Принцип дії асинхронної машини :

Магнітний потік статора Ф1 індукує в роторі э.д.с. у12 і якщо обмотка ротора замкнута, то в ній виникають струми і2, частота яких f2 при нерухомому роторі (n = 0) дорівнює первинній частоті f1.

Потік f2 при n = 0 має напрям і швидкість обертання такі ж, як і у потоку статора

n2= = =n1, об/сек.

Потоки f1,f2 обертаються синхронно і утворюють загальний потік, що обертає.

При взаємодії струмів ротора з потоками виникають ті, що діють на провідника ратора механічні сили F і електромагнітний момент М., що обертає

Із швидкістю v1 обертаються хвилі загального магнітного поля В і э.д.с. е2 в к.з. роторі.

При ?2 = 0 всіх сил діють у бік обертання поля (?2 – кут між е2 і i2 ) і створюється момент

М=

При ?2 = 90? М = 0

Вивід: момент, що обертається, створюється тільки алетивной складової струму ротора.

I2a=I2cos?2

Цей вивід – для всіх машин змінного струму.

Ланцюг ротора має активний опір і при пуску двигуна ( n = 0 ) 0<?2<90?. В результаті М>0 і якщо він більше статистичного гальмівного моменту, ротор двигуна прийде в обертання із швидкістю n<n1, тобто обертається з отстованием або ковзанням щодо поля статора.

Ковзання

S=

Швидкість ротора, виражена через ковзання

n=(1-S) n1

При пуску двигуна ( n = 0 ) S = 1, а при синхронній швидкості (n=n1) S=0. У останньому випадку поле статора щодо ротора нерухомо і струми в роторі не індукуватимуться, а М=0 і такій швидкості двигуна досягти не може. Тому в режимі двигуна завжди 0<n<n1, 1>S>0.

Частота струму в обмотці ротора

f2=P(n1-n)

f2=SPn1=Sf1

тобто вторинна частота пропорційна ковзанню.

Швидкість обертання поля ротора щодо статора дорівнює швидкості обертання поля статора n1 ( при будь-якому n ), тобто поля статора і ротора синхрони.

Якщо ротор асинхронної машини привести в обертання із швидкістю вище синхронною у напрямі обертання поля статора, то поміняються на зворотні знаки F і М. Машина працюватиме в генераторному режимі і віддаватиме активну потужність в мережу. При цьому S<0.

Якщо ротор обертати в напрямі, зворотному обертанню поля статора.

При цьому М діятиме у напрямі обертання поля статора, але буде гальмуючим. Це режим противовключения або електромагнітного гальма. При цьому S>1.

Швидкість обертання поля ротора щодо статора рівна

n2c=n+n2p=(1-S) n1+Sn1=n1

швидкості обертання поля статора при будь-якій швидкості обертання ротора. Вони утворюють загальне поле асинхронної машини, що обертається. Тут nгр-скорость обертання поля ротора щодо ротора

n2p=

Швидкість обертання магнітного поля обмоток з різними числами пар полюсів Р при f1=50Гц

Лекція 17.

Пристрій і принцип дії синхронної машини.

Статор с.м. має таке ж пристрій, як і статор асинхронної машини. Трифазна (у загальному випадку m-фазная) обмотка статора с.м. виконується з таким же числом полюсів, як і ротор, і називається обмоткою якоря. Сердечник статора разом з обмоткою називається якорем. Ротор с.м. має обмотку збудження, що живиться через 2 контактні кільця і щітку постійного струму від стороннього джерела (збудливість на одному валу із з. м. Потужністю 0,3-3% від м. см ). Обмотка збудження створює в с.м. первинне магнітне поле. Ротор зі своєю обмоткою збудження називається індуктором. При виготовленні с.м. приймаються заходи до того, щоб розподіл індукції поля збудження уздовж кола статора був близький до синусоїдального.

При обертанні ротора в обмотці статора індукується э.д.с з частотою

Де n- швидкість обертання ротора. Якщо підключити до обмотки статора симетричне навантаження, обмотка навантажиться симетричною системою струмів с.м. працює в режимі генератора. Поле статоравращается у напрямі обертання поля ротора з швидкістю

n1=n

Поле статора і ротора обертаються з однаковою швидкістю і і утворюють загальне поле, що обертається, як і в ассинхронной машині.

Поле статора (якорі) надає на полі ротора (індуктора) дію і називається полем реакції якоря.

