Будова машини постійного струму
Будова генераторів і двигунів постійного струму однакова (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Схема машини постійного струму
Нерухома частина машини, яка називається статором (індуктором), складається з циліндричної станини (ярма) 1, до якої болтами кріпляться головні полюси 2 і додаткові полюси 3. Для зменшення магнітних втрат (втрат потужності від вихрових струмів і на перемагнічування) головні полюси виготовляються з окремих стальних пластин. Додаткові полюси виготовляються суцільними або також набираються з пластин. На сердечниках головних полюсів розміщені котушки обмоток збудження 4, на додаткових полюсах – котушки 5 обмоток додаткових полюсів [1–4].
До ярма з обох торців болтами кріпляться підшипникові щити, в яких розташовані підшипники, що несуть вал 6 обертової частини машини, яка називається якорем. На валу закріплене осердя 7 якоря, який для зменшення магнітних втрат набирається з ізольованих одна від одної сталевих пластин. В пазах, розташованих на поверхні сердечника якоря, укладена обмотка 8. Обмотки якоря, збудження і додаткових полюсів виготовляють з мідних ізольованих проводів. Обмотка якоря складається з секцій, кінці яких приєднуються до розташованого на валу колектора 9.
Колектор – це циліндр, що складається з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала. До колектора за допомогою пружин притискаються графітні або вуглеграфітні, або металографітні щітки 10. Вони розташовані в щіткотримачах, закріплених на траверсі.
Обмотка збудження машини живиться постійним струмом і призначена для створення основного магнітного поля, показаного на рис. 2.1 умовно за допомогою двох ліній магнітної індукції (зображені штриховою лінією).
Головні полюси закінчуються полюсними наконечниками 11, що призначені для отримання на більшій частині окружності якоря однакового повітряного зазору між сердечником якоря і головними полюсами.
Додаткові полюси призначені для зменшення іскріння під щітками.
За допомогою колектора і щіток обертова обмотка якоря з'єднується з зовнішнім електричним колом. Про інші важливі призначення колектора і щіток буде сказано далі.
На рис. 2.1 показана машина постійного струму з двома головними полюсами. В залежності від потужності і напруги машини постійного струму можуть мати і більшу кількість полюсів. При цьому відповідно збільшується кількість комплектів щіток і додаткових полюсів. Кріплення машини до фундаменту або металоконструкції здійснюється за допомогою лап 12.
Принцип дії генератора
Основним типом машин постійного струму є колекторний тип з електромагнітним збудженням. В них основний магнітний потік Ф0 створюється постійним струмом, що протікає по обмотці збудження, яка розташована на головних полюсах [1–4].
Розглянемо принцип роботи генератора постійного струму на прикладі найпростішої колекторної машини з електромагнітним збудженням, обмотка якоря якої складається лише з одного витка (рис. 2.2).
Рисунок 2.2 – Найпростіша машина постійного струму
Між двома полюсами електромагніту розміщений якір, що є сталевим циліндром. На якорі розташована обмотка у вигляді витка авсd, кінці якої приєднані до двох пластин (півкілець), закріплених на валу й ізольованих одна від одної. Ці пластини утворюють колектор. До півкілець дотикаються щітки А та В, до яких приєднане навантаження генератора Rнав. Якір обертається під дією механічної сили первинного двигуна, наприклад турбіни, двигуна внутрішнього згоряння або електродвигуна. Колектор обертається разом з валом, а щітки А та В залишаються нерухомими.
Полярність полюсів електромагніту (головних полюсів машини) залежить від напрямку струму в обмотці збудження і може бути визначена за допомогою правої руки: якщо долоню правої руки покласти на котушку збудження таким чином, щоб чотири пальці співпадали з напрямком струму у витках котушки, тоді відігнутий у площині долоні на 90 великий палець покаже напрямок магнітних силових ліній поля, створеного струмом котушки [1]. Відповідно до цього правила верхній полюс на рис. 2.2 є північним (N), а нижній – південним (S). Незалежно від числа полюсів машини їх полярність завжди чергується, тобто за полюсом N завжди буде полюс S. Силові лінії поля (лінії магнітної індукції) виходять з північного полюса, пронизують якір і входять у південний, двічі перетинаючи при цьому повітряний зазор. Далі вони замикаються по ярму машини (на рис. 2.2 не показано). Припустимо, що якір обертається проти руху годинникової стрілки з кутовою швидкістю [рад/с]. При цьому сторони ав і cd витка перетинають силові лінії поля і в них, відповідно до закону електромагнітної індукції, індукується електрорушійна сила (ЕРС). Напрямок цієї ЕРС визначається правилом правої руки: якщо долоню правої руки розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий у площині долоні на 90 великий палець збігався з напрямком руху провідника, то чотири витягнутих пальці покажуть напрямок індукованої у провіднику ЕРС. На рис. 2.2 напрямок ЕРС у провідниках ав і cd показаний стрілками.
