Устройство асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося 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.

Обмотки статора и ротора асинхронных машин между собой электрически не связаны; между ними существует только магнитная (трансформаторная) связь, называемая также индуктивной. Токи обмотки статора совместно с токами обмотки ротора создают в двигателе вращающееся магнитное поле. Токи, наведенные в обмотке ротора вращающимся полем, взаимодействуя с ним, создают электромагнитные силы, заставляющие ротор вращаться.

Асинхронные двигатели выполняются или с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или с обмоткой на роторе (обычно трехфазной), соединенной с контактными кольцами.

В соответствии с этим различают короткозамкнутые двигатели и двигатели с контактными кольцами. Последние условие называются также двигателями с фазным ротором.

На щитке асинхронного двигателя указываются его следующие номинальные величины:

1. мощность (на валу), кВт или Вт;

2. линейное напряжение обмотки статора, В;

3. линейный ток, А;

4. частота тока, Гц;

5. частота вращения ротора (число оборотов в минуту);

6. коэффициент полезного действия;

7. коэффициент мощности (косинус угла сдвига фаз между напряжением и током фазы обмотки статора);

8. напряжение на контактных кольцах (при неподвижном роторе) и ток обмотки ротора (при номинальном режиме) для двигателя с контактными кольцами.

Кроме того, на щитке указываются схема соединений обмотки статора, режим работы (продолжительный, кратковременный или повторно-кратковременный), для которого предназначен двигатель, и полный вес его в килограммах.

Рис. 3. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)

Р ис. 4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12 (см. рис. 1), 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). Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис. 4, а.

Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей - двигатели с фазным ротором — конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рис. 5). 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. 6) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.

Асд с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. 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).

13. В соответствии с принципом обратимости электрических машин асм могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n₂ < n₁ в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т. п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр, исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р₁, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность Р₁ и передается исполнительному механизму ИМ (рис. 1, б).

Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора: S = (n₁ – n₂)/ n₁

Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. В последнем случае величину S следует умножить на 100.

Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора n₂ уменьшается. Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигателя и может изменяться в диапазоне 0 < s ≤ 1.

П ри включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием сил инерции неподвижен (n₂ ⁼ 0). При этом скольжение s равно единице.

Рис. 1. Режимы работы асинхронной машины

В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n₁ и скольжение весьма мало отличается от нуля (s ≈ 0). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением s_hom. Для асинхронных двигателей общего назначения s_hom = 1 8%, при этом для двигателей большой мощности s_ном = 1%, а для двигателей малой мощности s_ном = 8%.

Формула для определения асинхронной частоты вращения (об/мин): n₂ = n₁(1-s).

Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), являющегося источником механической энергии, вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n₂ > n₁, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы пой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁ (рис. 1, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор, который отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне - ∞ < s < 0, т. е. оно может принимать любые отрицательные значения.

Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем правлении. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис. 1, в). Этот режим работы асинхронной машиины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т. е. на его торможение.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы: s = [n₁ - (- n₂)] / n₁ = (n₁ + n₂) /n₁ > 1

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1 < s < + ∞ , т. е. оно может принимать любые положительные значения больше единицы.

Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной машины, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора n₁ и ротора n₂, т. е. наличие скольжения, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора ЭДС и на роторе возникает электромагнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхронной машины соответствует определенный диапазон изменений скольжения, а следовательно, и частоты вращения ротора.

Из рассмотренных режимов работы наибольшее практическое применение получил двигательный режим асинхронной машины, т. е. чаще используют асинхронные двигатели, которые составляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и высокой надежностью. Поэтому теорию асинхронных машин принято излагать применительно к асинхронным двигателям.

Р ежим работы трехфазной Ас.М. определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора.

В заимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше индуктируемые в его обмотке ЭДС, а, следовательно, и токи. Если частота вращения поля n₁, а частота вращения ротора n, то режим работы Ас.М. можно характеризовать скольжением

На рисунке 5 построена линейная характеристика n(s) по (1). В зависимости от значения скольжения s трехфазная Ас.М. может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0< s <1) трехфазная Ас.М. преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (s <0) трехфазная Ас.М. преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза (s>1) ротор трехфазной Ас.М. вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия.

14. Многофазная обмотка статора состоит из m₁ - фазных обмоток. Например, трехфазная обмотка (m₁ = 3) состоит из трех фазных обмоток, каждая из которых занимает Z₁/3 пазов, где Z₁ - общее число пазов сердечника статора. Каждая фазная обмотка представляет собой разомкнутую систему проводников. Элементом обмотки является катушка, состоящая из одного или нескольких витков. Элементы катушки, располагаемые в пазах, называют пазовыми сторонами 1, а элементы, расположенные вне пазов и служащие для соединения пазовых сторон, называют лобовыми частями 2 (рис. 1). Часть дуги внутренней расточки статора, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением (м): τ = πD₁ /(2р), где D₁ — внутренний диаметр статора, м; 2р — число полюсов.

Расстояние между пазовыми сторонами катушки, измеренное по внутренней поверхности статора, называется шагом обмотки по пазам у₁. Шаг обмотки выражают в пазах. Шаг обмотки называется полным или диаметральным, если он равен полюсному делению: y₁ = Z₁/(2p) = τ .

В этом случае ЭДС витка определяется арифметической суммой ЭДС, наведенных в сторонах этого витка (рис. 2): е = е₁ + е₂.

Если же шаг обмотки меньше полюсного деления (у₁ < τ), то он называется укороченным. У катушки с укороченным шагом ЭДС меньше, чем у катушки с полным шагом.

Простейшая трехфазная обмотка статора двухполюсной машины состоит из трех катушек (А, В, С), оси которых смещены в пространстве относительно друг друга на 120 эл. град, т. е. на полюсного деления (рис. 3). Такая обмотка называется сосредоточенной. Каждая катушка здесь представляет собой фазную обмотку.

