2. Принцип роботи полягає у тому, що трифазний струм обмотки статора створює обертове магнітне поле, яке обертається з частотою

де: - частота обертання магнітного поля,

: ₁ - частота струму в обмотці статора,

- кількість пар полюсів

Існують таки частоти обертання магнітного поля.

р	1	2	3	4
n1, об/мин	3 000	1500	1000	750

Обертове магнітне поле перетинає провідники обмотки ротора і наводить у них ЕРС E₁ та E₂

.

- обмотувальні коефіцієнти

.

Під дією ЕРС E₂ в замкненій обмотці ротора потече струм I₂ . Взаємодія обертового магнітного поля із струмом у роторі, створює обертальний момент і ротор почне обертатися у той же бік, що і магнітне поле , але із частотою обертання n₂, яка менше за n₁Тому двигуни цього типу називаються асинхронними. .

3. Відносне відставання частоти обертання магнітного поля від частоти обертання ротора називається ковзанням. _.

Під час запуску АД частота обертання ротора =0, ковзання =1. Якщо ротор набирає обертів , тобто збільшується, - зменшується. І якщо ротор догнав би магнітне поле = , то ковзання дорівнювало 0

Ковзання асинхронного двигуна змінюється від 1, коли ротор нерухомий, до 0, коли ротор обертається зі швидкістю поля.

Залежність параметрів АД від ковзання..

Частота обертання магнітного поля статора.

відкіля частота струму і мережі

1.Частота обертання ротора відносно частоти обертання магнітного поля називається частотою ковзання

Частота струму і ЕРС в обмотці ротора.

  =

        

2.  Обертальне магнітне поле індукує в обмотці статора і в нерухомій обмотці ротора електрорушійні сили .

де - обмотувальні коефіцієнти обмоток статора і ротора.

Ф_m- максимальне значення основного магнітного потоку, що зчеплений з обмотками

статора і ротора. .

- число витків обмоток статора і ротора.

- частота напруги в мережі.

ЕРС в обмотках обертального ротора.     

3. Реактивний опір обмоток статора і нерухомого ротора

Реактивний опір обмотки рухомого ротора

s

4. Струм в обмотці нерухомого ротора

Струм в обмотці рухомого ротора

де . - активний опір обмотки ротора

= реактивний опір обмотки ротора

4. Обертальний момент асинхронного двигуна.

Обертальний момент М асинхронного двигуна пропорційний Магнітному потоку та активній складовій струму ротора.

М = к ФI₂ соs ψ₂.

де к – стала величина, яка залежить від конструктивних даних двигуна.

На рис.10.4.приведена схема включення АД з короткозамкненим ротором.

При включенні рубильника струм ротора - пусковий буде спочатку максимальним, так як ЕРС нерухомого ротора найбільша .Однак же пусковий обертальний момент оказується у 2-2,5 разів менше максимального. Причина цього у тому, що при пуску =(8-10) і кут між та наближається до 90⁰, а тому активна складова струму у роторі I₂ соs ψ₂. мала.. У сучасних АД кратність пускового моменту М_п/М =1-1,5 при кратності пускового струму І_п/І=4,6-6,5.

Рис.7.4

У процесі пуску двигуна по мірі збільшення частоти обертання ротора зменшується ковзання s та ЕРС що приводе до зменшення струму ротора , але індуктивний опір ротора також зменшується, то при незмінному активному опору ротора , кут зсуву фаз також зменшується, а активна складова струму ротора I₂ соs ψ₂. росте.. Тому росте і обертальний момент М.

Так продовжується до тих пір поки не стане рівним ..Прямокутний трикутник спадів напруг стане рівнобедреним =. .Активна складова струму у роторі найбільша, а тому максимальним буде обертальний момент. М = Мм

При подальшому збільшенню частоти обертання п₂ опір становиться менше за і останній оказує більший вплив, так що при зменшенні , буде зменшуватися також I₂ соs ψ_2, а значить і момент М.

Як бачимо, обертальний момент є функція ковзання М =f (s) при U=const. Номінальний момент розвивається при номінальному ковзанні. S_н = 0,02 - 0,06.При ковзанні s =1 двигун розвиває пусковий момент. М_п.