Миттєве значення ЕРС для одного провідника обмотки визначається за формулою
(2.1)
де В – індукція в повітряному зазорі від основного магнітного поля в точці, де знаходиться провідник;
l – активна довжина провідника, що перетинає силові лінії поля;
– лінійна швидкість руху провідника:
,
(2.2)
де Da – діаметр якоря, м;
n – частота обертання якоря, об/хв.
Кутову швидкість обертання можна виразити через частоту обертання:
(2.3)
В обох провідниках внаслідок симетрії індукуються однакові ЕРС, які по контуру витка додаються, і тому повна ЕРС якоря найпростішої машини становить
(2.4)
Активна довжина провідника – величина незмінна. Якщо швидкість руху якоря в процесі роботи генератора залишається незмінною, тоді l = const. Тому величина і напрямок ЕРC епр визначається винятково значенням магнітної індукції В. Але розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини в різних місцях по окружності якоря нерівномірний: під серединою полюсів В має максимальні значення (під північним полюсом – позитивне, під південним – негативне), ближче до країв полюсів індукція зменшується (рис. 2.3). Лінія О1О2, яка розділяє зони магнітних полюсів і проходить через центр якоря, називається геометричною нейтраллю. Магнітна індукція на геометричній нейтралі дорівнює нулю.
В процесі роботи генератора якір обертається і провідники його обмотки по черзі займають в магнітному полі положення з різними значеннями магнітної індукції. Тому в обмотці якоря наводиться змінна ЕРС. При цьому графік зміни ЕРС у функції часу відповідає діаграмі розподілу магнітної індукціїВ в повітряному зазорі (див. рис. 2.3). Так, наприклад, при синусоїдному характері розподілу магнітної індукції ЕРС струм в обмотці якоря також буде синусоїдним. Якби в машині не було колектора (замість півкілець були б два кільця), то струм у зовнішньому колі генератора був би змінним. За допомогою колектора та щіток А і В змінний струм обмотки якоря перетворюється в пульсуючий, тобто незмінний за напрямом струм.
Рисунок 2.3 – Розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини
При зображеному на рис. 2.2 положенні витка abcd струм у зовнішньому колі генератора направлений від щітки А до щітки В, тобто щітка А має позитивну полярність, а щітка В – негативну. При повороті якоря на 1800 напрями ЕРС у провідниках і струму у витку зміняться на зворотні. Однак полярність щіток, а отже, і напрям струму в зовнішньому колі залишаються незмінними. Пояснюється це тим, що в той момент, коли струм у витку змінює свій напрям, відбувається зміна колекторних пластин під щітками. Таким чином, під щіткою А завжди знаходиться пластина, що з'єднується з провідником, розташованим під північним полюсом, а під щіткою В – пластина, з'єднана з провідником, розташованим під південним полюсом. В результаті полярність щіток при роботі генератора залишається незмінною незалежно від положення витка в магнітному полі. Тому і напрям струму в зовнішньому колі незмінний, хоча величина його змінюється, тому що при положенні провідників обмотки під серединою полюсів струм має максимальне значення, а при їхньому положенні на геометричній нейтралі струм дорівнює нулю. Це ілюструє рис. 2.4 а, на якому показані різні положення якоря генератора за один оберт, і рис. 2.4 б, в, на яких зображені графіки ЕРС і струму в обмотці якоря (рис. 2.4, б) і ЕРС і струму на щітках і в зовнішньому колі (рис. 2.4, в) [1].
Рисунок 2.4 – Процес комутації (а) та криві ЕРС і струму найпростішої машини в колі якоря (б) і в зовнішньому колі (в)
Таким чином, у генераторі постійного струму за допомогою колектора змінний струм в обмотці якоря перетворюється в пульсуючий струм у зовнішній ділянці кола.
Щоб зменшити пульсації й отримати практично постійний за величиною струм у зовнішньому колі, на якорі розташовують обмотку, що складається з декількох десятків витків (секцій). В процесі роботи генератора на холостому ході, коли струм в колі якоря відсутній (Іа = 0), в його обмотці від основного магнітного поля індукується ЕРС, діюче значення якої визначається за формулою
(2.5)
де се – конструктивна стала машини:
,
(2.6)
де р – число пар полюсів;
N – число активних провідників обмотки якоря;
а – кількість паралельних віток обмотки якоря.
Формулу для ЕРС можна представити в іншому вигляді:
(2.7)
де
(2.8)
В режимі холостого ходу напруга генератора на затискачах якоря U0 = Е0. При роботі генератора в режимі навантаження (Іа 0) його вихідна напруга U менша ЕРС Е на величину спаду напруги в якірному колі:
(2.9)
де Ra – повний опір якірного кола, який складається з власного опору обмотки якоря Ra, опору додаткових полюсів Rд.п., опору компенсаційної обмотки Rк.о. та опору щітково-колекторного переходу Rщ.
Якір генератора приводиться в обертання первинним двигуном, який створює на валу генератора обертовий момент Μ (рис. 2.5).
