ЕРС. Фази обмоток статора

При обертанні ротора магнітні силові лінії перетинають дроти обмотки статора, і в них індукується ЕРС змінного струму, середня величина якої в одному провіднику може бути визначена з формули:

де l - активна довжина провідника обмотки статора (м);

v - швидкість руху магнітних силових ліній (хв/сек);

В_СP - середнє значення магнітної індукції в повітряному зазорі (тл).

Виразимо лінійну швидкість v через число обертів за хвилину:

Згідно формули (2)

πD = 2pτ,

отже

,

Нам необхідно знайти діюче значення ЕРС у дроті. Як відомо з електротехніки, діюче значення ЕРС

Е_пр=1,11Еп_{р. ср}.,

де 1,11 - коефіцієнт форми кривої, для синусоїдальної ЕРС.

Оскільки виток складається з двох проводів, то діюче значення ЕРС витка:

Питання для самоперевірки

1. Коли індукується ЕРС змінного струму і за якою формулою можна визначити

його середню величину?

2. Чому дорівнює діюче значення ЕРС?

3.3 Тема: Збудження синхронних генераторів.

3. Синхронний генератор із збудженням від механічного випрямляча

Радянським інженером С. Г. Таманцевым сконструйований синхронний генератор із збудженням від механічного випрямляча (рис, 3). Цей тип генератора не має машинного збудника, що зменшує його розміри і вагу.

Механічний випрямляч працює за тим же принципом, що і колектор машини постійного струму.

На статорі генератора, окрім робочої обмотки 2, намотують допоміжну обмотку збудження 1 по 5-8 витків на фазу, звідки струм поступає на механічний випрямляч 3. Механічний випрямляч в генераторах, що випускаються заводами (потужністю 30 і 50 квт на 1000 об/мин), виконують у вигляді розрізного контактного кільця, що складається з 12 мідних секторів, з них шести робочих і шість неробочих. Парні робочі сектори сполучають між собою і припаюють до одного кінця обмотки збудження ротора, а непарні до іншого.

Щітки встановлюють на відстані 120 електричних градусів одна від одної. При трьох парах полюсів (р = 3) щітки розташовані на відстані 40 просторових градусів одна від одної, оскільки один просторовий градус рівний Р електричним градусам.

Максимальне число щіток, що встановлюються по колу розрізного контактного кільця, рівне потроєному произвидению пар полюсів, а мінімальне трьом. Неробочі сектори в контактному кільці ставлять для того, щоб щітка при переходу з одного робочого сектора на іншій не закорочувала. Ширина неробочого сектора повинна бути не менше ширини щітки. Загальний вид генератора типу СГТ представлений на малюнку 3. Для автоматичного регулювання напруги при зміні навантаження в цьому генераторі застосовують компаундний пристрій, складається з трьох трансформаторів струму і трьох шунтуючих опорів Rш величиною біля, 1 Ом, вмонтованих на панелі щита управління (мал. 3)

Мал. 3. Схема синхронного генератора із збудженням від механічного випрямляча.

Питання для самоперевірки

1. Намалюйте схему і розкажіть принцип дії синхронного генератора з машинним збудником?

2. Чи можливо змінити напрям обертання синхронного генератора з машинним збудником і що для цього потрібно зробити?

3. Намалюйте схему і розкажіть принцип дії синхронного генератора з твердими випрямлячами?

4. Як здійснити автоматичне регулювання напруги в синхронних генераторах з твердими і механічними випрямлячами?

3.4 Тема: Реакція якоря.

4. Вплив реакції якоря на роботу синхронного генератора.

У практиці на електростанціях буває мішане активно-індуктивне навантаження, тобто струм генератора має активну та індуктивну складові. Чим менша складова активної потужності, тим нижче значення коефіцієнта потужності.

Синхронні генератори призначені для роботи на мережу з коефіцієнтом потужності cos φ = 0,8. Нижче значення коефіцієнта потужності в мережі свідчить про підвищення величини складової індуктивного навантаження в загальній потужності. А збільшення індуктивного навантаження спричинює підсилення розмагнічу вальної дії реакції якоря і зниження напруги на затискачах генератора. Щоб компенсувати розмагнічувальну дію реакції якоря при збільшенні індуктивного навантаження, треба збільшити струм збудження в обмотці ротора. Цей струм може досягати значень, які перевищують номінальні при номінальному навантаженні генератора, що призводить до перегріву обмотки ротора генератора.

При низькому коефіцієнті потужності напруга генератора буде нестійкою, а при великих поштовхах індуктивного навантаження, що буває при пуску потужних короткозамкнених асинхронних двигунів, напруга генератора може знизитись до нуля.

Як відомо, активна складова струму якоря створює поперечне поле якоря, яке спотворює магнітне поле полюсів, а індуктивна складова створює повздовжньо-розмагнічувальне поле якоря, яке розмагнічує полюси. Величина кожної складової залежить від коефіцієнта потужності в мережі.

