Электрические машины переменного тока

1.9-1. Общие сведения

Электрические машины переменного тока предназначены для взаимного преобразования механической и электрической энергии и по аналогии с электрическими машинами постоянного тока разделяются на генераторы и двигатели.

Электрические машины переменного тока разделяют также на асинхронные и синхронные.

Статор асинхронной машины создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с меньшей скоростью, т. е. асинхронно. Увеличение нагрузки двигателя вызывает уменьшение скорости вращения ротора. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели. Они применяются во всех отраслях промышленности для привода производственных машин и механизмов, не требующих строго постоянной частоты вращения. В бытовых электроустановках (холодильники, стиральные машины и др.) используются однофазные асинхронные электродвигатели. В промышленности наиболее широко применяют трехфазные асинхронные электродвигатели. Асинхронные электродвигатели самые распространенные.

В синхронной машине скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора. Синхронные машины используются главным образом в качестве генераторов. Как электродвигатели синхронные машины применяются в тех случаях, когда необходима постоянная частота вращения.

Общим для синхронных и асинхронных электрических машин является то, что вращение ротора осуществляется под действием вращающегося магнитного поля, образуемого трехфазным переменным током, протекающим в обмотках статора.

1.9 2. Вращающееся магнитное поле

Для создания вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной системы токов нужны три катушки, сдвинутые в пространстве на 120° одна относительно другой.

Общее магнитное поле трехфазной обмотки образуется наложением полей отдельных фаз. На рисунке 1.148 определены направления магнитных полей фаз и результирующего поля в связи с изменением токов в фазах.

Получение вращающегося магнитного поля

Рис. 1.148. Получение вращающегося магнитного поля

Величину и направление мгновенных токов указывают векторные диаграммы, которые соответствуют уравнениям симметричной системы токов:

  • 4 = sin со/, ib = Im sin(co/ - 120 ), > і с = Im sin(co/ + 120°).
  • (1.189)

При со/ = 0 ток іа = 0, ток ih имеет отрицательное, а ток icположительное значение. После разметки направлений токов вся система проводников разделяется на две части: в одной из них направление тока отмечено крестиком, а в другой — точкой. По правилу буравчика определяются направления магнитной индукции поля каждой катушки и результирующего поля, которое изображено двумя замкнутыми (штриховыми) линиями.

Направление этих линий определяет положение полюсов: слева от нейтрали находятся северный полюс ротора и южный полюс статора (линии магнитной индукции выходят из поверхности ротора в воздушный зазор и входят в поверхность статора); справа от нейтрали расположены южный полюс ротора и северный полюс статора.

Для момента времени, соответствующего фазовому углу со/ = я/2, такие же построения приведены на рисунке 1.148, б с учетом того, что ток ia имеет положительное значение, а токи ih и ic отрицательное. Система проводников также разделяется на две равные части с одинаковым направлением тока в каждой из них. Результирующее магнитное поле направлено по чертежу вверх.

За время, соответствующее фазовому углу я/2, ось полюсов в пространстве повернулась, т. е. северный и южный магнитные полюса переместились относительно неподвижных обмоток на такой же угол я/2.

После выполнения аналогичных построений для последующих моментов времени (например, при со/ = я; со/ = Зя/2; со/ = 2я) можно убедиться в том, что ось магнитных полюсов за один период переменного тока поворачивается на один оборот, следовательно, частота вращения магнитного поля я, =/об/с или п} = 60/об/мин, если трехфазная обмотка имеет по одной катушке на фазу, т. е. число пар полюсов р = 1. Обмотку каждой фазы можно выполнить из двух катушек с расстоянием между активными сторонами, равным 0,25 окружности статора (рис. 1.149).

Получение вращающегося магнитного поля при двух катушках на фазу

Рис. 1.149. Получение вращающегося магнитного поля при двух катушках на фазу

При этом все относящееся к одной паре полюсов на полной окружности нужно отнести к одной паре полюсов на половине длины окружности статора, т. е. при р = 2 частота вращения маг-60/ .

