Электрические машины переменного тока

Машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Группа асинхронных машин представлена на практике главным образом трехфазными асинхронными двигателями, самыми распространенными из всех типов двигателей. В силу обратимости трехфазная асинхронная машина может работать и в режиме генератора, что имеет место в тормозных режимах. Однако, использование асинхронных машин в качестве генераторов в связи с осложнениями, возникающими при их работе в этом режиме и несомненными преимуществами синхронных генераторов, не применяется. Однофазные асинхронные двигатели получили свое распространение только в виде двигателей малой мощности. Синхронные машины переменного тока получили наибольшее распространение как трехфазные генераторы, в основном это все генераторы на современных электрических станциях. Трехфазные синхронные двигатели получили преимущественно применение в качестве привода мощных производственных машин.

Асинхронная машина - такая машина, в которой преобразование энергии осуществляется посредством вращающегося магнитного поля, возбуждаемого переменным током частотой , поступающим из сети. Основным принципом работы является то, что ротор вращается со скоростью n₂ отличающееся от скорости вращения магнитного поля n₁, называемой синхронной скоростью двигателя. В большинстве асинхронных двигателей магнитное поле создается системой трехфазного тока. При работе в качестве двигателя ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Если ротор с помощью первичного двигателя вращается быстрее, чем магнитное поле, то машина является генератором. Как в режиме двигателя, так и режиме генератора скорость вращения ротора асинхронной машины зависит от нагрузки.

Неподвижная часть машины - статор, состоит из стального сердечника и расположенных на нем трех обмоток, оси которых сдвинуты на угол 120⁰ одна относительно другой, подключенные к источнику трехфазного тока. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра, вдоль образующих внутренней поверхности которого, сделаны пазы. В диаметрально противоположных пазах статора уложены стороны трех катушек обмотки. В полости статора расположен ротор, представляющий собой цилиндрический сердечник, в диаметрально противоположных пазах которого, уложены короткозамкнутые витки. Если катушки статора соединить между собой в звезду или треугольник, то симметричная трехфазная цепь питания создает в магнитной системе машины вращающееся магнитное поле.

При вращении магнитного поля токов статора со скоростью n₁, в проводниках ротора наводится ЭДС. Под действием ЭДС в короткозамкнутых витках ротора возникнут токи, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем. Это взаимодействие проявится в возникновении электромагнитных сил, действующих на ротор. Если электромагнитные силы, действующие на неподвижный ротор, превышают тормозные усилия на его валу, то он получит ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля. По мере возрастания скорости вращения ротора относительная скорость движения его проводников в равномерно вращающемся поле уменьшается, вследствие чего уменьшается и величина тока в них. Процесс изменения тока и скорости вращения ротора прекратиться, как только наступит устойчивое равновесие между моментом электромагнитных сил, вызывающих вращение ротора, и тормозным моментом, создаваемым устройством, приводимым в движение электрической машиной. В этих условиях ротор машины будет вращаться с постоянной скоростью и в его короткозамкнутых контурах установятся токи, обеспечивающие создание вращающего момента, равного тормозному. Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора.

Одной из важнейших величин, характеризующих работу асинхронного двигателя, является скольжение ротора, под которым понимают отношение:

где - частота вращения ротора;

- частота вращения магнитного поля;

- число пар полюсов двигателя.

Для большинства современных типов асинхронных двигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке заключено в пределах 2-6%.

При отсутствии нагрузки, когда двигатель работает вхолостую, и вращению ротора препятствуют лишь незначительные силы трения, скольжение очень мало и не превосходит десятых долей процента. С увеличением нагрузки скорость вращения ротора уменьшается, а скольжение и вращательный момент соответственно увеличиваются. Однако увеличивается ток в роторе и потери электрической энергии.

Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Обмотку статора двигателя можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а обмотку ротора - как вторичную. Особенностью двигателя по сравнению с трансформатором является то, что в его статорной и роторной обмотках действуют ЭДС и токи разных частот.