Відомо, що магнітний потік Ф пропорційний напрузі U₁, а М = к ФI₂ соs ψ₂. , а так як

I₂ соs ψ₂~ ~Ф~ U_1, то

М ~ U₁².

Таким чином обертальний момент двигуна пропорційний квадрату напруги мережі.. Ця залежність має велике значення для експлуатації асинхронних двигунів., так як спад напруги в мережі , наприклад до 0,8 U₁ викликає зменшення максимального моменту до М_м =0,64 М_м .і двигун не зможе подолати незначні перевантаження, тобто зупиниться.

. Механічні характеристики АД

Залежність частоти обертання ротора від мамонта на його валу n₂ =f(M) при U=const та f=const називається механічною характеристикою

. рис.7. 4

Крива 1, яка знята при замкнутому накоротко роторі, тобто при R_дод.=0 називається натуральною характеристикою. Ця характеристика жорстка, як у двигуна постійного струму паралельного збудження

Крива 2 називається штучною характеристикою. Ця характеристика більш м’яка, ніж перша і отримується при включенні додаткового опора у коло ротора з фазною обмоткою, що використовується для регулювання частоти обертання двигуна ( кранові та під”ємні пристрої).. .

Однофазні асинхронні двигуни

Живлення однофазних двигунів здійснюється від однофазної мережі змінного струму. Тому, як відомо , на статорі вони мають однофазну робочу обмотку. Там же розміщується і допоміжна пускова обмотка, котра підключається до мережі тільки на час пуску двигуна.

Однофазний асинхронний двигун може бути одержаний із трифазного, якщо одну фазу від'єднати від мережі, а дві, які лишилися, з'єднати або послідовно, або паралельно. При цьому потужність двигуна зменшується на 30 - 40%.

Розглянемо роботу однофазного двигуна при вимкнутій пусковій обмотці.

При підключені двигуна до мережі однофазного струму статорна обмотка створює пульсуюче магнітне поле з амплітудою Фм. Цей потік може бути розкладений на два потоки Ф_A та Фв, які обертаються в протилежні боки з постійною амплітудою, кожен з яких дорівнює Фм / 2 та обертається зі швидкістю . Індуковані в обмотці ротора двома полями статора, що обертаються, струми створюють рівні та взаємно протилежні обертаючи моменти. Внаслідок чого результуючий момент, який обертається дорівнює нулю, і двигун не може рушити з місця навіть при відсутності гальмівного моменту на валу.

Якщо привести ротор двигуна у рух в який-небудь бік, наприклад, за годинниковою стрілкою, то він буде обертатися та розвивати обертаючий момент. Те поле, яке обертається в одному напрямку з ротором, є прямим, інше -зворотнім.

Пряме поле Ф_A індуковане в обмотці ротора ЕРС E_2sA , під дією якої тече струм, що має частоту де s_A - ковзання ротора відносно прямого поля Ф_A, визначаємо з виразу

де s_A - ковзання ротора відносно прямого поля Ф_A, визначаємо з виразу

Отже при частоті мережі f₁ = 50 Гц частота струму в роторі від прямого поля складає

1÷4 Гц

За відношенням до зворотного поля Ф_В ротор буде мати відносну швидкість, яка дорівнює сумі швидкостей поля та ротора. Через це поле Ф_В індукує в обмотці ротора струм ЕРС E_2sВ, під дією якڏφφї тече струм, що має частоту

=

де s_В - ковзання ротора відносно зворотного поля Фв, визначаємо з виразу

він звичайно складає 1,98 - 1,92. Отже, частота струму у роторі від зворотного поля

Індуктивний опір обмотки ротора від прямого поля - менший, а від зворотного - у багато разів більше його активного. Струм ротора І₂ від прямого поля майже збігається за фазою з ЕРС E_2sА ( cos φ₂ » 0.8 ), у той же час від зворотного поля він майже реактивний

( cos φ ₂ » 0.1 ).