Рисунок 2.5 – Процес створення обертового моменту в генераторі постійного струму
Якщо генератор працює в режимі холостого ходу (1а = 0), для обертання його якоря потрібен невеликий момент, який називається моментом холостого ходу. Він витрачається на подолання сил тертя в підшипниках, тертя щіток з колектором, тертя частин, що обертаються, з опором повітрям.
В режимі навантаження в провідниках обмотки якоря під дією ЕРС виникає струм іа. Оскільки ці провідники зі струмом знаходяться в магнітному полі, то відповідно до закону Ампера на них діють механічні сили, що залежать від величини індукції в повітряному зазорі в місці розташування провідникаВ, довжини провідника l і струму в ньому іа:
(2.10)
Напрям сили визначається правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб силові лінії поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, то відігнутий у площині долоні на 90 великий палець покаже напрям механічної сили, яка діє на провідник (див. рис. 2.5). Такі сили діють на всі провідники обмотки якоря, що в результаті створює електромагнітний момент М, спрямований назустріч моментові первинного двигуна й напряму обертання якоря, тобто є гальмівним моментом. Саме ця властивість генератора і дозволяє використовувати його як навантажувальний пристрій на валу двигуна. Величина електромагнітного моменту може бути знайдена з виразів
(2.11)
(2.12)
де Dа – зовнішній діаметр якоря.
З формули (2.12) видно, що, змінюючи величину магнітного потоку полюсів регулюванням струму збудження генератора і зміною струму якоря (струму навантаження), можна змінювати величину моменту генератора, а отже, і величину моменту навантаження на валу двигуна.
Напрям ЕРС в обмотці якоря, полярність щіток, напрям напруги і струму в зовнішньому колі генератора можна змінити одним із двох способів:
1) зміною напряму магнітного поля головних полюсів (зміною їхньої полярності). Для цього змінюють напрям струму в обмотці збудження, змінюючи полярність підведеної до неї напруги;
2) зміною напряму обертання якоря генератора за допомогою приводного двигуна.
На практиці здебільшого використовується перший спосіб.
2.5 Класифікація генераторів за способом збудження
Для нормальної роботи генератора в ньому повинно бути створене основне магнітне поле, для чого обмотка збудження генератора повинна бути підключена до джерела постійної напруги. Властивості генераторів постійного струму залежать від числа і способу підключення обмоток збудження або, як говорять, від способу збудження генераторів. Залежно від способу збудження розрізняють генератори з незалежним збудженням та з самозбудженням.
Генератори з незалежним збудженням виконуються з електромагнітним і магнітоелектричним збудженням.
У генераторів з електромагнітним збудженням обмотка збудження F1–F2, розташована на головних полюсах, підключається до незалежного джерела живлення (рис. 2.10); в цьому випадку обмотка збудження називається незалежною обмоткою збудження (НОЗ). Струм кола збудження Із може змінюватися в широких межах за допомогою резистора Rз. Потужність, споживана обмоткою збудження, невелика й у номінальному режимі складає 1–5% номінальної потужності, що знімається з якоря генератора. Звичайно, процентне значення потужності збудження зменшується із зростанням номінальної потужності машини.
Рисунок 2.10 – Схема генератора з незалежним збудженням
Номінальна напруга обмотки збудження генератора вибирається рівною або (інколи) меншою номінальної напруги обмотки якоря А1–А2. Для зменшення іскріння щіток в коло якоря послідовно з обмоткою якоря вмикається обмотка додаткових полюсів (ОДП) В1–В2.
Магнітоелектричні генератори збуджуються постійними магнітами, з яких виготовляються полюси машини. З таким способом збудження виконуються генератори переважно невеликої потужності. Недоліком генераторів з магнітоелектричним збудженням є трудність регулювання напруги.
У генераторів із самозбудженням обмотка збудження отримує живлення від власного якоря. Залежно від способу її вмикання генератори із самозбудженням підрозділяються на генератори з паралельним, послідовним і змішаним збудженням.
Схема з’єднання генератора з паралельним збудженням показана на рис. 2.11.
Рисунок 2.11 – Схема генератора з паралельним збудженням
Коло обмотки збудження Е1–Е2 вмикають паралельно якорю, від якого вона і отримує живлення; в цьому випадку обмотку збудження називають паралельною обмоткою збудження або шунтовою (ШОЗ), яку розраховують на напругу якоря.
Резистор Rз дає можливість змінювати струм збудження Із, а отже, і вихідну напругу U. Струм якоряІа у такого генератора дорівнює сумі
(2.21)
де І – струм навантаження.
Струм збудження відносно малий і для номінального режиму складає 1–5% номінального струму машини.
У генератора з послідовним збудженням (рис. 2.12) обмотка збудження з’єднується послідовно з якорем; в цьому випадку обмотку збудження називають послідовною обмоткою збудження або серієсною (СОЗ). Її струм збудження дорівнює струму якоря:
(2.22)
Рисунок 2.12 – Схема генератора з послідовним збудженням
У генераторів із змішаним збудженням (рис. 2.13) на полюсах розміщають дві обмотки. Одна з них має велике число витків і виконана з провідників відносно невеликого перерізу – вмикається паралельно якорю, а інша обмотка з малим числом провідників великого перерізу – вмикається послідовно з якорем.
