Электрические машины

Электрические машины

 

Устройство и принцип действия асинхронной машины.

Назначение. Асинхронные машины — наиболее распространенные электрические машины. Особенно широко они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. В настоящее время асинхронные электродвигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и находят широкое применение в качестве электропривода подавляющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.     Открытие асинхронных машин относится к 80-м годам прошлого столетия. Их создание связывают с именами итальянского ученого Г. Феррариса, югославского ученого Н. Тесла и русского ученого М. О. Доливо-Добровольского. Г. Феррарис и Т. Тесла независимо друг от друга в 1888 г. предложили способ получения двухфазного вращающегося поля и создали первые асинхронные машины. Однако эти двигатели не получили широкого применения.

Большую роль в создании асинхронных Двигателей сыграл М. О. Доливо-Доброволъский. В 1889 г. он впервые использовал трехфазный ток для получения вращающегося магнитного поля, применил на статоре распределенную трехфазную обмотку и обмотку ротора в виде беличьей клетки. Он также предложил трехфазную обмотку ротора, выведенную на контактные кольца, и использовал для пуска двигателя реостат, подключаемый к обмотке ротора через контактные кольца.

Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология их изготовления; однако принципиальные конструкторские рещения, предложенные М. О. Доливо-Добровольским, в основном остались неизменными. В дальнейшем большое применение получили также и однофазные асинхронные двигатели в основном для электробытовых приборов. Появилось также большое количество разновидностей и модификаций асинхронных машин, в частности асинхронные исполнительные двигатели, тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы и др.

Большой вклад в теорию асинхронных машин внесли советские ученые Б. П. Апаров, М. П. Костенко, Г. Н. Петров, К. И. Шенфер и др. В СССР впервые в мировой практике с 1946 г. асинхронные двигатели выпускаются едиными всесоюзными сериями. На базе единых серий в нашей стране организовано высокомеханизированное и автоматизированное крупносерийное производство на основе широкой специализации и кооперации. Большие преимущества имеют единые серии и в эксплуатации — они значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудования. В 70-х годах была разработана и внедрена единая серия асинхронных двигателей 4А. Одновременно с конструкцией двигателей разрабатывались электротехническая сталь, провода, изоляция и технология. В 80-х годах организацией социалистических стран «Интерэлектро» разработана новая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ, предназначенная для использования во всех странах - членах СЭВ. Машины серии АИ, которые производятся во всех этих странах, отличаются повышенными надежностью и перегрузочной способностью, расширенным диапазоном регулирования, лучшими массово-габаритными и энергетическими показателями, а также улучшенными виброакустическими характеристиками по сравнению с машинами серии 4А.

В СССР впервые в мире разработана методика оптими­зированного расчета асинхронных двигателей, учитывающая затраты как на производство, так и на эксплуатацию электродвигателей; расчет с помощью электронно-вычислительных машин ведется по минимуму суммарных затрат в народном хозяйстве. В теорию и практику создания единых серий асинхронных двигателей большой вклад внесли советские ученые и инженеры А. Г. Иосифьян, Б. И. Кузнецов, Э. Д. Кравчик, В. И. Радин, Т. Г. Сорокер, И. Н. Чарахчьян и др.

Принцип действия. В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рис. 1, а), а вторую - на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY и CZ соединяют по схеме Υ или Δ и подключают к сети трехфазного тока (рис. 1,б). Обмотку ротора 4 выполняют трехфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее в простейшем случае замыкают накоротко.

 

Рис. 1. Электромагнитная схема асинхронной машины, направления токов и электромагнитного момента при работе в двигательном режиме

 

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная)

 

n1 = 60f1 /p.

 

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. На рис. 4.1, а показано, согласно правилу правой руки, направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке, при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки. Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС; поэтому условные обозначения (крестики и точки) на рис. 4.1 показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие Fрез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения п2 соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, в данном случае 0 ≤ п2 < п1.

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

 

s = (п1 - п2)/п1.

 

Скольжение часто выражают в процентах

 

s = [(п1 - п2)/п1 ] • 100.