С.м. може працювати також в режимі двигуна, якщо підвести до обмотки статора трифазний струм з мережі. При цьому в результаті взаємодії магнітних полів якоря і індуктора захоплює за собою ротор, який обертається в ту ж сторону і з такою ж швидкістю, як і поле якоря.

Чим більше число пар полюсів с.м. машини діляться явнополюсные і неявнополюсные.

Явнополюсниє синхронні машини.

Виготовляються с.м. 2p=4 з 2p>=4

Сердечники полюсів набираються з листів (=1-2млм. і стягуються за допомогою шпильок.

У полюсних наконечниках синхронних двигунів поміщаються стрижні пускової обмотки. Така обмотка нагадує “білячу клітку” ас-ой машини і служить для ассинхронного пуску с-го двигуна. Обмотка ця виконана зазвичай з латуні (з підвищеним опором ). На с-ых генераторах (з мідних стрижнів) встановлюють так назыаемую прискорювальну обмотку.

Явнополюсниє машини до 12квт. Іноді мають зворотну конструкцію (індуктор нерухомий, якір рухомий, тільки має 3 кільця). Якір синхр-ой машини з горизонтальним валом широко використовують як двигуни і генератори (дизель-имеют махові генератори, гідрогенератори, двигуни для того, що привіз поршневих компресорів). Компактна і зручна капсульна конструкція гидрогенератора-можно обійтися без машинного залу (це до декількох десятків тисяч кіловат). Особливий клас якоря синхр-ой машины-вертикальные гідрогенератори. Вони мають вертикальний вал і з'єднуються безпосередньо з турбінами.

Гидрогенератори-нізкооборотниє машини 60-500 об/мин (до 500000 квт).

При аварійному відхиленні гідрогенератора від мережі його швидкість сильно зростає. Досягається при цьому максимальна (угонная) швидкість може в 2 і більше разів перевищувати номінальну.

Тому механічна міцність машини расчитывается на цю швидкість.

З вертикальним валом виготовляються також могутні синхр-ые дв-ли для приводу гідравлічних насосів.

Неявнополюсниє синхронні машини.

Ротор виконується із сталевого пакування, в якому фрезируются пази для обмотки. Зазвичай 2р=2, 2р=4. Машина високооборотна основні представники неявнополюсной синхр-ой машини-турбогенератори (3000, 1500 про /мин).

Виготовлення крупних я.с.м. на такті швидкості неможливо. Об'єкти: теплові 2р=2 і атомні 2р=4 електростанції. Потужності 800 т. квт.

Ротори-длінниє до 8,5 м з малим діаметром 1,3 м. Зростання потужності за рахунок збільшення електромагнітних навантажень і збільшення охолоджування (використання водню або води для внутрішнього охолоджування провідників обмотки під тиском 3-5атм). Гранична потужність турбогенераторів 2000-2500 мВт. З неявними полюсами виготовляються також могутні синхронні двигуни при 2р=2 (їх називають іноді турбомоторами).

Багатофазні колекторні машини змінного струму.

У основі дії лежить робота колектора як перетворювача частоти, завдяки чому частота струму в зовнішньому ланцюзі ротора, за колектором не залежить від швидкості обертання ротора і завжди дорівнює частоті струму статора. Це дозволяє шляхом зміни електричному зв'язку ланцюгів статора і ротора регулювати швидкість обертання машини (к.м.)

Конструкція к.м.: 1)статор з 3-х фазною обмоткою аналогічною статору асинхр-ой або синхр-ой машини. 2)ротор аналогічний якорю машини постійного струму з обмоткою сполученої колектором.

Комплект щіток зрушених на 1200 друг щодо другу. Т.о обмотка ротора (якорі) через счетки з'єднується в трикутнику. При обертанні якоря положення кожної фази незмінне і секції обмотки переходять по черзі з одних фаз в інших.

Колектор, як перетворювач частоти.

У машині постійного струму щітки і полюсы нерухомі (nщ=nф=0), а якір обертається із швидкістю n і в обмотці якоря індукується э.д.с. частоти fя=pn, а в зовнішньому по відношенню до якоря ланцюзі частота fщ=0. Т.ч. колектор перетворює струм з частотою fя в fщ=0 в зовнішньому ланцюзі або навпаки. Якщо привести в обертання щітки із швидкістю nщ, то полярність щіток мінятиметься з частотою

Fщ=pnщ

І в зовнішньому ланцюзі буде струм з частотою fщ. При цьому йде перетворення частоти fя в fщ(0. якщо тепер обертати полюсы із швидкістю nф=nщ, то частота струму в зовнішньому ланцюзі не зміниться. Змінюються лише частота в обмотці якоря

fя =р(n+-nф)

і величина індукованою в ній э.д.с. Таке перетворення частот відбуватиметься і тоді, коли замість м. постійного струму буде багатофазна машина постійного струму, статор якої харчується з частотою f1 і створює поле із швидкістю обертання nф=f1/p

при цьому fщ=f1.

