foto1
foto1
foto1
foto1
foto1

Знання - це скарб, а навчання - ключ до нього.

Навчання - світло, а не навчання тьма.

Знання за гроші не купиш.

Знання - це сила, а незнання - робоча сила?

Хорошого спеціаліста робота сама шукає.

Електротехніка

Тема : Машини змінного струму

1. Будова та принцип дії трифазних асинхронні маши.

2. Однофазні асинхронні двигуни.

3. Будова та принцип роботи синхронної машини

4. Безконтактні синхронні генератори.

 Генератори, що перетворюють механічну енергію в електричну і двигуни, що перетворюють електричну енергію в механічну мають загальну назву – електричні машини. На відміну від машин, що обертаються, трансформатори уявляють собою статичні електромагнітні пристрої. Головною характерною рисою, загальною для електричних машин і трансформаторів, є те, що вони відносяться до енергоутворюючих пристроїв, що працюють на принципі електромагнітної взаємодії.

1.Будова та принцип дії трифазних асинхронні маши.

Трифазні асинхронні машини були розроблені у 1888 р. М.О. Доліво-Добровольським.

Асинхронна машина — це машина змінного струму, в котрій збуджується обертове магнітне поле швидкість обертання якого відрізняється  від швид­кості обертання ротора.

 Асинхронні машини принципово можуть бути генераторами або дви­гунами. Характеристики асинхронних двигунів дуже добрі, і вони ши­роко застосовуються в техниці. Асинхронні генератори практично не використовуються, тому що мають дуже низькі експлуатаційні якості.

Асинхронні двигуни за своєю простотою, надійністю та ефективні­стю дістали широкого розповсюдження. Понад 85% усіх електродви­гунів — це трифазні асинхронні двигуни.

Асинхронна машина складається із статора і ротора. Статор має шихтоване осердя, у пазах якого розташована трифазна обмотка. У най­простішому випадку вона складається із трьох котушок, що зсунуті одна до одної на 120°.

Ротор буває двох типів:  короткозамкнений;  фазний.

Короткозамкнений ротор має шихто­ваний циліндр із пазами. У пази уклада­ються стержні, що замкнені електричне із обох боків кільцями. Ці кільця та стержні М.О. Доліво-Добровольський назвав "білковим колесом" На рис наведено будову асинхрон­ного двигуна із короткозамкненим ротором. Оскільки на роторі немає колекторного вуз­ла, ротор не має ковзаючих контактів, дви­гун дуже простий щодо обслуговування, надійнийу роботі, дешевий, легкий та еконо-дй. Це двигун «основного виконання». За стандартом передбачені спрощений та розгорнений способи графічного позначення асинхронних машин. трощеному способі обмотки статора та ара зображаються у вигляді кіл. У розгорнених позначеннях обмотка статора Вражається у вигляді ланцюжка півкіл, а мотка ротора — у вигляді кола.

Статор асинхронної машини уявляє собою циліндр, зібраний з листової сталі з пазами на внутрішній поверхні. В діаметрально протилежних пазах A–X, B–Y¸ C–Z розташовані витки котушок з однаковим числом витків. Кут між площинами котушок складає 120°. Початки котушок A, B, C приєднані до мережі трифазного струму частотою f1, а кінці X, Y, Z об’єднані в загальну нульову точку. В обмотках котушок протікають синусоїдальні струми ІА, ІВ, ІС, взаємно зсунуті по фазі на третину періоду. Кожна котушка окремо створює пульсуючий магнітний потік, вісь якого співпадає з віссю відповідної котушки.

am

 Обертове магнітне поле створюється обмоткою статора, що складається із трьох котушок. Ці котушки розташовані під кутом 120" одна до одної і на них подається трифазна синусоїдна напруга. Тобто у котушках проходять струми, що зсунуті один до одного на 120. Можна розглянути моменти часу, коли фазні струми сягають максимальних значень. Із таблиці видно, що максимальний струм не збігається за напрямом із двома іншими фазними струмами.

