Электрические машины переменного тока устройство и характеристики. Особенности и работа переменных электромашин

Cтраница 1

Электрические машины переменного тока подразделяют на синхронные, асинхронные и коллекторные. Наиболее распространены синхронные генераторы и асинхронные двигатели; коллекторные электродвигатели переменного тока позволяют легко осуществить регулирование скорости, что в асинхронных электродвигателях затруднительно. Однако из-за высокой стоимости и сложности конструкции коллекторные электродвигатели переменного тока широко не применяются. Электрические машины постоянного тока оборудуются механическим преобразователем - коллектором. Они бывают с последовательным, параллельным, смешанным, а также с независимым возбуждением. Электродвигатели постоянного тока применяют для привода механизмов, требующих плавной регулировки скорости.  

Электрические машины переменного тока по принципу деТТстМя разделяют на синхронные, скорость вращения ротора которых при заданной частоте сети постоянна и определяется скоростью вращения магнитного поля статора, и асинхронные, у которых скорость вращения ротора не совпадает со скоростью магнитного поля и изменяется в зависимости от нагрузки.  

Электрические машины переменного тока по принципу действия разделяют на синхронны е, скорость вращения ротора которых при заданной частоте сети постоянна и определяется скоростью вращения магнитного поля статора, и асинхронные, у которых скорость вращения ротора не совпадает со скоростью магнитного поля и изменяется в зависимости от нагрузки.  

Электрические машины переменного тока - асинхронные и синхронные, несмотря на различия в устройстве и конструкции, имеют много общего в принципе работы и теории. В этих машинах при прохождении по обмоткам статора или ротора переменного тока, синусоидально изменяющегося во времени, создается вращающееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, пересекает обмотки статора и ротора (или одну из них) и наводит в них переменную ЭДС. Общность физических процессов обусловливает общность теории и сходность конструкции многофазных обмоток переменного тока и принципов устройства статора асинхронной машины и якоря синхронной машины.  

Электрические машины переменного тока представляют собой также совокупность магнитно-связанных электрических контуров. Это приводит к непостоянству коэффициентов взаимной индукции, а в явнополюсных машинах и коэффициентов самоиндукции обмоток якоря. В этом случае дифференциальные уравнения равновесия напряжений контуров являются уравнениями с периодическими коэффициентами.  

Электрическая машина переменного тока представляет собой электромеханическую систему, состоящую из неподвижного статора с расположенными на нем статорными обмотками и вращающегося ротора с расположенными на нем роторными обмотками. На рис. 4.1 изображена трехфазная явнополюсная синхронная машина. Обмотки статора а, Ь, с подсоединены к внешней трехфазной системе. В учебнике показано, что токи ia, /, ic этих обмоток создают в воздушном зазоре машины вращающееся магнитное поле. На роторе расположены обмотка возбуждения /, подсоединенная к цепи возбуждения, и демпферные обмотки D и Q, замкнутые накоротко. Взаимодействие токов обмоток статора и ротора создает вращающий момент, который и используется при работе машины.  

Электрические машины переменного тока разделяются, кроме того, на две группы - синхронные и асинхронные машины. Чтобы уяснить признак данной классификации, рассмотрим устройство электрических машин.  

Электрические машины переменного тока имеют общие принципы устройства и, следовательно, общие принципы проектирования.  

Электрические машины переменного тока - асинхронные и синхронные, несмотря на различия в устройстве и конструкции, имеют много общего в принципе работы и теории. В этих машинах при прохождении по обмоткам статора или ротора переменного тока, синусоидально изменяющегося во времени, создается вращающееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, пересекает обмотки статора и ротора (или одну из них) и наводит в них переменную ЭДС. Общность теории обусловливает сходность конструкции многофазных обмоток переменного тока и принципов устройства статора асинхронной машины и якоря синхронной машины.  

Электрические машины переменного тока разделяются на два класса: синхронные машины, которые преимущественно применяются как генераторы переменного тока, и асинхронные машины, используемые в основном в качестве двигателей переменного тока.  

Электрические машины переменного тока, у которых между числом периодов генерируемого или потребляемого переменного тока и частотой вращения существует жесткая взаимосвязь, называются синхронными.  