нитного поля л, = —— об/мин, а в общем случае при любом числе пар полюсов

  • 60/
  • (1.190)

Таким образом, из выражения (1.190) следует, что частота вращения магнитного поля прямо пропорциональна частоте переменного тока источника электроэнергии и обратно пропорциональна числу пар полюсов.

В момент, когда ток в фазе достигает амплитуды /п, ось полюсов результирующего магнитного поля совпадает с осью полюсов данной фазы. На основании этого определяют направление вращения магнитного поля. При прямой последовательности максимумы токов в фазах наступают в порядке А— В—С. Если на статоре обмотки фаз расположены таким образом, что обход их в указанном порядке совершается по ходу часовой стрелки, то и поле вращается в ту же сторону.

1.93. Трехфазный асинхронный электродвигатель

Существуют два типа асинхронных двигателей: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и с фазной обмоткой. Двигатели первого типа называются также короткозамкнутыми асинхронными двигателями, а второго типа — двигателями с фазным ротором или с контактными кольцами. По устройству двигатели различаются только выполнением роторной обмотки. Основными частями каждого асинхронного двигателя являются статор и ротор.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Рис. 1.150. Конструкция асинхронного электродвигателя

Статор (рис. 1.150) состоит из станины 1, стального сердечника 2 и трех обмоток 3. Начало обмоток имеет буквенно-цифровое обозначение НІ—НЗ, а их концы — К1—КЗ. Станина вместе с лапами 4 для крепления к фундаменту отлита из чугуна; к ней прикрепляются все остальные части двигателя. Сердечник имеет форму полого цилиндра с продольными пазами на внутренней поверхности.

Для уменьшения вихревых токов сердечник набран из отдельных штампованных листов стали толщиной 0,5 мм. Внутри станины сердечник укреплен на прокладках 5 из немагнитного материала, который не допускает образования магнитного поля в станине (поле может вызвать вихревые токи). В пазы сердечника уложены три одинаковые обмотки, или фазы.

Ротор короткозамкнутого двигателя состоит из стального вала, сердечника, набранного из отдельных штампованных листов стали (рис. 1.151, а), короткозамкнутой обмотки в виде беличьего колеса (рис. 1.151, б) и вентилятора. Обмотка отливается прямо в роторе из алюминия (рис. 1.151, в), причем на боковых кольцах одновре

менно отливаются и

вентиляционные лопатки.

Ротор асинхронного электродвигателя

Рис. 1.151. Ротор асинхронного электродвигателя: а — лист стали сердечника; б — короткозамкнутая обмотка; в — общий вид

Общий вид ротора асинхронного электродвигателя с фазной обмоткой

Рис. 1.152. Общий вид ротора асинхронного электродвигателя с фазной обмоткой

У двигателей с контактными кольцами сердечник ротора (наборный) имеет продольные пазы (рис. 1.152), в которые уложены три одинаковых обмотки, или фазы, выполненные по типу статорных обмоток (т. е. смещенные на 120° своими началами и концами).

Обмотки ротора соединены «звездой», а свободные концы припаяны к трем контактным кольцам 1, изолированно укрепленным на валу ротора (рис. 1.153).

Схема соединения фазной обмотки ротора с регулировочными реостатами

Рис. 1.153. Схема соединения фазной обмотки ротора с регулировочными реостатами

С помощью щеток 2, укрепленных на боковом подшипниковом щите, контактные кольца соединяются с трехфазным реостатом 3, предназначенным для изменения сопротивления в фазах ротора. Трехфазный реостат состоит из трех ползунковых реостатов, соединенных «звездой». На стороне вала, противоположной контактным кольцам, укреплено вентиляционное колесо. Роторы двигателей удерживаются с помощью боковых подшипниковых щитов (с шарикоподшипниками), прикрепленных болтами к станине статора.

Общий вид асинхронного электродвигателя представлен на рисунке 1.154.