Три котушки статорної обмотки (початки А, В, С, кінці х, у, z) розташовані під кутом 120° . Відповідно до таблиці на рисунку зображені напрями струмів. Якщо об'єднати провідники з однаковим напрямом струмів, можна зобразити магнітне поле статора. Таким чином, кутова частота обертання двополюсного поля дорівнює кутовій частоті струму в обмотці статора. Якщо у кожну фазу обмотки статора увімкнути по дві котушки (витки укладати не через 180°, а через 90°, як наведено на рис. , то можна одержати чотириполюсне поле. Це поле обертатиметься у два разі повільніше, тому що у цьому разі р=2 (дві пари полюсів) . Можна і далі збільшувати кількість пар полюсів, збільшуючи кількість котушок у кожній фазі Таким чином створюється багатополюсне обертове магнітне поле. Трифазна обмотка статора ство­рює обертове магнітне поле. Швидкість обертання поля залежить тільки від частоти струму та кількості пар полюсів обмотки статора:

 де п — швидкість обертання поля (об/хв), f — частота струму в обмотці статора, р — число пар полюсів.

В залежності від кількості числа пар полюсів можливі наступні значення частот обертання магнітного поля статора, при частоті живлячої напруги 50 Гц:

n, об / хвр
3000 1
1500 2
1000 3
750 4
600 5
300 10

 Швидкість обертання ротора і магнітного поля неоднакові. Ступінь відставання швидкості обертання ротору n від швидкості обертання магнітного поля n0 оцінюється величиною ковзання Вводять величину S (ковзання), що характеризує асинхронність

де n1— швидкість обертання поля (об/хв — синхронна швидкість);

n2 — швидкість обертання ротора (об/хв — асинхронна швидкість).

Звичайно ця величина визначається у частках одиниці або відсотках і коливається S = 1,5÷7%

Режими роботи асинхронної машини

n1 > n2, машина працює у режимі двигуна;

n1 < n2, машина працює у режимі генератора;

n1 = n2 штучний режим ідеального неробочого (холостого) ходу. Якщо ротор розігнати до швидкості обертового поля, то магнітні силові лінії не перетинатимуть стержнів і не буде наводитися ЕРС.

Якщо поле обертається в один бік, а ротор обертається сторонньою силою в інший бік, то машина працює у режимі електромагнітного гальма.

Режим двигуна  

Припцип дії асинхронної машини в режимі двигуна.  На обмотку статора подається змінна напруга, під дією якого з цих обмотках протікає струм і створює обертове магнітне поле. Магнітне поле впливає на обмотку ротора і за законом електромагнітної індукції наводить в них ЕРС. В обмотці ротора під дією наводимой ЕРС виникає струм. Струм в обмотці ротора створює власне магнітне поле, яке вступає у взаємодію з обертовим магнітним полем статора. В результаті на кожний зубець магнітопровода ротора діє сила, яка, складаючись по колу, створює обертаючий електромагнітний момент, що змушує ротор обертатися. Ротор при цьому обертаеться із швидкістю n2 меншою за швидкість обертання магнітного поля n1. pid

У асинхронного двигуна не дуже добрі пускові характерис­тики. При пускові під повною напругою виникають значні струми в обмотці статора, що у кілька (6...7) разів перевершують номінальні. Це небезпечно і для двигуна, і для мережі змінного струму. Пусковий мо­мент двигуна звичайно малий, тому при пускові двигун треба розванта­жити. Задачу пуску розв'язують за допомогою штучного підвищення опору обмотки ротора. При цьому збільшується пусковий момент та зменшується пусковий струм. Пуск двигуна із фазним ротором здійснюється введенням максимального опору реостата в обмотці фазного ротора. Після розго­ну ротора поступово зменшують опір реостата. Деколи використову­ють ступінчастий реостат (мають пусковий одатковий та робочий опір). За рахунок зниження напру­ги, що подається на обмотку статора, є змога зменшити пусковий струм. Зни­ження пускового струму спричиняє небажане зменшення і пускового моменту. Цей спосіб називається пуском при зниженій напрузі. Є кілька способів пуску при зниженій напрузі. Напругу зменшують або за допо­могою додаткового приладу, або методом перемикання обмоток:

1) пуск за допомогою реактивної котушки;

2) пуск за допомогою реостата (активного опору);

3) автотрансформаторний пуск;

4) пуск перемиканням котушок обмотки статора із «трикутника» (у номінальному режимі) на «зірку».