Рисунок 2.13 – Схема генератора із змішаним збудженням
Струм якоря такого генератора
(2.23)
В цих генераторів паралельна і послідовна обмотки можуть бути увімкнені узгоджено (магніторушійні сили цих обмоток направлені узгоджено) і зустрічно (їхні магніторушійні сили спрямовані зустрічно). В залежності від цього розрізняють генератори змішаного узгодженого вмикання і генератори змішаного зустрічного вмикання.
В основному в генераторах із змішаним збудженням основна частина магніторушійної сили збудження створюється паралельною обмоткою.
Генератори із паралельним, послідовним і змішаним збудженням називають відповідно генераторами шунтового, серієсного і компаундного збудження.
Номінальна потужність, яка споживається обмоткою збудження, визначається з виразу
(2.24)
а вихідна номінальна потужність генератора –
(2.25)
Машини змінного струму |
|
Асинхронні машини 1. Будова та принцип дії. 2. Обертове магнітне поле 3. Робочі характеристики асинхронного двигуна. 4. Регулювання швидкості обертання ротора 5. Пуск асинхронного двигуна. 6. Асинхронний генератор. 7. Однофазні асинхронні двигуни 1.Будова та принцип дії. Трифазні асинхронні машини були розроблені у 1888 р. М.О. Доліво-Добровольським. Асинхронна машина — це машина змінного струму, в котрій збуджується обертове магнітне поле. Ротор обертається асинхронне, тобто із швидкістю, що відрізняється від швидкості поля. Асинхронні машини принципово можуть бути генераторами або двигунами. Характеристики асинхронних двигунів дуже добрі, і вони широко застосовуються в техниці. Асинхронні генератори практично не використовуються, тому що мають дуже низькі експлуатаційні якості.
Асинхронна машина складається із статора і ротора. Статор має шихтоване осердя, у пазах якого розташована трифазна обмотка. У найпростішому випадку вона складається із трьох котушок, що зсунуті одна до одної на 120°. Ротор буває двох типів: — короткозамкнений; — фазний.
Короткозамкне На рис наведено будову асинхронного двигуна із короткозамкненим ротором. Оскільки на роторі немає колекторного вузла, ротор не має ковзаючих контактів, двигун дуже простий щодо обслуговування, надійнийу роботі, дешевий, легкий та еконо-дй. Це двигун «основного виконання». За стандартом передбачені спрощений та розгорнений способи графічного позначення асинхронних машин. трощеному способі обмотки статора та ара зображаються у вигляді кіл. У розгорнених позначеннях обмотка статора Вражається у вигляді ланцюжка півкіл, а мотка ротора — у вигляді кола. На рис. наведено спрощене та розгорнене графічне зображення короткозамкненого асинхронного двигуна. На рис. наведено спрощене та розгорнене позначення асинхронної машини з фазним ротором. В обох випадках обмотка статора з'єднані в «трикутник». Трифазна обмотка статора створює обертове магнітне поле. Швидкість обертання поля залежить тільки від частоти струму та кількості пар полюсів обмотки статора:
де п — швидкість обертання поля (об/хв), f — частота струму в обмотці статора, р — число пар полюсів. Обертове магнітне поле перетинає стержні «білячого колеса» і наводь у них ЕРС. Оскільки стержні замкнені кільцями, ЕРС індукує в них струм. Взаємодія обертового магнітного поля із струмом у стержнях створює обертаючий електромагнітний момент. Якщо ротор розігнати до швидкості обертового поля, то магнітні силові лінії не перетинатимуть стержнів і не буде наводитися ЕРС. У цьому разі не створюватиметься обертаючий електромагнітний момент. Тобто машина працює тільки тоді, коли n1 n2 де n1 — швидкість обертання поля (об/хв — синхронна швидкість); n2 — швидкість обертання ротора (об/хв — асинхронна швидкість). Взагалі асинхронна машина, як і всі електричні машини, оборотна, тобто, якщо n1 > n2, машина працює у режимі двигуна; n1 < n2, машина працює у режимі генератора; n1 = n2 штучний режим ідеального неробочого (холостого) ходу. Якщо поле обертається в один бік, а ротор обертається сторонньою силою в інший бік, то машина працює у режимі електромагнітного гальма.
Вводять
величину S
(ковзання), що
характеризує асинхронність Звичайно ця величина визначається у частках одиниці або відсотках і коливається S = 0,02...0,05. 2. Обертове магнітне поле Обертове магнітне поле створюється обмоткою статора, що складається із трьох котушок. Ці котушки розташовані під кутом 120" одна до одної і на них подається трифазна синусоїдна напруга. Тобто у котушках проходять струми, що зсунуті один до одного на 120. Можна розглянути моменти часу, коли фазні струми сягають максимальних значень. Із таблиці видно, що максимальний струм не збігається за напрямом із двома іншими фазними струмами.
Таким
чином, кутова частота обертання
двополюсного поля дорівнює кутовій
частоті струму в
.