Общий вид асинхронного электродвигателя

Рис. 1.154. Общий вид асинхронного электродвигателя: a - с короткозамкнутым ротором; б - с фазным ротором

1.9.4. Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники.

При включении электродвигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.

Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и в обмотке ротора исчезли бы индуцированные токи. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т. е. асинхронно.

Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора возрастают, что приводит к увеличению вращающего момента электродвигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.

Для подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к питающей сети необходимо статорные обмотки соединить «звездой» или «треугольником» в зависимости от величины линейного напряжения трехфазной сети. Линейное напряжение трехфазной сети, как правило, известно. В паспортных данных электродвигателей напряжение указывается в виде дроби, например 220/380, в числителе которой указывается номинальное напряжение фазных обмоток электродвигателя, а в знаменателе — линейное напряжение трехфазной сети, к которой можно подключить данный электродвигатель.

Если линейное напряжение сети равно 380 В, то соединять фазные обмотки статора можно только «звездой», так как при соединении обмоток «треугольником» они окажутся под линейным напряжением 380 В вместо 220 В и могут перегореть, точнее, обязательно перегорят за очень малый промежуток времени.

Если линейное напряжение трехфазной сети равно 220 В, то для нормальной работы электродвигателя фазные обмотки статора нужно соединить «звездой».

Для удобства подключения начала и концы фазных обмоток статора выведены на колодку, содержащую шесть клемм и три перемычки (рис. 1.155).

Способы соединения фазных обмоток статора трехфазного асинхронного электродвигателя

Рис. 1.155. Способы соединения фазных обмоток статора трехфазного асинхронного электродвигателя: a — «звездой»; б — «треугольником»

1.95. Скольжение

Скольжением называется разность между частотой вращения вращающегося магнитного поля статора п} и частотой вращения ротора п2.

Скольжение обычно выражают в долях единицы или в процентах от частоты вращения магнитного поля статора:

AZi И') і гг (у/

s = —----- или s0/ = —----• 100 %. (і 191)

«1 Л,

Скольжение зависит от нагрузки двигателя. При номинальной нагрузке его значение составляет около 0,05 у машин небольшой мощности и около 0,02 у мощных машин.

Скольжение является одной из важнейших характеристик электродвигателя: посредством него выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора.

При неподвижном (и2 = 0) роторе 5 = 1. Таким скольжением обладает электродвигатель в момент пуска.

Как отмечалось, скольжение зависит от момента нагрузки на валу электродвигателя, следовательно, и частота вращения ротора п2 зависит от тормозного момента на валу. Номинальное значение частоты вращения ротора п2, соответствующее расчетным значениям нагрузки, частоты и напряжения сети, указывается на заводском щитке асинхронного двигателя и приводится в справочниках по электродвигателям.

Асинхронные машины, как и другие электрические машины, обратимы. При 0 < s < 1 машина работает в режиме двигателя, частота вращения ротора меньше или равна частоте вращения магнитного поля статора, однако если внешним двигателем раскрутить ротор до частоты вращения, превышающей синхронную частоту, то машина перейдет в режим работы генератора переменного тока. При этом скольжение станет отрицательным, а механическая энергия приводного двигателя будет превращаться в электрическую энергию переменного тока. На практике асинхронные генераторы переменного тока применения не находят.

1.9.6. Способы пуска в ход трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым и фазным роторами Прямой пуск — наиболее простой распространенный способ пуска короткозамкнутых асинхронных электродвигателей. Он осуществляется путем непосредственного включения электродвигателя в сеть на полное напряжение. При этом значение пускового тока в 5—7 раз превышает номинальное значение. Вследствие падения напряжения в питающей сети, вызванного броском пускового тока электродвигателя в момент его включения, снижается напряжение. Это отрицательно сказывается на других приемниках электрической энергии, работающих от этой же сети. Снижение напряжения пропорционально пусковому току, а следовательно, и мощности электродвигателя. Если мощность электродвигателя составляет примерно 20—25 % мощности питающей сети, то снижение напряжения, вызываемое пусковым током, может оказаться недопустимым. Современные электрические сети достаточно мощные и в большинстве случаев допускают прямой пуск асинхронных короткозамкнутых электродвигателей.