Таким чином, момент, створений прямим полем та спрямований у бік обертання ротора, згідно з мал. 6, буде позитивним ( М_А= ), а момент, створений зворотним полем, - гальмівним (М_В= ).

Крива зміни моменту M_A в функції ковзання має такий же характер, як і в трифазному асинхронному двигуні. Момент М_В і з збільшенням ковзання ( збільшенням частоти f_2В ) буде зменшуватися.

Результуючий момент М= M_A+ М_В відображено на рис.7.5..

 

Рис.7,5..

Таким чином, двигун з однією обмоткою на статорі при безпосередньому вмиканні в мережу має Мn = 0. Тому двигун повинен бути з додатковим пристосуванням для пуску, який давав би йому можливість запускатися не тільки вхолосту, але і при навантаженні.

Для створення пускового моменту на статорі однофазного двигуна розміщують додаткову пускову обмотку, яку розташовують під кутом 90° до основної. При зсуві за фазою струму додаткової обмотки по відношенню до струму основної створюється магнітне поле, яке обертається ( у більшості еліптичне ), та виникає пусковий момент (створення магнітного поля описано нижче). Звичайно основна обмотка А (мал. 12) безпосередньо приєднується до мережі. Пускова (додаткова) обмотка В приєднується до мережі через ємність, котра зсуває струм у обмотці на 90°. Такі однофазні двигуни, у яких у коло обмотки статора ввімкнена ємність, називаються конденсаторними. Конденсаторні двигуни потужністю до 1000 Вт виконуються з пусковою ємністю, з пусковою та робочою чи тільки з постійно ввімкнутою робочою ємністю.

Окрім однофазних конденсаторних двигунів існують двигуни з коротко замкненими витками та явно вираженими полюсами. Ці двигуни відрізняються простотою конструкції. Статорна обмотка робиться у вигляді котушок, які надівають на нерухомі полюси. На кожному полюсі є паз, який ділить полюсний наконечник на дві нерівні частини. Менша частина полюсного наконечника екранується короткозамкнутим витком. Магнітний потік в екранованій ділянці полюса відстає по фазі від основного, внаслідок чого створюється еліптичне магнітне поле, яке обертається.

Двигуни з екранованим полюсом можуть довго знаходитись під напругою при загальмованому роторі та не боятися частих пусків й раптових зупинок. Звичайно такі двигуни виконуються потужністю 0,5 - 30 Вт і використовуються у тому випадку, коли пусковий момент не перевищує 0,2 - 0,6 номінального

Лекція 9

Тема : Синхронні машини, їх призначення.

План

1. Поняття синхронні машини, його будова.

2. Принцип роботи синхронної машини в режимі генератора.

3. Синхронний двугун.

На сучасних електростанціях для отримання електричної енергії застосовуються синхронні генератори. Синхронні двигуни використовуються і якості приводів механізмів, які потребують незмінну частоту обертання незалежно від моменту на валу

Синхронні машини – це машини к яких частота обертання магнітного поля і частота обертання ротора однакові, тобто п₁=п₂

Синхронні машини складаються з нерухомого статора и обертаючого ротора.

Обмотка статора виконується аналогічно обмотки статора асинхронного двигуна. А ротор несе на собі полюси. В залежності від будови ротора синхронні машини поділяються на

1. Синхронні машини з явними полюсами.

2. Синхронні машини з неявними полюсами.

2. Принцип роботи синхронної машини в режимі генератора.

На обмотку ротора подається постійний струм І_зб Виникає магнітне поле, яке характеризується постійним магнітним потоком Ф_м. Ротор приводиться до обертання паровою або гідравлічною турбіною. Разом з ним з незмінною частотою обертання обертається магнітний потік. Він перетинає трифазну обмотку статора і в фазах утворюються ЕРС Е_А, Е_В, Е_С.

Якщо до обмотки статора підключити опори, то під дією ЕРС в обмотці статора потечуть струми І_А, І_В, І_С. , які утворюють обертальний магнітний потік, що обертається з частотою яка дорівнює частоті обертання ротора.

Синхронні генератори класифікуються в залежності від первинного двигуна.

Якщо первинним двигуном є парова турбіна, то генератор називається – турбогенератор.