Якщо у кожну фазу обмотки статора
увімкнути по дві котушки (витки
укладати не через 180°, а через 90°, як
наведено на рис. , то можна одержати
чотириполюсне поле. Це поле обертатиметься
у два разі повільніше, тому що у цьому
разі р=2 (дві пари полюсів) . Можна і
далі 3.Робочі характеристики асинхронного двигуна Природною механічною характеристикою називається характеристика двигуна з короткозамкненим ротором (опір обмотки ротора практично дорівнює нулеві). Штучна характеристика це характеристика двигуна з опором обмотки ротора R2 > 0 (фазний ротор). При аналітичних дослідженнях асинхронних машин використовується залежність електромагнітного моменту від ковзання . Як й усі електричні машини, асинхронна машина оборотна. У режимі 0 < S< 1 вона працюс як двигун. За негативними значеннями ковзання (швидкість ротора більша за швидкість обертання поля) машина працює як генератор. Якщо зовнішня сила обертає ротор проти напрямку обертання поля (S > 1), то машина працює як електромагнітне гальмо. При цьому електромагнітний момент перешкоджатиме обертанню ротора. Робочими характеристиками асинхронного двигуна називаються залежності від потужності Р2 або від коефіцієнта завантаження — частоти обертання ротора п2 (або ковзання); — коефіцієнта корисної дії; — коефіцієнта потужності (cos(); — струму статора I1; — моменту на валу М2. 4.Регулювання швидкості обертання ротора 3 точки зору регулювання швидкості обертання ротора асинхронний двигун гірший за двигуни постійного струму. Звичайно асинхронні двигуни застосовуються у нерегульованих приводах. Двигун із фазним ротором регулюється введенням реостата. При цьому зменшуються оберти . Це дуже неекономічне, бо збільшуються втрати на додатковому опорі. Регулюючі реостати звичайно розраховують на тривалий режим роботи та регулюють оберти у діапазоні до трьох разів. Згідно із співвідношенням регулювати швидкість обертання ротора короткозамкненого двигуна можна двома способами. . 1. Зміною числа пар полюсів. Виводи котушок статорної обмотки перемикаються на клемній дошці. В залежності від їх перемикання змінюється число пар полюсів. Цей спосіб дає змогу регулювати оберти ступінчасте. 2. Зміною частоти живлячого струму. Звичайно частоту регулюють тиристорним перетворювачем частоти у межах f = 20...60 Гц. Недоліком цього способу є необхідність вмикання додаткового приладу та невеликі границі регулювання. Щодо реверсування (зміни напрямку обертання ротора), то необхідно змінити напрям обертання магнітного поля. Це можна здійснити, якщо перемкнути два будь-які лінійні проводи, що з'єднують трифазну мережу із статором двигуна. 5.Пуск асинхронного двигуна У асинхронного двигуна не дуже добрі пускові характеристики. При пускові під повною напругою виникають значні струми в обмотці статора, що у кілька (6...7) разів перевершують номінальні. Це небезпечно і для двигуна, і для мережі змінного струму. Пусковий момент двигуна звичайно малий, тому при пускові двигун треба розвантажити. Задачу пуску розв'язують за допомогою штучного підвищення опору обмотки ротора. При цьому збільшується пусковий момент та зменшується пусковий струм. Пуск двигуна із фазним ротором здійснюється введенням максимального опору реостата в обмотці фазного ротора. Після розгону ротора поступово зменшують опір реостата. Деколи використовують ступінчастий реостат (мають пусковий одатковий та робочий опір).
Пуск
короткозамкненого двигуна полегшується
спеціальною конструкцією ротора
у двигуні
з витісненням струму. У роторі
і глибоким
пазом стержні
«білячої клітини» виготовляються у
вигляді пластини і вкладаються у
глибокий паз осердя ротора. Розподіл
струму за глибиною паза залежить від
індуктивності окремих його чистин.
Потокозчеплення та індуктивність Пуск Робота Таким чином, збільшується активний опір «білячого колеса» при пускові, поліпшуються пускові характеристики. У номінальному режимі роботи двигуна частота струму у стержнях мала, процес «витіснення» відсутній, активний опір стержня зменшується. Стержні ротора з глибоким пазом можна виготовляти різної форми .