На жаль, усі ці способи знижують не тільки пусковий струм, а й пус­ковий, момент.

Режим генератора

Для того щоб асинхронна машина працювала в режимі генератора необхідно машину підключити за нище наведеною схемою.

 

ag

Якщо ротор розігнати за допомогою зовнішнього моменту (наприклад, яким-небудь двигуном) до частоти, більшої частоти обертання магнітного поля, то зміниться напрямок ЕРС в обмотці ротора і активної складової струму ротора, тобто асинхронна машина перейде в генераторний режим. При цьому змінить напрямок і електромагнітний момент, який стане гальмівним. У генераторному режимі роботи ковзання S<0 . Для роботи асинхронної машини в генераторному режимі потрібно джерело реактивної потужності, створює магнітне поле. При відсутності початкового магнітного поля в обмотці статора потік створюють за допомогою постійних магнітів, або при активному навантаженні за рахунок залишкової індукції машини і конденсаторів, паралельно підключених до фаз обмотки статора. Асинхронний генератор споживає реактивний струм і вимагає наявності в мережі генераторів реактивної потужності у вигляді синхронних машин, синхронних компенсаторів, батарей статичних конденсаторів (БСК). Через це, незважаючи на простоту обслуговування, асинхронний генератор застосовують порівняно рідко, в основному в якості вітрогенераторів малої потужності, допоміжних джерел невеликої потужності і гальмівних пристроїв. Зате генераторний режим асинхронного двигуна використовується досить часто. У такому режимі працюють двигуни ескалаторів метро, які їдуть вниз. У генераторному режимі працюють двигуни ліфтів, залежно від співвідношення ваги в кабіні і в противазі.

Режим холостого ходу

 Режим холостого ходу асинхронного двигуна виникає при відсутності на валу навантаження у вигляді редуктора і робочого органу. З досвіду холостого ходу можуть бути визначені значення намагнічує струму і потужності втрат в магнітопроводі, в підшипниках, у вентиляторі. У режимі реального холостого ходу s = 0,01-0,08. У режимі ідеального холостого ходу n 2 = n 1, отже s = 0 (насправді цей режим недосяжний, навіть при допущенні, що тертя в підшипниках не створює свій момент навантаження - сам принцип роботи двигуна увазі відставання ротора від поля статора для створення поля ротора. При s = 0 поле статора не перетинає обмотки ротора і не може індукувати в ньому струм, а значить не створюється магнітне поле ротора.)

Режим електромагнітного гальма (противовключением)

Якщо змінити напрямок обертання ротора або магнітного поля так, щоб вони оберталися в протилежних напрямках, то ЕРС і активна складова струму в обмотці ротора будуть спрямовані так само, як в руховому режимі, і машина буде споживати з мережі активну потужність. Однак електромагнітний момент буде спрямований зустрічно моменту навантаження, будучи гальмуючим. Для режиму справедливі нерівності:  n2 < 0 S>1. Цей режим застосовують короткочасно, оскільки при ньому в роторі виділяється багато тепла, яке двигун не здатний розсіяти, що може вивести його з ладу. Для більш м'якого гальмування може застосовуватися генераторний режим, але він ефективний тільки при оборотах, близьких до номінальних.

Для відтворення режиму електромагнітного гальма при пра­цюючому двигуні потрыбно:

перемкнути дві будь-які обмотки статора (при цьому змінюється напрямок обертання поля);

увімкнути в коло ротора додатковий опір.

Для гальмування асинхронної маши­ни застосовують також режим динамічного гальмування. Він полягяє у такому:

статор асинхронної машини відмикають від мережі змінного струму;

дві або усі три фази обмотки статора вми­кають на постійну напругу;

на обмотку ротора вмикається активний опір.

При цьому статор індукує постійний потік, а ЕРС ротора гаситься на активному опорі.

{youtube}p4_VyJTSccU{/youtube}

На рис. наведено спрощене та розгорнене графічне зображення короткозамкненого асинхронного двигуна.

  та асинхронної машини з фазним ротором.

 

 

 

 

 В обох випадках обмотка статора з'єднані в «трикутник».