Рис 1. Расположение катушек в пазах сердечника статора

Рис. 2. При диаметральном шаге ЭДС в пазовых сторонах катушки направлены согласно

Рис. 3. Сосредоточенная трехфазная обмотка: а — расположение катушек в пазах статора; б — развернутая схема обмотки

Обмотка статора состоит, как правило, из большого числа катушек, соединенных между собой определенным образом. Для удобного и наглядного изображения катушек и их соединений пользуются развернутыми схемами обмоток. На такой схеме цилиндрическую поверхность статора вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости, а все катушки изображают одновитковыми в виде прямых линий.

В соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток статора обозначают следующим образом:

Первая фаза......начало С1 — конец С4

Вторая фаза..... » С2 — » С5

Третья фаза...... » СЗ — » С6

Конструкция обмотки статора в значительной мере влияет на свойства машины переменного тока, в первую очередь на ее стоимость, КПД и рабочие характеристики.

Обмотки статора машин переменного тока по своей конструкции разделяются на двух- и однослойные.

В двухслойной обмотке пазовая сторона катушки занимает половину паза по его высоте, а другую половину этого паза занимает пазовая сторона другой катушки (рис. 1, а).

В однослойной обмотке статора пазовая сторона любой катушки занимает весь паз (рис. 1, б).

Рис. 1. Расположение пазовых сторон двухслойной (а) и однослойной (б) обмоток статора

Обмотки статора разделяются на сосредоточенные и распределенные.

При сосредоточенной обмотке все катушки одной фазы, приходящиеся на полюс и образующие катушечную группу, укладываются в двух пазах, т. е. сосредоточиваются вместе и образуют одну большую катушку. Примером такой обмотки может служить трехфазная обмотка, представленная на рис. 3(урок 24). По ряду причин сосредоточенные обмотки не получили распространения. Одна из причин — необходимость вырубки в пластинах статора пазов большой площади, необходимой для размещения значительного числа пазовых сторон. Это ведет к необходимости увеличения наружного диаметра статора, а следовательно, к увеличению размеров машины.

В распределенных обмотках все катушки равномерно расположены по периметру расточки статора. При этом катушки каждой фазы, приходящиеся на полюс, т. е. катушки каждой катушечной группы, занимают более двух пазов, например четыре, шесть и т. д.

Рассмотрим принцип выполнения трехфазной двухслойной обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу q₁ равным 2; 3; 4 и т. д. В этом случае обмотка каждой фазы занимает q₁ пазов в пределах каждого полюсного деления. Таким образом, для образования трехфазной обмотки зубцовый слой сердечника статора в пределах каждого полюсного деления следует разделить на три зоны по q₁ пазов в каждой зоне.

Рассмотрим порядок построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора на примере обмотки, имеющей следующие данные: число фаз m₁ = 3, число полюсов 2р = 2, число пазов в сердечнике статора Z₁ = 12, шаг обмотки по пазам диаметральный, т. е. y₁ = τ.

Шаг обмотки y₁ = Z₁ / (2p) = 12/2 = 6 пазов; число пазов на полюс и фазу q₁ = Z₁/ (m₁ 2p) = =12/ (3 2) = 2 паза; пазовый угол γ =360p/ Z_l =360 1/12 = 30 эл. град. Угол сдвига между осями фазных обмоток составляет 120 эл. град, поэтому сдвиг между началами фазных обмоток А, В и С, выраженный в пазах, λ = 120/γ = 120/30 = 4 паза.

На развернутой поверхности статора размечаем пазы (Z₁ = 12) и полюсные деления (2р = 2), а затем размечаем зоны по q₁ = 2 паза для всех фаз (рис. 2, а); при этом расстояние между зоной какой-либо фазы в одном полюсном делении и зоной этой же фазы в другом полюсном делении должно быть равно шагу обмотки у₁= 6 пазов.

Далее отмечаем расстояние между началами фазных обмоток λ = 4 паза. Изображаем на схеме (рис. 2, б) верхние (сплошные линии) и нижние (пунктирные линии) пазовые стороны катушек фазы А (катушки 1,2, 7 и 8). Верхнюю сторону катушки 1 (паз 1) лобовой частью соединяем с нижней стороной этой же катушки (паз 7), которую, в свою очередь, присоединяем к верхней стороне катушки 2 (паз 2). Верхнюю сторону катушки 2 (рис. 2, б) также лобовой частью соединяем с нижней стороной этой же катушки (паз 8) и получаем первую катушечную группу обмотки фазы А (H1А— K1А).

Аналогично получаем вторую катушечную группу фазы А, состоящую из последовательно соединенных катушек 7 и 8 (Н2А— К2А). Катушечные группы соединяем последовательно встречно, для чего К1А присоединяем к К2А. Присоединив начало первой катушечной группы H1А к выводу обмотки С1, а начало второй катушечной группы Н2А — к выводу С4, получаем фазную обмотку А.

Приступаем к соединению пазовых сторон катушек фазы В: катушек 5 и 6 (первая катушечная группа) и катушек 11 и 12 (вторая катушечная группа). Проделав то же самое с катушками фазной обмотки С и соединив катушечные группы этих фазных обмоток, так же как это было сделано в фазной обмотке А, получим фазные обмотки фазы В (С2—С5) и фазы С (СЗ—С6). В окончательном виде развернутая схема трехфазной обмотки представлена на рис. 2, в.

Двухслойные обмотки в электрических машинах переменного тока получили наибольшее распространение. Это объясняется рядом их достоинств, из которых главным является возможность любого укорочения шага обмотки, что дает, в свою очередь, возжность максимально приблизить форму кривой ЭДС к синусоиде. Однако двухслойные обмотки не лишены недостатков— это затруднения в применении станочной укладки обмотки, а также трудность ремонта обмотки при повреждении изоляции пазовых проводников нижнего слоя.

В однослойных обмотках каждая сторона катушки полностью заполняет паз сердечника статора. При этом число катушечных групп в каждой фазе равно числу пар полюсов, так что общее число катушечных групп в однослойной обмотке равно рm₁.