Якщо первинним двигуном є гідравлічна турбіна, то генератор називається – гідрогенератор.

Якщо первинним двигуном є двигун внутрішнього згорання , то генератор називається –дизель-генератор.

Якщо первинним двигуном електричний двигун, то генератор називається – електроагрегат.

Характеристика холостого ходу при та І=0 і зовнішня характеристика при f=const cosφ=const- подібні таким же характеристикам генератора постійного струму з незалежним збудженням.. Однак процентне зменшення напруги

у синхронних генераторів досягає (20÷40)

Це пов’язано з тим, що потік реакції якоря Ф_Я при відстаючому струмі замикається частково вдовж полюсу назустріч потоку Ф_зб. Тому відбувається сильне зменшення результуючого потоку. Ф= Ф_Я - Ф_зб.. і зменшення ЕРС , атому і напруги ..

Рис.7.6 Схема синхронноі машини:

Принцип роботи в режимі двигуна.

3 . Синхронний двигун, як і будь який двигун перетворює електричну енергію в механічну. Вони застосовуються для приводів механізмів, які працюють при постійній швидкості, наприклад, насосів, повітродувок, з успіхом замінюють асинхронні двигуни при потужностях в сотні і тисячі кіловат. При здатності до перевантажень М_и/ М_н= 1,8÷2,5 синхронні двигуни мають цінні якості працювати з cosφ=1

На обмотку статора подметься трифазний струм виникає обертальне магнітне поле. На обмотку ротора подасться струм збудження (постійний) виникає незмінне магнітне поле. Ці два поля вступають в взаємодію, в наслідок чого виникає обертальний момент, який діє на ротор, але змінюється двічі за період, тому синхронний двигун буде нерухомим.

. Для запуску двигуна крім обмотки збудження у полюсних наконечниках ротора закладена короткозамкнена обмотка , як у асинхронного двигуна.

Перед пуском обмотка збудження замикається на резистор за допомогою перемикача., а статор підключається рубильником до мережі. Обертаюче магнітне поле статора наводить струми у короткозамкненій обмотці ротора і розгорює ротор до частоти обертання п₂≈.п₁. .Для того щоб ротор почав обертатися з частотою п₁. , тобто синхронно , треба встановити в обмотці ротора постійний струм .Для цього ножі перемикача перекидають на затискачі збудника .і ротор автоматично входе в синхронізм, після чого двигун можна навантажувати. Векторна діаграма двигуна показана на рис. 7.6.

Обертальний потік ротора індукує в обмотці статора проти-ЕРС Е₁. Якщо знехтувати активним опором обмотки, вважаючи. то . (рис.10.6.а)

Пи холостому ході потужність дорівнює дуже мали і дорівнюють втратам холостого ходу двигуна. Струм холостого ходу активний дуже малий, а. , при відповідному збудженні може дорівнювати одиниці.. При рості навантаження на валу двигуна струм збільшується до значення , залишаючись активним.

Якщо збільшити струм збудження .(рис.10.6.б), то потік Ф_{зб р}осте і ЕРС також збільшується до значення . Тоді в обмотці статора з’явиться додатковий струм

, який є реактивним, так як опір обмотки статора Струм відстає від на кут і випереджає напругу на , а підсумковий струм двигуна випереджає напругу на кут .

Дуже часто встановлюється режим синхронного компенсатора, коли двигун працює без навантаження на валу, але з випереджаючим струмом (рис.10.6.б),. Якщо така машина включена в мережу з індуктивним навантаженням, то вона працює як конденсатор, здійснюючі в мережі умови, які наближаються до тих, коли виникає резонанс струмів.

У порівняні з конденсаторами, які також застосовуються для підвищення мережі Синхронні компенсатори допускають регулювання випереджаючого струму, але втрат потужності в них більше, ніж в конденсаторах, крім того вони потребують обслуговування.

При малих потужностях, які не перебільшують сотень ват синхронні двигуни будуються без обмотки збудження. Вони називаються реактивними синхронними двигунами и застосовуються для приводу механізмів, які потребують пості1ну частоту обертання (звукове кіно, телемеханіка)