Величины этих ЭДС определяются по формулам:

где - ЭДС обмотки статора,

- ЭДС обмотки неподвижного ротора,

и - соответственно обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора,

и - число обмоток статора и ротора,

- основной магнитный поток,

- частота тока цепи,

- частота ЭДС ротора. Из этого соотношения следует, что частота ЭДС ротора пропорциональна скольжению.

При неподвижном роторе , т.е частота тока и ЭДС ротора равна частоте ЭДС и тока статора и равна частоте питающего напряжения. Векторная диаграмма в этом режиме, называемым холостым ходом, аналогична соответствующей векторной диаграмме трансформатора.

ЭДС во вращающемся роторе .

Индуктивное сопротивление вращающегося ротора:

.

Активное сопротивление ротора не зависит от частоты.

По закону Ома ток в роторе равен:

.

Электрическая мощность, подведенная к двигателю из сети , преобразуется в нем в механическую. Преобразование энергии сопровождается потерями. Часть подводимой мощности тратится на потери в стали машины - и на потери в меди статора, т.е. на нагрев обмотки статора .Остальная мощность электромагнитным путем передается на ротор и называется электромагнитной мощностью . Часть мощности. Переданной на ротор, тратится на нагрев меди обмоток ротора и зависит от скольжения . Остальная часть мощности называется полной механической мощностью . Если из полной механической мощности вычесть механические потери и добавочные потери то получится полезная мощность на валу двигателя .

КПД асинхронного двигателя:

, где .

Величина КПД асинхронных двигателей составляет от 0,7 до 0,9 и выше.

Механическая мощность ротора:

,

где - вращающий момент двигателя.

Электромагнитная мощность вращающегося магнитного поля:

.

Основные режимы работы асинхронного двигателя это

1) пуск двигателя в ход,

2) холостой ход двигателя,

3) рабочий режим двигателя, в частности режим при полной номинальной нагрузке.

Рабочий режим двигателя при номинальной нагрузке характеризуется номинальными параметрами различными для каждого асинхронного двигателя. Основным номинальным параметром асинхронного двигателя является его номинальная мощность . Это мощность выражается в киловаттах и соответствует той наибольшей механической мощности на валу двигателя, которая может быть полезно отдана механизму, приводимого двигателем во вращение. Работа двигателя с нагрузкой превышающей его номинальную мощность, рассматривается как перегрузка и потому длительно не допустима.

Вторым параметром двигателя является его номинальная скорость вращения .

Важным электрическим параметром является напряжение, для которого предназначен двигатель . Номинальный ток двигателя устанавливается, исходя из номинальной мощности двигателя и номинального напряжения. К номинальным параметрам относят также номинальный коэффициент мощности двигателя.

Номинальный момент часто вычисляют по упрощенной формуле, положив в нее номинальные значения величин:

(кГм) или (Нм)

Для расчета зависимости вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения с достаточной точностью применяется упрощенная формула:

где - максимальный вращающий момент,

- критическое скольжение, при котором вращающий момент достигает своего максимального значения, его величина зависит от активного сопротивления цепи ротора. При известном номинальном скольжении критическое определяется по формуле

.

Зависимость вращающего момента от его скольжения или, от скорости вращения ротора называют механической характеристикой двигателя. , при , .

Для оценки рабочих свойств двигателя пользуются его рабочими характеристиками. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют кривые, характеризующие зависимость электромагнитного момента , тока статора , КПД , и коэффициента мощности на валу от полезной мощности на валу при неизменном напряжении и частоты питающего напряжения , .

В зависимости от конструктивного выполнения роторной обмотки трехфазные асинхронные двигатели разделяются на два типа: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором или, как их иначе называют, двигатели с кольцами.