Пуск при пониженном напряжении применяют при пуске в ход мощных двигателей, для которых недопустимо прямое включение в сеть. Понижение напряжения производят с целью уменьшения пускового тока, но одновременно происходит уменьшение пускового момента. Если напряжение при пуске понизить в л/З раз, пусковой момент понизится в 3 раза, поэтому этот способ пуска можно применять только при отсутствии нагрузки на валу, т. е. в режиме холостого хода, что является основным недостатком данного способа.

Другим недостатком пуска при пониженном напряжении является высокая стоимость пусковой аппаратуры.

Для понижения напряжения, подводимого к обмотке статора, используют дроссели и понижающие автотрансформаторы.

Реостатный пуск применяется для пуска асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Пусковой реостат включают в цепь ротора. Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит уменьшение пускового тока двигателя. По мере разгона электродвигателя пусковой реостат выводится и после окончания пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Электродвигатель с фазным ротором обладает хорошими пусковыми характеристиками - создает высокий пусковой момент при небольшом пусковом токе. Реостатный пуск применяют при большой нагрузке на валу.

1.9.7. Рабочие характеристики трехфазного

асинхронного электродвигателя

Под рабочими характеристиками асинхронного электродвигателя понимают зависимости от полезной мощности Р2 на валу:

  • • частоты вращения ротора п2 = f(P^) (скоростная характеристика);
  • • скольжения s =f(P2);
  • • вращающего момента М = f(P2) (моментная характеристика);
  • • коэффициента мощности cos ср =/(Р2);

. КПД п =/(Р2);

• тока статора I} =f(P2).

Зависимости п2 = f(P2) и s = f(P2) называются скоростными характеристиками. При холостом ходе 2 = 0) частота вращения ротора п2 близка к частоте вращения магнитного поля статора п{. При этом s ® 0. С увеличением нагрузки частота вращения ротора п2 уменьшается, скольжение s соответственно возрастает. Для обеспечения должного КПД это отношение ограничивается узкими пределами. Обычно при Р2 = Рн скольжение 5 = 1,54—5 %. Соответственно зависимость п2 =f(P2) представляет слабо наклоненную к оси абсцисс кривую.

Так как скорость вращения электродвигателя в рабочем диапазоне нагрузок изменяется незначительно, то зависимость М =f(P2) (моментная характеристика) оказывается весьма близкой к линейной (рис. 1.156).

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Рис. 1.156. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Поскольку магнитная цепь электродвигателя имеет воздушный зазор, ток статора содержит сравнительно большую намагничивающую составляющую, в основном реактивную. Это влияет на коэффициент мощности, поэтому coscp асинхронного двигателя всегда меньше единицы. Наибольшее значение coscp = 0,8—0,9 имеет при номинальной нагрузке. С уменьшением нагрузки coscp убывает, достигая при холостом ходе значений 0,15—0,2. Недогруженный асинхронный двигатель имеет низкий коэффициент мощности, что является его существенным недостатком. Объясняется это тем, что реактивная составляющая тока статора почти не зависит от нагрузки. При перегрузках coscp также снижается вследствие увеличения частоты тока и индуктивного сопротивления ротора. При прочих равных условиях электродвигатели, рассчитанные на меньшую номинальную частоту вращения, имеют более низкие значения коэффициента мощности.

КПД асинхронного двигателя ц имеет максимальное значение при номинальной или близкой к ней нагрузке (Р, = Рн). При этом он достаточно высок. У мощных двигателей его максимум достигает 0,9—0,97, для двигателей небольших мощностей обычно его величина составляет 0,7—0,8. При нагрузках Р2 = (0,25—1,25)Рн изменения КПД незначительны. Это означает, что в довольно большом диапазоне нагрузки двигатель работает экономично с КПД, близким к максимальному.