Электрические машины переменного тока имеют распределенные по статору катушки с трехфазной обмоткой (см. рис. 17.1, 17.5, 17.7), и в магнитной цепи этих машин образуется переменное поле. Принцип действия магнитных усилителей основан на регулировании закона изменения во времени переменного магнитного потока, проходящего в той же магнитной цепи. Электромагнитные схемы этих усилителей изображены на рис. 14.1. На рис. 24.12, 24.15, 24.16 изображены магнитные цепи контакторов и реле переменного тока, применяемых в схемах управления и защиты электрических машин.  

Основные виды машин переменного тока

Машины переменного тока по количеству фаз делятся на много фазные и однофазные. Наиболее часто машины выполняются трехфазными в соответствии с применяемой в энергетических установках системой трехфазного тока. Для автоматических устройств и для бытовых электроприборов применяются двухфазные машины и иногда однофазные. В основе работы многофазных машин и некоторых однофазных лежит образование вращающегося магнитного поля.
Каждая машина переменного тока, так же как машина постоянного тока, состоит из статора и ротора. По способу образования магнитного поля статора и ротора машины переменного тока делятся на две группы: асинхронные и синхронные.
А. Асинхронная машина. Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора зависит от нагрузки. Магнитное поле в асинхронной машине создается переменным током обмоток статора и ротора. Скорость вращения ротора отличается от скорости вращения поля.
Асинхронные машины делятся на бесколлекторные и коллекторные. Бесколлекторные асинхронные машины являются наиболее распространенными электрическими машинами в народном хозяйстве и применяются главным образом в качестве двигателей. Коллекторные асинхронные машины имеют большее разнообразие характеристик по сравнению с бесколлекторными, используются также в качестве двигателей, но имеют ограниченное применение.
Основным типом асинхронной бесколлекторной машины является трехфазный двигатель в двух главных исполнениях: двигатель с фазной обмоткой ротора (рис. 1,а) и двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора (рис. 1,6). Конструктивные схемы этих машин показаны на рис. 1, где 1 - сердечник статора, собранный из листовой электротехнической стали, 2 - трехфазная обмотка статора, включаемая в сеть переменного тока, 3 - сердечник ротора, 4 - фазная обмотка ротора, 5 - контактные кольца для соединения с пусковым или регулировочным реостатом, 6 - короткозамкнутая обмотка ротора.

Рис. 1. Конструктивная схема трехфазного асинхронного двигателя: а - с фазной обмоткой ротора, б - с короткозамкнутой обмоткой ротора
Б Синхронная машина. Синхронной машиной называется такая машина переменного тока, скорость вращения ротора которой равна скорости вращения первой гармоники поля статора и определяется


Рис. 2. Конструктивная схема трехфазного синхронного генератора

частотой / переменного тока в обмотке статора и количеством пар полюсов машины
(1)
Как правило, магнитное поле в синхронной машине создается обмоткой постоянного тока ротора и обмоткой переменного тока статора. В синхронных машинах малой мощности вместо обмотки постоянного тока на роторе используются постоянные магниты (магни-
тоэлектрические синхронные машины) или же магнитное поле создается только переменным током обмотки статора (реактивные синхронные машины). Синхронные машины широко применяются в качестве генераторов трехфазного переменного тока на электростанциях и используются также в качестве электродвигателей.
На рис. 2 изображена конструктивная схема трехфазной синхронной машины. Здесь 1 - сердечник статора, 2 - трехфазная обмотка статора, 3 - полюсы ротора с обмоткой постоянного тока, 4 - кольца для соединения обмотки ротора с источником постоянного тока, 5 - вентиляторы.



Рис. 3. Основные типы синхронных машин: а - с явнополюсным ротором, б - с неявнополюсным ротором
По устройству ротора различают два типа синхронной машины: машина с явнополюсным ротором, в которой катушки обмотки постоянного тока размещены на выступающих полюсах (рис. 3,а) и машина с неявнополюсным ротором, в котором распределенная обмотка постоянного тока уложена в пазы ротора (рис. 3,6).
Явнополюсная синхронная машина изготовляется для скорости вращения до 1500 об /мин и используется в качестве генератора или двигателя. Наиболее крупные синхронные машины устанавливаются на гидроэлектростанциях и приводятся во вращение водяными турбинами со скоростью до 300 об/мин.
Неявнополюсная синхронная машина используется в основном как генератор на тепловых электростанциях и приводится во вращение паровой турбиной со скоростью обычно 3000 об/мин (при частоте 50 Гц).