 Робочі характеристики асинхронного двигуна

Природною механічною характеристикою називається характери­стика двигуна з короткозамкненим ротором (опір обмотки ротора прак­тично дорівнює нулеві).

Штучна характеристика це характеристика двигуна з опором обмотки ротора R2 > 0 (фазний ротор).

При аналітичних дослідженнях асинхронних машин вико­ристовується залежність електромагнітного моменту від ковзання. Як й усі електричні машини, асинхронна машина оборот­на. У режимі 0 < S< 1 вона працюс як двигун. За негативними значення­ми ковзання (швидкість ротора більша за швидкість обертання поля) машина працює як генератор. Якщо зовнішня сила обертає ротор про­ти напрямку обертання поля (S > 1), то машина працює як електромаг­нітне гальмо. При цьому електромагнітний момент перешкоджатиме обертанню ротора.

Робочими характеристиками асинхронного двигуна назива­ються залежності від потужності Р2 або від коефіцієнта завантаження

частоти обертання ротора п2 (або ковзання);

коефіцієнта корисної дії;

коефіцієнта потужності (cosφ);

струму статора I1;

моменту на валу М2.

Регулювання швидкості обертання ротора

3 точки зору регулювання швидкості обертання ротора асин­хронний двигун гірший за двигуни постійного струму. Звичайно асинх­ронні двигуни застосовуються у нерегульованих приводах.

Двигун із фазним ротором регулюється введенням реостата. При цьому зменшуються оберти . Це дуже неекономічне, бо збільшу­ються втрати на додатковому опорі. Регулюючі реостати звичайно роз­раховують на тривалий режим роботи та регулюють оберти у діапазоні до трьох разів. Згідно із співвідношенням  n1 = 60 f1 /p

регулювати швидкість обертання ротора короткозамкненого двигуна можна двома способами. .

1. Зміною числа пар полюсів. Виводи котушок статорної обмотки перемикаються на клемній дошці. В залежності від їх перемикання змінюється число пар полюсів. Цей спосіб дає змогу регулювати обер­ти ступінчасте.

2. Зміною частоти живлячого струму. Звичайно частоту регулю­ють тиристорним перетворювачем частоти у межах f = 20...60 Гц.

Недоліком цього способу є необхідність вмикання додаткового при­ладу та невеликі границі регулювання.

Реверсування (зміни напрямку обертання ротора), то необхідно змінити напрям обертання магнітного поля. Це можна здійсни­ти, якщо перемкнути два будь-які лінійні проводи, що з'єднують три­фазну мережу із статором двигуна.

Підключення трифазних асинхронні двигуни на однофазну мережу.

Для пуску трифазного електродвигуна невеликої потужності зазвичай достатньо тільки робочого неполярного конденсатора, але при потужності більше 1,5 кВт електродвигун або не запускається, або дуже повільно набирає обороти, тому необхідно застосовувати ще пусковий конденсатор (Зп). Ємність пускового конденсатора в 2,5-3 рази більше ємності робочого конденсатора. 

 Емність конденсатора, залежить від потужності електродвигуна і розраховується за  формулою С = 66 · Рном ,  де С– Ємність конденсатора, мкФ, Рном – Номінальна потужність електродвигуна, кВт. Наприклад, для електродвигуна потужністю 600 Вт потрібен конденсатор ємністю 42 мкФ. Конденсатор такої ємності можна зібрати з декількох паралельно з’єднаних конденсаторів меншої ємності: Cекв = C1 + C1 + … + Сn 

Отже, сумарна ємність конденсаторів для двигуна потужністю 600 Вт має бути не менше 42 мкФ. Необхідно пам’ятати, що підійдуть конденсатори, робоча напруга яких в 1,5 рази більше напруги в однофазної мережі. В якості робочих конденсаторів можуть бути використані конденсатори типу КБГ, МБГЧ, БГТ. За відсутності таких конденсаторів застосовують і електролітичні конденсатори. У цьому випадку корпусу конденсаторів електролітичних з’єднуються між собою і добре ізолюються.

