Самостійна робота

План

Тема. 9 Електричні машини змінного струму

Мета: пояснити студентам будову, принцип роботи машин змінного струму

Актуальність: розуміння роботи двигунів змінного струму необхідне для роботи з електричними приладами.

Міжпредметна інтеграція: Хімія, Фізика, Математика.

1.Загальне поняття. Обертове магнітне поле.

2.Будова та принцип дії трифазного асинхронного двигуна

3.Пуск трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим і фазним ротором

4. Втрати і коефіцієнт корисної дії асинхронного двигуна.

Після вивчення теми студент повинен знати:

- будову та принцип дії асинхронного двигуна,

- обертове магнітне поле,

- втрати і ККД машин змінного струму,

- режими роботи трифазного асинхронного двигуна,

- однофазний асинхронний двигун,

- синхронні машини.

Ключові терміни та поняття: ротор, статор, втрати, ККД, обертове магнітне поле.

Самостійна робота студента:

1.Регулювання швидкості обертання ротора.

2. Синхронні машини.

3.Однофазний АД

Література

1. Паначевний Б.І., Свергун Ю.Ф. Загальна електротехніка: теорія та практикум.Каравела,2003

-1-

У 1889 р. М. О. Доліво - Добровольський винайшов трифазний асин­хронний двигун, який завдяки своїм високим технічним якостям ді­став велике поширення в різних галузях техніки. Цей винахід дав змогу широко використати електричну енергію в приводі. Асинхронні машини, як і всі електричні машини, енергетично оборотні, тобто та сама машина може працювати і в режимі електро­двигуна, і в режимі генератора. Асинхронні генератори майже не застосовуються, тому розглядати їх не будемо.

Принцип дії трифазного асинхронного двигуна грунтується на явищі обертового магнітного поля. Розглянемо процес його утворення. Це поле створюється при пропусканні трифазного змінного струму через три нерухомі котушки, осі,яких лежать в одній площині під кутом 120° одна до одної. Котушки мають бути з'єднані між собою в зір­ку чи в трикутник.

На рис. 9.1, а літерами А, В, С позначено початки котушок, а лі­терами X, У, І — їх кін­ці.

Рис. 9.1. До розгляду процесу утворення обертового магнітного поля в трифазному асинхронному двигуні

Кожна з котушок, через яку проходить струм, створює свій магнітний потік спрямований перпендикулярно до площини витків котушки. Хвильову діаграму

струмів в окремих котушках зображено на рис. 8.1, б. Нижче, на рис. 8.1, в показано напрями струмів в окремих котушках у різні моменти часу, причому кожну з них подано у вигляді одного витка, а за додатний умовно прийнято напрям струму від початку котушки до її кінця.

Розглянемо процес утворення сумарного магнітного потоку Ф в момент часу, коли струм у фазі А генератора дорівнює нулю, через що в котушці А — X, яка живиться від цієї фази, струму немає. У фазі В генератора струм від'ємний, тому в котушці В — У напрям струму зображено від її кінця до початку. У фазі С генератора струм додатний, через що в котушці С — Z напрям струму показано від її початку до кінця.

Зобразивши силові лінії магнітного поля, які охоплюють провід­ники котушки з однаково спрямованими струмами, можна переконатися в тому, що вектор сумарного магнітного потоку буде спрямований вниз.

Виконавши ту саму побудову в моменти часу 2, 3, 4 і 5, побачимо, що вектор сумарного магнітного потоку повертається в просторі у напрямі руху годинникової стрілки і за один період струму (між мо­ментами часу 1 і 3) робить один повний оберт.

Для зміни напряму обертання магнітного потоку досить поміняти місцями на хвильовій діаграмі два струми. Практично це можна здійс­нити, помінявши місцями два лінійних проводи на затискачах елек­тродвигуна.

Частота обертання магнітного потоку визначається за відомою формулою

n=60f/р, (9.1)

де f — частота струму; р — кількість пар полюсів, утворених обмот­кою зі струмом. Цю частоту обертання називають синхронними обер­тами електродвигуна, або обертами його ідеального холостого ходу.

-2-

На рис. 9.2 показано трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором у розібраному вигляді. Він складається з таких основних вузлів.

1. Статора, до складу якого входять:

а)станина 5 з лапами, призначена для закріплення електродвигу­на на фундаменті;

б)пакет 6 із штампованих, ізольованих один від одного, листів електротехнічної сталі з пазами (рис. 9.3, а) для укладання обмотки статора;

в)обмотка 7 з ізольованого мідного дроту, який укладається в па­зи пакета статора і використовується для створення обертового магніт­ного поля.