Общие элементы устройства и теории машин переменного тока

Обмотки статора обычно присоединяются к сети переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, поэтому устройство этой части асинхронных и синхронных машин получается одинаковым. Сердечник статора изготовляется из листовой электротехнической
стали толщиной 0,5 мм.

На внутренней поверхности статора имеются пазы, в которые уложена обмотка. Форма паза зависит главным образом от мощности машины.

Рис. 4. Частично открытый паз
При мощности до 100 кет и напряжении до 500 в применяются частично открытие пазы (рис. 4). Изоляция обмотки от сердечника обычно трехслойная: два слоя электрокартона и между ними слой лакоткани или синтетической пленки. Общая толщина изоляции 0,3-0,7 мм. Стороны 1 мягких катушек из круглого провода укладывают через открытие 3 паза по одному или по нескольку проводников, затем края изоляции загибают и, таким образом, закрывают каждый паз. Стороны катушки в пазу удерживаются клином 2 из дерева или слоистого пластика.

Рис. 5. Частично закрытый паз и изоляция обмотки
1 - прокладка из электрокартона пропитанного, толщиной 0,2 мм,
2 - лента миткалевая впритык, толщиной 0,15 лык, 3 - прокладка из электрокартона, толщиной 0,5 мм, 4- электрокартон пропитанный, толщиной 0,20 мм в 1 слой, 5 - лакоткань черная толщиной 0,3 мм в 1 слой, в - электрокартон пропитанный, толщиной 0,10 мм

впритык, 7 - прокладка из электрокартона толщиной 0,2 мм
Рис. 6. Открытый паз и изоляция обмотки
1 - прокладка из электрокартона (толщиной 0,5 лик), 2 - прокладка из миканита (толщиной 0,2 лык), 3 - микафолий (9 слоев толщиной 0,25 лш), 4 - электрокартон (1 слой толщиной 0.15 лык), 5 - прокладка из электрокартона толщиной 1,7 лык

Частично закрытые пазы (рис. 5) применяются для машин мощностью до 400 кет и напряжением до 500 в. В этом случае каждая катушка состоит из двух полукатушек, намотанных прямоугольным проводом. Полукатушкам придают окончательную форму на специальных шаблонах до укладки в пазы.
В машинах большой мощности и при напряжении выше 500 в катушки изготовляются из прямоугольного провода и изолируются до укладки в прямоугольные пазы (рис. 6).

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

Они подразделяются на:

Асинхронные

Синхронные

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.

Ротор представляет 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 М 2 , тока статора I 1 , коэффициента полезного действия ƞ и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности P 2 .

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 М 2 , тока статора I 1 , коэффициента полезного действия ƞ и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности P 2 . 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 U 1 ;

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.

Машины переменного тока по устройству немного отличаются от машин постоянного тока. Каждая машина состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором, и вра­щающейся части, называемой ротором. В отличие от машин по­стоянного тока у машин переменного тока на статоре укладывают обмотку якоря, а на роторе - обмотку возбуждения. Вместо коллектора на роторе имеются изолированные кольца, по которым ток проводится в обмотку возбуждения. Машины переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Си н х р о н н ы м и называются такие машины переменного тока, частота вращения которых определяется частотой тока. С изменением частоты тока у таких машин одновременно (синхронно) меняется частота вращения. Как правило, у синхронных машин по обмотке возбуждения проходит постоянный ток от постороннего источника. Синхронные машины обратимы, т. е. могут работать в качестве генераторов и электродвигателей. Конструкция синхронного двигателя почти не отличается от конструкции синхронного генератора.

Так как на судах морского флота цепи переменного тока питаются от трехфазных синхронных генераторов, то остановимся на их устройстве и принципе работы.