Ток статора состоит из значительной намагничивающей составляющей /0, которая почти не зависит от нагрузки, и приведенного тока ротора — Г2, уравновешивающего нагрузку ротора. За счет намагничивающей составляющей /0 асинхронный электродвигатель при отсутствии нагрузки потребляет сравнительно большой ток холостого хода / х (может быть более 50 % номинального). С ростом нагрузки ток статора возрастает.

К рабочим относится также механическая характеристика, выражающая зависимости между частотой вращения и электромагнитным моментом n2 =f(M) либо между электромагнитным моментом и скольжением М =f(s). Механическая характеристика применяется при выборе асинхронного электродвигателя для конкретной установки, определения участка, на котором сохраняется устойчивая работа электродвигателя, перегрузочной способности и др.

На практике для построения механической характеристики используют упрощенную формулу Клосса

(1.192)

sK/s + s/sK

где Мк = МИ критический (максимальный) момент; sK = sH(k + >/k-l) — критическое скольжение; X — перегрузочная способность (обычно 1 = 2—3).

По этой формуле можно построить механическую характеристику любого асинхронного электродвигателя, паспортные параметры которого, в том числе и перегрузочная способность X, приведены в справочниках или известны из таблички, прикрепленной на электродвигателе. Из формулы (1.192) следует, что при s = 0 и 5 = да вращающий момент исчезает.

Задавая различные значения скольжения, можно построить график зависимости М =f(s) (рис. 1.157). На графике выделены три характерных значения момента: номинальный вращающий момент Мн, критический (максимальный) момент Мкр и пусковой момент Мп.

Устойчивая работа электродвигателя возможна только на участке 0—5кр. Если предположить, что на данном участке вращающий

Зависимость М =f(s)

Рис. 1.157. Зависимость М =f(s)

момент будет равен тормозному моменту, то при случайном нарушении равновесия моментов оно восстанавливается. При работе электродвигателя на нисходящем участке от $кр до 1 такое восстановление не происходит.

Допустим, что вращающий момент электродвигателя по какой-то причине уменьшился, тогда скольжение начнет увеличиваться. Если равновесие моментов было нарушено на восходящем участке от О до 5кр, то повышение скольжения вызовет увеличение момента и равновесие моментов будет восстановлено. Если равновесие моментов было нарушено на нисходящем участке от 5кр до 1, то увеличение скольжения вызовет уменьшение вращающего момента. В этом случае вращающий момент всегда будет оставаться меньше тормозного, следовательно, частота вращения ротора будет непрерывно уменьшаться до полной остановки электродвигателя.

Если к валу электродвигателя приложить тормозной момент, значение которого превышает значение критического момента, то равновесие моментов не восстановится. Ротор электродвигателя остановится независимо от равновесие моментов.

того, на каком участке было нарушено

По рассчитанным значениям вращающего момента можно построить еще одну механическую характеристику п2 = график которой представлен на рисунке 1.158. Значения частоты вращения ротора можно рассчитать по формуле

(1.193)

где задано в киловаттах. Если Рн задано в ваттах, то переводной коэффициент будет равен 9,55.

Механическая характеристика =f(M)

Рис. 1.158. Механическая характеристика =f(M)

1.9-8. Регулирование частоты вращения

и реверсирование асинхронного электродвигателя

Исходя из формулы (1.191) для определения скольжения можно получить выражение для определения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя:

w2 =/7,(1-5) (1.194)

или с учетом формулы (1.190):

60/ .

«2 (1.195)

Таким образом, при заданном моменте нагрузки частоту вращения ротора /?2 можно изменять путем изменения частоты f питающей сети, числа пар полюсов р и скольжения s.

Регулирование частоты напряжения питающей сети для изменения частоты вращения ротора предполагает эксплуатацию автономного источника питания, так как каждый потребитель электрической энергии получает из сети переменное напряжение с частотой 50 Гц. Данный метод регулирования частоты враще ния ротора асинхронного двигателя основан на изменении частоты питающего напряжения, что в соответствии с выражением (1.193) при неизменном числе пар полюсов р позволяет изменять частоту вращения магнитного поля статора.