Рис. 9.2. Трифазний асин­хронний двигун короткозамкненим ротором у розібраному вигляді

Рис. 9.3. Лист пакета ста­тора (а) та короткозамкнена обмотка ротора (б) три­фазного асинхронного дви­гуна

2. Ротора, до складу якого входять:

а)пакет 3 зі штампованих, ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі;

б)вал 1, на якому кріпляться пакет ротора, підшипники, привод­
ний шків і вентилятор;

в)обмотка у вигляді «білячого колеса» (рис. 9.3 г,б), яка складаєть­ся з залитих алюмінієм пазів пакета ротора (короткозамкнений ротор)і в якій наводиться струм магнітним полем статора;

г)підшипники, які насаджуються на вал і кріпляться зовнішніми обоймами в підшипникових щитах;

д)вентилятор, який кріпиться на валу ротора і застосовується для створення всередині електродвигуна потоку повітря з метою охолод­ження його нагрітих частин.

3. Підшипникових щитів 2 і З, які є опорою для підшипників ро­тора і прикріплюються за допомогою болтів до станини статора.

Як уже було згадано, робота трифазного асинхронного двигуна грунтується на явищі обертового магнітного поля, що виникає при живленні обмотки статора трифазним струмом. Переконатися в існу­ванні цього поля можна, помістивши в статор стальну кульку, яка після подавання напруги на обмотку статора під впливом обертового магнітного поля котитиметься по стінці розточки статора.

У момент пуску двигуна ротор неру­хомий і обертове магнітне поле, перети­наючи його обмотку, індукує в ній e. р. с. і струм. Струм ротора взаємодіє з обер­товим магнітним полем статора, внаслі­док чого виникає обертаючий момент, який приводить у рух ротор. Механізм цієї взаємодії пояснює рис. 9.4.

На цьому рисунку показано обертове магнітне поле статора в момент часу 2
(див. рис. 9.1, б, в), коли в котушці А - X струм має додатний напрям, у котушці В — У струму немає, а в котушці С — 2 його напрям від"ємний.
,

Напрям силових ліній магнітного поля в цей момент зображено на рис. 9.4 стрілками. Нехай воно обертається в напрямі руху годинникової стрілки. Тоді нерухомі в цей час провідники ротора можна розглядати як такі, що рухаються відносно магнітного поля в напрямі проти руху годинникової стрілки.

Застосувавши правило правої руки, знайдемо напрям струму в провідниках ротора. У верхніх провідниках струм буде спрямований «на нас», а в нижніх — «від нас». Для визначення напряму руху провідників ротора застосовуємо правило лівої руки. З рис. 9.4 випливає, що верхні провідники руха­тимуться праворуч, а нижні — ліворуч.

Пара сил F-F, яка утворилася, обертатиме ротор у напрямі руху годинникової стрілки, тобто в напрямі обертання магнітного поля ста­тора.

Обертове магнітне поле статора ніби тягне за собою ротор. Однак частота обертання ротора завжди буде меншою від частоти обертання магнітного поля статора.

Якщо припустити, що ротор наздожене магнітне поле статора і частоти їх обертання зрівняються, то силові лінії магнітного поля ста­тора перестануть перетинати обмотку ротора, в ній перестане інду­куватися струм і зникне пара сил, яка змушує ротор обертатися. Та­ким чином, відставання ротора від магнітного поля статора є необхід­ною умовою роботи трифазного асинхронного двигуна. Явище від­ставання ротора від обертового магнітного поля статора називається ковзанням.

Ковзання залежить від гальмуючого моменту (навантаження) на валу двигуна. Зі збільшенням навантаження оберти ротора зменшу­ються (ротор загальмовується); швидкість, з якою обертове магнітне поле статора перетинає обмотку ротора, зростає; струм ротора збіль­шується, а сила його взаємодії з магнітним полем статора підвищуєть­ся, що спричинює збільшення обертаючого моменту двигуна. Електродвигун переборює зросле навантаження, але оберти-його при цьому знижуються, тобто ковзання зростає. При зменшенні гальмуючого моменту на валу ротора оберти його підвищуються, тобто ковзання двигуна зменшується.

