Урок№8_25.10.2024

 Електротехніка                                 гр. 2/22                                 25.10.2024

Урок№8:  Електричні машини змінного струму. Синхронні двигуни.

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 І_А, І_В, І_С, взаємно зсунуті по фазі на третину періоду. Кожна котушка окремо створює пульсуючий магнітний потік, вісь якого співпадає з віссю відповідної котушки.

 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 / хв	р
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.

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.

 Будова та принцип роботи синхронної машини

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

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 

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) 

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.

  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.

У 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.