За рахунок зниження напруги, що подається на обмотку статора, є змога зменшити пусковий струм. Зниження пускового струму спричиняє небажане зменшення і пускового моменту. Цей спосіб називається пуском при зниженій напрузі. Є кілька способів пуску при зниженій напрузі. Напругу зменшують або за допомогою додаткового приладу, або методом перемикання обмоток: 1) пуск за допомогою реактивної котушки; 2) пуск за допомогою реостата (активного опору); 3) автотрансформаторний пуск; 4) пуск перемиканням котушок обмотки статора із «трикутника» (у номінальному режимі) на «зірку». На жаль, усі ці способи знижують не тільки пусковий струм, а й пусковий, момент. 6. Асинхронний генератор Асинхронні машини як генератори майже не застосовуються. Як джерело трифазної синусоїдальної ЕРС вони мають великі недоліки порівняно із синхронними генераторами. Частота ЕРС асинхронних генераторів змінна (залежить від навантаження), вони мають низький коефіцієнт потужності та завантажують мережу реактивним струмом. Крім того, напругу асинхронного генератора можна регулювати лише зміною частоти обертання, що також змінює частоту струму. Як і всі електричні машини, асинхронна машина оборотна. Якщо S<0, то машина працюватиме в режимі генератора, Негативне ковзання забезпечується, коли ротор обертається швидше, ніж поле(n2>n1). Отже, зовнішня сила обертає вал зі швидкістю, що більша за синхронну. Електромагнітна сила (електромагнітний момент) протидіє обертанню ротора. Для забезпечення роботи генератора необхідно передавати ротору потужність від зовнішнього джерела енергії. Генераторний режим використовують для обмеження швидкості обертання вала. Коли виконавчий механізм прискорює рух, то переведенням двигуна у режим генератора можна відтворити рекуперативне гальмування, тобто роботу з повертанням енергії в мережу. На транспорті (кораблях, літаках, тепловозах тощо) встановлюють асинхронні генератори, що генерують ЕРС несталої частоти. Ці генератори мають надійну конструкцію і працюють з швидкісними двигунами з частотою до 12 000 об/хв. Такі енергетичні установки мають добрі масово-габаритні характеристики. При автономній роботі асинхронні генератори споживають індуктивну потужність. Для компенсації паралельно до обмоток статора вмикають конденсатори. Електромагнітне гальмо Якщо при роботі асинхронного двигуна змінити напрямок обертання поля, то воно буде гальмувати ротор. Цей режим називаєтьсярежимом електромагнітного гальма. При електромагнітному гальмуванні швидкість обертання ротора n2 < 0, тобто спрямована проти напрямку обертання поля n1. Тому у режимі електромагнітного гальма S>1. Для швидкісного гальмування (зупинки) механізму користуються гальмуванням противмиканням (або гальмуванням протиструмом). При цьому створюються великі гальмуючі моменти. Для відтворення режиму електромагнітного гальма при працюючому двигуні треба: — перемкнути дві будь-які обмотки статора (при цьому змінюється напрямок обертання поля); — увімкнути в коло ротора додатковий опір. Для гальмування асинхронної машини застосовують також режим динамічного гальмування. Він полягяє у такому: — статор асинхронної машини відмикають від мережі змінного струму; —- дві або усі три фази обмотки статора вмикають на постійну напругу; — на обмотку ротора вмикається активний опір. При цьому статор індукує постійний потік, а ЕРС ротора гаситься на активному опорі. 7.Однофазні асинхронні двигуни У системах керування, автоматиці, промисловості використовують однофазні та двофазні асинхронні двигуни малої потужності. Якщо на статорі двигуна розташувати однофазну обмотку, то змінний струм буде індукувати пульсуючий магнітний потік. У обмотці ротора будуть індукуватися струми та створяться сили, що протилежно спрямовані з обох боків ротора. Тобто електромагнітний момент дорівнюватиме нулеві. Звичайно пульсуюче поле розглядають як суму двох обертових у протилежні боки полів тобтомеханічна характеристика однофазного ротора не має пускового моменту. Двигун буде працювати, якщо роторові надати початкове обертання в той чи інший бік. Щодо пуску асинхронного двигуна, то на статорі передбачають пускову обмотку, вісь якої перпендикулярна до осі робочої обмотки. Пускова обмотка вмикається через конденсатор або активний опір, що забезпечує зсув фази струму відносно до струму у робочій обмотці Пускова обмотка дає змогу розбалансувати сили, що виникають у роторі під впливом робочої обмотки, і створити пусковий момент. Після розгону ротора пускова обмотка вимикається, бо вона не розрахована на тривалий струм. Використовують також й однофазний асинхронний двигун із розчленованими полюсами. На рис схематично зображено двигун, у котрого статор має яв-новиявлені полюси з однофазною обмоткою. Частина кожного полюса охоплена коротко-замкненим витком. У цьому виткові індукується струм, котрий, у свою чергу, індукує магнітний потік. Потік короткозамкненого витка зсунутий за фазою відносно основного потоку. Додавання цих потоків дає змогу одержати обертове коло Ротор двигуна з розчленованими полюсами може обертатися тільки в один бік.
Двофазні асинхронні двигуни Обертове магнітне поле можна створити вмиканням двофазної обмотки. В одну з фаз умикають конденсатор, тому ці двигуни також називають конденсаторними. Параметри котушок та ємності забезпечують рівні магніторушійні сили. Струм у фазі з конденсатором випереджає струм іншої фази на чверть періоду. Тому обертове магнітне поле буде також й круговим.
Трифазний двигун можна вмикати у мережу однофазного змінного струму, використовуючи його як двофазний. У цьому разі дві котушки статора працюють як одна фаза, а третя котушка з конденсатором. Синхронні машини
Будова та принцип роботи синхронної машини Як і усі електричні машини, синхронна машина обернена і може широко використовуватися у промисловості як генератори та двигуни переважно великої потужності. Синхронні машини належать до класу машин змінного струму. Частота обертання ротора синхронної машини дорівнює частоті обертового магнітного поля, тобто п1 = п2, S=0.