У трифазній синхронній машині вектор е. р. с. якоря обертається в тому самому напрямі, що й ротор, тобто синхронно з ним. Тому магнітний потік якоря додається до магнітного потоку полюсів.

Питання для самоперевірки

1. Про що свідчить нижче значення коефіцієнта потужності в мережі?

2. Що спричиняє збільшення індуктивного навантаження?

3.5 Тема: Зовнішні і регулювальні характеристики синхронного генератора.

1. Зовнішні характеристики синхронного генератора.

2. Регулювальні характеристики синхронного генератора.

1. Зовнішні характеристики синхронного генератора.

Зовнішніми характеристиками синхронного генератора називають залежність напруги на його затискачах від струму навантаження, при незмінних значеннях струму збудження, частоти (f).

Знімають зовнішні характеристики при значеннях cos φ = 1, cos ф = 0,8 індуктивному і cos φ = 0,8 ємнісному.

Характеристики знімають на підвищення і на зниження напруги.

При знятті зовнішніх характеристик на підвищення напруги номінальну напругу генератора встановлюють при номінальному навантаженні, потім, не змінюючи обертів, струму збудження і величини cos φ, поступово розвантажують генератор, записуючи покази приладів. При активному навантаженні напруга генератора із зменшенням навантаження підвищуватиметься, тому що зникає спад напруги на активному та індуктивному опорах обмоток генератора (Мал. 1; а).

Рис. 1. Зовнішні характеристики синхронного генератора: а - на підвищення напруги; б - на зниження напруги.

При мішаному, активно-індуктивному навантаженні напруга із зменшенням навантаження збільшуватиметься ще, бо, крім зникнення спаду напруги на активному та індуктивному опорах обмоток генератора, зникне також розмагнічу вальна дія реакції якоря, обумовлена індуктивною складовою струму навантаження.

При мішаному, активно-ємнісному навантаженні напруга із зменшенням навантаження знижуватиметься, бо при знятті навантаження зникне підмагнічувальна дія реакції якоря, обумовлена ємнісною складовою струму навантаження.

За зовнішніми характеристиками на підвищення напруги можна визначити, наскільки зростає напруга генератора прискиданні ним номінального навантаження.

Відповідно до ДСТУ, підвищення напруги при цьому не по­винно перевищувати 50% номінальної напруги генератора.

При знятті зовнішніх характеристик на зниження напруги номінальну напругу генератора встановлюють при холостому ході, а потім поступово навантажують генератор до номінального значення і записують покази приладів.

При активному навантаженні напруга генератора із зменшенням навантаження буде зменшуватись (Мал. 1, б). При мішаному, активно-індуктивномунавантаженні напруга генератора зменшуватиметься ще більше внаслідок розмагнічувальної дії реакції якоря.

При мішаному, активно-ємнісному навантаженні напруга генератора збільшуватиметься внаслідок, пiдмагнічувальної дії реакції якоря.

За зовнішньою характеристикою можна визначити зміну напруги генератора ΔU при зміні навантаження.

Зміна напруги Δ U = U_H - U

2. Регулювальні характеристики синхронного генератора

Регулювальними характеристиками синхронного генера­тора називають залежність струму збудження від струму навантаження при незмінних значеннях частоти, напруги на його затискачах і cos f.

Регулювальна характеристика показує, як треба змінювати струм збудження, щоб при зміні навантаження напругу на затискачах генератора підтримувати сталою.

При збільшенні активного навантаження струм збудження треба збільшувати (Мал. 2), внаслідок чого зростає е. р. с. генератора і збільшення спаду напруги при зростанні струму навантаження не спричинить зниження напруги генератора.

Мал. 2. Регулювальні характеристики синхронного генератора.

При збільшенні мішаного активно-індуктивного навантаження струм збудження треба збільшувати ще більше внаслідок розмагнічувальної дії реакції якоря, а при зростанні мішаного, активно – ємнісного навантаження струм збудження треба зменшувати внаслідок дії намагнічувальної реакції якоря.
Струм збудження змінює черговий біля щита керування електростанції регулювальним реостатом у колі обмотки збудження збудника. При наявності автоматичного регулятора напруги струм збудження змінюється автоматично, залежно від навантаження генератора. На електростанціях для автоматичного регулювання напруги іноді встановлюють вугільні регулятори напруги, але здебільшого для автоматичного регулювання напруги у синхронних генераторах з машинними збудниками ставлять компаундуючий пристрій, який вивчається на курсі електричних станцій.

Питання для самоперевірки

1. Що називають зовнішніми характеристиками синхронного двигуна?

2. При яких навантаженнях напруга збільшується, а при яких знижується?

3. Що називають регулювальними характеристиками синхронного двигуна?

3.6 Тема: Паралельна робота синхронних генераторів.