Однослойные обмотки статоров разделяют на концентрические и шаблонные. В концентрической обмотке катушки каждой катушечной группы имеют разную ширину и располагаются концентрически. Шаги обмотки у катушек, входящих в катушечную группу, неодинаковы, но их среднее значение y_1cp = Z₁/ (2р).

однослойную обмотку называют двухплоскостной, если лобовые части катушек этой обмотки имеют paзный вылет и располагаются в двух плоскостях. Такая конструкция обмотки позволяет избежать пересечения лобовых частей катушек, принадлежащих разным фазам. При нечетном числе пар полюсов число групп лобовых частей будет также нечетным. В этом случае одну катушечную группу приходится делать переходного размера с двоякоизогнутой лобовой частью. Основное достоинство однослойных концентрических обмоток — возможность применения станочной укладки. Этим объясняется широкое применение этого типа обмотки статора в асинхронных двигателях мощностью до 18 кВт, производство которых обычно имеет массовый характер.

Недостаток концентрических обмоток — наличие катушек различных размеров, что несколько усложняет ручное изготовление обмотки. Этот недостаток отсутствует в шаблонных однослойных обмотках, так как их катушки имеют одинаковые меры и могут изготовляться на общем шаблоне. Кроме того, все катушки таких обмоток имеют одинаковые сопротивления, а лобовые части получаются короче, чем в концентрических обмотках, что уменьшает расход меди.

Основным недостатком всех типов однослойных обмоток является невозможность применения в них катушек с укороченным шагом, что необходимо для улучшения рабочих свойств машин переменного тока.

Электрическая изоляция обмотки — наиболее ответственный элемент электрической машины, в значительной степени определяющий ее габариты, вес, стоимость и надежность.

Пазовые стороны обмотки статора расположены в пазах (рис. 4), которые могут быть полузакрытыми (а), полуоткрытыми (б) и открытыми (в). Перед укладкой проводников 4 обмотки поверхность паза прикрывают пазовой (корпусной) изоляцией 2 в виде пазовой коробочки. Этот вид изоляции должен иметь не только достаточную необходимую электрическую, но и механическую прочность, так как на него действуют значительные механические силы, возникающие в процессе paботы машины, а особенно в процессе укладки (уплотнения) проводников обмотки в пазах. В нижней части паза располагают прокладку 1.

Рис. 4. Пазы статора

Электрическая изоляция проводников друг от друга обеспечивается витковой изоляцией, в качестве которой в машинах напряжением до 660 В используют изоляцию обмоточных проводов, а при напряжении 6000 В и выше эта изоляция требует усиления на каждом проводнике специальной витковой изоляцией. В двухслойных обмотках между слоями укладывают прокладку 3. Паз закрывают клином 6, под который обычно также кладут изоляционную прокладку 5.

Способ изоляции паза и применяемые изоляционные материалы зависят от типа обмотки, ее рабочего напряжения и температуры перегрева. При выборе электроизоляционных материалов для изоляции паза необходимо, чтобы все материалы имели одинаковую нагревостойкость.

Изоляционные материалы, применяемые в обмотках электрических машин и трансформаторов, разделяют на пять классов нагревостойкости, отличающихся друг от друга предельно допустимой температурой нагрева:

Класс нагревостойкости изоляции	А	Е	В	F	H
Предельно допустимая температура, °С	105	120	130	155	180
Расчетная рабочая температура обмотки, °С..	75	75	75	115	115

Класс изоляции определяет также значение расчетной рабочей температуры при расчете активного сопротивления обмотки.

В последние годы для обмоток статоров при напряжении до 660 В преимущественно применяют провода с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ и ПЭТ-155 круглого и прямоугольного сечений. Основным изоляционным материалом для обмоток статоров служат: в низковольтных машинах (до 660 В) — пленкосинтокартон, электронит, лакотканеслюдопласт, а в высоковольтных машинах (6000 В и выше) — стеклослюдопластовая лента, стеклотекстолит и т. п.

С целью улучшения использования габарита машины желательно, чтобы изоляция обмотки в пазах занимала меньше места.

Для оценки использования площади паза пользуются коэффициентом заполнения паза изолированными проводниками

k_n = N_п1 d_из² / S_п', (2)

где N_п1 — число проводников в пазе; d_из — диаметр изолированного проводника, мм; S'_n — площадь паза, занимаемая обмоткой (без учета клина), мм².

При использовании обмоточных проводов круглого сечения (пазы полузакрытые) для ручной укладки обмотки k_n = 0,70 ÷ 0,75,для машинной укладки на статорообмоточных станках k_п = 0,70 ÷ 0,72.В высоковольтных машинах пазы статора делают открытыми, так как только в этом случае можно обеспечить надежную пазовую изоляцию.

15. Вращающееся магнитное поле статора может быть круговым и эллиптическим. Круговое поле характеризуется тем, что пространственный вектор магнитной индукции этого поля вращается равномерно и своим концом описывает окружность, т. е. значение вектора индукции в любом его пространственном положении остается неизменным.

Круговое вращающееся поле создается многофазной обмоткой статора, если векторы магнитной индукции каждой фазы одинаковы, т. е. представляют собой симметричную систему. В трехфазной обмотке соблюдение этого условия обеспечивается тем, что фазные обмотки делают одинаковыми, а их оси смещают в пространстве относительно друг друга на 120 эл.град и включают к сеть с симметричным трехфазным напряжением.

Круговое вращающееся поле может быть получено и посредством двухфазной обмотки статора. Для этого оси обмоток фаз смещают в пространстве на 90 эл.град и питают эти обмотки токами, сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 90°. Значение этих токов должно быть таким, чтобы МДС обмоток были равны.

Если же изложенные условия не соблюдаются, т. е. если векторы магнитной индукции обмоток фаз не образуют симметричной системы, то вращающееся поле статора становится эллиптическим: пространственный вектор магнитной индукции В этого поля в различные моменты времени не остается постоянным и, вращаясь неравномерно (ω = var), своим концом описывает эллипс (рис. 1, а). Эллиптическое вращающееся магнитное поле содержит обратно вращающуюся составляющую, которая меньше основной (прямо вращающейся) составляющей.