Частота на щітках до. м. визначається швидкістю обертання магнітного потоку щодо нерухомих щіток.

Лекція 18

Тема А М

Рівняння напруги А. М

Складемо рівняння для однієї фази первинної і вторинної обмотки а.м. з ротором, що обертається.

Пропозиції : 1. Осі фаз двох обмоток збігаються ;

2. Вторинний ланцюг замкнутий накоротко:

3. Магнітні втрати в сердечнику рівні "О":

Для неприведених параметрів вторинної обмотки

U1= r1 I1+ jXG1I1 + jXr1I1 + jXr21I2

O= r2 I2+ jSXG2I2 + jSXr2I2 + jSXr12I1

Тут: U 1- первинна фазна напруга

I1, I2- первинні і вторинні фазні струми

r1,r2 - первинна і вторинна активна опори

X G1,X G2 - первинний і вторинний індуктивний опір розсіяння

Xr1, Xr2 - первинний і вторинний індуктивний головний власний опір що враховує основні гармоніки магніта

Xr12, Xr21- первинне і вторинне взаємне індуктивне сопротивле

(Xr12 = Xr21)

Е 1 = -(j Х r1I1 + j Х r21I2 ) э.д.с. первинної і вторинної обмотки від результируемого магнітного потоку

E 2 =-( jS Х r2 I2 + jS Х r12I1 )

Для приведених параметрів вторинної обмотки :

U1= r1 J1+ jXG1J1 + jXr1J1 (J1 + J2 )

O= r2/SJ2+ jSXG2J2 + jSXr2J2 + jXr1(J1 + J2 )

Тут: Е 1 = Е 2 = - jXr1(I1 + I2 )

СХЕМИ ЗАМІЩЕННЯ A. M.

.

Цим рівнянням відповідає схема заміщення.

Т-образная схема заміщення без урахування магнітних втрат

Iм = I1 + I2 - струм, що намагнічує

Втрати в сердечнику статора можуть бути враховані шляхом включення на затиски 1,2 паралельно опору Хr1 активного опору Z міліграма еквівалентного втратам.

Об'єднаємо Z міліграма і Хr1

Zм = Z міліграма jx r1 / Z міліграма + j x r 1 = Zм + J Гм, де Zм << J X м

При цьому схема заміщення набуває вигляду

.

де Z1=r 1 + J X G1. Z’2 = Z'2 + j x' G2

Тут виділений додатковий опір, відповідний механічній потужності, що розвивається на роторі машини .

Z’д2 = 1-S/S ?z’2

Струм, що намагнічує, містить реактивну і активну складові

Iм = Iма + Iмч

Облік магнітних втрат в роторі складний з урахуванням того, що О<s<=0,05. Ці втрати малі і ними зазвичай нехтують.

Опір ланцюгу схеми заміщення а.м, що намагнічує. значно менше, ніж у трансформаторів із-за повітряного зазору. Струм, що у зв'язку з цим намагнічує, і струм х.х а.м. значно вище ( Iм * = 0,25 - 0,5) чим у трансформаторів.

Т-образная схема заміщення добре відповідає фізиці процесів а.м., але для аналізу деяких питань незручна, оскільки напруга U 1 на затисках паралельної гілки при

U 1 = з on s t непостійно. Зручнішою є схема заміщення, де паралельний ланцюг винесений на U 1

Тут C 1 = 1+ Z 1 / Z н

Треба відзначити, що при S=0 потік статора обертається синхронно з ротором, унаслідок чого Ir=0 і машина не розвиває моменту. Досягти синхронної швидкості можна тільки в ідеальному випадку, коли немає ніяких втрат напруги зовнішнього рухового обертального моменту. У цьому полягає саме асинхронний принцип роботи даної машини.

При реальному холостому ході асинхронного двигуна ковзання хоча і мало, але все таки відмінно від нуля

РЕЖИМИ РОБОТИ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СПІВВІДНОШЕННЯ.

Руховий режим ( 0 <S < 1)

Схема заміщення (Т) зручна для вивчення режимів роботи а.м. У цьому режимі перехід енергії відбувається зліва направо ( у схемі Т).