Ковзання позначається літерою 5 і визначається як відношення різ­ниці частот обертання магнітного поля статора п₁ і ротора п₂ до часто­ти обертання магнітного поля статора:

(9.2)

Ковзання часто виражають у процентах, записуючи

(9.3)

Якщо ротор нерухомий (пуск двигуна), то п₂ = 0 і 5 = 1. При хо­лостому ході двигуна частота обертання ротора майже зрівнюється з частотою обертання магнітного поля статора (п₂ п₁) і ковзання s 0.

Таким чином, можна вважати, що ковзання змінюється в межах від 0 до 1 (або від 0 до 100 %). Характерною для двигуна величиною є номінальне ковзання (ковзання при номінальному навантаженні дви­гуна), яке коливається в межах від 1 до 6 %.

-3-

Щодо простоти, економічності та зручності в експлуатації трифаз­ний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором не має собі рівних. Недоліком його є те, що при пуску струм в обмотці ротора у кілька разів перевищує номінальне значення І_ном .

В роторі двигуна створюється потужний магнітний потік, який зменшує сумарний магнітний потік машини. Для підтримки його на попередньому рівні обмотка статора (аналогічно первинній обмотці трансформатора) споживає з мережі підвищений (пусковий) струм І_н = (4,5 -6,5) І_ном

Цей пусковий струм завдяки своїй короткочасності не є небезпеч­ним для двигуна, але він призводить до короткочасного значного зниження напруги живильної мережі, що може порушити нормальну ро­боту інших, приєднаних до неї, струмоприймачів.

Рис. 9.6. Схеми для пуску потужних трифазних асинхронних двигунів і ко­роткозамкненим ротором

Ступінь цього порушення залежить від потужності джерела жив­лення та перерізу проводів мережі. Звичайно пуск трифазних асин­хронних двигунів з короткозамкненим ротором потужністю до 10—20 кВт не спричинює помітного порушення роботи сусідніх з ними струмоприймачів, тому ці двигуни при пуску вмикають безпосередньо в мережу на повну її напругу. При пуску більш потужних таких двигунів для зменшення пуско­вого струму треба знизити напругу на затискачах двигуна. Для цього є кілька способів.

Якщо при даній напрузі мережі обмотки статора повинні бути з'єднані трикутником, то для пуску двигуна можна скористатися схемою перемикання обмотки статора з зірки на трикутник (рис. 9.6, а). Під час пуску перемикач установлюють в положення «Пуск». При цьому обмотка статора з'єднується зіркою, і на кожну фазу її припа­дає напруга в разів менша від номінальної. Коли двигун розкру­титься, перемикач переводять у положення «Робота». Обмотка статора при цьому з'єднується трикутником, і двигун досягає своїх номіналь­них обертів. При такому способі пуску пусковий струм двигуна змен­шується в три рази.

Якщо двигун призначений для роботи зі з'єднанням обмотки ста­тора зіркою, то зниження напруги при пуску здійснюється вмиканням його через реактор Х _р (рис. 9.6, б) — додатковий індуктивний опір.

Для пуску двигуна спочатку вмикають рубильник - вимикач QS1. При цьому обмотка статора живиться через реактор, який відбирає частину напруги мережі. Після розкручування двигуна вмикають вимикач QS2, що шунтує реактор, і на затискачі двигуна подається повна на­пруга мережі.

Існує також спосіб пуску двигуна через автотрансформатор

.
Рис. 9.7 Схема трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором

Трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором відзначаються малими коливаннями частоти обертання при змінах навантаження, надійністю в роботі, високими значеннями к. к. д. і соз. До недоліків їх, крім великого пускового струму; слід віднести важкість регулювання часто­
ти обертання, низьке значення cos при недовантаженнях, а також
чутливість до коливань напруги мережі.

Крім цих двигунів застосовуються трифазні асинхронні двигуни з фазним ротором. Статор 5 такого двигуна (рис. 9.7) нічим не відрізняється від статора двигуна з і короткозамкненим ротором, але ротор 4 побудований інакше: в його пази замість алюмінієвих чи мідних стерж­нів укладається, трифазна обмотка з ізольованого мідного дроту, яка звичайно з'єднується зіркою, рідше — трикутником. Кінці її наглухо приєднуються до трьох мідних кілець 3 на валу ротора, розміщених на ізолюючій втулці й ізольованих, між собою. На них накладаються міднографітові щітки 2, до яких приєднується пусковий реостат 1. Перед пуском двигуна з коло ротора вводять увесь опір пуско­вого реостата. Двигун починає розкручуватися, і реостат поступово виводять. Наприкінці пуску обмотка ротора буде замкненою накоротко, і дальша робота цього двигуна нічим не відрізняється від роботи двигуна з короткозамкненим ротором.

