|
6.Эл.машинины пер тока. Электродвигатели переменного тока Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока. Устройство асинхронных электродвигателей
Электродвигатели переменного тока
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока.
Устройство асинхронных электродвигателей
Конструктивно асинхронные электрические двигатели переменного тока состоят из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижной части — статора и, вращающейся части — ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора - вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.
Устройство асинхронных электродвигателей (продолжение)
Р ис. 10.2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:
1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы.
Статор. Частями статора являются магнитопровод и корпус. Сердечник собран из изолированных листов электротехнической стали. Пластины штампуют со впадинами (пазами), изолируют лаком, окалиной или тонкой бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи, собирают в отдельные пакеты и крепят в станине двигателя. К станине прикрепляют также боковые щиты с помещенными на них подшипниками, на которые опирается вал ротора. Станину устанавливают на фундаменте. С внутренней стороны полый цилиндр сердечника статора снабжен пазами, в которые закладывается статорная обмотка. Число катушек, образующих обмотку, должно быть кратно трем (3, 6, 9, 12 и т. д.).
Устройство асинхронных электродвигателей (продолжение)
Ротор. Представляет собой укрепленный на валу цилиндр, набранный так же, как и сердечник статора, из листов штампованных электротехнической стали. В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.
В большинстве случаев ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой, состоящей из медных или алюминиевых стержней, уложенных без изоляции в пазы на внешней поверхности магнитопровода ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки» (рис. 10.3, а). Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются. Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом (литым ротором). При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рис. 10.3, б).
Вал ротора вращается в подшипниках качения, расположенных в подшипниковых щитах.
Рис. 10.3. Короткозамкнутый ротор:
а — обмотка «беличья клетка», б — ротор с обмоткой, выполненной методом литья под давлением; 1 — вал; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — вентиляционные лопатки.
Устройство асинхронных электродвигателей (продолжение)
Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором, прикрытым кожухом. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.
 Подключение выводов: Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних (рис. 10.4). В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).
<- Рис. 10.4. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)
Устройство асинхронных электродвигателей (продолжение)
Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап (см. рис. 10.2), либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух).
П ринципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис. 10.5, а.
Рис. 10.5. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.
Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором
Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей (обычно двигатели большой мощности) - двигатели с фазным ротором (катушечной обмоткой)— конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рис. 10.6). Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный Сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 (рис. 10.7) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием. Через кольца и щетки фазная обмотка замыкается на пусковой реостат.
Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис. 10.5, б. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление Rдоб.
На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).
Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором (продолжение)
Рис. 10.6 Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором:
1, 7 – подшипники, 2,6 – подшипниковые щиты, 3 – корпус, 4 – сердечник статора с обмоткой, 5 – сердечник ротора, 8 – вал, 9 – коробка выводов, 10 – лапы, 11 – контактные кольца
Принцип работы асинхронных электродвигателей переменного тока
Сердечники статора и ротора образуют магнитную цепь асинхронной машины.
Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.
Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.
Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n1, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя. Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя.
Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением:
s = ( n1 — n ) / n , где n1 скорость вращения ротора, n скорость вращения поля.
У современных двигателей средней и большой мощности скольжение мало (0,02-0,03).
Область применения
В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Асинхронные электродвигатели могут применяться как в бытовой технике (асинхронные двигатели малой мощности), так и в производстве (грузовые лебедки, крановые установки общепромышленного значения и т. д.).
Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма; в электродвигателях большой мощности; в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места, а также при частых пусках двигателя под нагрузкой. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат. В настоящее время асинхронные двигатели выполняют преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в специальных случаях используют фазную обмотку ротора.
Пуск асинхронных электродвигателей
Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:
1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный;
2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора.
Напряжение снижают, например, переключая о бмотки статора со «звезды» на «треугольник». Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».
Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».
Пуск асинхронного двигателя может производиться при помощи автотрансформаторов и реакторов. Как и прочие способы пуска асинхронного двигателя, он основан на уменьшении подводимого напряжения и характеризуется снижением пускового момента. При пуске автотрансформаторы понижают напряжение на 50—80%.
