Лекция №15. Генераторное торможение. Скорость вращения ротора превышает скорость идеального холостого хода (скорость вращения поля)

Генераторное торможение. Скорость вращения ротора превышает скорость идеального холостого хода (скорость вращения поля). Ротор будет обгонять вращающееся магнитное поле, а его проводники будут пересекать линии поля в направлении обратном направлению в режиме двигателя, поэтому ЭДС и токи в обмотке ротора изменят своё направление на противоположенное. В результате сила взаимодействия вращающегося поля и токов ротора изменит своё направление и станет противодействовать вращению ротора. Такая ситуация может возникнуть у работающего многоскоростного двигателя при переключении числа пар полюсов с высшей скорости на низшую. Например, обмотку статора переключили с частотой на . Магнитное поле станет сразу вращаться с новой синхронной скоростью , а ротор в силу механической инерции будет постепенно снижать скорость до 1500 . Кинетическая энергия движущихся частей будет преобразовываться в электрическую и возвращаться в сеть.

Торможение противовключением. Этого добиваются переключением двух фаз обмотки статора у работающего двигателя. При этом магнитное поле машины мгновенно изменяет направление вращения, а ротор по инерции продолжает вращаться в первоначальном положении.

До начала торможения двигатель работает в режиме , (точка на характеристике 1). После переключения обмотки статора работа двигателя определяется характеристикой 2 (обратное направление вращения поля). Точка определяет начальный режим работы двигателя при торможении. Под действием тормозного момента двигатель останавливается (участок . При двигатель следует отключить от сети, в противном случае, под действием развиваемого момента, ротор начнёт вращаться в обратном направлении. Такой способ применяется при необходимости быстрой остановки машин. А недостатком этого способа является повышенное потребление из сети и нагрев обмоток двигателя.

Синхронные машины.

Принцип действия синхронного генератора.

Это упрощённая модель. Синхронные генераторы преобразуют механическую энергию первичных двигателей в электрическую энергию трёхфазного тока. Основными частями являются:

1. Система возбуждения, создающая основной магнитный поток.

2. Якорь или статор, в обмотке которого индуцируется ЭДС.

Неподвижная часть (якорь или статор) представляет собой полый шихтованный цилиндр с продольными пазами на внутренней поверхности. В пазах расположена обмотка статора. Внутри полости сердечника статора расположен ротор или система возбуждения. В данном случае это постоянный магнит, закреплённый на валу, который механически связан с первичным двигателем. Под действием вращающего момента первичного двигателя ротор вращается с частотой . В соответствии с явлением электромагнитной индукции в обмотке статора наводится ЭДС. И если обмотка статора замкнута на нагрузку , то по цепи обмотки потечёт ток . Этот ток, также как наведённая ЭДС, будет переменным, так как магнитное поле при вращении магнита также вращается. Проводник обмотки статора оказывается то в зоне южного ( ) магнитного полюса, то в зоне северного ( ) магнитного полюса. Мгновенное значение ЭДС в обмотке статора равно , где - ЭДС в обмотке статора, ; - магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсом ротора, ; - активная длина одной пазовой стороны обмотки статора; - скорость движения полюсов ротора относительно статора, ; - внутренний диаметр сердечника статора, .

Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора закон изменения переменной ЭДС в обмотке статора определяется исключительно законом распределения магнитной индукции в воздушном зазоре.

Если бы этот закон изменения магнитной индукции в зазоре был синусоидальным, то есть , то ЭДС генератора была бы также синусоидальной.

Однако, если магнит имеет форму представленную на рисунке слева, и воздушный зазор постоянный между ротором и статором, то закон изменения магнитной индукции в воздушном зазоре имеет трапециидальный вид, а следователь и ЭДС также изменяется по трапециидальному закону. Что бы получить синусоидальное распределение магнитной индукции в зазоре необходимо применить магнит с полюсами определённой формы – ротор с явно выраженными полюсами (рисунок справа). Полюсные наконечники имеют форму, при которой воздушный зазор увеличивается от середины полюса к краям, а магнитная индукция (плотность магнитных линий) уменьшается. В результате ЭДС близка к синусоидальной. Только в генераторах малой мощности применяют постоянный магниты, а в большинстве генераторах применяют электромагниты. Они питаются от вспомогательного источника постоянного тока. Обмотку электромагнитов называют обмоткой возбуждения. В связи с этим появляется второй способ получения синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Необходимо соответствующим образом поместить обмотку возбуждения в пазах ротора. Магнитные потоки катушек должны иметь общую ось и неодинаковые размеры катушек. Концы обмотки возбуждения присоединены к двум изолированным от вала кольцам (контактные кольца). Ток в обмотку возбуждения подаётся через щётки, наложенные на кольца. Обычно обмотка ротора питается от возбудителя (генератора постоянного тока), находящегося на одном валу с ротором. Мощность возбудителя обычно составляет от одного до трёх процентов от номинальной мощности генератора.

Итак, первичный двигатель приводит во вращение ротор с частотой , магнитное поле ротора также вращается с частотой и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС. Они одинаковые по значению (по модулю) и сдвинуты по фазе на , то есть образуют симметричную трехфазную систему ЭДС, и, при подключении нагрузки, в фазах обмотки статора текут токи, при этом обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле. Частота его вращения равна частоте вращения ротора, то есть . Таким образом, поле статора и ротор вращаются синхронно. Поэтому такой тип машин называется синхронным. На тепловых электростанциях применяют главным образом двухполюсные турбогенераторы с скоростью вращения , при этом . Таким образом частота получаемого переменного тока 50 герц – стандартная промышленная частота. У гидравлических турбин скорость изменяется от до . В этом случае для получения переменного тока стандартной частоты 50 герц тихоходные генераторы выполняют многополюсными: .

Роторы с неявновыраженными полюсами применяют в быстроходных паротурбинных генераторах, когда окружная скорость ротора может достигать . При этих скоростях нельзя применять роторы с явновыраженными полюсами по условию механической прочности.

Синхронный двигатель.

Электрическая машина может преобразовывать механическую энергию в электрическую, то есть работать в качестве генератора, или наоборот может преобразовывать электрическую энергию в механическую, то есть работать в качестве двигателя. Это свойства машин называется обратимостью.

Принцип работы синхронного двигателя. Большинство синхронных двигателей изготавливают на скорости вращения 1500, 1000, 750, 600 и менее. У этих двигателей ротор выполняется с явновыраженными полюсами и обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока. Трёхфазная обмотка статора, как и у асинхронного двигателя, присоединяется у питающей сети переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора на модели представлено в виде полюсов и постоянного магнита, которые вращаются с синхронной скоростью . Ротор также изображён в виде постоянного магнита с полюсами и . Внешняя и внутренняя система разделены воздушным зазором и могут вращаться вокруг оси. Если обмотку возбуждения двигателя присоединить к источнику постоянного тока, а обмотку статора подключить к трёхфазной сети, то магнитное поле статора начнёт вращаться с синхронной скоростью вокруг неподвижного ротора, причём эта скорость устанавливается практически мгновенно. Допустим, если , то это значит, что в течении одной секунды мимо каждого полюса ротора будет проходить раз полюс и полюс вращающегося поля статора. Таким образом, на ротор будут действовать силы направленные то в одну, то в другую сторону. А среднее значение момента сил будет равно нулю. В результате ротор, который обладает определённым моментом инерции, не сдвинется с места. Если каким либо способом предварительно разогнать ротор до синхронной скорости, то силы взаимодействия полюсов ротора и с полюсами и вращающегося поля статора обеспечат вращение ротора с скоростью поля .