Назначение и классификация машин переменного тока.

Машины переменного тока предназначены для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) или для преобразования электрической энергии в механическую (двигатели).

Они подразделяются на:

У первых частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора, а у вторых — нет.

Асинхронные и синхронные МПТ бывают:

— с короткозамкнутым ротором

— с фазным ротором

В зависимости от количества фаз они делятся на однофазные, двухфазные и трехфазные.

78. Устройство, принцип действия и характеристики трёхфазных асинхронных двигателей.

Основными частями АД являются неподвижный статор и вращающийся ротор, разделённые воздушным зазором.

Статор состоит из алюминиевого или чугунного корпуса, внутри которого находится сердечник статора – полый цилиндр из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. На внутренней поверхности этого цилиндра в пазах размещена трёхфазная обмотка из трёх одинаковых частей, называемых фазами. Фазы обмотки соединяются звездой или треугольником и подключаются к трёхфазной сети.

Роторпредставляет собой цилиндрический сердечник из изолированных друг от друга листов электротехнической стали с пазами на наружной поверхности, в которых размещаются проводники обмотки ротора. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде беличьего колеса – цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции закладываются в пазы ротора. Торцовые концы стержней замыкают накоротко с обеих сторон ротора кольцами.

Принцип действия АД заключается в следующем: при питании обмотки статора от сети трёхфазный ток статора создаёт вращающееся магнитное поле, пронизывающее сердечник статора, ротор и воздушный зазор. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора и наводит в них ЭДС, под действием которых в проводниках ротора возникают токи. Взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем создаёт вращающий момент М, под действием которого ротор вращается.

Для АД выделяют следующие виды характеристик: механические и рабочие. Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора от нагрузки. Рабочими характеристиками называют зависимости частоты вращения n, момента на валу М₂, тока статора I₁, коэффициента полезного действия ƞ и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности P₂.

79. Режимы работы, механические и рабочие характеристики трёхфазных асинхронных двигателей.

Режимы работы двигателя: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный.

Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора n от момента на валу. От её характера зависит пригодность АД для привода различных механизмов. Рабочими характеристиками называют зависимости частоты вращения n, момента на валу М₂, тока статора I₁, коэффициента полезного действия ƞ и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности P₂. Эти характеристики служат для полного выявления свойств самого двигателя. Рабочие характеристики изображены на рисунке.

80. Энергетическая диаграмма и К.П.Д. трёхфазных асинхронных двигателей.

Исходная величина – это мощность Р1 = U1I1cosφ1, подводимая к двигателю из сети 3-х фазного тока. Часть этой мощности ΔРпр1 идёт на нагрев проводников обмотки статора. Остальная мощность Рврп = Р1 — ΔРпр1 преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля. Из неё часть мощности ΔРм тратится на потери в магнитопроводе. Эти потери состоят из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Потери в сердечнике ротора практической роли не играют, т.к. они пропорциональны f2, а f2 очень мало. Таким образом, ротору через воздушный зазор передаются электромагнитная мощность Рэм = Рврм – ΔРм. Механическая мощность, передаваемая ротору Рм = Рэм – ΔРпр2, где ΔРпр2 – это мощность потерь в обмотке ротора и полезная мощность на валу ротора Р2 = Рмех – ΔРмех – ΔРдоб, где ΔРмех – механические потери, ΔРдоб – добавочные потери, создаваемые пульсацией магнитного поля. КПД двигателя η = Р2 / Р1 = Р2 / (Р2 + ΔРс + ΔРэ) , где ΔРс – постоянные потери. ΔРс = ΔРм + ΔРмех. ΔРэ – переменные потери. ΔРэ = ΔРпр1 + ΔРпр2.

КПД двигателя изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. Коэффициент нагрузки β = Р2 / Р2ном. С учётом коэффициента нагрузки η = βР2 / (βР2 + ΔРс + β 2 ΔРэ).

График зависимости КПД от β

Обычно КПД = 0,75 – 0,95.

С ростом нагрузки cosφ = P1 / S1 = P1 / (P1 2 + Q1 2 ) 0.5 = 1 / (1 + (Q1 2 / P1 2 )) растёт, т.к. растёт Р1, а Q1 остаётся постоянной. При дальнейшем росте β растёт поток рассеяния магнитного потока, поэтому растёт Q1, а cosφ уменьшается. АД целесообразно использовать при нагрузках близких к номинальным (β = 1).

вверх 81. Способы регулирования скорости трёхфазных асинхронных двигателей.

Запишем формулу для определения скорости вращения: .

Частоту вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением скольжения , числа пар полюсов и частоты тока питающей сети .