З мережі споживача активна потужність

Р1= m1 U1 I 1 cos ?

Частина Р1 втрачається в активному опорі первинної обмотки

Рел1 = m1 I 2 1 r 1

а інша частина - у вигляді магнітних втрат в сердечнику статора:

Р міліграма 1 = m1 I 2 1 rн = m1 E2 1 /Zmr = m1 U 21 r/ Zmr

часть-электромагнитная потужність, що залишилася, передається магнітним полем із статора на ротор, - це потужність на активному опорі вторинному ланцюгу z'r / S

Рем = Р1 - Р эл 1- Р міліграм 1 = m1 I2 1 2 z1r /S= m2 I 22 Z2 /S

Частина цієї потужності втрачається у вигляді електричних втрат в активний опір вторинної обмотки

Р эл грама = m1 I 2 1 r1н = m2 I 2 2 r2

частина, що залишилася, - механічна потужність на роторі

P нх = Р эн - Р зл 2 = m1I2 21 r2 1-S / S = m2 I2 2 r2

Частина Рмх втрачається у вигляді механічних втрат, магнітні втрати в сердечнику ротора Рнг і додаткових втрат Рg це вище за гармоніку магнітного поля .

Pg -трудно піддаються розрахунку і эксперементально визначено . Тому згідно ГОСТ-183-66 і приймають рівними 5 % від потужності, що підводиться, при номінального навантаження (вони пропорційні квадрату первинного струму для обліку при інших навантаженнях ).

Корисна потужність на валу

Рг = Рнх - Рмх - Рд

Відповідно до изложеным зображення на енергетичній диограмме

Сума втрат двигуна : Р = Рел + Рмг + Рел2 + Рмх + Рд

Р2 = Р1 - Р?

До. П. Д. двигуна : ? = Р2 /Р1 = 1- Р? / Р1

К.П.Д. двигуна до 1000 кВт ? = 0.72 -0.95

Крім того діють такі співвідношення :

Рел 2 = S Рем

Рмх =( 1 -S ) Рем

Для отримання високого К.П.Д. S додаткового мало . У нормальних а.д S =0.02 - 0.05 .

На основі схеми заміщення розглянутий баланс реактивних потужностей а.д. З первинної мережі споживається реактивна потужність : Q 1= m1 U1I1 sin ? 1

На створення полів розсіяння первинного ланцюга витрачається реактивна потужність q1=m1I1^2XG1

Реактивна потужність :

Q м = m1 E1 I міліграма =m1 =I2 м Xм

витрачається на створення основного магнітного поля машини .

- Потужність :

q2 = m1 I221 X1G2 = m2 I22 XG2

- На створення вторинних полів розсіяння, тобто Q1 = Q м + q1+ q2

Основна частина реактивної потужності Qн яка із-за зазору значно більше чим у трансформатора .

ГЕНЕРАТОРНИЙ РЕЖИМ ( - ? < S < 0 )

А.М. включається в мережу змінного струму і обертається із швидкістю н вище синхронною н1 у бік магнітного поля, що обертається . Ковзання S= ?1-?/?1 негативне .В єтом режимі змінюється знак Е25 і струм 2, що приводить до зміни знаку моменту ( він стає гальмуючим ) і напрям йде в мережу . Це пов'язано із зміною знаку активній складовій струму . В той же час знак реактивної складової скорочується . З цим пов'язане те, що а. генератор споживає реактивну потужність, індукцію на створення магнітного поля - це крупний недолік а. генератора . Через це а. Генератор застосовується в дуже окремих випадках . У генераторному режимі опір Z2 / S, 1-S/S Z2 негативні, що можна трактувати як джерело енергії.

Енергетична діаграма асинхронного генератора . Перетворення реактивної енергії в генераторі таке ж число, як і в двигуні .

Лекція 19

Режими роботи а. м. (продовження)

Режим противовключения (1<5< )

У цьому режимі ротор подключ. до мережі, а він обертається проти обертання поля за рахунок тієї, що підводиться із зовні до ротора механічної енергії. При цьому N < O і S > 1. на практиці 1 < S < 2. Т. до. у двиг режимі і в противовключении S > O, то в противовключении а. м. споживає з мережі активну потужність покладе. вращ. момент, що діє у бік обертання поля. Але оскільки ротор вращ. у протилежному напрямі те вращ, що розвивається. момент діє як гальмуючий.