При пуске двигателя с короткозамкнутым ротором скорость вращения ротора в первый момент , чему соответствует максимальное скольжение , двигатель находится в режиме короткого замыкания. Ток в роторе имеет наибольшее значение и наибольший сдвиг фаз по отношению к ЭДС. При этом пусковой ток статора в 4-10 раз больше номинального. Пусковой момент составляет 0,9 - 1,8 от номинального момента. По мере разгона двигателя величина пускового тока быстро уменьшается. Большая величина пускового тока вызывает резкие колебания напряжения в сети, что плохо отражается на работе других потребителей. При включении двигателей в мощные энергосистемы эти колебания нивелируются, поэтому используется прямой пуск - включением обмотки статора на полное напряжение цепи. Для уменьшения пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют способы, позволяющие понизить на время пуска напряжение, подводимое к статору: переключение обмотки статора со звезды на треугольник, запуск двигателя через автотрансформатор, включение дополнительного сопротивления в обмотку статора. При запуске двигателя через автотрансформатор уменьшение пускового тока в цепи произойдет в раз, где - коэффициент трансформации автотрансформатора. Однако недостатком этих способов является уменьшение пускового момента, величина которого пропорциональна квадрату напряжения сети: .

Асинхронный двигатель с фазным ротором пускается в ход с помощью пускового реостата, включенного последовательно с обмоткой ротора.

Пусковые качества двигателей характеризуются коэффициентами кратности пускового тока и пускового момента .

Для частоты вращения двигателя используются:

1) изменение частоты вращения магнитного поля (частоты питающего напряжения),

2) переключение пар полюсов,

3) изменение активного сопротивление фазного ротора с помощью трехфазного реостата, включаемого так же как пусковой.

В синхронном двигателе частота вращения двигателя равна частоте вращения магнитного поля: .

Основными характеристиками синхронного двигателя являются угловая, механическая и регулировочная. Угловая характеристика определяет зависимость вращающего момента от угла между ЭДС и напряжением:

где - угол между векторами ЭДС и напряжения, т.е. ,

- полное индуктивное сопротивление двигателя.

На специальных электростанциях, покрывающих пиковые нагрузки в энергосистемах, синхронная машина работает генератором в часы максимума нагрузки и двигателем - в остальное время, перекачивая с помощью гидротурбины, которая теперь становится насосом, воду в водохранилище, создавая необходимый запас её для последующей работы. Такие агрегаты называют обратимыми.

Принципиально конструкция синхронной машины такая же, как у машин переменного тока. Синхронная машина так же состоит из двух частей: неподвижной части - статора и вращающейся части - ротора и имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает основное магнитное поле машины. Это обмотка возбуждения. Другая обмотка является обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. В обмотке якоря индуцируется основная ЭДС машины. В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе.

Особенностью синхронных машин является то, что ротор должен быть раскручен к моменту присоединения переменного тока, при этом должны выполнятся следующие условия: переменный ток, протекающий через обмотку статора, должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнитным полем постоянного тока создавало силу требуемого направления, иначе, вместо того чтобы поддерживать вращение, электромагнитное взаимодействие будет ему препятствовать.

Поэтому для присоединения синхронной машины к сети необходимо не только придать вращению ротора нужную скорость, но и убедиться в том, что ход изменения напряжений на машине и в сети одинаков.

Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости хотя бы на 1% приводит к тому, что изменения тока в обмотке переменного тока перестают соответствовать изменениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы выпадают из такта, машина выпадает из синхронизма: обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направленным то в одну, то в другую сторону, и машина останавливается.

Синхронные двигатели и синхронные генераторы устроены совершенно одинаково. Во всяком синхронном двигателе, приведенном во вращение, начинает наводиться ЭДС, если только в его обмотке возбуждения протекает ток.

Для того чтобы увеличивать или уменьшать напряжение синхронного генератора, нужно изменять величину постоянного тока, при этом будет изменяться величина магнитного потока, чем больше будет изменяющийся магнитный поток, тем больше будет и напряжение, наводимое в машине (разумеется, при постоянстве других условий).

Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхронной машине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наводимое в машине.