При введенні реостата в коло ротора під час пуску трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором опір останнього значно збіль­шується, струм у його обмотці зменшується, а тому спадає й струм в обмотці статора. Пусковий струм в обмотці статора двигуна переви­щує номінальний не більш, як у два рази. Крім того, введення в коло ротора активного опору підвищує обертаючий момент двигуна при пуску.

Справді, відповідно до (9.9) обертаючий момент двигуна пропорційний косинусу кута зсуву фаз між струмом і е. р. с. в обмотці ротора (соз). При введенні активного опору пускового реостата кут ф змен­шується, а значить, збільшується, через що обертаючий момент двигуна зростає.

До позитивних,якостей трифазних асинхронних двигунів з фазним ротором слід віднести великий початковий обертаючий момент, майже постійну частоту обертання при змінах навантаження, менший пусковий струм, ніж у двигунів з короткозамкненим ротором. Недоліки цих двигунів такі: чутливість до коливань напруги мережі;менші значення cos і к. к. д, ніж у двигунів з короткозамкненим ротором низьке значення соs при недовантаженнях.

-4-

Як і в будь-якій електричній машині, в трифазному асинхронному двигуні є втрати енергії. Внаслідок цього корисна потужність на його валу, менша від тої, яку він забирає з мережі.

Втрати, в двигуні поділяються на електричні, механічні та втрати в сталі. До перших належать втрати на нагрівання обмоток статора і ротора.

Потужність втрат у обмотці статора р_м1=І₁²R₁

в обмотці ротора p_м2=I₂²R₂

Загальні втрати на нагрівання цих обмоток Р₂=Р₁-(р_м +р_{с т}+р_мех).

До втрат у сталі р_ст належать в основному втрати в металі статора, спричинювані обертовим магнітним полем. Механічні втрати (р_мех) складаються з втрат на тертя в підшипниках і втрат на подолання обертовими частинами двигуна опору, створюваного повітрям.

Щоб знайти потужність двигуна на валу (Р₂), треба від потужності, яка підводиться до двигуна з мережі, відняти втрати в ньому:

Р₂=Р₁-(р_м+р_ст+р_мех) (9.11)

К. к. д. двигуна визначається відношенням його корисної потужності до потужності, що підводиться з мережі. В процентах його обчислюють за формулою η =

На рис. 9.8 зображено залежність к. к. д трифазного асинхронного двигуна від його навантаження. Як випливає з рисунка к. к. д досягає максимального

Рис.9.8. Залежність к. к. д трифазного асинхронного двигуна від його навантаження

тоді, коли навантаження,становить приблизно 75% номінального

Приклад 1. Номінальне ковзання трифазного асинхронного двигуна s_ном= 5 %, кількість пар його полюсів р = 4. Визначити частоту обертання ротора двигуна при частоті струму в мережі f=50 Гц.

Частота обертання магнітного поля двигуна n_П= =

Відповідно до (9.3) ковзання S=

Звідки =712,5об/хв

1.Процеси,що відбуваються в роторі асинхронного двигуна.

2.Нормальний режим роботи трифазного асинхронного двигуна.

Обертаючий момент.

3.Однофазний асинхронний двигун. Синхронні машини.

-1-

Ці процеси багато в чому подібні до процесів, які відбуваються в трансформаторі. Обертовий магнітний потік двигуна перетинає обмот­ку статора, індукуючи в ній е. р. с. Е₁ спрямовану проти напруги мережі. Ця е. р. с. аналогічна проти-е. р. с, індукованій сумарним магнітним потоком у первинній обмотці трансформатора. Обертове магнітне поле, перетинаючи обмотку ротора, індукує в ній е. р. с. і створює струм, як і у вторинній обмотці трансформатора.

Якщо ротор нерухомий, то швидкість, з якою магнітне поле стато­ра перетинає його обмотку, буде максимальною; тому е. р. с. в обмотці ротора теж максимальна. Коли ротор починає розкручуватися, то швидкість, з якою магнітне поле статора перетинає його обмотку, по­чинає зменшуватись, а з нею зменшується й е. р. с. в обмотці ротора. Доведено, що е. р. с. в обмотці нерухомого ротора Е₂ більша від е. р. с. обертового ротора в s разів, де s — ковзання, тобто

E_2s=E₂s (9.4)

Частота струму в обмотці ротора змінна, бо вона залежить від час­тоти обертання магнітного поля статора відносно ротора. Оскільки частота обертання ротора п ₂ змінюється залежно від навантаження, при частоті обертання п₁ магнітного поля статора останнє відносно ротора обертається з частотою

n_П= п₁ — п₂. (9.5)

Тоді частота струму в обмотці ротора

f₂ = рn_П / 60 = р (n₁— n₂)/60.