1. Изменения скольжения можно достичь 3 способами:

1.1. изменением подводимого к статору симметричного напряжения U₁;

При неизм. моменте на валу двигателя повышение напряжения вызывает повышение частоты вращения двигателя, но диапазон изменения частоты получается небольшим, что обьясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя. Кроме того, значит. увеличение напряжения вызывает перегрев двигателя, а снижение напряжения снижает перегрузочную способность .

1.2. нарушением симметрии этого напряжения;

Нарушение симметрии подводимого напряжения осуществляется с помощью автотрансформатора, включённого в одну из фаз. При уменьшении напряжения на входе автотрансформатора напряжение на выходе автотрансформатора несимметрично увеличивается, а частота вращения уменьшается. Недостатками являются уменьшение КПД двигателя и узкая зона регулирования. Применяется для АД небольшой мощности.

1.3. изменением активного сопротивления цепи ротора.

Применяется для АД с фазным ротором.

2. Регулирование частоты вращения изменением частоты тока питающей сети (частотное регулирование).

Для этого необходимы источники питания с регулируемой частотой тока, в качестве которых применяются полупроводниковые и электромагнитные преобразователи частоты. Но с изменением частоты тока изменяется и электромагнитный момент двигателя, поэтому для сохранения момента, коэффициента мощности и КПД двигателя необходимо одновременно изменять и напряжение сети. Если регулирование производится при условии постоянной нагрузки, то напряжение нужно изменять пропорционально частоте. Частотное регулирование позволяет плавно изменять скорость вращения в широком диапазоне.

3. Изменение частоты вращения путём изменения числа пар полюсов.

Этот способ применяется лишь для АД с короткозамкнутым ротором и даёт лишь ступенчатое регулирование частоты. Изменение числа пар полюсов производиться двумя способами:

1) в пазы статора укладываются две обмотки с разным числом пар полюсов, не связанных электрически между собой. Включая разные обмотки в сеть, получают разные частоты вращения. Недостатками метода являются: увеличение габаритов и массы АД;

2) в пазах статора размещена одна обмотка, схема которой путём переключения позволяет уменьшить число пар полюсов, например, обмотка фазы состоит из двух катушек, при их последовательном соединении =2, а при параллельном =1. Начала и концы обмоток выводят на клеммы щитка, поэтому переключение может производиться при работающем двигателе.

82. Схемы управления трёхфазными асинхронными двигателями.

Простейшая схема управления двигателем. В данной схеме при нажатии кнопки SB1 подаётся напряжение на катушку контактора KM1. Контактор KM1 включается и своими замыкающими главными контактами подключает статор двигателя M к сети. Двигатель пускается в ход. При отпускании кнопки SB1 происходит размыкание цепи катушки контактора KM1, отключение контактора и выключение двигателя. Эта схема применяется при наладочных пусках электропривода, когда нет необходимости длительной работы.

В этой схеме двигатель включается путём нажатия кнопки SB1 и продолжает работать после отпускания кнопки, благодаря замыкающему блок-контакту KM1, который замыкается при включении контактора и обеспечивает питание катушки током после отпускания кнопки, т.е. блокирует пусковую кнопку SB1. Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку SB2, которая размыкает цепь питания катушки контактора. Эта схема находит самое широкое применение для управления электродвигателями таких нереверсивных механизмов, как насосы, вентиляторы и т.д.

Данная схема применяется для управления двигателями, которые должны иметь прямое и обратное направление вращения ротора. В этой схеме изменение направления вращения двигателя осуществляется переключением двух фаз статора путём выключения контактора KM1 и включения контактора КМ2. При нажатии кнопки SB1 включается контактор KM1 и двигатель будет вращаться в направлении «вперёд» (при условии, если контактор KM2 отключён и замкнут его размыкающий блок-контакт KM2 в цепи питания катушки контактора KM1). Для изменения направления вращения необходимо предварительно отключить нажатием кнопки SB2 двигатель и лишь после этого нажать кнопку SB3. Размыкающий блок-контакт КМ1 в цепи катушки контактора КМ2 и блок-контакт КМ2 в цепи катушки контактора КМ1 осуществляют электрическую блокировку контакторов, т.е. исключают возможность одновременной работы контакторов КМ1 и КМ2. При отсутствии данной блокировки контакторы КМ1 и КМ2 могут быть включены независимо друг от друга, что приведёт к короткому замыканию двух фаз сети главными контактами.

Классификация машин переменного тока.

Классификация машин переменного тока.

Действие всех многофазных машин основано на принципе вращающегося магнитного поля, поэтому теория работы во многом для них является общей.