Таким образом, вектор магнитной индукции эллиптического поля в любом его пространственном положении можно представить в виде суммы векторов магнитных индукций прямого В_пр и обратного В_o6p магнитных полей: В = В_пр + В_обр при В_пр > В_о6р.

Для пояснения обратимся к рис. 1, б, на котором показано разложение вектора вращающегося эллиптического поля для четырех моментов времени, соответствующих точкам а, b, с, d на кривой, описываемой вектором индукции этого поля (четверть оборота поля). Наибольшее значение вектор индукции результирующего поля В_mах (точка а) имеет при совпадении в пространстве векторов прямого В_пр и обратного В_обр полей (положения 1 и 1') Наименьшее значение вектора индукции В_mjn (точка d) соответствует встречному направлению векторов В_пр и В_обр (положения 4 и 4'). Значения вектора индукции в точках b и с соответствуют положениям 2 и 3 вектора В_пр и положениям 2' и 3' вектора B_обр.

Обратное магнитное поле неблагоприятно влияет на свойства машины переменного тока, например в двигателях оно создает противодействующий (тормозной) электромагнитный момент и ухудшает их эксплуатационные свойства.

В трехфазной машине магнитное поле будет эллиптическим, если обмотку статора включить в сеть с несимметричным трехфазным напряжением или если обмотки фаз статора

Рис. 1 Разложение эллиптического и пульсирующего магнитных полей на два круговых вращающихся поля

несимметричны (имеют неодинаковые сопротивления или разное число виктов). Поле также будет эллиптическим при неправильном сочтении фазных обмоток статора — начало и конец одной из фазных обмоток «перепутаны». В этом случае В_mах = 3В/ 2 и В_min = В/2 , где В - вектор магнитной индукции кругового вращающегося поля данной обмотки при правильном соединении фаз (рис. 1, а).

Если прямая и обратная составляющие магнитного поля равны, то результирующее поле становится пульсирующим. Вектор индукции этого поля неподвижен в пространстве (рис. 1, в) и лишь изменяется во времени от + В_max до – В_mах (когда векторы В_пр и В_обр совпадают по направлению), проходя через нулевое течение (когда векторы В_пр и В_обр направлены встречно). Пульсирующее магнитное поле создает однофазная обмотка, включенная в сеть переменного тока.

16. Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности: = Р_эм /ω₁ , где ω₁ = 2 π n₁ /60 = 2π f₁ - угловая синхронная скорость вращения.

Подставим значение электромагнитной мощности, получим

М = Р_э2/ (ω₁ s) = m₁ I ^{′ 2}₂ r^′₂ /(ω₁ s) т. е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.

Если подставить значение тока ротора, то получим формулу электромагнитного момента асинхронной машины (Н м): М =

Параметры схемы замещения асинхронной машины r₁, r '₂ , х₁ и х'₂ , входящие в выражение, являются постоянными, так как их значения при изменениях нагрузки машины остается практически неизменными. Также постоянными можно считать напряжение на обмотке фазы статора U₁ и частоту f₁. В выражении момента M единственная переменная величина — скольжение s, которое для различных режимов работы асинхронной машины может принимать разные значения в диапазоне от + ∞ до - ∞ .

Рассмотрим зависимость момента от скольжения M = f (s) при U₁ = const, f₁ = const и постоянных параметрах схемы замещения. Эту зависимость принято называть механической характеристикой асинхронной машины. Анализ выражения, представляющего собой аналитическое выражение механической характеристики M = f (s), показывает, что при значениях скольжения s = 0 и s = ∞ электромагнитный момент М = 0. Из этого следует, что механическая характеристика M = f (s) имеет максимум.

Для определения величины критического скольжения s_кр, соответствующего максимальному моменту, необходимо взять первую производную от М и приравнять ее нулю: dM /ds = 0. В результате s_кр = ± r^/₂ / Подставив значение критического скольжения в выражение электромагнитного момента, после ряда преобразований получим выражение максимального момента (Н м): M_max = ± .Знак плюс соответствует двигательному, а знак минус — генераторному режиму работы асинхронной машины.

Д ля асинхронных машин общего назначения активное сопротивление обмотки статора r₁ намного меньше суммы индуктивных сопротивлений: r₁ << (x₁ +х'₂). Поэтому, пренебрегая величиной r₁, получим упрощенные выражения критического скольжения S_кр ≈ ± r^/₂ /(x₁ +x^/₂) и максимального момента (Н м)

M_max = ±

Рис. 2. Зависимость режимов работы асинхронной машины от скольжения

Максимальный момент асинхронной машины в генераторном режиме больше, чем в двигательном (M_{max г} > М_{mах д}). На рис. 2 показана механическая характеристика асинхронной машины М = f (s) при U₁ = const. На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим (0 < s ≤ 1), когда электромагнитный момент М является вращающим; генераторный режим ( - ∞ < s < 0) и тормозной режим противовключением (1 < s < + ∞), когда электромагнитный момент М является тормозящим.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети: M ≡ U₁². Это в значительной степени отражается на эксплуатационных свойствах двигателя: даже небольшое снижение напряжения сети вызывает заметное уменьшение вращающего момента асинхронного двигателя. Например, при уменьшении напряжения на 10% относительно номинального (U₁ = 0,9U_ном) электромагнитный момент двигателя уменьшается на 19% : M^/ =0,9² M, где М— момент при номинальном напряжении сети, а М^/ — момент при пониженном напряжении.

Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой M = f (s), представленной на рис. 3. При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n₁, в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным (n₂ = 0) и скольжение s = 1.

Подставив скольжение s = 1, получим выражение пускового момента асинхронного двигателя (Н м):

М _п =

Рис 3. Зависимость электромагнитного момента асинхронного двигателя от скольжения

Под действием этого момента начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой М = f (s). При критическом скольжении s_кр момент достигает максимального значения М_mах. С дальнейшим нарастанием частоты вращения (уменьшением скольжения) момент М начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения, равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента х.х. M₀ и полезного нагрузочного момента (момента на валу двигателя) М₂, т. е.