Обмотка якоря трехфазного синхронного генератора распола­гается в статоре и состоит из трех отдельных обмоток-фаз, сдви­нутых относительно друг друга на 120°С (1/3 периода) с таким расчетом, чтобы индуктируемая э. д. с. в каждой фазе достигала своего максимума спустя 1/3 периода после максимума э. д. с. со­седней фазы. Обмотку возбуждения укладывают на роторе, и источником питания для нее может быть небольшой генератор постоянного тока (возбудитель), смонтированный па одном валу с синхронным генератором, или даже аккумуляторная батарея.

Обмотки статора соединяются между собой звездой или тре­угольником, при этом во внешнюю цепь от обмотки статора отхо­дят три провода (три контакта). На рис. 167 даны схема и про­дольный разрез синхронного генератора трехфазного переменного тока с возбудителем.

Обмотки статора соединяются между собой звездой или треугольником, при этом во внешнюю цепь от обмотки статора отхо­дят три провода (три контакта). На рис. 167 даны схема и про­дольный разрез синхронного генератора трехфазного.переменного тока с возбудителем.

Ротор состоит из сердечников полюсов 1, катушки обмотки возбуждения 2, питаемой постоянным током через контактные кольца 5. Статор состоит из активной стали якоря 3, служащей магиитопроводом, и станины 6, служащей для крепления стали якоря и установки машины на фундамент. Активная сталь якоря набирается из листов специальной стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. Листы изолируются с обеих сторон специальным лаком. Обмотка 4 укладывается в пазах, выштампованных в стали статора.

На рис. 168, а показано размещение трехфазной обмотки ста­тора (на одной четвертой его части), а на схемах б и в - соеди­нение обмотки статора в треугольник и в звезду.

При соединении в треугольник начало первой фазы I соединяется с концом II, начало II - с концом III и, наконец, начало III - с концом I.При соединении обмоток статора звездой концы всех фаз соединяются в одну точку, называемую нулевой, а начала всех фаз остаются сво­бодными, и к ним присоединяется внешняя цепь, в которую по­дается вырабатываемая генератором электрическая энергия.

Синхронные трехфазные генераторы являются в настоящее время основными источниками электрической энергии как на бере­говых, так и на судовых электрических станциях любой мощности.

В настоящее время на морских судах получили широкое рас­пространение синхронные генераторы, у которых обмотка возбуж­дения питается током статора, предварительно выпрямленным с помощью выпрямителей. Схема возбуждения этих машин обеспе­чивает такое изменение тока возбуждения, при котором напряже­ние на выводах генератора поддерживается практически постоян­ным. Такие генераторы называются синхронными генера­торами с самовозбуждением и саморегулировани­ем напряжения.

Конструкция синхронного двигателя принципиально не отли­чается от конструкции синхронного генератора. Для того чтобы синхронный генератор заставить работать в режиме двигателя, нужно отключить первичный двигатель и к обмоткам фаз ста­тора подвести трехфазный ток из цепи. В этом случае генератор станет синхронным электродвигателем, потребляющим ток. Про­ходя по обмоткам фаз, переменный трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с электро­магнитом ротора, увлекает его в сторону своего вращения. В ре­зультате ротор будет вращаться с такой же частотой, как и вра­щающееся магнитное поле, при этом он не остановится, даже если дать ему нагрузку, соединив с каким-нибудь механизмом. В этом и заключается сущность работы синхронного электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора синхронного двигате­ля производится изменением частоты тока цепи, а изменение направления вращения ротора - переключением двух любых фаз, Т. е. взаимным пересоединением двух питающих проводов. К недо­статкам синхронных двигателей относится то, что при пуске их при­ходится разворачивать посторонним механизмом до частоты вра­щения, обеспечивающей вращающееся магнитное поле статора.

Для устранения этого недостатка применяют асинхронный пуск синхронных электродвигателей, который заключается в том, что при пуске через специальные обмотки ротора перепускают переменный ток от цепи.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения пе­ременного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника 1 (рис. 169), собранного из пластин специальной трансформаторной стали. На сердечник надеваются.катушки 2 и 3 (обмотки) с различ­ным числом витков изолированной проволоки. Одна обмотка, на­зываемая первичной 2, присоединяется к источнику переменного тока. В ней создается переменное магнитное поле, намагничиваю­щее сердечник. В другой обмотке - вторичной 3 (вторичных об­моток может быть и несколько) вследствие электромагнитной ин­дукции возникает переменный ток.