Если вращение ротора происходит в такт, т. е. синхронно вращению магнитного поля, то такая машина называется синхронной. Кроме того, что они вырабатывают электроэнергию на электростанциях, синхронные машины используются как электродвигатели в основном большой мощности, и как компенсаторы реактивной мощности.

Если вращение ротора несинхронно (асинхронно) вращающемуся магнитному полю, то такие машины называются асинхронными; повсеместно в промышленности используются как двигатели.

Коллекторные машины переменного тока, работающие на небольшой мощности, имеют ограниченное применение.

УСТРОЙСТВО и ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АД с КЗ ротором.

Асинхронная машины, как и любая другая электрическая машина вращающегося движения, состоит из неподвижной части и подвижной.

Неподвижную часть машины называют статором.

Статор состоит из корпуса цилиндрической формы, выполненного из чугуна, стали или сплава легких металлов. В корпус запрессовываются листы электротехнической стали (толщиной 0,5; 0,35 мм), образующих неподвижный кольцевой стальной сердечник, имеющий на внутренней поверхности пазы, в которые укладываются катушки, так называемой трехфазной обмотки (рис. 1.1).

Подвижная часть – это ротор. Основанием ротора является стальной вал, на который также напрессовываются листы электротехнической стали, образующие цилиндрический сердечник ротора с пазами на внешней стороне сердечника. Вал удерживается боковыми подшипниковыми щитами, которые крепятся к торцам корпуса статора. Сердечники статора и ротора отделены друг от друга равномерным воздушным зазором.

В зависимости от конструктивного выполнения электрической обмотки ротора трехфазные асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: короткозамкнутые двигатели и двигатели с контактными кольцами (двигатели с фазным ротором).

Двигатели этого типа снабжаются многофазной стержневой обмоткой, выполненной в виде «беличьей клетки». В старых типах машин «беличья клетка» изготовлялась из медных стержней круглого или овального сечения, которые плотно вставлялись без изоляции в закрытые пазы сердечника ротора. Концы стержней замыкались накоротко между собой на торцах ротора медными кольцами. В настоящее время «беличья клетка» изготовляется путем прямой заливки пазов ротора расплавленным алюминием. В этом случае замыкающие кольца составляют одно целое со стержнями, причем на них одновременно отливаются и вентиляционные лопасти.

Принцип действия асинхронного двигателя

При подключении трех обмоток статора к сети трехфазного симметричного напряжения по ним потечет переменный ток (см. рис. 1.2). Трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле статора с частотой вращения n₁.

Вращающееся поле пересекает как обмотки статора, так и обмотки ротора и наводит в них электродвижущие силы (эдс). При этом эдс обмотки статора, являясь эдс самоиндукции, действует встречно приложенному напряжению и ограничивает значение токов в трехфазной обмотке статора.

Обмотка ротора замкнута накоротко, поэтому даже при незначительных значениях наводимой эдс в обмотке ротора протекают значительные токи. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает на роторе электромагнитные силы F_эм, направление которых определяют по правилу «левой руки». Силы F_эм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Вращение произойдет при условии, если электромагнитные силы превысят тормозные силы на валу ротора. Частота вращения ротора n называется асинхронной, всегда в двигательном режиме меньше частоты вращения поля n₁, так как только в этом случае происходит наведение эдс в обмотке ротора асинхронного двигателя. С увеличением тормозного момента M_c, создаваемого исполнительным механизмом и направленным на встречу электромагнитному моменту M,частота вращения ротора уменьшается.

Электрическая мощность, поступающая в двигатель из сети, за вычетом потерь мощности, преобразуется в полезную механическую мощность на валу ротора и передаётся исполнительному механизму.

Устройство.

Синхронная машина состоит из неподвижной части – статора, в пазах которого размещается многофазная(как правило, трехфазная) обмотка, и вращающейся части– ротора с обмоткой возбуждения постоянного тока, выведенной на два контактных кольца. Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины (см. лекцию 1).

Роторы синхронных машин выполняются явнополюсными и неявнополюсными (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Ротор синхронных машин: a – c явновыраженными
полюсами; б – с неявновыраженными полюсами

Явнополюсной ротор собирается из отдельных частей (рис 14.1, а),
а обмотка возбуждения выполняется в виде катушек 1, которые размещают на полюсах 2 и крепят полюсными наконечниками 3. Полюсы укрепляются на крестовине ротора. Такая конструкция применяется в тихоходных машинах: в гидрогенераторах равнинных гидростанций
(n = 80–250 об/мин) и синхронных двигателях (n = 50–750 об/мин). Число полюсов этих машин достигает нескольких десятков; например, генераторы Днепровской ГЭС имеют 72 полюса.