З (9.2) випливає, що

n₁-n₂=n ₁ s

тому f₂=p n₁s/60

Відповідно до (9.1) pn₁/60=f₁

де f₁ — частота e. р. с. Е₁ яка дорівнює частоті мережі.

Тоді тобто частота струму в обмотці ротора дорівнює частоті струму в обмотці статора, помноженій на ковзання.

При нерухомому роторі (пуск двигуна) s = 1 і f₂ =f₁, тобто час­тота струму в обмотці ротора буде максимальною.

При холостому ході, коли s 0, частота струму в обмотці ротора f₂ 0, хоч практично вона становить близько 1 Гц.

Опір кола ротора при різних його обертах також змінюється. Це не стосується активного опору обмотки ротора R₂,який залишається незмінним при різній частоті струму в ньому, але повністю стосується індуктивного опору ротора, що залежить від частоти обертання остан­нього.

Індуктивний опір нерухомого ротора

Х₂ = f₁L₁

а ротора, який обертається,

Х _2s= 2πf₂L₂ = 2πf₁sL₂.

Тоді Х_2s/Х₂ = f₁s/f₁ = s, або

Х_2$ = Х₂ s (9.7)

тобто індуктивний опір обертового ротора дорівнює індуктивному опо­ру кола ротора в нерухомому стані, помноженому на ковзання.

При нерухомому роторі s = 1 і Х_2s, = Х₂, тобто індуктивний опір кола ротора має максимальне значення.

При холостому ході, коли s 0, індуктивний опір Х_2$ має міні­мальне значення.

Знаючи є. р. с. і опір кола ротора, можна знайти струм у його об­мотці

I₂=

де Z _2$ = — повний опір обертового ротора.

Отже, I₂=

При пуску двигуна е. р. с. Е_2$ має максимальне значення, що до­рівнює е. р. с. Е₂₁ і значить, струм в обмотці ротора, який називаєть­ся в цьому випадку пусковим, буде максимальним.

З розкручуванням двигуна е. р. с. E_2s зменшується, і струм в об­мотці ротора спадає.

-2-

Як і в трансформаторі, в трифазному асинхронному двигуні є маг­нітний потік (обертове магнітне поле), який циркулює по магнітопроводу. Проте опір магнітопроводу тут набагато більший, ніж у транс­форматорі, бо на шляху магнітного потоку зустрічається повітряний зазор між ротором і статором, який створює великий опір для магніт­ного потоку. Щоб його подолати, потрібна значна м. р. с, створювана струмом холостого ходу в обмотці статора. Сила цього струму значно перевищує струм холостого ходу трансформатора і досягає 20—50 % номінального струму двигуна.

Оскільки при холостому ході струм в обмотці ротора дуже малий, його м. р. с. можна знехтувати. При навантаженні струм в обмотці ротора зростає і, значить, його м. р. с. збільшується.

Сумарний магнітний потік двигуна створюється спільною дією м. р. с. обмоток статора та ротора, залишаючись майже незмінним при коливаннях навантаження. Подібно до того, як у трансформаторі зі збільшенням навантаження зростає струм у первинній обмотці, в дви­гуні зі зростанням навантаження збільшується струм в обмотці ста­тора.

Рівняння м. р. с. для трансформатора дійсне й для двигуна:

F=F₁+F₂

де F — результуюча м. р. с. двигуна в режимі холостого ходу; F₁ — м. р. с. обмотки статора; F ₂ — м. р. с. обмотки ротора.

Причиною виникнення обертаючого моменту двигуна є взаємодія струму в обмотці ротора з магнітним полем статора.

Оскільки обмотка ротора має індуктивний опір, струм у ній I₂ відставатиме від є. р. с. Е_2s на кут ₂.

Обертаючий момент двигуна пропорційний його корисній (активній) потужності, яка, в свою чергу, пропорційна активній складовій стру­му в обмотці статора. Через те що потужність кола статора практично дорівнює потужності кола ротора, можна сказати, що обертаючий мо­мент двигуна пропорційний також активній потужності ротора, тобто активній складовій струму в обмотці ротора: М= с ФI₂ (9.8)

Звичайно напруга мережі U₁ стала, тому і пропорційний їй магнітний потік Ф теж буде сталим. Отже, М=І₂ =I_2a (9.9)

тобто обертаючий момент двигуна пропор­ційний активній складовій струму в обмот­ці ротора.