Различного рода полупроводниковые частотные преобразователи электрической энергии обеспечивают плавное регулирование частоты вращения ротора в широком диапазоне.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и напряжение на статоре. Закон изменения напряжения зависит от характера момента торможения. При постоянном моменте торможения напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением UWM и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.

При данном способе регулирования частоты вращения асинхронного двигателя критический момент Л/ асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения (рис. 1.159). Скольжение от величины регулируемого напряжения не зависит.

Если момент торможения больше пускового момента асинхронного электродвигателя, то ротор двигателя вращаться не будет, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении {/ или на холостом ходу.

Механические характеристики асинхронного электродвигателя при изменении подводимого к обмоткам статора напряжения

Рис. 1.159. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при изменении подводимого к обмоткам статора напряжения

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой — до п, . Для изменения напряжения кр

применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переклю

чением числа пар полюсов можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Из выражения (1.190) следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения п{ магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в 2 раза.

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения.

Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях включенных в цепь ротора резисторов

Рис. 1.160. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях включенных в цепь ротора резисторов

Из рисунка 1.160 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Реверсирование асинхронных электродвигателей. Ротор асинхронного электродвигателя вращается в ту же сторону, что и магнитное поле статора, следовательно, чтобы изменить направление вращения ротора, необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Для этого достаточно изменить чередование фаз напряжения питающей сети, поменяв местами любые два линейных провода на щитке электродвигателя или источника питания.

1.9-9- Однофазный асинхронный электродвигатель

Общий вид однофазного асинхронного электродвигателя представлен на рисунке 1.161.

Общий вид однофазного асинхронного электродвигателя

Рис. 1.161. Общий вид однофазного асинхронного электродвигателя

Статор однофазного асинхронного электродвигателя

Рис. 1.162. Статор однофазного асинхронного электродвигателя

На статоре однофазного двигателя размешается одна обмотка. Статорная обмотка (рис. 1.162) однофазного двигателя занимает 2/3 окружности статора (полностью заполнять статор обмоткой экономически нецелесообразно, так как при этом существенно увеличиваются габариты и вес электродвигателя, а рост мощности составляет всего 12 %).

Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь фазную или короткозамкнутую обмотку.

При прохождении по статорной обмотке переменного синусоидального тока образуется неподвижное пульсирующее магнитное поле. При этом формируются два момента вращения, направленные в противоположные стороны: одна часть статорной обмотки тянет ротор в одну сторону, а другая — в противоположную. В этом заключается особенность однофазного асинхронного электродвигателя — отсутствие начального пускового момента. В результате взаимодействия двух магнитных потоков, уравновешивающих друг друга, ротор вращаться не будет. Для запуска необходим начальный момент, который повернет ротор в какую-либо сторону, сообщить который может источник механической энергии. Однако обычно пуск двигателя осуществляют с помощью дополнительной обмотки, которая также находится на статоре и называется пусковой обмоткой. Она подключается к той же фазе, что и рабочая, но через фазосдвигающую цепь. В качестве такой цепи может выступать резистор, катушка индуктивности или конденсатор (рис. 1.163).

Подключение конденсатора для формирования фазосдвигающей цепи

Рис. 1.163. Подключение конденсатора для формирования фазосдвигающей цепи

При подключении пусковой обмотки к питающей сети через конденсатор ток в пусковой обмотке и магнитное поле сдвигаются на 90°. Угол смещения тока, а следовательно, и пусковой момент можно регулировать путем подбора величины емкости конденсатора.

