Дәріс конспектісі

Дәріс тақырыбы: Айнымалы ток машиналар теориясының жалпы сұрақтары. Айнымалы ток машиналардың негізгі түрлері. Статор орамдары. Айнымалы ток машиналар статорының орамаларындағы ЭҚК. Жоғары гармоникалар туралы түсінік. Жоғары гармоникаларға статор орамаларының қысқаруы мен таратылу әсері. Айнымалы ток машина орамаларындағы магниттеу күші.

Асинхронды машиналар айнымалы ток машиналарына жатады. Оларды 1880...1390 жылдары Г, Феррарис, Н. Тесла және басқа өнертапқыштар ойлап шығарған.

Асинхронды машиналар генератор, қозғалткыш, түрлендіргіш, фазареттеуіш, тахогенератор жәнеавтоматика тетігі ретінде пайдаланады. Асинхронды машиналардың генератор әлпіндегі энергетикалық көрсеткіштері қозғалтқыштық әлпіне қарағанда нашар. Сондықтан асинхронды машиналар негізінен – қозғалтқыш түрінде қолданылады. Электрлік қозғалткыштардың ішінде ең көп тарғаны да осы асинхронды қозғалтқыш. Оның себебі: асинхронды козғалтқыш басқа қозғалтқыштарға қарағанда кұрылысы жағынан қарапайым, қолданымға жеңіл, сенімді және арзан. Ал асинхронды. козғалтқыштардың негізгі кемшілігі оның айналу жиілігін реттеудің салмстырмалы қиындығы.

Дүние жүзінде өндірілетін электр энергиясының 40%-ын асинхронды қозғалтқыштар тұтынады, ал 2000 жылдарда барлық асинхронды қозғалтқыштардың қондырғылық қуаты 7 млрд. кВт шамасынды болмақшы.

Асинхронды қозғалтқыштардың кернеуі стандарттық кернеулерге есептелген – 10 кВ-ке дейін, ал қуаты бірнеше ваттан мыңдаған киловаттқа дейін барады. Мысалы, ең көп тараған 4А сериялы қозғалтқыштың қуаты 0,06 кВт-тан 400 кВт-қа дейін, ал кернеуі 220 В-тен 660 В-ке дейін.

Қозғалтқыштың типтік белгілеуінде (мысалы, 4АН160М4УЗ) бастапқы цифр (4) сериясын, бірінші әріп (А) түрін (асинхронды), екінші әріпі (Н) жасалу ерекшеліктерін (Н-қорғауы 1Р23, А-тұрқы және қалқандары алюминий, Х-тұрқы алюминий де қалқандары шойын, т.с.с), одан кейінгі цифр (160) айналу осінің табанынан биіктігін (50...355 мм), келесі әріп (М) тұрқының ұзындық өлшемін (S – қысқа, М – орташа, L – ұзын), одан кейінгі цифр (4) магнит полюстерінің санын, келесі әріп (У) климаттық дайындалуын (У – қоңыржай, Т – тропиктік), одан кейінгі цифр (3) орналастыру категориясын керсетеді.

4А сериялы қозғалтқыштардың айналу жылдамдығы (жиілігі) 500 айн/мин – тең 3000 айн/мин-ке дейін барады. Жалпы алғанда асинхронды қозғалтқыштардың айналу жылдамдығы қозғалтқышқа берілетін кернеудің жиілігіне және магнит полюстерінің санына байланысты. Мысалы электрлік қырықтықтың қозғалтқышы кернеуі 36 В те жиілігі 200 Гц электр көзінен қоректендіріледі, ал айналу жылдамдығы 12000 айн/мин.

Қозғалтқыштар әртүрлі жұмыстар үшін және әртүрлі ауа райының жагдайында қолданылатындықтан оларды ылғалға, ыстыққа, аязға төзімді, ал шаңнан, су тамшыларынан, газдан жәнс бөтен заттардың ішіне түсуінен сақтау үшін қорғалған, жабык, тамшыдан қорғалған, қопарылыстан қорғалған етіп жасайды.

Асинхронды қозғалтқыш деп айнымалы ток электрлік энергияны механикалық энергияға түрлендіретін, роторының айналу жылдамдығы жүктемеге тәуелді болатын машинаны айтады. Асинхронды қозғалтқыштар үшфазалы, екіфазалы, бірфазалы болады және екі негізгі бөліктен тұрады: статор және ротор.

Статор — қозғалтқыштың қозғалмайтын бөлігі (5.1,а-сурет). Оның ішкі жағынан паздар жасалған, оларға фазалық орамалар орнатылады.

Үшфазалы асинхронды қозғалтқышта үш орама болады. Олар бірдей жасалған және 120°-пен орналасқан. Орамалар арқылы

,

жиілігімен айналатын магниттік өрісті тудыратын үшфазалы ток өтеді.