Рис. 9.5 Залежність обертаючого момента трифазного асинхронного двигуна від ковзання

Як показують дослідження М=U₁² (9.10)

тобто, обертаючий момент двигуна пропорційний квадрату напруги мережі. Невелике зниження цієї напруги призводить до значного зменшення обертаючого момента двигуна.

З (9.8) випливає, що обертаючий момент двигуна не є сталою ве­личиною, а залежить від ковзання. Справді, струм І₂ залежить від е. р. с. Е_2s , яка змінюється зі зміною частоти обертання двигуна (а значить, і ковзання). Значення соs ₂ залежить від індуктивного опору кола ротора, який теж змінюється зі зміною ковзання. Отже, обертаю­чий момент двигуна залежить від ковзання. Криву цієї залежності зображено на рис. 9.5.

При пуску двигуна ковзання s=1. Цьому ковзанню відповідає пусковий момент М_П З розкручуванням двигуна частота струму в об­мотці ротора й індуктивний опір його зменшуються, а значить, активна складова струму в цій обмотці зростає. Відповідно до (9.9) це спричи­нює збільшення обертаючого моменту двигуна до максимального зна­чення М_max. Відношення М_mах до номінального обертаючого моменту М_ном, яке називається коефіцієнтом перевантажувальної здатності двигуна, коливається в межах від 1,5 до 2,5.Однак при дальшому розкручуванні двигуна обертаючий момент різко зменшується. При ковзанні s = 0 він теж знижується до нуля.

-3-

Останнім часом однофазні асинхронні двигуни стали широко застосовуватися в побутових приладах (електропрогравачі, холодиль­ники); медичній апаратурі, невеликих вентиляторах і в деяких інших випадках.

Оскільки техніко-економічні показники цих двигунів нижчі від трифазних, промисловість випускає їх тільки невеликої потужності: від 1 Вт і більше (серія УАД), до 400 Вт (серія АВЕ), до 600 Вт (серія АОЛВ). Більшої потужності, ніж 2 кВт, ці двигуни не виготовляються.

На рис. 9.9, а показано будову однофазного асинхронного двигуна. Він складається зі статора з пазами, виготовленого з листової електротехнічної сталі. В пази закладається однофазна обмотка. Ротор короткозамкнений.

При проходженні через обмотку статора однофазного струму ви­никає пульсуючий магнітний потік Ф_м (його лінії зображено на рис. 9.9,а)

Риc. 9.9. До розгляду однофазного асинхронного двигуна

Цей потік можна розкласти на два потоки Ф_м/2, що оберта­ються в різні боки (рис. 9.9, б - д)

Порівнюючи між собою окремі діаграми на рис. 9.9, б- д, можна побачити, що в довільний момент часу два обертові магнітні потоки Ф_м/2 створюють пульсуючий магнітний потік Ф_м, нерухомий в прос­торі, який має свої додатні та від'ємні максимуми, а також нульові значення.

Магнітні потоки Ф_м/2, що обертаються в різних напрямах, інду­кують в обмотці ротора струми, які, взаємодіючи цими потоками, створюють два обертаючих моменти однакового значення, спрямовані назустріч один одному. Внаслідок цього сумарний обертаючий момент (пусковий) дорівнюватиме нулю, і ротор двигуна буде нерухомим.

Якщо за допомогою якоїсь сторонньої сили дати поштовх ротору в певному напрямі, то обертовий магнітний потік, який має той же на­прям обертання, що й спричинений поштовхом напрям обертання ро­тора, створить момент, який обертатиме ротор теж у цьому напрямі. Він буде відносно значним. Це пояснюється тим, що частота струму в обмотці ротора, спричинена цим потоком, буде відносно мала і визна­чатиметься різницею частот обертання магнітного потоку й ротора. Отже, індуктивний опір ротора також буде відносно малим, що випливає з (4.23), а значить, струм в обмотці ротора і обертаючий момент двигуна — відносно великими.

У той же час другий обертовий магнітний потік індукуватиме в обмотці ротора струм вищої частоти, ніж перший, бо він залежить від сумарної частоти обертання цього, магнітного потоку й ротора. (Магнітний потік і ротор обертаються в різних напрямах.) Індуктивний опір ротора стане великим, а струм в його обмотці та обертаючий мо­мент двигуна, створений цим потоком, будуть дуже малі. Внаслідок цього ротор обертатиметься в напрямі його поштовху й нестиме корис­не навантаження.