М = М₀ + M₂ ⁼ M_ст

Следует иметь в виду, что при скольжениях, близких к единице (пусковой режим двигателя), параметры схемы замещения асинхронного двигателя заметно изменяют свои значения. Объясняется это в основном двумя факторами: усилением магнитного насыщения зубцовых слоев статора и ротора, что ведет к уменьшению индуктивных сопротивлений рассеяния x₁ и х'₂, и эффектом вытеснения тока в стержнях ротора, что ведет к увеличению активного сопротивления обмотки ротора r^/₂. Поэтому параметры схемы замещения асинхронного двигателя, используемые при расчете электромагнитного момента по, не мoгyт быть использованы для расчета пускового момента.

Статический момент М_ст равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора (n₂ = const). Допустим, что противодействующий момент на валу двигателя М₂ соответствует номинальной нагрузке двигателя. В этом случае установившийся режим работы двигателя определится точкой на механической характеристике с координатами М = М_ном и s = s_ном, где М_ном и s_hom — номинальные значения электромагнитного момента и скольжения.

Из анализа механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического (s < s_кр), т. е. на участке ОА механической характеристики. Дело в том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента. Так, если двигатель работал в номинальном рехиме (М_ном; s_hom), то имело место равенство моментов: М_ном = M₀ + М^/₂. Если произошло увеличение нагрузочного момента M₂ до значения М'₂, то равенство моментов нарушится, т. е. М_ном < М₀ + М'₂, и частота вращения ротора начнет убывать (скольжение будет увеличиваться). Это приведет к росту электромагнитного момента до значения M' = М₀ + М'₂ (точка B), после чего режим работы двигателя вновь станет установившимся. Если же при работе двигателя в номинальном режиме произойдет уменьшение нагрузочного момента до значения М"₂ то равенство моментов вновь нарушится, теперь вращающий момент окажется больше суммы противодествующих: М_ном > М₀ + М″₂ . Частота вращения ротора начнет возрастать (скольжение будет уменьшаться), и это приведет к уменьшению электромагнитного момента М до значения М" = М₀ + М^″₂ (точка С); устойчивый режим работы будет вновь восстановлен, но уже при других значениях М и s.

Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при скольжениях s ≥ s_кр. Так, если электромагнитный момент двигателя М = М_mах, а скольжение s = s_кp, то даже незначительное увеличение нагрузочного момента М₂, вызвав увеличение скольжения s, приведет к уменьшению электромагнитного момента М. За этим следует дальнейшее увеличение скольжения и т. д., пока скольжение не достигнет значения s = 1, т. е. пока ротор двигателя не остановится.

Таким образом, при достижении электромагнитным моментом максимального значения наступает предел устойчивой работы асинхронного двигателя. Следовательно, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы сумма нагрузочных моментов действующих на ротор, была меньше максимального момента М_ст = (М₀ + М₂) < М_mах. Но чтобы работа асинхронного двигателя была надежной и чтобы случайные кратковременные нагрузки не вызывали остановок двигателя, необходимо, чтобы он обладал перегрузочной способностью. Перегрузочная способность двигателя λ определяется отношением максимального момента М_max к номинальному М_ном. Для асинхронных двигателей общего назначения перегрузочная способность составляет λ = M_max /M_ном = 1,7 ÷ 2,5.

Следует также обратить внимание на то, что работа двигателя при скольжении s < s_кр т. е. на рабочем участке механической характеристики, является наиболее экономичной, так как она соответствует малым значениям скольжения, а следовательно, и меньшим значениям электрических потерь в обмотке ротора Р_э2 = s P_эм.

Применение основной формулы для расчета механических характеристик асинхронных двигателей не всегда возможно, так как параметры схемы замещения двигателей обычно не приводятся в каталогах и справочниках, поэтому для практических расчетов обычно пользуются упрощенной формулой момента. В основу этой формулы положено допущение, что активное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя r₁ = 0, при этом M = M_max Критическое скольжение определяют по формуле s_кр = s_ном (λ + ) .

Р асчет механической характеристики намного упрощается, если его вести в относительных единицах M = M/ M_ном. В этом случае уравнение механической характеристики имеет вид M =

Рис. 4. Механическая характеристика

асинхронного двигателя типа 4А160М4УЗ

Применение упрощенной формулы наиболее целесообразно при расчете рабочего участка механической характеристики и при скольжениях s < s_кр, так как в этом случае величина ошибки не превышает значений, допустимых для технических

расчетов. При скольжениях s > s_кр ошибка может достигать 15—17%.

Р абочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n₂, КПД η, полезного момента (момента на валу) М₂, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I₁ от полезной мощности Р₂ при U₁ = const f₁ = const.

Скоростная характеристика n₂ = f(P₂). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n₂ = n₁(1 - s).

Скольжение s = P_э2/ P_эм. т. е. скольжение двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности Р_эм. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Р_э2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n₂₀ ≈ n₁. По мере увеличения нагрузки на валу двигателя отношение P_э2/ P_эм растет, достигая значений 0,01—0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n₂ = f(P₂) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора r₂' угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты вращения n₂ при колебаниях нагрузки Р₂ возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r₂' возрастают электрические потери в роторе .

Зависимость М₂ =f(P₂). Зависимость полезного момента на валу двигателя М₂ от полезной мощности Р₂ определяется выражением M₂ = Р₂/ ω₂ = 60 P₂/ (2πn₂) = 9,55Р₂/ n₂, где Р₂ — полезная мощность, Вт; ω₂ = 2πf ₂/ 60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n₂ = const, то график М₂ =f₂(Р₂) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р₂ частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М₂ с увеличением нагрузки возрастает несколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М₂ =f (P₂) имеет криволинейный вид.