— явнополюсний; — неявнополюсний. Явнополюсний ротор (рис.1) використовується здебільшого у тихохідних
У генераторному режимі обмотка збудження вмикається на постійну напругу. Магнітне поле ротора обертається разом з ротором і перетинає трифазну обмотку статора. У фазах індукується ЕРС
Частота
індукованої ЕРС
У режимі
двигуна, крім
постійної напруги, що подається на
обмотку збудження, подається також
трифазна синусоїдна напруга на обмотку
статора. Обмотка збуджує обертове
магнітне поле, яке захоплює у синхронному
обертанні поле ротора й сам ротор.
Тобто ротор обертається з частотою
обертання магнітного поля (синхронною
частотою) Холостий хід (або неробочий режим) утворюється при вимкненому навантаженні. Струм статора у цьому разі дорівнює нулеві. Струм збудження регулюється зовнішнім джерелом у широких межах. Та частина електричної машини, що індукує ЕРС, називається якорем. Тому у синхронній машині якорем називається статор машини. Індукторам будемо називати ротор синхронної машини. Реакцією якоря називається взаємодія полів статора та ротора. У синхронному генераторі струм якоря (статора) збуджує своє магнітне поле, що залежить від навантаження. Від виду навантаження залежить зсув фаз між струмом та ЕРС якоря. Треба вважати, що — потік якоря завжди збігається з напрямом його струму; — ЕРС якоря завжди відстає від потоку на 90°; — зсув фаз між ЕРС та струмом якоря залежить від виду навантаження.
У звичайних синхронних генераторах обмотка збудження (ротора) за допомогою контактних кілець та щіток вмикається на постійну напругу. Це має ряд недоліків: — вимагає додаткового автономного джерела постійного струму; — щітковий вузол потребує спеціального догляду, зменшує ефективність машини. Використовують безконтактні синхронні генератори двох типів. У синхронного генератора з постійними магнітами немає обмотки збудження на роторі рис. Постійні магніти на роторі скасовують необхідність обмотки збудження, а також контактних кілець, щіток та джерела постійної напруги. ККД таких генераторів досить високий, тому що відсутні втрати в обмотці збудження. Значним недоліком цього генератора є відсутність прямого методу регулювання ЕРС, тому що звичайно ЕРС регулюється струмом збудження. Переваги та недоліки синхронної машини Своєрідність синхронних машин визначає їх переваги і недоліки в порівнянні з машинами інших класів. Переваги синхронних машин такі: — високі ККД та коефіцієнт потужності; — абсолютно жорстка механічна характеристика синхронного двигуна; — незалежність частоти ЕРС від навантаження машини. Проте синхронні машини також мають й недоліки, що інколи обмежують їх використання: — складну будову; — необхідність для двигуна двох джерел напруги (змінної трифазної та постійної); — утруднення з пуском синхронного двигуна. 3. Графічні позначення синхронних машин Стандартом установлені спрощений та розгорнутий способи позначення синхронних машин (рис. У спрощених позначенняхобмотки статора і ротора зображаються у вигляді кола із зазначенням виводів.
На рис. наведено графічне позначення трифазної синхронної машини з обертовим випрямлячем. Обмотка статора цієї машини з'єднана зіркою з нейтральним проводом. На рис. наведено графічне позначення синхронної машини, що Збуджується постійними магнітами. Котушки обмотки статора цієї машини з'єднано зіркою. |
Асинхронні
двигуни за своєю простотою, надійністю
та ефективністю дістали широкого
розповсюдження. Понад 85% усіх
електродвигунів — це трифазні
асинхронні двигуни.
ний
ротор має шихтований циліндр із
пазами. У пази укладаються стержні,
що замкнені електричне із обох боків
кільцями. Ці кільця та стержні М.О.
Доліво-Добровольський назвав «білячим
колесом
Три
котушки статорної обмотки (початки А,
В, С, кінці х, у,
z) розташовані
під кутом 120° (рис. 10.6). Відповідно до
таблиці на рисунку зображені напрями
струмів. Якщо об'єднати провідники з
однаковим напрямом струмів, можна
зобразити магнітне поле статора. Це
поле-буде обертатися відповідно до
частоти струму, тобто
обмотці
статора.
збільшувати
кількість пар полюсів, збільшуючи
кількість котушок у кожній фазі Таким
чином створюється багатополюсне
обертове магнітне поле.
глибинної
частини стержня більша за потокозчеплення
та індуктивність зовнішніх частин.
Тому у момент пуску, коли частота
струму у стержнях 
велика,
індуктивний опір глибинних частин
великий. Відбувається «витіснення»
струму у верхню частину стержня
Ротор
з подвійною «білячою клітиною» має
два «білячих колеса». Верхня клітина
виготовляєтся з латуні, нижня — із
міді й має більший переріз. У момент
пуску струм витискається у верхню,
латунну клітину, що має великий
активний опір. Ця клітина називається
пусковою. В усталеному режимі працює
нижня, робоча клітина із малим активним
опором .У двигуна з витісненням
струму пусковий момент може
збільшуватись у три рази. Пусковий
струм встановлюється у три-чотири
рази більший, за номінальний.