Напряжение на концах вторичной обмотки зависит от числа витков в этой обмотке. Если число витков вторичной обмотки равно числу витков первичной обмотки, то напряжение тока во вторичной обмотке будет таким же, как и в первичной обмотке. Если число витков вторичной обмотки будет меньше числа витков первичной обмотки, например, «в два раза, то и напряжение, даваемое вторич­ной обмоткой, будет в два раза меньше, чем в первичной об­мотке.

Трансформатор, дающий напряжение меньше, чем в цепи пер­вичной обмотки, называется понижающим, а трансфор­матор, дающий напряжение больше, чем в цепи первичной обмот­ки, называется повышающим.

Если вторичная обмотка разомкнута с цепью, а к зажимам пер­вичной обмотки подается питание, то такой режим работы транс­форматора называется х о л о с т ы м ходом. Если не считать потерь на на­гревание проводников обмоток и сердечника трансформатора, то при трансформации первич­ный и вторичный токи приблизи­тельно обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток, а э. д. с. первич­ной и вторичной обмоток прямо пропорциональны числам витков соответствующих обмоток. Мощность первичного тока в трансфор­маторах приблизительно равна мощности вторичного тока, а си­лы токов в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям на этих обмотках.

Чтобы трансформировать трехфазный ток, применяют трехфазные трансформаторы с тремя первичными и тремя вторичными обмотками (трехстержневые) или групповые, которые составляют­ся из трех однофазных (в каждую фазу включают по трансфор­матору). Первичные и вторичные обмотки могут соединяться между собой звездой или треугольником. Процессы, проис­ходящие в каждой фазе трехфазного трансформатора в принципе не отличаются от таковых в однофазных трансфор­маторах.

Кроме трехфазных, применяются (в основном для установок низкого напряжения) так называемые автотрансформа­торы, у которых имеется только одна обмотка, часть которой является общей для первичной и вторичной цепи.

На судах применяются специальные типы судовых трансфор­маторов для установки на открытых палубах и в закрытых поме­щениях. Все судовые трансформаторы выпускаются в закрытых кожухах, снабженных лапами для крепления.

Трансформатор перед включением в цепь необходимо осмотреть и убедиться в отсутствии посторонних предметов, грязи, воды и масел на нем и вблизи вентиляционных отверстий.

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Асинхронными называются двигатели, у которых частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного по­ля статора при прохождении в его обмотках трехфазного тока.

При прохождении в обмотках статора трехфазной машины трех­фазного тока возникает вращающееся магнитное поле, под дей­ствием которого в роторе индуктируется электрический ток. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, индуктируемыми в проводниках ротора, возни­кает механическое усилие, действующее на проводник с током, ко­торое и создает вращающий момент, приводящий в движение ро­тор. При этом частота вращения ротора у асинхронного двигате­ля всегда меньше частоты вращения вращающегося магнитного поля статора за счет скольжения ротора, которое у современных двигателей составляет примерно 2-5%.

Таким образом асинхронный двигатель получает энергию, под­водимую к ротору вращающимся магнитным потоком (индуктив­но), в отличие от двигателей постоянного тока, у которых энер­гия подводится по проводам. Асинхронные двигатели в отличие от синхронных возбуждаются переменным током.

Асинхронный двигатель, как и синхронный, состоит из двух основных частей: статора с обмотками фаз, по которым про­ходит трехфазный переменный ток, и ротора, ось которого уло­жена в подшипниках. Ротор может быть короткозамкнутым и фазным (рис. 170).

Короткозамкнутый ротор (рис. 170, в) представляет собой ци­линдр, по окружности которого параллельно его оси расположены проводники, замкнутые между собой с обеих сторон ротора коль­цами (в виде беличьего колеса).