Зависимость cos φ₁ = f (P₂). В связи с тем что ток статора I₁ имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму х.х. Объясняется это тем, что ток х.х. I₀ при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I₁ ≈ I₀). В результате сдвиг по фазе тока статора , относительно напряжения , получается значительным (φ₁ ≈ φ₀), лишь немногим меньше 90° .Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме х.х. обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I₁ и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80—0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cos φ₁ что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x₂s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайноважно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ₁, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U₁ уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя.

Эффективное средство ослабления влияния высших гармоник на свойства двигателей — скос пазов ротора в пределах зубцового деления. В этом случае ЭДС в стержнях ротора от зубцовых гармоник поля статора снижаются почти до нуля. Действие высших гармоник поля ослабляют также правильным выбором числа пазов статора Z₁ и ротора Z₂. Рекомендуется соотношение Z₂ ≤ l,25 (Z₁ ± p ).

17. 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

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3. Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала .

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n₁ = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n₁ = 1500 об/мин).

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения . Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Турбогенераторы и дизельгенераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала. Дизельгенераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения. Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

18. Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки.

К онструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

Рис. 1. Конструкция роторов синхронных машин:

а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

С ердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом.

Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт сталь­ными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

На рис. 6 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Рис 6. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор δ минимален, а на краях — максимален S_max. Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R<(D_l - 2δ)/ 2, где D₁ - диаметр расточки сердечника статора.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В, обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r₁) и подвозбудителя (r₂).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогенераторах — иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 7. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного возбуждения синхронных генераторов

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 7, б), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 8, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 8. Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

На рис. 8, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

19. В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при отсутствии тока I₁ в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения F_в0. Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравномерным, увеличивая его на краях полюсных наконечников.

Основной магнитный поток явнополюсной синхронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах, магнитная система явнополюсной синхронной машины представляет собой разветвленную симметричную магнитную систему (рис. 1, а), состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков: воздушный зазор δ, зубцовый слой статора h_z1, зубцовый слой ротора h_z2, полюс ротора h_m, спинку статора L₁ и спинку ротора (обод) L_об.

Рис. 1. Магнитная система явнополюсной синхронной машины

В неявнополюсной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное, положение вектора МДС статора относительно оси полюсов ротора не влияет на величину и график распределения магнитного поля статора.

В явнополюсной синхронной машине воздушный зазор неравномерен из-за наличия значительного межполюсного пространства, не заполненного сталью (рис.3), и магнитное сопротивление потоку статора Ф_d по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора Ф_q по поперечной оси qq. Поэтому величина индукции магнитного поля статора и график ее распределения в воздушном зазоре в явнополюсных машинах зависят от пространственного положения вектора МДС обмотки статора F₁ или его составляющих.

При этом форма магнитного поля возбуждения в зазоре машины зависит от конструкции ротора. Амплитуда основной гармоники этого поля В_в1 определяется коэффициентом формы поля возбуждения

k_f = B_в1/ В_в, (7)

Увеличение зазора на краях полюсов способствует приближению коэффициента k_f к единице, т. е. приближает форму кривой индукции поля к синусоиде.

При неравномерном воздушном зазоре значения коэффициентов формы поля определяют по графикам, приводимым в руководствах по расчету синхронных машин .

Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0 и статора (якоря) F₁, при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и рада других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС , индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС ) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора I₁, то он может занимать по отношению к вектору различные положения, определяемые углом , в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка ( = 0). На рис.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора направлена перпендикулярно МДС возбуждения . Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генерато­ра проводим вектор МДС возбуждения ; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС , наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора , совпадает по фазе с ЭДС , а поэтому вектор МДС , создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) на МДС возбуждения вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е₁.

Рис.5. Реакция якоря синхронного генератора при

активной (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Индуктивная нагрузка ( = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора отстает по фазе от ЭДС на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС (см. рис. 5, б). При этом МДС действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения . В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F₁ ослабляет поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка ( ψ = - 90°). Так как ток , при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС на 90°, то своего большего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения .

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

С мешанная нагрузка. При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол ψ₁, значения которого находятся в пределах 0 < ψ₁ < ± 90° .

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F_1d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС (нагрузка активно-емкостная), то МДС F_1d подмагничивает генератор.

Направление вектора F_1d относительно вектора определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузки , отстающем по фазе от ЭДС , является размагничивающим, а при токе , опережающем по фазе ЭДС , — подмагничивающим.

В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны (R_мd = R_мq = R_м).

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря: по продольной оси и по поперечной оси.

В явнополюсных синхронных машинах магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы (R_мq > R_мd):

Это обстоятельство оказывает влияние на значения магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря.

Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регулировочными.

Х арактеристика холостого хода синхронного генератора. Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₁ = Е₀ от тока возбуждения I_в.0 при n₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 8, а.

Рис. 8. Опыт холостого хода синхронного генератора

Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е_* = f (I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (риc. 8, б), которую используют при расчетах синхронных машин: Здесь E_* = Е₀ / U_1ном — относительная ЭДС фазы обмотки статора; I_в* = I_в0 /I_в0ном — относительный ток возбуждения; I_в0ном — ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1ном

Характеристика короткого замыкания. Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 9, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁ постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = l,25 I_1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 9, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r₁ ≈ 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер.

Векторная диаграмма, построенная для генератора при опыте трехфазного к.з., представлена на рис. 9, в. Из диаграммы видно, что ЭДС индуцируемая в обмотке статора, полностью уравновешивается ЭДС продольной реакции якоря и ЭДС рассеяния .

П ри этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две составляющие: одна компенсирует падение напряжения , а другая компенсирует размагничивающее влияние реакции якоря .

Рис. 9. Опыт короткого замыкания синхронного генератора

Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, соответствующие указанным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характеристики х.х. и к.з. строят в одних осях (рис. 10), при этом на оси ординат отмечают относительные значения напряжения х.х. Е_* = E₀/ U_1ном и тока к.з. I_к* = I_1к/ I_1ном. На оси ординат откладывают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относительное значение ЭДС рассеяния .