В момент пуска фазосдвигающая цепь подключается к пусковой обмотке, тем самым обеспечивая вращающееся магнитное поле, в результате чего ротор начинает вращаться. Пусковая обмотка подключается к питающей сети на короткое время — обычно около 3 с. За это время ротор выходит почти на полную скорость вращения, необходимость в пусковой обмотке отпадает и пусковая емкость отключается от обмотки. Поскольку время работы пусковой обмотки невелико, ее, как правило, выполняют проводом меньшего сечения и с меньшим количеством витков. Иногда пусковую обмотку выполняют тем же проводом, что и рабочую, и тогда при использовании фазосдвигающей цепи можно улучшить механические характеристики двигателя. В этом случае параллельно пусковому конденсатору Сп включается рабочий конденсатор С (рис. 1.164).

Использование второй обмотки в качестве рабочей

Рис. 1.164. Использование второй обмотки в качестве рабочей

Емкость рабочего конденсатора меньше емкости пускового, следовательно, этот конденсатор обладает блыпим сопротивлением, а ток, протекающий во второй обмотке, будет меньше пускового.

После отключения пусковой емкости, дающей пусковой момент вращения, рабочая емкость остается, обеспечивая вращающееся магнитное поле и во время работы.

Недостатки однофазного асинхронного двигателя:

  • • не обладает пусковым моментом, поэтому необходимо применять какие-либо меры по его пуску;
  • • частота вращения ротора ниже по сравнению с трехфазным асинхронным электродвигателем, так как встречное магнитное поле, формируемое второй половиной статорной обмотки, препятствует вращению ротора;
  • • КПД двигателя ниже по сравнению с трехфазным асинхронным электродвигателем. Для сравнения: мощность однофазного двигателя такого же габарита, как и трехфазный, на 1/3 меньше.
  • 1.910. Синхронные электрические машины

Синхронный генератор. Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем. Поскольку частоты вращения ротора и магнитного поля одинаковы, в обмотке ротора не индуцируются токи. Поэтому обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока.

Устройство статора синхронной машины (рис. 1.165) практически не отличается от устройства статора асинхронной машины.

Общий вид статора синхронного генератора

Рис. 1.165. Общий вид статора синхронного генератора

В пазы статора укладывают трехфазную обмотку, концы которой выводят на клеммовую панель. Ротор в некоторых случаях изготовляют в виде постоянного магнита.

Роторы синхронных генераторов могут быть явно- и неявно-полюсными (рис. 1.166). В первом случае синхронные генераторы приводятся в действие тихоходными турбинами гидроэлектростан ций, во втором — паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

Общий вид явнополюсного (о) и неявнополюсного (б) роторов синхронного генератора

Рис. 1.166. Общий вид явнополюсного (о) и неявнополюсного (б) роторов синхронного генератора

Питание к обмотке ротора подводится через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток. При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. Для того чтобы получить синусоидальную форму ЭДС, зазор между поверхностью ротора и статором увеличивают от середины полюсного наконечника к его краям (рис. 1.167).

Форма воздушного зазора и распределение магнитной индукции по поверхности ротора в синхронном генераторе

Рис. 1.167. Форма воздушного зазора и распределение магнитной индукции по поверхности ротора в синхронном генераторе

Частота индуцированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора f = pn/f)ft, где р — число пар полюсов ротора генератора.

Отношение л/60 выражает число оборотов ротора в 1 с; прир = 1 каждый оборот ротора соответствует полному циклу изменений индуцированного переменного тока (одному периоду); при увеличении числа пар полюсов соответственно увеличивается и число периодов тока, индуцируемого за один оборот ротора.

Как и у любого генератора, работающего по закону электромагнитной индукции, индуцированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и частоте вращения ротора.

Для возбуждения синхронных генераторов используют различные способы. Наиболее широко распространен синхронный генератор с машинным возбудителем. Последний представляет собой генератор постоянного тока, расположенный на одном валу с синхронным генератором. Машинный возбудитель приводится в действие от того же первичного двигателя, что и синхронный генератор. Выходные зажимы машинного возбудителя через щетки и кольца подсоединены к обмотке ротора синхронного генератора. Напряжение синхронного генератора регулируется реостатом в цепи обмотки возбуждения возбудителя, что удобно и энергетически выгодно, так как в этой обмотке протекают сравнительно небольшие токи.

