физика. Новиков для Егорова. Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства
 Скачать 299.22 Kb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Исключительное значение электротехники в наши дни объясняется тем, что средствами электротехники относительно просто решаются важнейшие технические проблемы во всех отраслях (промышленности быту транспорте передачи информации медицине и т.д.) например передача на дальние расстояния и преобразование больших количеств энергии и передача сигналов на практически неограниченные расстояния. Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства. И конечно же от специалистов в области электромеханики требуются глубокие знания обслуживания и ремонта электрических машин, а также их правильной эксплуатации. Без электрических машин не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей в океане и активной зоне атомных реакторов в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности. Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в области теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электромеханического преобразования энергии необходимо не только инженерам-электромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины но и многим специалистам деятельность которых связана с электромеханикой. Возникновение электротехники как прикладной науке предшествовал довольно длительный период (начиная примерно с 16 века) накопления знаний об электричестве и магнетизма. Начало практическому примеру электрического освещения положило изобретение в 1876 году П.Н. Яблочковым электрической свечи. Им же впервые был внедрен в практику переменный ток осуществлено “дробление” электрической энергии посредствам трансформаторов с централизованного производства и распределения электроэнергии. Работы М. О. Дали во–Добровольского, который изобрел трехфазный трансформатор и асинхронный двигатель (1889–1891 г.) и детально разработавшего технику трехфазной системы которая по сегодняшний день остается основным способом передачи и распределения электроэнергии на всем земном шаре. Электроэнергия является стержнем строительства экономики современного общества играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства в осуществлении всего технического процесса. В настоящее время перед электромеханиками стоят трудные и интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории проектирования и технологии изготовления электрических машин. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения и используется там, где нет необходимости в регулировании частоты или она должна быть постоянной. Синхронные двигатели имеют большую мощность (50–100 кВт и более) и применяется на металлургических заводах в шахтах и других предприятиях для приведения в движение насосов компрессоров и т.д. Достоинством синхронного двигателя является возможность его работы с емкостным (опережающим) током статора. Такой двигатель будет улучшать коэффициент мощности предприятия Имеется также специальные синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт используемые в схемах автоматики звукозаписи для вращения лент самопищущих приборов и в других случаях требующих строгого постоянства частоты вращения. Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя может служить источником реактивной мощности. Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах статора размещена обмотка переменного тока, получающая питание от сети, а в роторе – обмотка постоянного тока. В зависимости от мощности двигателя ротор выполняют с различной системой возбуждения. Синхронные двигатели средней и большой мощности выполняют с электромагнитным возбуждением. В этом случае расположенная на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца. Для двигателей малой мощности применяют постоянные магниты без обмотки возбуждения что упрощает конструкцию ротора и повышает надежность двигателей.  Рис.1 Устройство синхронного двигателя небольшой мощности: 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4– ротор; 5 – вентилятор; 6 – выводы обмотки статора; 7 – контактные кольца; 8 – щетки; 9 – возбудитель. Ротор синхронных двигателей выполняют с явновыраженными и неявновыраженными полюсами. Я  внополюсные то есть с ровно выраженными полюсами при котором каждый полюс выполняют в виде отдельного узла состоящего из сердечника полюсного наконечника и полюсной катушки. Все полюса закрепляют на ободе являющимся также и ярмом через которые закрепляются магнитные патоки полюсов. Сердечники полюсов явнополюсного ротора обычно собирают из штамповой листовой конструкционной стали толщиной 1 - 1 5 мм. Обод явнополюсного ротора выполняют массивным (литым или сварным) или же шлихтованным из листов конструкционной стали 1-6 мм. Листы стягивают шпильками.Рис.2 Явнополюсной ротор. Неявнополюсной ротор имеет вид удлиненного стального цилиндра. Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки в месте с хвостовиками или же делают сборными. Обмотки возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь две трети его поверхности (по периметру). Оставшееся одна треть внутренности двигателя остается для ротора. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывает стальными бандажными кольцами (каплями) изготовленными обычно из немагнитной стали.  Рис.3 Неявнополюсной ротор.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Оболочка статора синхронного двигателя подключается к сети переменного тока а оболочка ротора к источнику постоянного тока. В синхронном двигателе момент на валу создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора и постоянного поля ротора. В отличие от асинхронного двигателя частота вращения ротора в синхронном двигателе не зависит от нагрузки и равна частоте вращения поля статора. Если ротор двигателя начнет вращаться с частотой меньшей чем частота поля статора то в какой-то момент времени намагниченные полюса ротора расположатся против одноименных полюсов вращающегося поля статора. В этом случае нарушится связь между полюсами статора и ротора из-за их взаимного отталкивания. Вращение ротора только с синхронной частотой – характерная особенность синхронных двигателей. Для пуска синхронного двигателя в полюсных наконечниках ротора уложена пусковая обмотка, выполненная наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных двигателей. Наличие ее позволяет пускать двигатель как асинхронный. При достижении ротором угловой скорости в его обмотку подает постоянный ток и двигатель входит в синхронизм. Также для пуска синхронных двигателей используют генераторы постоянного тока (имеющие общий вал с двигателем) либо тиристорные выпрямители обеспечивающую более высокую (по сравнению с электромашинными возбудителями) надежность работы двигателя. Синхронные двигатели малой мощности (до 2 кВт) иногда возбуждают постоянными магнитами или реактивным током статора.  