Рис. 10. Определение составляющих тока к.з.

Затем точку В сносят на характеристику х.х. (точка В') и опускают перпендикуляр B'D на ось абсцис. Полученная точка D разделила ток возбуждения I_в0ном на две части: I_вх — ток возбуждения, необходимый для компенсации падения напряжения , и — ток возбуждения, компенсирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Один из важных параметров синхронной машины — отношение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуждения I_в0ном, соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения I_в.к.ном соответствующему номинальному току статора при опыте к.з. (рис. 9, б):

OK3 = I_B0HOM/ I_B.K.HOM. (12)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ÷ 0,7; для гидрогене­раторов ОКЗ = 1,0 ÷ 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе, имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие машины имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем машины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = f (I₁) при I_в = const; соs φ₁, = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 11, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (соs φ₁ = 1) уменьшение тока нагрузки I₁ сопровождается ростом напряжения U₁, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослабле­нием размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cos φ₁ < 1; инд.) увеличение U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря. Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cos φ₁ < 1; емк.) уменьшение I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_в = const и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

(13)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому ΔU_1ном отрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U₁ при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежание повреждения изоляций обмотки ΔU_ном, не должно превышать 50%.

Рис. 11. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики синхронного генератора

Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = f (I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cos φ₁ = const. На рис. 11, б представлены регулировочные характеристики синхронного генератора. При активной нагрузке (соs φ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, поэтому для поддержания этого напряжения неизменным по мере увеличения тока нагрузки I₁ следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cos φ₁ < 1;инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рис. 11, а), поэтому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном следует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cos φ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток возбуждения следует уменьшать.

20. Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса.

Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех. В принципе одна и та же машина постоянного тока может работать и как двигатель, и как генератор. Такое свойство машины постоянного тока, так называемое обратимость, предоставляет нам возможность не подвергать рассмотрению отдельно устройство генератора или двигателя. Тем не менее, всякую электрическую машину завод выпускает для обусловленного, определённого назначения – это функционировать только в качестве двигателя или только в качестве генератора. Лишь иногда применяют машины постоянного тока, подготовленные для работы, как двигателем, так и генератором. 

Генераторы постоянного тока используют, когда требуется независимый источник тока, к примеру, для питания отдельных видов электромагнитов, электролизных ванн, электромагнитных муфт, электродвигателей, сварочных установок и т.п. В случаях, когда требуется плавная регулировка скорости, используют электродвигатели постоянного тока, например в электровозах, троллейбусах, некоторых типах подъемных кранов, в устройствах автоматики. 

Статор машины постоянного тока состоит из сердечника и станины. Производят станину из малоуглеродистой стали, имеющей большую магнитную проницаемость. Благодаря этому станина служит и магнитопроводом. В то же время она является основной деталью, объединяющей другие детали и сборочные единицы (узлы) машины в одно целое.

Изнутри на болтах к станине крепят полюсы, состоящие из полюсного наконечника, сердечника и катушки. Плюсы делятся на главные и дополнительные. Для возбуждения магнитного поля служат главные полюсы; отчего обмотку их катушек именуют обмоткой возбуждения. В машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливают дополнительные полюсы для улучшения работы машины; соединяют обмотку дополнительных полюсов последовательно с обмоткой ротора. 

Ротор машины постоянного тока состоит из сердечника и обмотки. Из топких листов электротехнической стали набирают сердечник якоря, которые в свою очередь изолированы друг от друга лаковым покрытием, тем самым снижая потери на вихревые токи. Обмотку якоря укладывают в пазы сердечника. А в сердечнике якоря производят вентиляционные каналы. В машине постоянного тока устанавливают коллектор, для того чтобы ток проходил в одном и том же направлении от обмотки якоря во внешнюю цепь (в генераторе) или из внешней цепи к обмотке якоря (в двигателе). Набирание коллектора происходит из медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. К нескольким или одному виткам обмотки якоря присоединяют каждую пластину коллектора.

Коллектор и сердечник якоря закрепляют на одном и том же валу. Благодаря этому, коллектор играет роль устройства, конструктивно объединенное с якорем (ротором) электрической машины и являющееся механическим преобразователем частоты. 

Токосъемные щетки скользят по составляющим коллектора, присоединенным к виткам обмотки якоря пластинам, изолированным друг от друга. Сквозь эти щетки обмотка якоря и коллектор подсоединяется к внешней электрической цепи. Щетки устанавливают в обоймы щеткодержателя, а также прижимают пружинами к коллектору. На момент работы машины щетки скользят по коллектору. Щеткодержатели же в своё время крепят в траверсе.

Машина постоянного тока состоит из трех частей:

1 . Якорь – основная часть машины, в которой происходит преобразование энергии.

2. Индуктор – часть машины, создающая магнитный поток.

3. Коллектор– устройство, собирающее э.д.с. со всех проводников якоря и выпрямляющее их.

В различных типах электрических машин якорь может быть подвижным – якорь – ротор и неподвижным – якорь – статор. Большинство электрических машин постоянного тока выполняется с подвижным якорем.

Якорь состоит из сердечника и обмотки. Сердечник – цилиндр, набранный из листов тонкой электротехнической стали, толщиной 0.35 – 0.5 мм, имеющий на внешней поверхности пазы, куда укладываются секции обмотки. Стальные листы изолированы друг от друга лаком и плотно прессуются на валу на шпонке или шлицах. Сердечник якоря для охлаждения имеет аксиальные отверстия.

Обмотка якоря распределенная, т.е. каждый виток ее имеет потокосцепление соответствующее его положению в пространстве относительно потока возбуждения. Выполняется, обычно, из медного провода в виде секции, каждая секция состоит из двух активных пазовых сторон, расположенных под разными полюса ми и лобовых частей, связывающих активные стороны между собой и с коллекторными пластинами.

Все секции связаны между собой последовательно и составляют один бесконечный контур. Секции могут составлять волновую или петлевую обмотку. При петлевой обмотке активные стороны очередных секций ложатся в соседние пазы сердечника. При волновой обмотке одинаковые активные стороны очередных секций ложатся, через определенное число пазов, под соседним одноименным полюсом.