Обмотка возбуждения неявнополюсных роторов закладывается в пазы, выфрезерованные в сплошной стальной паковке, и крепится стальными клиньями. Лобовые части обмотки крепят стальными кольцевыми бандажами. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность ротора и применяется как в турбогенераторах, так и в быстроходных синхронных двигателях, например, в турбо­компрессорах. Скорость этих машин равна 3000 или 1500 об/мин, а число пар полюсов невелико – 1 или 2 пары.

Постоянный ток на обмотку возбуждения подается от специального генератора-возбудителя или от выпрямителя через неподвижные щетки и контактные два кольца. Кольца расположены на валу, вращающиеся вместе с валом, изолированы от вала и друг от друга.

В ряде случаев как в синхронных, так и асинхронных машинах для улучшения формы кривой эдс осуществляется скос пазов относительно бегущего магнитного поля. Скос пазов выполняют либо в статоре относительно ротора или наоборот.

эдс проводника от основной гармоники
с учетом скоса пазов

Фаза эдс, индуктируемых в отдельных участках проводника в скошенном пазе беспрерывно изменяется вдоль проводника (рис. 4.1),
т. е. индуктируемые эдс на концах проводника и появляются в разное время, они имеют сдвиг по фазе на угол . Используя соотношение (рис. 4.1, б)

, (4.7)

где – ширина скоса паза; – полюсное деление;

. (4.8)

Рис. 4.1. Эдс индуктируемая в скошенном пазе: а – скос пазов; б – сдвиг
фаз между элементарными эдс на концах проводника и

Чтобы определить эдспроводника , необходимо геометрически сложить векторы эдс отдельных участков проводника D

, (4.9)

как это показано на рис. 4.2. В пределе, если рассматривать бесконечно малые участки проводников, D ®0, то геометрическая сумма векторов DЕ ® 0 изобразится другой и будет равна хорде окружности, опирающейся на центральный угол , как показано на рис. 4.3

Если бы не было скоса пазов, то эдспроводника равнялось вытянутой дуге, так как элементарные эдсD складывались бы арифметически.

Рис. 4.2. Результирующая эдс проводника при скосе пазов	Рис. 4.3. Определение эдс проводника при скосе пазов

Отношение длины хорды на рис. 4.3 к ее дуге определяет степень уменьшения эдс при наличии скоса и называется коэффициентом скоса пазов обмотки :

. (4.10)

Подставив в (4.10) приведенное в (4.8) значение угла получим

. (4.11)

Если не выполнять скоса пазов при , то . Таким образом, в общем случае правую часть выражения (4.6) нужно умножить на . Теперь эдс проводника с учетом скоса пазов

(4.12)

Обычно скос пазов относительно невелик и значение близко к единице. Например, при

,

т. е. эдспроводника при скосе пазов уменьшается на 1,1 % относительно эдс проводника без скоса пазов.

Обмотки с жесткими катушками обеспечивают большой коэффициент заполнения паза, они более надежны. При применении жестких обмоток пазы прямоугольные, а зубцы имеют трапецеидальную форму. У всыпных обмоток наоборот. Обмотки с жесткими секциямиприменяются в машинах мощностью свыше 100 кВт.

ПОСТРОЕНИЕ.

Если число пар полюсов четное, то количество малых катушек = кол-ву больших.

Если Р — нечетное, то в результате останется одна сторона большей катушки, а одна маленькой.

10.Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =1.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/2 = 6 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 2 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/2∙3 = 2 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из двух пазов.

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 1;)

11.Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =2.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/4 = 3 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 4 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/4∙3 = 1 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из одного паза.

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 2;)

13.Шаблонная. Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =1.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/2 = 6 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 2 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/2∙3 = 2 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из двух.

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 1;)

14.Шаблонная. Однослойную обмотка с числом пазов z=12, числом пар полюсов P =2.

1)Определим полюсное деление в пазах: Q = z/2P = 12/4 = 3 пазов.

2) Предварительно наносим 12 линий, соответствующих количеству пазов, разделенных на 4 полюсных деления t.

3) Число пазов на полюс и фазу q = z/2Pm = 12/4∙3 = 1 паза, т. е. одна сторона катушечной группы состоит из одного паза.

Предварительные построения
для однослойных обмоток (Z = 12; p = 2;)

Ротор с глубокими пазами

В момент включения двигателя, когда частота тока в роторе имеет наибольшее значение (f₂ = f₁), индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня значительно больше верхней.

Таким образом, двигатель с глубокими пазами на роторе обладает благоприятным соотношением пусковых параметров: большим пусковым моментом при сравнительно небольшом пусковом токе.

При работе двигателя с номинальной частотой вращения, когда f₂