мұндағы п — айналу жиілігі, мин ^-1; f — айнымалы ток жиілігі, Гц; р — полюстер жұбының саны.

5.1-сурет. Асинхронды қозғалтқыштың құрылысы:

а – статор; б – ротордың қысқаша тұйықталған орамы (тиіннің торы);

в – жиналған түрдегі ротор; 1 – клеммалық қалқан; 2 – станина;

3 – орама; 4 – өзекше; 5 – табан

Ротор — қозғалтқыштың айнымалы бөлігі. Ол қысқаша тұйықталған және фазалық бола алады. Қысқаша тұйықталған роторлы қозғалтқыштарда орама шеттерінен тұйықталған мыс немесе құйылған алюминий стерженьдер түрінде жасалған (5.1,б,в-сурет).

Фазалық роторлы қозғалтқыштарда соңғысының фазалық орамалары болады (5.2,а,б-сурет). Олар статор орамасының түріне байланысты болады және фазаларының саны да сонша болады. Орамалары «жұлдызша» жалғанады, яғни шығыстары бір нүктеге жалғанған, ал бастары білікке бекітілген мыс сақиналарға жалғанады. Мұндай қозғалтқыштарда роторлық орамалы реостатпен іске қосу кезінде тізбектей жалғауға немесе оны жұмыс істеп тұрғанда қысқаша тұйықтауға мүмкіндік беретін құрал болады.

5.2-сурет. Фазалық роторлы асинхронды қозғалтқыш: а — жалпы түрі;

б — қозғалтқыштың контактілі сақиналы роторы

Құйынды токтарға шығындарды азайту үшін асинхронды қозғалтқыштардың статорлары мен роторы жеке бір-бірінен оқшауланған, қалыңдығы 0,5мм электротехникалық болаттан қаңытлырлардан жасалған.

Егер қозғалтқыштың статорлық орамаларын үшфазалы айнымалы ток желісіне қосса, онда статордың ішінде айналатын магниттік өрісі пайда болады. Бұл өріс бір уақытта статор мен ротордың орамаларын қиып өтеді. Статорлық орамаларда орамның ток күшін анықтайтын теріс ЭҚК-тері индукцияланады.

Роторлық орамаларда ЭҚК индукцияланады, оның әсерінен орамаларда токтар өтеді. Ол токтар статордың айналатын магниттік өрісімен әсерлесіп айналу моментін тудырады, осының нәтижесінде ротор статордың өрісінің айналу жағына қарай айнала бастайды.

Демек, ротор айналғанда оның айналу жиілігі статор өрісінің айналу жиілігінен аз болу керек. Осыдан қозғалтқыш асинхронды деген (біруақыттылы емес) деген атқа ие болды. Статордың өрісінің айналу жиілігі п мен ротордың айналу жиілігінің п₁ айырмашылығы s сырғанау деп аталатын шамамен сипатталады:

Асинхронды қозғалтқыш үшін сырғанау бірден нөлге жақын шамаға дейін өзгереді.

Қозғалтқышты іске қосқанда, ротор қозғалмай тұрғанда (s=1), ротор орамасының айналатын магниттік өріспен қиылысу жиілігі ең үлкен болады. Ротордың орамаларында үлкен ток күшін әкелетін ең үлкен ЭҚК-тері индукцияланады. Ротор орамаларының токтары өзінің айналатын магниттік өрісін тудырады, ол өріс статор айналатын магниттік өрісіне қарсы бағытталады және оны азайтады. Нәтижесінде теріс ЭҚК-і азаяды, ал статор орамаларындағы ток артады. Іске қосу тогы номиналдыдан 4-7 есе артық болады.

Қысқаша тұйықталған роторлы қозғалтқыштардың роторының айналу жиілігі полюстар жұбын ауыстырып қосу арқылы немесе кернеудің шамасын өзгерту арқылы реттейді.

Фазалық роторлы қозғалтқыштың айналу жиілігі ротордың орамасына қосылған реостатпен реттеледі. Реостаттың кедергісін өзгерте бере, ротордағы ток күшін өзгертеді, бұл кезде ротордың өрісі өзгереді, сәйкесінше ротордың және статордың өрістерінің әсерлесу күші өзгереді. Демек, сырғанаудың шамасы өзгереді.

Синхронды машиналар

Синхронды машиналарда көбінесе генератор ретінде пайдаланады. Синхронды электрқозғалтқыштарын асинхронды электрқозғалтқыштарына қарағанда сирек қолданылады, оларды тек берілген қуатта және жұмыс режимінде тиімді болғанда ғана қолданылады.