Основная задача обмотки якоря – индуцировать э.д.с. заданной величины.

Индуктор состоит из сердечника и обмотки. Сердечник состоит из полюсов и ярма, связывающего их. Полюса набираются из тонкой листовой электротехнической стали толщиной 0.5 – 1.0 мм. Они имеют основания для размещения обмотки и полюсовый наконечник, перекрывающий полюсовое деление на 60 – 70%.

Полюса болтами притягиваются к ярму, изготовленному из толстой электротехнической стали и имеющей форму цилиндра. Полюса набираются из тонкой листовой стали потому, что при прохождении над ними с большой скоростью якоря с пазами поток в полюсах может пульсировать по величине и нагревать наконечники токами Фуко. Обмотка индуктора катушечная, все витки ее имеют одинаковое потокосцепление. Изготавливаются из медного или алюминиевого провода. Насаживаются на основание полюса.

Основная задача индуктора создать магнитный поток возбуждения заданной величины и конфигурации.

Коллектор (“собиратель”) состоит из коллекторных пластин и щеток. Коллекторные пластины изготавливаются из специальной коллекторной меди, чтобы поверхность под щеткой имела малое трение и необходимое сопротивление. Каждая пластина имеет клинообразную форму, чтобы образовать на валу правильный круг. Нижняя часть для крепления на валу имеет вырез и виде “ласточкиного хвоста”, верхняя торцевая часть для припайки секций имеет “петушок”. Между пластинами прокладывается “коллекторный миканит”, он же изолирует пластины от вала. В собраном виде коллектор протачивается на станке, шлифуется, затем очищаются все “ламели” между ними. Щетки, в зависимости от назначения машины, могут иметь различные составы от угольно-графитных до медно-графитных. Угольно-графитные имеют значительное сопротивление и очень низкий коеффициент трения. Используются в машинах длительного использования с малой плотностью тока (автомобильные генераторы). Медно-графитные используются в машинах кратковременно работающих с высокой плотностью тока (автостартеры).

Основная задача коллектора:

а) в генераторах – собрать э.д.с. и выпрямить;

б) в двигателях инвертировать ток и раздать его по секциям.

Щетки к коллектору прижимаются пружинами в щеткодержателях, которые крепятся на траверсе, расположенной соосно валу и позволяющей поворачивать все щетки одновременно относительно полюсов. Каждая пара щеток делит обмотку якоря на параллельные ветви, лежащие под разными полюсами, с разным направлением э.д.с.

21. Постоянные магниты могут создавать магнитный поток в машинах постоянного тока (МПТ). Их недостатки:

1. малая величина индукции;

2. н е регулируют величину магнитного потока.

Есть другой способ возбуждения магнитного потока – при помощи электромагнитов.

О бмоткой возбуждения называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных электромагнитных полюсов, при которых происходит чередование полюсов разной полярности. Если цепь возбуждения включена на напряжение постороннего источника (аккумулятора, батареи), то такая машина называется МПТ с независимым возбуждением .

Рис. 7.3. Схема генератора с независимым возбуждением: ПД – первичный двигатель

Рис. 7.4. Схема двигателя с независимым возбуждением: РМ – рабочий механизм

Ток, протекающий по обмотке возбуждения, называется током возбуждения. Ток, протекающий по обмотке якоря, называется током якоря.

Если энергия, необходимая для возбуждения полюсов, поступает от якоря этого же генератора, то такие машины называются генераторами с самовозбуждением.

Рис. 7.5. Способы возбуждения магнитного потока: а – параллельное; б – последовательное; в – смешанное возбуждения

 

По способу электрического соединения обмотки возбуждения и обмотки якоря МПТ подразделяются на следующие:

• параллельного соединения (шунтовые) (рис. 7.5, а);

• последовательного соединения (сериесные) (рис. 7.5, б);

• смешаного соединения (компаундные) (рис. 7.5, в).

У современных двигателей при любом включении обмоток электрическая энергия поступает на ОВ из сети.

Обмотка параллельного возбуждения выполняется из тонкого медного провода, имеет большое количество витков, значительное сопротивление. Рассчитана на номинальное напряжение машины и пропускает незначительный ток – 1 – 3 % от номинального тока якоря. За счет большого количества витков обеспечивает стабильный постоянный магнитный поток возбуждения.

Последовательная обмотка выполняется из провода равного сечению секции якоря, рассчитана на допустимый ток машины. Величина магнитного потока зависит от нагрузки машины.

Генератор преобразует механическую энергию в электрическую, т.е. энергия движителя (турбины или двигателя внутреннего сгорания) превращается в разность потенциалов или напряжение на выходных клеммах генератора. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф , магнитные силовые линии которого выходят из северного полюса N, пересекают проводники вращающегося якоря и входят в южный полюс S , замыкаясь в ярме. При этом в проводниках якоря наводятся электродвижущие силы, направление которых под каждым полюсом определяется по “правилу правой руки”.

Поскольку все секции соединены последовательно суммарная электродвижущая сила параллельных ветвей снимается щётками с коллектора, к которому подключена каждая секция.

Двигатель преобразует электрическую энергию, получаемую из сети в механическую, т.е. во вращение вала машины.

При подключении двигателя к сети появляются токи в якорной и индукторной цепях. Обмотка возбуждения создает магнитный поток, а в каждой секции якорной цепи возникает ток.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле действует сила, направление которой определяется по “правилу левой руки.” Силы всех секций суммируются, появляется вращающий момент и якорь начинает вращаться.

2 2.

Для пуска, управления и защиты электроустановок служит специальная аппаратура: рубильники, переключатели, пакетные выключатели, контакторы, магнитные пускатели, реостаты, электрические реле, предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле и др.

На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 — 10 раз. Такой нагрузки может не выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток. На рисунке показаны способы пуска мощных двигателей с помощью реакторов и автотрансформатора.