 

Очевидно, что при двигательном режиме 1 > s > 0.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля п1 то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора, т. е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим (рис.2, а). При этом изменит свое направление и электромагнитный момент М, который станет тормозящим. В генераторном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую и отдает в сеть, при этом s < 0.

Если изменить направление вращения ротора (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях (рис. 2,б), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т. е. машина будет получать из сети активную мощность. Однако в данном режиме электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, т. е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины называют режимом электромагнитного торможения. Так как ротор вращается в обратном направлении (относительно направления магнитного поля), то n2 < 0, a s > 1.

 

 

Рис. 4.2. Электромагнитная схема асинхронной машины, направления токов и электромагнитного момента при работе ее в режимах:

 

Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, т. е. неравенство частот вращения n1 и п2. Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возникает электромагнитный момент. Поэтому машину называют асинхронной (ее ротор вращается несинхронно с полем).

На практике обычно встречается двигательный режим асинхронной машины, поэтому теория асинхронных машин изложена здесь применительно к этому режиму с последующим обобщением ее на другие режимы работы.

 

Устройство и принцип действия синхронной машины

 

Принцип действия. Электрические машины синхронной связи служат для синхронного и синфазного поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не связанных между собой. В простейшем случае синхронную связь осуществляют с помощью двух одинаковых, электрически соединенных между собой индукционных машин, называемых сельсинами (от слов selfsinchroniring — самосинхронизирующийся). Одну из этих машин, механически соединенную с ведущей осью, называют датчиком, а другую, соединенную с ведомой осью (непосредственно или с помощью промежуточного исполнительного двигателя), — приемником.

Система синхронной связи работает так, что при повороте ротора сельсина-датчика на какой-либо угол θд ротор сельсина-приемника поворачивается на такой же угол θп . Следовательно, система стремится ликвидировать рассогласование между положениями роторов датчика и приемника, которое характеризуется углом рассогласования θ = θд - θп , и в идеальном случае свести угол θ к нулю.

Системы синхронной связи подразделяют на два основных вида: синхронного поворота (передачи угла) и синхронного вращения (электрического вала).

Режимы работы. Различают два основных режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный.

При индикаторном режиме ротор сельсина-приемника соединяют непосредственно с ведомой осью. Его применяют при малом значении тормозного момента на ведомой оси, обычно в тех случаях, когда на оси укреплена хорошо уравновешенная стрелка индикатора (отсюда название — индикаторный).

При трансформаторном режиме сигнал о наличии рассогласования между положениями роторов датчика и приемника подается через усилитель на исполнительный двигатель, который поворачивает ведомую ось и ротор сельсина-приемника, ликвидируя рассогласование. При этом режиме выходной сигнал приемника пропорционален синусу угла рассогласования, аналогично тому, как во вращающемся трансформаторе, поэтому такой режим работы сельсина получил название трансформаторного. Трансформаторный режим применяют в тех случаях, когда к ведомой оси приложен значительный тормозной момент, т. е. когда приходится поворачивать какой-либо механизм.

Устройство сельсинов. Сельсины имеют две обмотки: первичную, или обмотку возбуждения, и вторичную, или обмотку сихронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины; обмотку синхронизации в обоих типах сельсинов обычно выполняют по типу трехфазной.

Трехфазные сельсины имеют такую же конструкцию, как трехфазные асинхронные двигатели с контактными кольцами на роторе; их применяют только в системах электрического вала. В системах автоматики используют однофазные контактные и бесконтактные сельсины.

Принцип действия сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток. Однако чаще всего в сельсинах обмотку синхронизации размещают на статоре, а обмотку возбуждения — на роторе (для уменьшения количества контактных колец и повышения надежности работы).