Однофазні
асинхронні двигуни мають значно менші
ККД та cos(), ніж трифазі. Вони звичайно
використовуються тільки у випадках,
коли споживається порівняно невелика
потужність.
При
навантаженні, що відрізняється від
номінального, пусковий момент може
бути недостатнім. Тому щодо пуску
двигуна використовують додатковий
(пусковий) конденсатор. Після розгону
ротора цей конденсатор вимикається
для забезпечення максимального ККД
та cos.
Синхронна
машина складається із статора і ротора
рис. Конструкція статора принципово
не відрізняється від конструкції
статора асинхронного двигуна. Тобто
у шихтованому осерді розташована
трифазна обмотка статора. Ротор
синхронної машини являє собою
електромагніт, обмотка якого, живиться
від джерела постійного струму. Ротор
синхронної машини буває двох типів:
синхронних
машинах. Обмотка ротора приєднується
до контактних кілець і за допомогою
щіток на неї подається постійна
напруга. У машинах з великою швидкістю
обертання (турбогенераторах,
газогенераторах) застосовується
неявнополюсний ротор. На рис. наведено
схему неявнополюсного ротора з однією
парою полюсів. У багатополюсних роторах
полюси чергуються по колу. Обмотка
ротора збуджує постійний магнітний
потік і називається обмоткою збудження.
2.
Безконтактні синхронні генератори
У
розгорнутих позначеннях обмотку
статора зображають ланцюжком
півкіл, а обмотку ротора — колом рис.
Явнополюсний ротор позначають
пунктирним колом. Позначками та
Y указують спосіб з'єднання статорної
обмотки рис.ТРАНСФОРМАТОР. РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ. ПЕРЕДАЧА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ НА ВІДСТАНЬ ТА ЇЇ ВИКОРИСТАННЯ
ТРАНСФОРМАТОР
Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає).
Трансформатор (мал.З. 21) в основному складається з двох (або більшої кількості) котушок, намотаних на феромагнітне (наприклад, сталеве) осердя. Одну з цих котушок (обмоток), яка приєднується до лінії від генератора, називають первинною.
Споживачі (електродвигуни, лампи, нагрівники тощо) приєднуються до вторинної обмотки трансформатора. Осердя багатьох трансформаторів виготовляють із трансформатичної сталі і роблять замкненим, щоб зменшити втрати енергії в ньому. Сталь беруть у вигляді пластин, ізольованих одна від одної, що зменшує втрати енергії в разі виникнення вихрових струмів.
Змінний струм, що проходить у колі первинної обмотки l з кількістю витків N1, створює в осерді змінне магнітне поле. Це поле є спільним для обох обмоток трансформатора. У вторинній обмотці трансформатора 2 з кількістю витків N2 індукується електрорушійна сила.
Оскільки обмотки трансформатора мають спільне змінне магнітне поле, то в кожному їх витку виникає однакова електрорушійна За допомогою трансформаторів можна в широких межах змінювати сили струму і напруги змінних струмів без істотних втрат потужності сила. Електрорушійна сила в обмотках пропорційна кількості витків у них:
Якщо
коло вторинної обмотки розімкнене, то
таке явище називають холостим ходом
трансформатора. У цьому разі напруга
U2 дорівнює електрорушійній
силі
.
У первинній обмотці при цьому проходить
струм невеликої сили — струм холостого
ходу.
Отже, під час холостого ходу напруги на обмотках трансформатора можна вважати пропорційними кількостям витків у них:
де k — коефіцієнт трансформації.
Якщо k < 1, то U2 > U1 і трансформатор є підвищувальним; якщо k > 1, напруга U2 менша від U1 і трансформатор є знижувальним.
Коли
до вторинної обмотки приєднують
споживачі, вторинне коло замикається
— це так званий робочий хід трансформатора.
Струм І2 вторинної обмотки є
індукційним, тому його магнітне поле
відповідно до закону Ленца послаблює
магнітне поле, яке його викликало. Отже,
магнітний потік в осерді зменшується,
а відповідно зменшується і
.
Сила струму I1 зростає до
значення, коли магнітний потік в осерді
стане таким, як і був раніше.
Коли
активні опори обмоток трансформатора
незначні, можна вважати, що
і
.
Сучасні трансформатори мають коефіцієнти корисної дії від 90 до 99,5%, тобто втрати енергії в них незначні. Тому наближено
При розімкненому колі вторинної обмотки трансформатора явище називають його холостим ходом
Коефіцієнт трансформації при холостому ході визначається відношенням кількостей витків в обмотках трансформатора
звідки
Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, то можна вважати, що
Один і той самий трансформатор, якщо в ньому є кілька обмоток, може бути як підвищувальним, так і знижувальним, або якщо за наявності лише двох обмоток поміняти їх місцями.