Пуск специальным устройством. В отличие от прямого подключения специальное устройство пуска асинхронного двигателя обеспечивает постепенный разгон и торможение двигателя, что достигается благодаря подаче линейно изменяющегося напряжения от начального до номинального значения.
Асинхронные электродвигатели с улучшенными пусковыми свойствами
Простота конструкции и надежность в эксплуатации двигателей с короткозамкнутым ротором являются их очень существенным достоинством, благодаря чему они получили очень широкое применение в промышленности. Однако эти двигатели имеют плохие пусковые характеристики.
Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора: используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.
Р отор с двойной короткозамкнутой обмоткой был впервые предложен М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Он имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (рис. 118).
В данных электродвигателях используется явление оттеснения тока в верхние части проводников, что особенно сильно сказывается в момент включения двигателя, когда частота тока в роторе равна частоте тока сети. И, следовательно, при пуске в ход повышается активное сопротивление обмотки ротора, что увеличивает пусковой момент. При увеличении скорости вращения ротора частота тока в его обмотке уменьшается и ток более равномерно распределяется по сечению стержней, и при нормальной скорости вращения неравномерность распределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает. Пусковой момент двигателей этого типа Мп= (1 ÷1,5) Мн, а пусковой ток Iп= (4÷5) Iн.
Таким образом, в двигателях с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами пусковые моменты больше и пусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.
Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычных короткозамкнутых двигателей — несколько меньше соs j, к. п. д. и максимальный момент, так как больше потоки рассеяния, т. е. больше индуктивные сопротивления обмоток ротора.
Способы регулирования частоты вращения асинхронного двигателя
изменением частоты f:
с помощью полупроводникового преобразователя частоты;
числа пар полюсов p:
путем изменения схемы соединения секций обмотки статора;
скольжения s:
изменением подводимого к статору напряжения;
введением сопротивления в цепь ротора;
введением в цепь ротора дополнительной ЭДС;
применением схемы асинхронно-вентильного каскада.
Регулирование частоты вращения изменением частоты подводимого напряжения
Этот способ является в настоящее время наиболее перспективным. Изменение частоты осуществляется с помощью полупроводникового преобразователя частоты. Одновременно с изменением частотыfрегулируют и напряжение U, так чтобы обеспечить постоянство магнитного потока.
Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов
 Этот способ регулирования в отличие от предыдущего позволяет осуществить изменение частоты вращения только ступенями. Он используется в таких механизмах, как воздуходувки, транспортеры, подъемники, лифты. Двигатели с переключением числа пар полюсов называют многоскоростными. Обычно многоскоростные асинхронные двигатели выполняются с двумя, тремя и четырьмя ступенями скоростей.
Изменение числа полюсов осуществляется путем изменения схемы соединения секций обмотки статора.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением скольжения
Регулирование частоты вращения изменением скольжения
И  зменять скольжение асинхронного двигателя можно разными способами: изменением подводимого к статору напряжения, введением сопротивления в цепь ротора или введением в цепь ротора дополнительной ЭДС.
В двигателях с фазным ротором изменить частоту вращения можно путем изменения сопротивления в роторе.
Чтобы повысить КПД двигателя при регулировании частоты вращения путем изменения скольжения, необходимо мощность скольжения использовать для совершения полезной работы или возвратить обратно в сеть. Схемы, реализующие эту идею, называются каскадными. Одной из распространенных схем данного типа является схема асинхронно-вентильного каскада (рис. 4.35).
Принципы автоматического управления торможением электродвигателей
Для быстрой остановки механизма после отключения электродвигателя в электроприводах часто применяют автоматическое управление процессом торможения.
Торможение осуществляют электрическим и механическим способом, чаще всего один способ дополняют другим.
Управление механическим торможением (т. е. ленточными или колодочными тормозами) обеспечивается тормозными электромагнитами, электрогидравлическими толкателями или дополнительными электродвигателями.
Электрическое торможение чаще всего осуществляется динамическим режимом или режимом противовключения.