Машинаның роторының жылдамдығы статордың орамасындағы ток тудыратын айналатын магнит ағынының жылдамдығымен бірдей болады, яғни ротор және магниттік ағын синхронды айналады, сол себепті бұл машинаны синхронды теп атайды.

Синхронды машинаның құрылысы. Синхронды машина асинхронды машина сияқты қозғалмайтын статордан және қозғалатын ротордан тұрады. Статор үшфазалы асихронды қозғалтқыштың статорынан айырмашылығы жоқ. Ротор айналатын электромагнит түрінде болады, оның орауыштары тұрақты токпен қоректенеді.

Құрылыс жағдайында жетегі ішкі жану қозғалтқышынан болатын синхронды генераторлар қозғалатын электрлік станциялар үшін қолданады.

Синхронды қозғалтқыштар абсолютті қатаң механикалық сипаттамаға ие, яғни айналу жылдамдығы тұрақты болады. Өндірісте және құрылыста бұл қозғалтқыштар компрессорлық және сораптық қондырғылардың жетектері үшін, сонымен қатар тас ұнтақтау және экскаваторлардың жетегі үшін қолданады.

Қозғалатын магниттік өрісті алу принципі

Статорда айнымалы ток i_A = I_msinwt (w = 2pf₁) өтетін орам (орауыш) А-Х (5.3,а,б-сурет)орналассын. Осы токтан пайда болған МҚК F_А орамның осімен пульсацияланады (5.3,в-суреттегі көлденең штрих стрелкалары).

F_А = F_msinwt

а) б) в)

г)

5.3-сурет. Машинадағы айналатын магниттік өрістің пайда болуына

Егер 90⁰ бұрышпен орналасқан орамды (орауышты) BY қосса және ол арқылы i_B = I_mcoswt тогын жіберсе, онда МҚК F_В осы орамның осі бойынша пульсацияланады (тік стрелкалар):

F_В = F_mcoswt.

Нәтижелік ЭҚК-інің векторының модулі

Оның a фазасы келесі шарттан анықталады

.

Сонымен, қабылданған шарттарда, яғни кеңістікте екі витоктың бұрышына және уақыт бойынша -ге токтың ығысуы кезінде, нәтижелік МҚК-інің векторы бұрыштық жылдамдығымен айналады, мұндағы f₁ – орамдардағы ток жиілігі.

Жалпы алғанда, р полюстар жұбы (р=1,2,3...) бар машина үшін , рад/с синхронды бұрыштық жылдамдығы, яғни өрістің жылдамдығы, келесідей анықталады:

; (5.1)

n₀ айналу жиілігі, айн/мин:

, (5.2)

Яғни f₁=50Гц желіден қоректенгенде синхронды айналу жиілігі машинаның құрылымына байланысты 3000, 1500, 1000, 750, 600... айн/мин бола алады.

(5.1) және (5.2) өрнектердің принциптік сипаттамасы бар: олар берілген машина үшін өрістің жылдамдығын өзгертудің бір ғана мүмкіндігі барын көрсетеді және ол – f₁ қоректену көзінің жиілігін өзгерту.

w = w₀ кезіндегі процесстер

Ротор w₀ жылдамдығымен айналсын, яғни оның орамалары магниттік өрістің күштіік сызықтарын қимайды және процесстерге елеулі әсер етпейді.

Дөрекі, бірақ кейде пайдалы жақындауда статордың фазасының орамасын белгілі бір идеалды орауыш түрінде қарастыруға болады, ол орауышқа айнымалы кернеу берілген. Әрі қарай біз не бас әріптеріне сәйкес басқа да синусойдалы өзгеретін айнымалыларын белгілейміз, егер олардың әсер етуші мәндері керек болса, не жоғарыда нүктені қосумен, онымен біз амплитудасы және j фазасы бар уақытша вектор туралы айтылатынын көрсетеміз.

Берілген кернеуі өздік индукцияның ЭҚК-імен теңесетіні анық (5.4,а,б-сурет).

, (5.3)

мұндағы w – ораманың орам саны; k_об – ораманың нақты орындалуына байланысты коэффициент.

Магниттік ағын берілген кернеумен, жиілікпен және орамның шама-шарттарымен анықталады деп санауға болады:

. (5.4)

Статордың орамасындағы (фазадағы) ток – магниттелу тогы кезінде тек магниттік ағынмен және машинаның магниттелу сипаттамасымен анықталады (5.4,в-сурет):

а) б) в)

5.4-сурет. w = w₀ кезіндегі асинхронды машинаның идеалдандырылған моделі (а),

векторлық диаграмма (б) және магниттелу қисығы (в)

Сериялық машиналарда U₁=U_1н және f₁=f_1н кезінде, яғни номиналды магниттік ағын кезінде бос жүріс тогы I₁₀ әдетте статордың I_1н номиналды тогының 30%-40%-ын құрайды.