 

Відзначимо, що частота обертання трифазного електродвигуна, що працює від однофазної мережі, майже не змінюється в порівнянні з частотою обертання двигуна в трифазному режимі. Більшість трифазних електродвигунів підключають в однофазну мережу за схемою «трикутник» . Потужність, що розвивається трифазним електродвигуном, включеним за схемою «трикутник», становить 70-75% його номінальної потужності.

3f-1f

  2.Однофазні асинхронні двигуни

У системах керування, автоматиці, промисловості викорис­товують однофазні та двофазні асинхронні двигуни малої потужності. Якщо на статорі двигуна розташувати однофазну обмотку, то змінний струм буде індукувати пульсуючий магнітний потік. У обмотці ротора будуть індукуватися струми та створяться сили, що протилежно спря­мовані з обох боків ротора. Тобто електромагнітний момент дорівнюва­тиме нулеві. Звичайно пульсуюче поле розглядають як суму двох обер­тових у протилежні боки полів тобто механічна характеристика однофазного ротора не має пускового моменту. Двигун буде працювати, якщо роторові надати початкове обертання в той чи інший бік. Щодо пуску асинхронного двигуна, то на статорі передбача­ють пускову обмотку, вісь якої перпендикулярна до осі робочої обмот­ки. Пускова обмотка вмикається через конденсатор або активний опір, що забезпечує зсув фази струму відносно до струму у робочій обмотці Пускова обмотка дає змогу розбалансувати сили, що вини­кають у роторі під впливом робочої обмотки, і створити пусковий мо­мент. Після розгону ротора пускова обмотка вимикається, бо вона не розрахована на тривалий струм.

Використовують також й одно­фазний асинхронний двигун із розчленова­ними полюсами. На рис схематично зображено двигун, у котрого статор має яв-новиявлені полюси з однофазною обмоткою. Частина кожного полюса охоплена коротко-замкненим витком. У цьому виткові ін­дукується струм, котрий, у свою чергу, індукує магнітний потік. Потік короткозамкненого витка зсунутий за фазою відносно основного потоку. Додавання цих потоків дає змогу одержати обертове коло

Ротор двигуна з розчленованими полюсами може обертатися тільки в один бік.

oamОднофазні асинхронні двигуни мають значно менші ККД та cos(j), ніж трифазі. Вони звичайно використовуються тільки у випадках, коли споживається порівняно невелика потужність.

 Двофазні асинхронні двигуни

Обертове магнітне поле можна створити вмиканням двофаз­ної обмотки. В одну з фаз умикають конденсатор, тому ці двигуни та­кож називають конденсаторними. Параметри котушок та ємності забез­печують рівні магніторушійні сили. Струм у фазі з конденсатором випереджає струм іншої фази на чверть періоду. Тому обертове магнітне поле буде також й круговим.

При навантаженні, що відрізняється від номінального, пус­ковий момент може бути недостатнім. Тому щодо пуску двигуна вико­ристовують додатковий (пусковий) конденсатор. Після розгону ротора цей конденсатор вимикається для забезпечення максимального ККД та cosj.

Трифазний двигун можна вмикати у мережу однофазного змінного струму, використовуючи його як двофазний. У цьому разі дві котушки статора працюють як одна фаза, а третя котушка з конденсатором.

Виготовлення асинхронних машин змінного струму

Ремонт обмоток асинхронних електричних двигунів

 


3. Будова та принцип роботи синхронної машини

cm

Асинхронна машина — це машина змінного струму, в котрій збуджується обертове магнітне поле швидкість обертання якого  дорівнює ш

 

вид­кості обертання ротора.

 

Як і усі електричні машини, синхронна машина обернена і мо­же широко використовуватися у промисловості як генератори та двигу­ни переважно великої потужності. Синхронні машини належать до кла­су машин змінного струму. Частота обертання ротора синхронної машини дорівнює частоті обертового магнітного поля, тобто п1 = п2, S=0.

Синхронна машина складається із статора і ротора . Конструкція статора принципово не відрізняється від конструкції ста­тора асинхронного двигуна. Тобто у ших­тованому осерді розташована трифазна об­мотка статора. Ротор синхронної машини являє собою електромагніт, обмотка якого, живиться від джерела постійного струму.

