Оренбург245041

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

1

1 - статор; 2 - ротор; 3 - вал; 4 - витки обмотки статора; 5 - витки обмотки ротора

Рисунок 8.5 - Схема устройства асинхронного двигателя: поперечный разрез (а); обмотка ротора (б)

В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вращающимся магнитным полем.

Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.

Роторы асинхронных двигателей изготавливаются двух видов: короткозамкнутые и с контактными кольцами. Первые из них проще по устройству и чаще применяются.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рис.8.5,б). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.

Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец.

8.3.3 Характеристики асинхронного двигателя. Скорость вращения вращающегося магнитного поля определяется либо угловой частотой , либо числом оборотов n в минуту. Эти две величины связаны

формулой

Характерной величиной является относительная скорость вращающегося магнитного поля, называемая скольжением S :

71

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

где p - угловая частота ротора, рад/с;

n p - число оборотов в минуту, об/мин.

Чем ближе скорость ротора n p к скорости вращающегося магнитного поля n p , тем меньше ЭДС, индуктируемые полем в роторе,

а следовательно, и токи в роторе.

Убывание токов уменьшает вращающий момент М вр ,

воздействующий на ротор, поэтому ротор двигателя должен вращаться медленнее вращающегося магнитного поля – асинхронно.

При увеличении механической нагрузки асинхронного двигателя тормозящий момент на валу становится больше вращающегося и скольжение S возрастает.

Увеличение скольжения вызывает возрастание ЭДС и токов в обмотке ротора, благодаря чему увеличивается вращающий момент

Мвр и восстанавливается динамическое равновесие вращающего М вр

итормозящего М т моментов:

М вр М т М

Таким образом, увеличение нагрузки асинхронного двигателя вызывает увеличение его скольжения.

У современных асинхронных двигателей скольжение даже при полной нагрузке невелико – около 0,04 (четыре процента) у малых и около 0,015…0,02 (полтора-два процента) у крупных двигателей.

Характерная кривая зависимости М от скольжения S показана на

в пределах которой вращающий момент уменьшается с ростом скольжения.

вращения, скольжение уменьшается, так что на этом участке работа асинхронного двигателя устойчива.

На участке от Sk до S 1 с уменьшением М т скорость вращения

увеличивается, скольжение уменьшается и вращающий момент увеличивается, что приводит к еще большему возрастанию скорости вращения, так что работа двигателя неустойчива.

Таким образом, пока тормозящий момент М т динамическое равновесие моментов автоматически восстанавливается.

72

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

момента M и двигатель останавливается вследствие преобладания тормозящего момента над вращающим.

Для практики большое значение имеет зависимость скорости двигателя n p от нагрузки на валу np F( M ). Эта зависимость носит

название механической характеристики (рис.8.6,б).

Как показывает кривая рисунка 8.6,б, скорость асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении вращающего момента в пределах от нуля до максимального значения М max . Такую

зависимость называют жесткой.

Рисунок 8.6 - Зависимость вращающего момента на валу асинхронного двигателя от скольжения (а) и механическая характеристика (б)

При перегрузке свыше максимального момента М max двигатель

входит в область неустойчивого режима и останавливается. Асинхронные двигатели получили широкое распространение

благодаря следующим достоинствам:

-простоте устройства;

-высокой надежности в эксплуатации;

-низкой стоимости.

Спомощью асинхронных двигателей приводятся в движение подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

К недостаткам асинхронных двигателей относятся:

-ток при пуске асинхронного двигателя в 5-7 раз превышает ток в

режиме мал М п (1,2....1,6 )М н ; - регулирование скорости вращения ротора затруднено.

8.4 Синхронные машины

8.4.1 Назначение и устройство синхронных машин. Синхронные машины используются в качестве:

- источников электрической энергии (генераторов);

73

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

-электродвигателей;

-синхронных компенсаторов.

Спомощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.

Синхронные генераторы приводятся во вращение:

-на тепловых электростанциях (ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и др.) с помощью паровых турбин и называются турбогенераторами;

-на гидроэлектростанциях (ГЭС) с помощью гидротурбин и называются

гидрогенераторами.

Синхронные генераторы применяются также в установках, требующих автономного источника электрической энергии (автомобильные электрические краны и др.).

Синхронная машина – электрическая машина, скорость вращения n которой находится в строго постоянном отношении к частоте f сети

синусоидального тока, с которой эта машина работает:

где p - число пар полюсов машины.

Синхронный компенсатор – синхронный двигатель, работающий вхолостую и дающий в сеть регулируемый реактивный ток, что дает возможность поддерживать высокий сosпромышленных установок,

заменяя громоздкие батареи конденсаторов.

Статор синхронной машины (рис.8.7) состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический магнитопровод 2. Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничевание, магнитопровод набирают из листов электротехнической стали. В пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка 3. В подшипниковых щитах расположены подшипники, несущие вал 4. На валу размещен цилиндрический магнитопровод 7 ротора, выполняемый из сплошной стали, в пазах которого уложена обмотка возбуждения (ОВ) 8, питаемая постоянным током через два изолированных друг от друга и от вала контактные кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка возбуждения с магнитопроводом ротора по существу являются электромагнитом. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1-3% от мощности всей машины.

На рисунке 8.7,а показана двухполюсная синхронная машина с неявновыраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин.

Синхронные машины с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т.д.) имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость.

74

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

Рисунок 8.7 - Устройство синхронной машины с неявновыраженными полюсами (а) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б)

На рисунке 8.7,б показан ротор четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами (1), которые изготовляют из отдельных стальных листов или реже цельными и закрепляют на ободе 2 ротора. Отдельные части обмотки возбуждения 3 соединены между собой так, что северные и южные полюсы чередуются.