Рис.4 Принцип действия синхронного двигателя: 1 статор (катушка возбуждения);2 ротор. ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора вращения, которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней части, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь. Пуск синхронного двигателя по средствам вспомогательного двигателя. Процесс протекает аналогично процессу включения синхронного генератора на параллельную работу ротор возбужденного синхронного двигателя посредствам вспомогательного (пускового) двигателя приводится во вращение разгоняется до синхронной частоты вращения и с помощью синхронизирующего устройства подключается к сети. Затем вспомогательный двигатель отключают. Обычно мощность вспомогательного двигателя составляет 5-15% от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать синхронные двигатели либо без нагрузки либо при малой нагрузки на валу. Применение вспомогательного двигателя мощностью достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой нецелесообразно так как при этом установка получается громоздкой и неэкономичной. В качестве вспомогательного двигателя обычно применяют асинхронный двигатель с фазным ротором при числе полюсов 2p. Это делается для того, чтобы можно было ротор двигателя привести во вращение с частотой близкой к синхронной. Для регулировки частоты вращения в цепь ротора синхронного двигателя включают регулировочный реостат. В настоящее время описанные способ пуска имеет ограниченное применение. АСИНХРОННЫЙ ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки) аналогичной успокоительной обмотке синхронного генератора. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил. Под действием этих сил ротор приводится во вращение. После разгона ротора до частоты вращения близкой к синхронной (n = 0.95n). Обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Образующийся при этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка двигателя выполняет функцию лишь успокоительной обмотки ограничивая качание ротора. Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм. Синхронные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента т. е. даже без включения обмотки возбуждения. С увеличением нагрузки момента на валу вхождения двигателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается в синхронизм, называют момент входа в синхронизм. Синхронный момент при частоте вращения n2=0 95n зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивления металла, из которого они изготавливаются. Следует обратить внимание что выбор сопротивления пусковой клетки, соответствующего значительному пусковому моменту и наоборот при сопротивлении соответствующему небольшому пусковому моменту момент входа в синхронизм увеличивается. В процессе асинхронный пуск в обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой пересекающей ее в начальный период пуска с синхронной скоростью индуктирует в ней с ЭДС. В следствие большого числа витков обмотка возбуждения этих ЭДС достигается значения опасных как для целостности изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего на период разгона замыкают на активное сопротивление примерно в 10 раз большее сопротивление обмотки возбуждения. Замыкания накоротко обмотки возбуждения на время пуска двигателя не желательно т. к. при этом обмотка ротора образует однофазный замкнутый контур взаимодействия, которого с вращающемся полем статора также создают дополнительный синхронный момент. Однако при частоте вращения равной половине синхронной этот момент становится тормозящим и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронного) момента. Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя. При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный ток. Поэтому синхронных двигателей непосредственным при достаточной мощности сети способной выдержать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти или семикратного значения. Если же мощность сети недостаточна, то можно применять пуск двигателя по пониженному напряжению (автотранспортный или реактивный).  Рис.6 Схема Асинхронного пуска синхронного двигателя. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими машинами. Но синхронные двигатели могут работать не только в генераторном режиме но и в двигательном преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими по сравнению с другими преобразователями энергии расходами материалов на единицу мощности экологически чистые электромеханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества огромное значение. Наиболее распространенные асинхронные двигатели электрические они просты в производстве и надежны в эксплуатации (особенно короткозамкнутые). Их главные недостатки: значительное потребление реактивной мощности и невозможность плавного регулирования частоты вращения. Во многих мощных электроприводах применяют синхронные двигатели электрические. В тех случаях когда необходимо регулировать частоту вращения пользуются двигателями электрическими постоянного тока и значительно реже в этих случаях применяют более дорогие и менее надежные коллекторные двигатели электрические переменного тока. Мощность электрического двигателя от десятых долей Вт до десятков мВт. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе - М.: Энергия 1977. - 425 с. 2. Гольдберг О.Д. Гурин Я.С. Проектирование электрических машин. - 2-е изд. перераб и доп. - М.: Высшая школа. - 2001. 3. Иноземцев Е.К. Ремонт и эксплуатация электродвигателя с непосредственным водяным охлаждением типа ЛВ - 8000/6000 УЗ - М.: Энергия 1980 - 546 с. 4. Иванов И.И. Равдоник В.С. Электротехника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа 1984. - 375 с. 5. Копылов И.П. Клоков Б.К. Морозкин В.П. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа 2002 - 757 с. 6. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд. перераб. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - 607 с. 7. Копылов И. П. Клокова Б. К. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Т. 1 и 2.-М.: Энергоатомиздат 1988.-456 с: 8. Столов Л.И. Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат 1989. - 224 с. |