Ротор синхронної машини буває двох типів:

ya

nya
явнополюсний неявнополюсний

 

Явнополюсний ротор  вико­ристовується здебільшого у тихохіднихсинхронних машинах. Обмотка ротора при­єднується до контактних кілець і за допомогою щіток на неї подається постійна на­пруга. У машинах з великою швидкістю обертання (турбогенераторах, газогенерато­рах) застосовується неявнополюсний ротор. На рис. наведено схему неявнополюсного ротора з однією парою полюсів. У багатополюсних роторах полюси чергуються по колу.               Обмотка ротора збуджує постійний магнітний потік і називається обмоткою збудження.

Режими роботи синхронної машини

У генераторному режимі обмотка збудження вмикається на постійну напругу. Магнітне поле ротора обертається разом з ротором і перетинає трифазну обмотку статора. У фазах індукується ЕРС

Частота індукованої ЕРС f

У режимі двигуна, крім постійної напруги, що подається на обмотку збудження, подається також трифазна синусоїдна напруга на обмотку статора. Обмотка збуджує обертове магнітне поле, яке захоплює у синхронному обертанні поле ротора й сам ротор. Тобто ротор обер­тається з частотою обертання магнітного поля (синхронною частотою) n

Холостий хід (або неробочий режим) утворюється при вимк­неному навантаженні. Струм статора у цьому разі дорівнює нулеві. Струм збудження регулюється зовнішнім джерелом у широких межах.

Та частина електричної машини, що індукує ЕРС, називаєть­ся якорем. Тому у синхронній машині якорем називається статор машини. Індукторам будемо називати ротор синхронної машини. Реакцією якоря називається взаємодія полів статора та ротора.

У синхронному генераторі струм якоря (статора) збуджує своє магнітне поле, що залежить від навантаження. Від виду навантаження залежить зсув фаз між струмом та ЕРС якоря. Треба вважати, що

потік якоря завжди збігається з напрямом його струму;

ЕРС якоря завжди відстає від потоку на 90°;

зсув фаз між ЕРС та струмом якоря залежить від виду навантаження.

bsm  Безконтактні синхронні генератори

У звичайних синхронних генераторах обмотка збудження (ро­тора) за допомогою контактних кілець та щіток вмикається на постійну напругу. Це має ряд недоліків:

вимагає додаткового автономного джерела постійного струму;

щітковий вузол потребує спеціального догляду, зменшує ефек­тивність машини.

Використовують безконтактні синхронні генератори двох типів.

У синхронного генератора з по­стійними магнітами немає обмотки збуд­ження на роторі рис. Постійні магні­ти на роторі скасовують необхідність обмотки збудження, а також контактних кілець, щіток та джерела постійної напруги. ККД таких ге­нераторів досить високий, тому що відсутні втрати в обмотці збудження. Значним недо­ліком цього генератора є відсутність прямо­го методу регулювання ЕРС, тому що звичай­но ЕРС регулюється струмом збудження.

Своєрідність синхронних машин визначає їх переваги і не­доліки в порівнянні з машинами інших класів.

Переваги синхронних машин такі:

— високі ККД та коефіцієнт потужності;

абсолютно жорстка механічна характеристика синхронного дви­гуна;

незалежність частоти ЕРС від навантаження машини.

Проте синхронні машини також мають й недоліки, що інко­ли обмежують їх використання:

складну будову;

необхідність для двигуна двох джерел напруги (змінної трифаз­ної та постійної);

утруднення з пуском синхронного двигуна.

 Графічні позначення синхронних машин

Стандартом установлені спрощений та розгорнутий способи позначення синхронних машин рис. У спрощених позначеннях обмотки статора і ротора зображаються у вигляді кола із зазначенням виводів.

umpsmУ розгорнутих позначеннях обмотку статора зображають ланцюж­ком півкіл, а обмотку ротора — колом рис. Явнополюсний ротор позначають пунктирним колом. Позначками D та Y указують спосіб з'єднання статорної обмотки рис.

На рис. наведено графічне позначення трифазної синхронної машини з обертовим випрямлячем. Обмотка статора цієї машини з'єдна­на зіркою з нейтральним проводом. На рис. наведено графічне позначення синхронної машини, що Збуджується постійними магнітами. Котушки обмотки статора цієї ма­шини з'єднано зіркою.