Первинний поштовх ротора створюється спеціально пусковою об­моткою двигуна або з цією метою використовують двигун, який має розщеплені полюси. В обох випадках у двигунах на час пуску створю­ється обертове магнітне поле, що розкручує ротор подібно до пуску трифазного асинхронного двигуна.

Синхронні — це такі електричні машини, в яких частота обертання, ротора завжди дорівнює частоті обертання обертового магнітного поля статора й точно відповідає частоті струму в мережі, до якої приєдна­но їх.

Синхронна машина, як і всі електричні машини, оборотна, тобто може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Оби­два ці режими повноцінні і мають велике поширення в техніці.

Працюючи в режимі генератора, синхронна машина є джерелом є. р. с. постійної частоти, для чого первинний двигун повинен мати постійну частоту обертання п. Частота струму на підставі (8.1) визна­чається так:

f = pn/60.

Працюючи в режимі двигуна, синхронна машина має точно визна­чену частоту обертання, якщо вона живиться змінним струмом постій­ної частоти. При цьому частоту, обертання двигуна можна обчислити за формулою (8.1).

Розглянемо спочатку синхронний генератор. Його робота грунту­ється на явищі електромагнітної індукції, яке полягає в тому, що при перетині провідника магнітним полем в ньому індукується е. р. с, причому байдуже, що саме рухається — провідник або поле. Ту час­тину генератора, яка створює магнітний потік, називають індуктором, а ту, що має обмотку, в якій індукується змінна е. р. с,— якорем.

Синхронні генератори бувають двох типів: з нерухомим індуктором і обертовим якорем та з обертовим індуктором і нерухомим якорем. Генератори першого типу виготовляють невеликої потужності та не­високої напруги. Всі великі сучасні синхронні генератори випускають з обертовим індуктором і нерухомим якорем.

Схему синхронного генератора з нерухомим індуктором і оберто­вим якорем показано на рис. 9.1. Індуктор цього генератора склада­ється з двох пар нерухомих полюсів, на які надіто котушки, що утво­рюють обмотку збудження. Остання живиться від стороннього джерела постійного струму. Таким джерелом є невеликий генератор постій­ного струму, який називається збудником і розміщений на одному валу з якорем синхронного генератора, чи напівпровідниковий випрямляч змінного струму.

Полюси створюють магнітний потік Ф, який, перетинаючи витки трифазної обмотки якоря, індукує в ній трифазну е. р. с. Остання знімається з якоря за допомогою трьох щіток, що лежать на трьох мідних кільцях, які обертаються разом з якорем. До цих кілець приєднуються кінці трифазної обмотки якоря.

Схему синхронного генератора з нерухомим якорем і обертовим індуктором зображено на рис. 9.2. Якір цього генератора нічим не відрізняється від статора трифазного асинхронного двигуна, тобто складається з трифазної обмотки, укладеної в пази нерухомого пакета. Індуктор має дві пари обертових полюсів, на які надіто обмотку збудження. Живлення її здійснюється також від збудника за допомогою щіток і двох мідних кілець, які обертаються разом з індуктором і до яких приєднано кінці обмотки збудження. Полюси створюють магнітний потік Ф, що перетинає трифазну обмотку якоря, індукуючи в ній трифазну е. р. с. Остання знімається з затискачів генератора і подається споживачеві.

Залежно від типу первинного двигуна, що застосовується для обер­тання рухомої частини генератора, синхронні генератори називаються гідрогенераторами (первинний двигун — водяна турбіна), дизель-ге­нераторами (первинний двигун — дизель), двигун-генераторами (пер­винний двигун — електричний). Установка, яка складається з парової турбіни та синхронного генератора, називається турбогенера­тором

Синхронні генератори є майже єдиним джерелом-змінного струму. Розглянемо тепер будову і принцип дії синхронного двигуна. Для роботи в режимі, двигуна застосовується синхронна машина з нерухо­мим якорем і обертовим індуктором. Якір її нічим не відрізняється від статора трифазного асинхронного двигуна і теж називається статором. Трифазна обмотка останнього живиться трифазним струмом і ство­рює обертове магнітне поле з полюсами змінної полярності.

...

Рис. 9.1. Схема синхронного Рис. 9.2. Схема синхронного генератора з генератора з нерухомим нерухомим якорем і обертовим індуктором

індуктором і обертовим якорем

Обертовий індуктор, який має полюси з об­моткою, що живиться постійним струмом від збудника, називається ротором двигуна.