8.4.2 Принципы действия синхронных машин. При подключении обмотки возбуждения синхронной машины к источнику постоянного тока эта обмотка порождает магнитное поле с амплитудным значением магнитного потока Фm (рис.8.7).

При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.

В результате этого в трех фазах обмотки статора будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 1200, т.е. в обмотках статора генерируется трехфазная симметричная система ЭДС.

Действующее значение Е и частота f синусоидальной ЭДС,

индуктируемой в одной фазе обмотки статора вращающимся магнитным полем определяются по формулам:

Е4,44 w f Фm ,

где w - число витков одной фазы обмотки статора.

fp n

60

где p - число пар полюсов магнитного поля ротора.

75

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

Для получения стандартной частоты 50 Гц синхронные генераторы изготавливаются с разными числами пар полюсов.

Турбогенераторы тепловых электростанций рассчитываются на скорость 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов ( p 1).

Скорость вращения гидрогенераторов определяется высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, так что генераторы имеют от шестидесяти до четырех пар полюсов.

8.4.3 Основные характеристики синхронных генераторов. Важнейшими характеристиками генераторов являются:

-характеристика холостого хода;

-внешняя характеристика;

-регулировочная характеристика.

Рисунок 8.8 – Характеристики синхронного генератора: холостого хода (а), внешняя (б) и регулировочная (в)

Характеристика холостого хода показывает, как зависит ЭДС Е (напряжение холостого хода U хх ) от тока возбуждения I в .

Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора от тока I через него (от тока нагрузки) при Iв const .

Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение на зажимах статорной обмотки генератора при изменении тока нагрузки I .

Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения I в при изменении тока нагрузки I , чтобы

поддерживать выходное напряжение генератора постоянным.

76

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

8.5 Машины постоянного тока

8.5.1Общие сведения. Машины постоянного тока (МПТ) широко применяются в различных областях техники. МПТ малой мощности применяются в системах автоматического регулирования для привода исполнительных механизмов и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей различных устройств. МПТ обратимы, т.е. могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн и т.д.

Двигатели постоянного тока имеют важное достоинство: плавное регулирование частоты вращения и получение больших пусковых моментов и благодаря чему широко применяются на транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Общим недостатком МПТ является сложность их конструкции, связанная со щеточно-коллекторным аппаратом, в котором возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Недостатком двигателей постоянного тока является также необходимость преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока, т.е. необходимость в источнике постоянного напряжения.

8.5.2Устройство машины постоянного тока. МПТ состоит из неподвижной и вращающейся частей. Неподвижная часть состоит из станины 1 (рисунок 8.9), на которой укреплены главные полюсы 2 для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для создания требуемого распределения магнитного потока.

Станина является ярмом машины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф . Она изготавливается из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы устанавливаются на станине между основными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые соединяются последовательно с якорем 3.

Якорем (ротором) называют часть машины, закрепленную на валу внутри статора, в обмотке которой при вращении ее относительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В машине постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах и коллектора 4, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

77

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

2

1

3

4

2

Рисунок 8.9 – Устройство машины постоянного тока

Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу, от которой они электрически изолируются. Траверса крепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

У всех электрических машин постоянного тока есть коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин. Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводами они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.

8.5.3 Режимы работы машины постоянного тока. Как и все электрические машины, машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ее якорь вращается первичным двигателем, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях под действием ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в замкнутой цепи якорь-приемник возникает ток (рисунок ), совпадающий с ЭДС по направлению.

78

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу генератора тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор преобразует механическую энергию

вэлектрическую.

Вдвигательном режиме цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. При этом ЭДС якоря противодействует току в цепи якоря и направлена ему навстречу (рисунок 8.10).

а) б)

Рисунок 8.10 – Условное графическое изображение двигателя (а) и генератора (б)

Возбуждение главного магнитного поля возможно с помощью либо электромагнитов, либо постоянных магнитов. Последнее менее распространено.

Все рабочие характеристики машин постоянного тока при работе, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой.

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения, имеющая wв витков, подключается к независимому источнику

электроэнергии (рисунок 8.11,а), благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Для этих машин характерна независимость главного потока от нагрузки машины.

У машин с параллельным возбуждением цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря (рисунок 8.11,б). В этом случае ток возбуждения I в во много раз меньше тока якоря (0,05-0,01), а

напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения ( rв U Iв )

должно быть относительно велико. Обмотка возбуждения машины параллельного во0збуждения имеет большое число витков wпар из

тонкого провода и, следовательно, значительное сопротивление. Для машин параллельного возбуждения, работающих в системе большой

79

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

мощности, характерно постоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.

Рисунок 8.11 – Схема включения обмотки возбуждения машин постоянного тока

У машин с последовательным возбуждением ток якоря I я равен

току обмотки возбуждения (рисунок 8.11,в), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока якоря в обмотке последовательного возбуждения велико, так что для получения необходимой МДС ( I я wпос ) обмотка может иметь малое число витков

wпос . Следовательно, сопротивление rв обмотки последовательного

возбуждения относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изменениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, т.е. и тока возбуждения.

В машинах со смешанных возбуждением на каждом полюсном сердечнике расположены две обмотки (рисунок 8.11,г). Одна из этих обмоток с числом витков wпар подключена параллельно якорю, вторая

обмотка с числом витков wпос – последовательно.

В зависимости от преобладания МДС, созданных последовательной или параллельной обмоткой возбуждения, машина по своим характеристикам может быть машиной последовательного или с небольшой параллельной обмоткой возбуждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения применяется согласное соединение, т.е. МДС двух обмоток складываются. Встречное соединение, при котором МДС обмоток имеют противоположное направление, применяется в немногих специальных случаях.

80