Автоматизация электрического торможения у большинства электроприводов производится так же, как и пуск двигателей в функции частоты вращения, силы тока и времени.
Для электродвигателей параллельного возбуждения обычно применяют динамическое торможение, для электродвигателей последовательного возбуждения и асинхронных электродвигателей с фазным ротором - торможение противовключением.
Электрическое торможение электродвигателей
Р ежим динамического торможения возникает когда отключают переменное напряжение и включают 2 обмотку статора на положительное напряжение. Магнитное поле Ф становится и при взаимодействии с током вращающегося по инерции ротора создается тормозной момент MТР. Под действием этого момента АД затормаживается до нуля.
При динамическом торможении вращающий момент двигателя прямо пропорционален частоте вращения, а поэтому эффективность торможения резко уменьшается при снижении частоты вращения, и процесс торможения затягивается. Для ускорения торможения применяют несколько ступеней сопротивления, увеличивая тормозную силу тока шунтированием тормозного резистора в функции времени, силы тока или частоты вращения.
 Торможение противовключением возникает когда меняется порядок чередования токов в 2-х фазах. Магнитное поле Ф меняет направление вращения на противоположное и взаимодействие с токами вращающегося по инерции ротора, затормаживает его под действием момента MТЕ. Ротор АД затормаживается до w2=0 и если не отключить питание, то происходит реверсирование АД (он начинает вращаться в обратном направлении).
При торможении противовключением для ограничения силы тока в силовую цепь вводят кроме пусковых резисторов добавочные, которые называют ступенью противовключения. Контактор, шунтирующий эту ступень, называют контактором противовключения, а реле, управляющее катушкой этого контактора, - реле противовключения.
Схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором при торможении противовключением
При торможении противовключением применяют реверсивный магнитный пускатель с контакторами Л и Т и тепловым реле РТ. Контактор Л предназначен для пуска и нормальной работы электродвигателя, контактор Т - для торможения противовключением.
Схема работает следующим образом. Включают рубильник Р, нажимают на кнопку "Пуск". Катушка контактора Л возбуждается, замыкающие блок-контакты П шунтируют кнопку "Пуск", размыкающие блок-контакты разрывают цепь катушки контактора Т, главные контакты разрывают цепь катушки контактора Т, главные контакты Л подают напряжение на статорную обмотку электродвигателя.
 Двигатель работает. Контакты реле контроля частоты вращения РС находятся в замкнутом состоянии (контакты РС размыкаются только при частоте вращения, меньшей 10% nн).
Для осуществления торможения необходимо нажать кнопку "Стоп". При этом катушка контактора Л обесточивается. Главные и вспомогательные замыкающие контакты разомкнутся. Размыкающий блок-контакт в цепи катушки контактора Т замкнется. Катушка контактора Т возбудится, и его главные контакты включатся, осуществляя изменение порядка чередования фаз на двигателе, а следовательно, и торможение двигателя. Размыкающие блок-контакты Т в цепи контактора Л разомкнутся, предотвращая его случайное включение. При частоте вращения вала двигателя меньшей 10% на контакты реле контроля частоты вращения вала разомкнутся и обесточат катушку контактора Т. Схема готова к новому пуску двигателя.
Схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором при динамическом торможении
Динамическое торможение асинхронного двигателя осуществляется отключением его статорной обмотки от сети переменного тока контактором Л и подключением ее к сети постоянного тока контактором Т.
Схема работает следующим образом. Включением рубильника Р подают напряжение в главную и вспомогательную цепи. При нажатии кнопки "Пуск" возбуждается катушка контактора Л, включаются главные контакты Л и подключается статорная обмотка электродвигателя к сети переменного тока.
 Замыкающие блок-контакты Л в цепи катушки Л шунтируют кнопку "Пуск" и обеспечивают питание катушки Л в течение работы двигателя. Размыкающие блок-контакты Л в цепи катушки контактора Т размыкают цепь, исключая включение контактора Т. Замыкающий контакт в цепи реле РВ замыкается, катушка РВ возбуждается, ее замыкающие контакты с выдержкой времени на размыкание в цепи катушки контактора Т замыкаются без выдержки времени.
