожна з них навита (намотана) безперервною (без стиків) електротехнічною стрічкою.

Щоб форма складеного стержня була близька до кола і в місцях стику. Так як навита магнітна система нероз'ємна, то обмотки за допомогою спеціальних верстатів доводиться намотувати («вмативать») безпосередньо на стрижні. У навитих магнітних систем перехід зі стрижнівв ярма плавний, що співпадає з напрямком магнітного потоку, тим самим виключаються додаткові втрати в місцях переходу стрижнів в ярма під прямим кутом при застосуванні анізотропної сталі. Крім того, процес складання трансформаторів з просторовими магнітними системами може бути повністю механізований. Однак, за раніше зазначених причин, вони знайшли застосування тільки в трансформаторах невеликої потужності.

Для спрощення конструкції і технології складально-розбірних операцій в трифазному трансформаторі застосовують головним чином плоску несиметричну магнітну систему (рис. 2.13 б). Вона складається з трьох стрижнів, розташованих в одній площині, і перекривають їх ярем - верхнього й нижнього. З рис. 2.13 б) видно, що довжина шляху A-Б магнітного потоку середнього стержня менше довжин шляху потоку крайніх стержнів. Асиметрія магнітної системи дещо позначається на значенні струмів холостого ходу окремих фаз.

Фазні обмотки на стержнях трифазної магнітної системи розміщуються так само, як і на однофазної, - концентрично соосно і з'єднуються в трифазні схеми.

Вартість виготовлення і монтажу одного трифазного трансформатора нижче вартості трьох однофазних на ту ж сумарну потужність. Сучасні силові трансформатори переважно мають трифазне виконання. Маса трифазного трансформатора на 30-35% менше маси трьох однофазних трансформаторів. Крім того, він економічніший в роботі і обслуговуванні.

Застосування в окремих випадках однофазних силових трансформаторів пояснюється тим, що одночасне пошкодження декількох фаз мало ймовірно. Тому досить мати один запасний однофазний трансформатор, щоб у разі аварії замінити пошкоджену фазу. Проте в даний час однофазні трансформатори застосовують тільки для дуже великих потужностей, де транспортування та встановлення трифазних трансформаторів, які мають великі маси і розміри, викликає значні труднощі.