У цьому режимі потужності споживає як з мережі, так і з валу і вони розпадаються на втрати в машині. Корисна потужності машина не розвиває, а відносно нагріву цей режим дуже важкий.

У режимі противовкл. опір r2/s мало але порівняю з руховими і генераторними режимами. Тому струми I2 і I1 великі, що небезпечно. При u1 = um цей режим допускається короткочасно.

Енерг. диагр в режимі реактивної енергії тут таке ж, як і в дв. і чен. режимах. На практиці режим противовключения для гальмування і зупинки механізмів, що приводяться в рух, від а. дв. При роботі двиг. проводиться його реверс і відключення при . Також виконується і швидкий реверс (але вже без відключення). Цей режим називають режимом електромагнітного гальма, існують і інші способи гальмування

ассинхронной машини.

Режим короткого замикання.

Цей режим відповідає S = 1, тобто ам. стоїть. На початку пуску виникає цей режим, Опір щодо первинних затисків при S=1 наз. спр. до. з.

Т. до. Zm >> Z2', то

Зазвичай в а. м. Тому струм до. з. при номінальній напрузі Jm = (5-7) Jн.

Моменти, що обертають, і механічні характеристики а. м

Електромагнітний момент (э. м.)

Э. м. визначається рівністю

Pm- механічна потужність на роторі

?- механічна кутова швидкість ротора

Кутова швидкість обертання поля

Кутова швидкість обертання ротора

Тоді э. м. виражається

Виразимо тепер величину для підстановки в цю формулу. Зробимо це за допомогою схеми заміщення (Г)

Після підстановки отримаємо:

Де u1-фазное напруга

Величина М пропорційна квадрату u1 або квадрату вторинного струму, а так само зменшується при збільшенні Z1 і індуктивних опорів розсіяння машини.

Визначимо як залежить М від S. При S > O M > O (режим дв. і прв), а при S <O M<0 (режим генератора). При S=O M=O, а при S= -? і S= +? M=0 оскільки струм чисто реактивний (немає акт. сост і немає M). На підставі цього залежність

M=f(S) виглядає як показано нижче. Тут же показана залежність побудованою по наведеній вище формулі.

Звідси видно, що э.м. момент досягає максимумів +-Мm при ковзаннях

S =+-Sm,

які називаються критичними. При збільшенні S від Про до Su М росте, а з подальшим збільшенням S падає М, оскільки стає більш індуктивним (падає акт. складова струму).

Треба відзначити, що на статор, а. м. діє такий же момент, що обертає, як на ротор, але направлений в протилежну сторону. Він сприймається деталями кріплення на шини до фундаменту.

Максимальний електромагнітний момент

Вираз (25-6) для М вірно в загальному випадку тобто тоді, коли параметри r1, XG1, r’2, X’G2 не постійні і залежать від величин струмів і S. Ми розглянемо завис, (25-6) на визначенні (max) і (min) при u1=const, f2=const для машини з постійними параметрами. Продиференціювавши залежність (25-6) і прийнявши r1=0 (зважаючи на трохи по рівнянню з іншими величинами) отримаємо:

Виводи:

Величина Мm

—не залежить від r2

—пропорційна u12 (або ф2);

—обр. пропорц.

При цьому Sm (при якому маємо Мm) прямо пропорціонально r2'

Для ілюстрації приведено сімейство кривих М=f(S1) при змінному Z в яке включає зовнішні резистори

J ассинхронный двигун Нормального виконання:

Це ілюстрації до пускових характеристик а. дв. Поставити питання студентам

Відношення эм. моменту до його максимуму

Наближена зависисмость виглядає так

Где

Помилка не привышает 10:17% (приймає а=2). Це формула М класу. Вона дозволяє побудувати завис М=f(S) для двигуна з постійними параметрами, якщо відомі значення М і S для двох крапок (режимів) наприклад Мн, Sh, Mп, Sп=1.

Початковий пусковий э. м. Момент

З виразу (25-6) при S=1 набуваємо значення пускового моменту.

При цьому для отримання Мп=мm необхідно мати следущее вторинне спротивление

Механічна х-ка а. двигуна

Хутро. характеристика двигуна є завис. корисного моменту М2 від n або навпаки.

М2 = f(n), n=f(M2)

При цьому треба врахувати, що

Якщо пренебреч величиной Мо те можна прийняти у вигляді хутро. Характеристики залежність

M=f(n), n=f(M)

Що зазвичай і має місце в теорії асинхронної машини.