Применяются также генераторы с самовозбуждением через выпрямители (механические или полупроводниковые).

Схема синхронного электродвигателя

Рис. 1.168. Схема синхронного электродвигателя

Синхронный электродвигатель. Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис. 1.168).

Принцип работы синхронного электродвигателя

Рис. 1.169. Принцип работы синхронного электродвигателя

Принцип работы синхронного двигателя поясняется на рисунке 1.169. Внутри магнита NlSl помещен магнит NS. Если магнит NlSi вращать, то он потянет за собой магнит NS. В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы. К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку: чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.

В реальном двигателе поле магнита N}S} заменено вращающимся магнитным полем статора. При этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол а, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоян

ной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора: 60/

=«,=—?

Постоянство частоты вращения — важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя — трудность пуска: нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, встроенную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный. Короткозамкнутая обмотка при этом оказывается обесточенной, так как частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора и стержни обмотки ротора не пересекаются магнитными силовыми линиями.

В настоящее время существует тенденция замены на подвижных объектах (корабли, самолеты, автомобили) электрических цепей постоянного тока цепями переменного тока повышенной частоты (200, 400 Гц и выше). Возможность использования бес-коллекторных машин переменного тока, трансформаторов и магнитных усилителей позволяет повысить надежность работы цепи, а также уменьшить габариты и массу машин и аппаратов.

При оборудовании объекта сетью переменного тока широкое применение находит электропривод на переменном токе. Разработаны схемы с асинхронными и синхронными двигателями, которые позволяют выполнить все операции, осуществляемые ранее двигателями постоянного тока.

Преимущества асинхронных двигателей наиболее заметны тогда, когда по условиям работы привода нет необходимости плавного регулирования частоты вращения в широких пределах при больших пусковых моментах (привод насосов, вентиляторов и др.).

Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности. Внешне синхронные электрические машины практически не отличаются от асинхронных.

"cSk Контрольные вопросы и задания

  • 1. Каково назначение электрических машин переменного тока?
  • 2. Перечислите особенности асинхроннь х и синхроннь х электрических машин переменного тока.
  • 3. Как формируется вращающееся магнитное поле?
  • 4. Поясните устройство статора трехфазнь х асинхроннь х электродвигателей.
  • 5. Поясните устройство ротора трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнуть м ротором.
  • 6. Поясните устройство ротора трехфазного асинхронного электродвигателя с фазнь м ротором.
  • 7. Поясните принцип действия трехфазнь х асинхроннь х электродвигателей.
  • 8. Что такое скольжение?
  • 9. Как осуществляется прямой пуск трехфазнь х асинхроннь х электродвигателей?
  • 10. Как осуществляется пуск при пониженном напряжении трехфазнь х асинхроннь х электродвигателей?

И. Как осуществляется реостатнь и пуск трехфазнь х асинхроннь х электродвигателей?

  • 12. Поясните скоростнь е характеристики трехфазного асинхронного электродвигателя.
  • 13. Как зависит момент и cos ср от номинальной мощности на валу трехфазного асинхронного электродвигателя?
  • 14. Как зависит КПД от номинальной мощности на валу трехфазного асинхронного электродвигателя?
  • 15. Какими способами можно регулировать частоту вращения ротора трехфазного асинхронного электродвигателя?
  • 16. Как осуществляется реверсирование трехфазного асинхронного электродвигателя?
  • 17. Поясните устройство и принцип действия однофазного асинхронного электродвигателя.
  • 18. Как осуществляется пуск однофазного асинхронного электродвигателя?
  • 19. Перечислите недостатки однофазного асинхронного электродвигателя.
  • 20. Поясните устройство статора синхронной электрической машинь .
  • 21. В чем различие явнополюснь х и неявнополюснь х синхроннь х генераторов?
  • 22. Как осуществляется возбуждение синхронного генератора?
  • 23. Поясните принцип действия синхронного электродвигателя.
  • 24. В каких областях деятельности применяются асинхроннь е и синхроннь е электродвигатели?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >