Электрические машины. Асинхронные двигатели трехфазного типа. Механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя.
Электрические машины.
Электрические машины – электромеханические устройства, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. В первом случае называются генераторами, во втором – двигателями. В большинстве случаев электрические машины обладают свойством обратимости.
Различают 3 основных типа электрических машин:
Машины переменного тока (синхронные, асинхронные)
Машины постоянного тока
Коллекторные машины
Все электрические машины состоят из двух частей:
Конструкционно: статор и ротор (статор неподвижная часть, ротор – подвижная)
По выполняемым функциям: индуктор и якорь. Якорь – часть электрической машины, в которой создается ЭДС. Индуктор (возбудитель) создает магнитное поле, которое возбуждает ЭДС в якоре. В синхронной и асинхронной машинах якорь – это статор, в коллекторных – ротор.
Асинхронные двигатели трехфазного типа.
Статор синхронного двигателя содержит три фазные обмотки, сдвинутые друг от друга на угол 2π/3.
iA=Imsinωt; iB= Imsin(ωt+2π/3); iC= Imsin(ωt+4π/3).
Протекающий по обмоткам переменный ток создает внутри статора переменное магнитное поле.
BA=BOAsinωt; BB= BOBsin(ωt+2π/3); BC= BOCsin(ωt+4π/3).
Поля обмоток накладываются друг на друга и образуют суммарное магнитное поле индукции В, сдвинутая относительно обмоток на угол α.
BОА=Bmcosα; BOB= Bmcos(2π/3-α); BOC= Bmcos(2π/3+α)
Угол α характеризует поворот магнитного поля за период t вектор B поворачивается на угол 2π.
B=BA+BB+BC=…=IBM/2·sin(ωt-α)
Роторы синхронного двигателя бывают 2-х типов: короткозамкнутые и фазные.
Обмотка короткозамкнутого ротора имеет вид беличьего колеса:
Переменное магнитное поле статора пересекает линии обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Ротор начинает вращаться. Асинхронный двигатель можно условно рассматривать в виде двух обмоточных трансформатора.
n0=60ν/P (P – число пар полюсов); S= (n0-n)/ n0.
Двигатель называется асинхронным, поскольку частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения…
n0 – синхронная скорость.
Механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя.
Механической характеристикой двигателя называется зависимость скорости вращения от вращательного момента.
M=[FA, 2r]; FA=IAlB.
Скольжение – величина, которая характеризует разницу между вращениями ротора и поля.
M=IAlB2r=IAФmC (С – конструкционная постоянная).
M=C·(EmФm)/ωl
Синхронные машины. Холостой ход синхронного генератора. Работа синхронного генератора под нагрузкой.
Синхронные машины.
Синхронная машина – электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, создаваемым статором. Конструкция статора синхронной машины не отличается от конструкции статора асинхронной машины. Ротор представляет собой электрический магнит постоянного тока. На его обмотку с помощью скользящих контактов подается постоянный ток возбуждения.
Есть явнополюсный и неявнополюсный роторы.
Неявнополюсные роторы исп-т в синхронной машине малой мощности и числом пар полюсов меньше 4.
Обмотка ротора питается генератором постоянного тока, называемый возбудителем, который может быть смонтирован на одном валу синхронной машины. Мощность необходимая для возбуждения равна 0,3 – 3% мощности синхронного генератора.
При вращении ротора магнитный поток возбуждения наводит ЭДС в обмотке статора. Величина ЭДС пропорциональна частоте вращения. Если к обмотке статора присоединить нагрузку, то ток, протекающий по ней, будет создавать вращения.
Холостой ход синхронного генератора.
Режим работы синхронного генератора, при котором ток в обмотке равен 0 называется холостым ходом. В этом режиме магнитный поток создается током возбуждения. Пересекая линии обмотки статора, он наводит в них ЭДС.
E0=2π/(корень из 2)f1wKоб.я.ФВ; (f1 – частота вращения ротора; w – число витков ротора; Kоб.я. – обмоточный коэффициент якоря.)
По мере возрастания магнитного потока происходит насыщение магнитопровода и увеличение сопротивления.
Работа синхронного генератора под нагрузкой.
В данном режиме при симметричной нагрузке в фазных обмотках проходят одинаковые обмотки, сдвинутые друг относительно друга.
Они создают магнитное поле, которое вращается относительно якоря в ту же сторону и с той же частотой, что и поле обмотки возбуждения. Обмотные потоки взаимно неподвижны.
Реальная нагрузка синхронного генератора. Внешняя (нагрузочная) характеристика. Регулировочная характеристика. Электромагнитный момент синхронной машины. Угловая характеристика синхронной машины. КПД синхронного двигателя.
Реальная нагрузка синхронного генератора.
Реальная нагрузка – активная индуктивная нагрузка.
ZN=R+jXL=R+jwL.
Основной трудностью функционирования синхронного генератора является наличие реакции якоря.
Полный магнитный поток: Ф=ФВ+ФЯ+ФРА – магнитный поток рассеяния в воздушном зазоре.
U=EB-jI(XЯ+XPA)= EB- jI Xст
XЯ – магнитное сопротивление якоря; XPA – сопротивление, связанное с воздушным зазором; Xст – синхронное сопротивление статора (якоря).
θ – угол нагрузки; Ои – характеризует угол между ФВ и ФЯ.
Внешняя (нагрузочная) характеристика.
jXС+ R, φ<0 активная емкостная;
R, φ=0 активная
jXL+ R, φ>0 активная индуктивная
U0 – направление якоря в режиме холостого хода.
Регулировочная характеристика.
L, R – активная индуктивная
R - активная
R, С – активная емкостная
Таким образом, для сохранения номинального режима работы генератора в случае 1 и 2 необходимо увеличить ток возбуждения, в 3 случае – уменьшить.
Электромагнитный момент синхронной машины.
EB= U+ jXСТY
Найдем электромагнитный момент синхронной машины из условия равновесия мощности генератора, который потребляет электромагнитную энергию за счет вращения ротора.
МЭЛw=UIcosφ
МЭЛ= (UIcosφ)/w=(UEBsinθ)/wXCT=MMAXsinθ
Чем больше угол нагрузки, тем больше вращательный момент.
Угловая характеристика синхронной машины.
U=const; IB=const; w=const; -π/2<θ<π/2 – рабочий режим.
КПД синхронного двигателя.
η=(3UIcosφ)/ 3UIcosφ+Рпост.+Рпер.
Рпост. – потери механические встали на Гистерезис и вихревые токи.