Коли через обмотку ротора проходить струм збудження, полюси набувають певної полярності. Різнойменні полюси статора й ротора притягаються один до одного. Полюси статора, як зазначено вище, мають змінну полярність, тобто кожний полюс переміщується все­редині статора з частотою обертання обертового магнітного поля. Сила взаємного притягання полюсів статора та ротора настільки велика, що полюси статора, переміщуючись, тягнуть за собою полюси ротора, а разом з ними і весь ротор.

Однак це притягання не може виникнути між полюсами статора й полюсами нерухомого, хоч і збудженого ротора. З цим пов'язана трудність пуску синхронного двигуна.

Для здійснення пуску ротор цього двигуна треба спочатку розкру­тити так, щоб його частота обертання наблизилась до номіналь­ної ("підсинхронної"), після чого подати струмвід збудника. Далі двигун працюватиме самостійно, чи, як кажуть, «увійде в синхро­нізм».

Раніше для розкручування ротора синхронного двигуна застосо­вувався спеціальний двигун невеликої потужності, що ускладнювало установку й дорожчало її. Тепер у полюсні наконечники магнітів рото­ра укладають-мідні стержні, кінці яких з кожного боку ротора об'єд­нуються мідними кільцевими шинами, і наслідок чого утворюється пус­кова короткозамкнена обмотка двигуна. Його пуск відбувається так само, як і трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ро­тором.

При нормальній роботі синхронного двигуна частота обертання ро­тора дорівнює частоті обертання магнітного поля статора, тобто ко­роткозамкнена обмотка ротора не перетинається магнітним полем ста­тора, і струм у ній відсутній.

Недоліком такого пуску синхронною двигуна є великий пусковий струм, який майже, в сім разів перевищує номінальне значення.

Цінною якістю синхронного двигуна є його здатність виробляти та віддавати в мережу ємнісний струм, потрібний для поліпшення кое­фіцієнта потужності (соз). Для цього струм збудження двигуна пови­нен бути досить великим. Синхронний двигун у цьому випадку працює як конденсатор і називається синхронним компенсатором.

Двигун може працювати не тільки як компенсатор, а й нести од­ночасно корисне навантаження.

До переваг синхронного двигуна належать постійна частота обер­тання при різних навантаженнях, високе значення соз, можливість поліпшення соз в мережі. Недоліки двигуна такі: складність пуску, потреба в струмах двох родів — змінного та постійному; зупинка при перевантаженні («випадіння з синхронізму»)

Синхронні двигуни застосовуються в стаціонарних установках, де

потрібні значні потужності приводного двигуна і сталість частоти його обертання. Сюди належать потужні насоси, компресори, вентилятори, двигуни-генератори та інші механізми.

Запитання для самоперевірки

1. Які електричні машини називаються синхронними? 2. Який принцип дії син­хронного генератора? 3. Яке призначення збудника в синхронній машині? 4. Який принцип дії синхронного двигуна? б. Чому в синхронному двигуні немає ковзання? -в. Які будова й призначення короткозамкненої обмотки в синхронному двигуні? 7. Що таке синхронний компенсатор і яке його призначення? 8. Які переваги та не­доліки синхронного двигуна?

Запитання для самоперевірки

1. Які причини великого поширення трифазних асинхронних двигунів? 2. Як можна створити обертове магнітне поле? 3. Як змінити напрям обертання обертового магнітного поля? 4. З яких основних частин складається трифазний асинхронний двигун? б. Який принцип дії трифазного асинхронного двигуна? 6. Що таке ковзання? 7. У чому полягає подібність трансформатора та трифазного асинхронного двигу­на? 8. Як залежить частота струму в обмотці ротора трифазного асинхронного двигу­на від ковзання? 9. Як залежить індуктивний опір ротора трифазного асинхронного двигуна від ковзання? 10. Від чого залежить обертаючий момент трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором? 11. Як впливає напруга мережі на обертаючий момент трифазного асинхронного двигуна? 12. Як залежить обертаючий момент

трифазного асинхронного двигуна від ковзання? 13. Як побудований трифаз­ний асинхронний двигун з фазним ротором? 14. Які правила пуску трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором? 15. Які існують способи обмеження пускового струму трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором? 16. Які по­зитивні якості й недоліки трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором? 17. Від чого залежить к. к. д. трифазного асинхронного двигуна? 18. Який принцип дії однофазного асинхронного двигуна?

-7-

Дата добавления: 2014-01-04