Чтобы затормозить, необходимо нажать на кнопку "Стоп". При этом отключается контактор Л, его размыкающие блок-контакты в цепи катушки Т замкнутся, подавая напряжение на катушку Т. Контактор Т замкнет свои главные контакты в цепи постоянного тока, подавая напряжение на статорную обмотку. Реле времени РВ отрегулировано так, что его контакты в цепи катушки контактора Т после отключения реле разомкнутся с выдержкой времени, достаточной для динамического торможения двигателя. После размыкания контакторов реле РВ контактор Т отключается, и схема готова к новому пуску двигателя.
Однофазные асинхронные двигатели
Однофазные асинхронные двигатели в отличие от трехфазных двигателей имеют на статоре однофазную обмотку (фиг. 239, a, б и в, обмотка А). Ротор однофазного двигателя имеет трехфазную обмотку с кольцами или короткозамкнутую обмотку. Выше было указано, что однофазный ток не создает вращающегося магнитного поля. Поэтому однофазные двигатели не имеют начального или пускового вращающегося момента. Для создания пускового момента на статоре двигателя располагают вторую, так называемую пусковую обмотку, сдвинутую относительно рабочей обмотки на угол 90° (фиг. 239, a и б, обмотка В). Обе обмотки питаются от сети однофазного тока. Для создания сдвига фаз между токами обеих обмоток на угол, близкий к 90°, последовательно с пусковыми обмотками, включается активное сопротивление или емкость (фиг. 239, a и б). Пусковая обмотка включается только на время пуска, и после того как двигатель развил нормальную скорость вращения, она посредством рубильника К отключается от сети. Двигатель продолжает работать с одной рабочей обмоткой.
У однофазных двигателей малой мощности (0,5—30 Bт) пусковая обмотка представляет собой короткозамкнутые витки (фиг. 239, в). В этом случае на статоре имеются явно выраженные полюсы, часть которых охватывается короткозамкнутыми витками. Токи в такой обмотке индуктируются рабочей обмоткой.
О днофазные асинхронные двигатели по сравнению с трехфазными двигателями имеют следующие недостатки:
1) отсутствие начального пускового момента;
2) малая перегрузочная способность;
3) более низкий к. п. д.;
4 ) меньший коэффициент мощности (cos φ).
Синхронные машины переменного тока
Синхронные машины — это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора (n2 = n1 = const) при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной. Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнергетических установках синхронные машины иногда используются в качестве компенсаторов — генераторов реактивной мощности, позволяющих повысить коэффициент мощности всей установки.
Синхронной называется электрическая машина, скорость вращения n (об/мин) при любой нагрузке, которой связана постоянным отношением с частотой n = 60 * f / p (где р — число пар полюсов машины) сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины — это бесколлекторные машины переменного тока.
Устройство синхронных электродвигателей
С инхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. К скользящим контактам на роторе подводится мощность возбуждения, составляющая 0,3-3 % номинальной мощности машины. Иногда у машин небольшой мощности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.
В синхронных машинах чаще всего находит применение конструкция, при которой, обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе (рис. 1).
Синхронные машины небольшой мощности иногда имеют обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения - на полюсах статора (рис. 2 – не приведен). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны.
Двигатели отличаются от генераторов конструктивно наличием на роторе необходимой для асинхронного пуска дополнительной короткозамкнутой обмотки или аналогичного приспособления, а также относительно меньшим воздушным зазором между статором и ротором. У синхронных двигателей КПД несколько выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у асинхронных двигателей, рассчитанных на ту же скорость вращения.
Принцип действия синхронного двигателя
В соответствии с принципом обратимости электрических машин синхронная машина может работать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.
Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.). При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка якоря присоединяется к трехфазной сети. При этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения n1. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы этот момент имел одно и то же направление, поля должны быть неподвижны относительно друг друга. Это имеет место, если ротор и, следовательно, его магнитное поле вращаются с частотой, равной n1. Поэтому в синхронном двигателе ротор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения поля n1. (n2 = n1 = const)
При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя меняется угол θ. При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие новой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные движения. Таким образом, в синхронном двигателе, так же как и в генераторе, имеют место колебания.