Однофазные контактные сельсины аналогичны асинхронным машинам малой мощности. Они могут быть явнополюсными (индикаторные) и неявнополюсными (трансформаторные). В явнополюсных сельсинах однофазная обмотка возбуждения сосредоточенная; она расположена на явно выраженных полюсах ротора (рис. 3, а) или статора (рис. 3,б). В неявнополюсных сельсинах однофазная обмотка возбуждения распределенная (рис. 3, в); она расположена в полузакрытых пазах ротора (или статора). Обмотку синхронизации всегда выполняют распределенной и размещают в пазах соответственно статора или ротора; фазы ее соединяют по схеме Y. Для приближения формы кривой поля к синусоиде воздушный зазор в явнополюсных сельсинах выполняют неравномерным — увеличенным на краях полюсного наконечника. Для ослабления зубцовых гармонических делают скос пазов статора или ротора на одно зубцовое деление.

 

Рис. 3. Схемы магнитной системы однофазных контактных сельсинов: 1 — статор; 2 — обмотка синхронизации; 3 — ротор; 4— обмотка возбуждения

 

Сельсины выполняют обычно двухполюсными. Так как магнитное поле в сельсинах переменное, то статор и ротор собирают из изолированных листов электротехнической стали (рис. 4). Для увеличения надежности контакта и уменьшения его переходного сопротивления кольца и щетки, к которым подключают обмотку ротора, выполняют обычно из сплавов серебра. Число контактных колец и щеток зависит от места расположения обмоток: сельсины с обмоткой возбуждения на роторе имеют два контактных кольца; с обмоткой возбуждения на статоре — три контактных кольца. В некоторых типах сельсинов-приемников на явнополюсном роторе по поперечной оси размещают короткозамкнутую демпферную обмотку, обеспечивающую быстрое затухание собственных колебаний ротора при переходе его из одного положения в другое. При отсутствии электрического демпфера на валу ротора сельсина-приемника устанавливают механические демпферы (фрикционные, пружинные или жидкостные — ртутные).

 

Рис. 4. Устройство контактного сельсина: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — контактные кольца

 

Рис. 5. Электромагнитная схема бесконтактного сельсина: 1 — тороиды; 2 — обмотка возбуждения; 3 — внешний магнитопровод; 4 — пакет статора; 5 — обмотка синхронизации;6 — пакеты ротора; 7 — промежуток из немагнитного материала

 

Большим недостатком контактных сельсинов является наличие скользящих контактов, переходное сопротивление которых может изменяться. Это снижает надежность работы синхронной связи и приводит к увеличению погрешностей. В настоящее время широко применяют явнополюсные и неявнополюсные бесконтактные сельсины, не имеющие скользящих контактов.

В явнополюсном бесконтактном сельсине (рис. 5) на статоре расположены трехфазная распределенная обмотка синхронизации, два боковых кольца (тороиды), две тороидальные катушки однофазной обмотки возбуждения и внешний: магнитопровод. Стальной пакет, в котором размещена обмотка синхронизации и тороиды собраны из листов, расположенных перпендикулярно оси вала, а внешний магнитопровод — из листов, расположенных параллельно оси вала. На роторе имеются два стальных пакета, разделенных немагнитным материалом (обычно сплавом алюминия). Пакеты ротора соб-раны из стальных листов, размещенных в плоскости, параллельной оси вала. Следовательно, во всех элементах магнитной системы плоскость листов параллельна направлению силовых магнитных линий. Тороидальные катушки обмотки возбуждения включают так, чтобы направление тока в них в любой момент времени было согласованным.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, замыкается в каждом элементе магнитной системы сельсина по пути, показанному на рис. 5.33 стрелками. Из первого пакета ротора он проходит через небольшой воздушный зазор, а затем по статору переходит во второй пакет, охватывая проводники обмотки синхронизации. Непосредственному переходу потока из одного пакета ротора в другой препятствует косой промежуток, заполненный немагнитным материалом. Из второго пакета ротора поток через тороиды и внешний магнитопровод переходит в первый. При повороте ротора изменяется положение оси потока относительно обмоток синхронизации, поэтому ЭДС, индуцируемая в фазах обмотки синхронизации, зависит от угла поворота ротора, так же как и в контактных сельсинах, вследствие чего принцип действия этих видов сельсинов одинаков. Устройство бесконтактного сельсина показано на рис. 5.34, а.