Асинхронный двигатель с таким ротором называется короткозамкнутым. К его недостаткам относятся: малый пу­сковой момент и большой ток в обмотках статора при пуске. Ес­ли хотят увеличить пусковой момент или уменьшить пусковой ток, применяют асинхронные двигатели с фазным ротором (рис. 170, г). У этих двигателей на роторе размещают такую же обмотку, как и на статоре. При этом концы обмоток соединяют с контактными кольцами (рис. 170, д), расположенными на валу двигателя. Контактные кольца при помощи щеток соединяются с пусковым реостатом.

Для пуска двигателя в питающую цепь включают статор, по­сле чего постепенно выводят из цепи ротора сопротивление пуско­вого реостата. Когда двигатель пущен, контактные кольца при помощи контактов пускателя замыкаются накоротко,

Продольный разрез асинхронного электродвигателя с фазным ротором

На рис. 171 показан продольный разрез асинхронного двигате­ля с фазным ротором. В корпусе 6 статора помещена обмотка 5, уложенная в пазы 4 стали статора. В пазах 2 стали ротора лежит обмотка 3 ротора.

Пуск в ход электродвигателя с короткозамкнутым ротором может быть осуществлен непосредственным включением пускателя па полное рабочее напряжение цепи (способ прямого пуска). Однако вследствие резкого возрастания индуктируемой э. д. с. и пускового тока напряжение в цели в пусковой момент снижается, что отрицательно сказывается на работе приводного двигателя и других потребителей, питающихся от этой цепи.

В случае большого пускового тока для его уменьшения асин­хронные двигатели с короткозамкнутым ротором обычно пускают двумя способами: переключением обмоток статора в момент пуска со звезды на треугольник, если обмотки статора при нормальной работе электродвигателя соединены треугольником, или вклю­чением электродвигателя через пусковой реостат (или авто­трансформатор) в цепи статора.

Остановка электродвигателя производится выключением контактора. После остановки электродвигателя пусковой реостат или автотрансформатор полностью вводится. Частоту вращения асинхронных двигателей регулируют, изменяя сопротивление реостата, включенного в цепь ротора (у электродвигателей с фазным ротором), и переключая статорные обмотки для изменения числа пар полюсов (у электродвигателей с короткозамкнутым ротором).

Изменение направления вращения асинхронных электродвига­телей достигается изменением направления вращающегося маг­нитного поля статора путем переключения любых двух из трех фаз обмотки статора (с помощью проводов, соединяющих зажимы статорной обмотки с цепью) при помощи обычного двухполюсного переключателя.

Асинхронные двигатели просты по конструкции, обладают по сравнению с двигателями постоянного тока меньшими размерами и массой, вследствие чего они значительно дешевле. Кроме того, они более надежны в эксплуатации, требуют меньшего внима­ния при обслуживании из-за отсутствия у них вращающегося кол­лектора и щеточного аппарата; они обладают более высоким к. п. д., аппаратура управления ими значительно проще и дешевле, чем у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели работают без искрообразования, которое возможно в машинах постоянного тока с нарушенной коммутацией, поэтому они более безопасны в пожарном отношении.

Перечисленными основными преимуществами асинхронных дви­гателей объясняется современная тенденция повсеместного внедрения переменного тока на морских судах. Следует отметить, что в промышленности асинхронные двигатели давно завоевали господствующее положение по сравнению с другими типами электродвигателей.

Асинхронные двигатели строятся мощностью от долей киловатта до многих тысяч киловатт. На судах морского флота в основном применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые выпускаются в водозащищенном и брызгозащищенном исполнении и рассчитаны па напряжение 380/220 В.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается принцип действия генератора постоянного тока?

2. Из каких основных частей состоит электрическая машина постоянного тока и каково их назначение?

3. Как разделяются машины постоянного тока по исполнению?

4. Каков принцип действия двигателя постоянного тока?

5. Каковы основные правила обслуживания электрических машин постоянного тока?

6. Какие машины называются синхронными и каков принцип их действия?

7. Для чего служат трансформаторы, каковы их устройство и принцип действия?

8. Какие двигатели называются асинхронными и каков принцип их действия?

9. Как подразделяются асинхронные двигатели по конструкции ротора?

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ

Электрооборудование судна предназначено для обеспечения управления, радиосвязи, работы радиолокационных станций, условий обитаемости судна.