Область применения синхронных машин переменного тока
Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более.
Вращение ротора синхронных двигателей только с синхронной частотой составляет характерную особенность этих двигателей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения): для крупных вентиляторов, эксгаустеров, компрессоров, насосов, генераторов постоянного тока и т. д. В большинстве случаев эти двигатели выполняются явнополюсными, мощностью 40-7500 кВт, для скоростей вращения 125-1000 об/мин.
Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).
Преимущества и недостатки синхронного двигателя
В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с cos φ = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением синхронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способствуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в целом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, основная составляющая электромагнитного момента пропорциональна напряжению сети U, а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорционален U2 . По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.
К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.
Пуск синхронного электродвигателя
Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм».
Способы пуска синхронного электродвигателя
Асинхронный пуск синхронного электродвигателя
Самый простой и распространенный пуск синхронного двигателя — асинхронный пуск. Пуск двигателя состоит из двух этапов:
первый этап — асинхронный набор скорости при отсутствии возбуждения постоянным током, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации;
второй этап — втягивание ротора в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения.- После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.
Внешний разгон.
В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.
Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.
частотный пуск -
Сегодня чаще используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока. Достигается применением тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей.
Системы возбуждения синхронных электродвигателей
Постоянный ток возбуждения
Характерной и ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с асинхронным является возможность регулирования его реактивного тока (а следовательно, и cos φ) путем изменения постоянного тока возбуждения.
При нормальном токе возбуждения магнитное поле ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с., которую можно считать приближенно равной напряжению сети, приложенному к зажимам статора. В этих условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током. Его cos φ = 1. По этой причине обмотка статора синхронного двигателя рассчитывается на один активный ток (у асинхронного двигателя эта обмотка рассчитывается на активный и реактивный токи). По этой причине при одинаковой номинальной мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его КПД выше, чем асинхронного.
Если же ток возбуждения синхронного двигателя существенно меньше номинального, то магнитный поток ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с. меньшую, чем напряжение сети — это условие, когда двигатель недовозбужден. Помимо активного тока, он нагружает сеть реактивным током, отстающим по фазе от напряжения на четверть периода, как намагничивающий ток асинхронного электродвигателя. Но если постоянный ток возбуждения больше номинального, то э.д.с. больше напряжения сети — двигатель перевозбужден. Он нагружает сеть, кроме активного тока, реактивным током, опережающим по фазе напряжение сети, совершенно также как емкостной ток конденсатора. Следовательно, перевозбужденный синхронный двигатель может подобно емкости улучшать общий cos φ промышленного предприятия, снижаемый индуктивными токами асинхронных двигателей.
Системы возбуждения синхронных электродвигателей (продолжение)
Для возбуждения синхронных машин применяется несколько систем.
1  ) Простейшей из них является электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис.15) В этой системе в качестве источника используют специальный генератор постоянного тока GE, называемый возбудителем; он приводится во вращение от вала синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины Iв относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA, называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора Rш2 при работе генератора не изменяется.
2) В последнее время вместо электромашинных систем получают все большее применение вентильные системы возбуждения с диодами и тиристорами. Эти системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные.
Различают три разновидности вентильных систем возбуждения:
систему с самовозбуждением;
независимую систему возбуждения;
бесщеточную систему возбуждения.
Системы возбуждения синхронных электродвигателей (продолжение)
В вентильной системе с самовозбуждением (рис. 18) для возбуждения синхронной машины используется энергия, отбираемая от обмотки якоря основного генератора G, которая затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока. Эта энергия поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов.
 В вентильной независимой системе возбуждения (рис. 19) энергия для возбуждения получается от специально го возбудителя GN, выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его укреплен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрямляется и подводится к обмотке возбуждения.
Разновидностью вентильной независимой системы возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой. Переменное напряжение этой обмотки с помощью выпрямительного моста, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное напряжение и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от независимого источника.
|
|
|
Скачать 3.28 Mb.