Электрооборудование - любого судна состоит из четырех обязательных элементов (рис. 1) - источников электроэнергии; распределительных устройств (распределительные щиты, управления электроустановками); электрических сетей; потребителей электроэнергии.

Рис. 1. Электроэнергетическая система судна (вариант): 1- основные (главные) турбогенераторы; 2- главный распределительный шит; 3 - резервные источники питания; 4 - групповые распределительные шиты; # 5 - потребители электроэнергии

» особенности и работа переменных электромашин.

Тема: особенности и работа электрических машин переменного тока.

Из самого названия понятно, что отличительной особенностью данного рода электрических машин является то, что они функционируют на переменном токе. Если при постоянном токе электрические заряженные частицы перемещаются только в одном направлении, и могут в определённом диапазоне менять свою интенсивность (величина разности потенциалов, напряжение), то у переменного тока появляются новые характеристики - такие как частота, её форма и т.д. Что естественным образом влияет на непосредственную конструкцию и принцип действия электрической машины. В статье разберём основные особенности и работу электрических машин переменного тока.

Электромашины переменного тока представляют собой электротехнические устройства, которые являются своеобразными преобразователями электрической энергии, в основе принципа действия которых лежат силы Лоренца и явление электромагнитной индукции, работающие на переменном токе. К таким электромашинам относятся много разновидностей - электродвигатели, электрогенераторы, сельсины, трансформаторы. Итак, двигатели и генераторы по принципу действия разделяются на синхронные и асинхронные. Что бы было ясно дальнейшее объяснение хочу сказать о следующем.

Главной особенностью электрических машин переменного тока, что электрическую энергию преобразуют в механическую или наоборот, является взаимодействие магнитных полей, одно из которых является вращающимся, динамическим (получаемое в силу работы переменного тока - циклические изменения силы тока и напряжения, как по величине, так и по полюсам), а другое поле в определённом смысле статическое, постоянное. Следовательно, для получения движения ротора движущееся магнитное поле должно действовать на постоянное поле, что и порождает механическое движение вала машины. Это ближе к электродвигателям, у генераторов работа проходит по иному принципу. Есть два различных принципа работы переменных электромашин (двигателей и генераторов) - синхронные и асинхронный.

Общий принцип работы асинхронной электрической машины переменного тока заключается в следующем. Разберём классический вариант трёхфазника. Имеются на статоре три обмотки, к которым подключают три электрические фазы. Из электротехники известно, что трёхфазный ток представляет собой циклическое изменение величин тока и напряжения плавно перетекающее по кругу (обычная плавно меняющаяся синусоида). То есть, максимум электрической мощности плавно переходит из одной точки, обмотки в другую, естественно на противоположной стороне круга будет минимум мощности. Так вот при подачи трёхфазного напряжения на три обмотки статора асинхронного электродвигателя мы имеем вращающееся магнитное поле, частота которой равна 50 Гц (стандартная производственная частота).

Из электрофизики также известно, что при помещении электрического проводника в переменное магнитное поле на его концах появляется разность потенциалов, а если его замкнут (соединить концы), потечёт ток, который образует вокруг себя своё магнитное поле. Вот это и используется в асинхронных электрических машинах. Внутри машины расположен короткозамкнутый ротор (является упрощённой обмоткой). Во вращающемся магнитном поле на нём наводится ЭДС и у него появляется собственное магнитное поле, что и отталкивается от поля статора. Учтите, что поле на короткозамкнутом роторе может возникнуть только в силу некоторого отставания одного поля от другого, по этому и называются эти машины асинхронными.

У синхронных машин подобного отставания нет. Там поле индуктора (статического, постоянного магнитного поля) как бы цепляется за вращающееся поле якоря (подвижное, динамическое поле), что и ведёт к синхронной работе магнитных полей. Если в асинхронниках статическое поле является следствием работы динамического, то в синхронниках в определённом смысле причины появления вращающегося полями и поля статического независимы друг от друга, но их взаимодействие и позволяет осуществлять работу электрической машины переменного тока.

P.S. О конкретных электромашинах и их работе мы поговорим в более развёрнутой форме и других статьях, а это был общий обзор и поверхностное ознакомление с темой электрических машин переменного тока.