3. Самосинхронізація.

4. Паралельна робота синхронних генераторів на потужну мережу.

3. Самосинхронізація.

Самосинхронізація. Останнім часом значно поширений простіший спосіб самосинхронізації генераторів, який дає можливість ввімкнути генератори на паралельну роботу за короткий час навіть при значних коливаннях частоти і напруги в мережі.

Суть способу самосинхронізації полягає в тому, що гене­ратор, який приводиться в рух первинним двигуном з числом обертів, що може відрізнятися на 2-5% номінального; вмикають у мережу без збудження і негайно після вмикання збуджують, внаслідок чого він протягом 1-2 с втягується у синхронізм.

При вмиканні генератора в мережу його обмотка збудження повинна бути замкнена або на якір збудження, що обертається вхолосту, або на гасильний опір. При вмиканні спостерігаються кидки струму статора, які в кілька разів перевищують номінальний, але вони не являють жодної небезпеки для генератора внаслідок їх короткочасності.

Число обертів генератора, що вмикається в мережу без збудження, можна визначити тахометром або стробоскопічним методом, а найчастіше для самосинхронізації застосовують частотне реле, за допомогою якого визначають рівність частот збудженого і не збудженого генераторів.

При самосинхронізації генераторів невеликої потужності для визначення різниці чисел обертів застосовують також лампу розжарювання, ввімкнену на різницю напруги шин і напруги синхронізованого генератора від залишкового магнетизму полюсів. Незначна за величиною напруга генератора від залишкового магнетизму, додаючись або віднімаючись від напруги на шинах, створює помітне мигтіння лампи розжарювання, за частотою якого роблять висновок про різницю частот генераторів. Вмикати генератор можна при 1-2 мигтіннях лампи за секунду.

Перед самосинхронізацією треба за допомогою фазо­покажчика переконатися, що порядок чергування фаз обох генераторів однаковий.

Метод самосинхронізації генераторів рекомендований для широкого застосування як основний на електростанціях і в енергосистемах.

4. Паралельна робота синхронних генераторів на потужну мережу.

Якщо ввімкнути синхронний генератор на паралельну роботу з потужною мережею, то після вмикання е. р. с. генератора дорівнює напрузі мережі U_м= Е _Ген, а кут між векторами напруги мережі U_м і вектором е. р. с. генератора Е _ген дорівнює 180°. Під'єднаний генератор не бере на себе навантаження і продовжує обертатися вхолосту.

В генераторах постійного струму при їх паралельній роботі для зміни навантаження змінювали збудження. Збільшимо збудження синхронного генератора, що працює паралельно з потужною мережею, для того щоб він взяв на себе навантаження. При цьому е. р. с. Е_ген буде більшою від напруги мережі на величину ∆ Е, внаслідок чого в обмотці генератора потече реактивний зрівняльний струм I_зр, який відстає від е. р. с. генератора (Мал 3, а).

Рис. 3. Векторні діаграми при паралельній роботі синхронного генератора з потужною мережею: а — при збільшенні збудження генератора; б — при зменшенні збудження генератора.

3рівняльний струм створює поздовжньо-розмагнічу-вальну реакцію якоря, при якій магнітний потік Ф_яd індукуватиме в обмотці статора генератора е. р. с. Е_яd, яка віднімається від е. р. с. генератора Е_Ген, внаслідок чого напруга генератора дорівнюватиме напрузі мережі U_ген = U_м.

Тому що кут між вектором е. р. с. Е_ГЄн і вектором зрівняльного струму дорівнює 90°, то генератор не візьме на себе активного навантаження, а працюватиме з випереджаючим струмом відносно напруги мережі, бо вектор струму І_зр випереджає вектор напруги мережі U_м на 90°.

Якщо зменшити збудження генератора, то, як видно з Мал. 3, б, генератор також не візьме на себе активного навантаження, а працюватиме з відстаючим струмом по відношенню до напруги мережі. При цьому в генераторі зрівняльний струм створить поздовжньо-намагнічувальну реакцію якоря, при якій магнітний потік Ф_яd індукуватиме в обмотці якоря е. р. с. Е_Яd, що додається до е. р. с. генератора E_ген, внаслідок чого напруга генератора дорівнюватиме напрузі мережі E_ген = U_м.

Залежність загального струму генератора, що працює паралельно з потужною мережею, від струму збудження при сталих частоті f мережі, напрузі U мережі і віддаваній генератором на мережу активній потужності Р зображена на U- подібній кривій (Мал. 4). На цьому рисунку показані три криві при P₂ = 0; Р₂ = = 0,5 Р_H і Р₂ = Р_H.

Рис. 4 U- подібні криві синхронного генератора.

З точки а вверх проведена штрихова лінія, що відповідає такому, значенню струму збудження і_зн. при якому струм статора стає мінімальним і рівним лише активній складовій І_мін = І_ст cos φ. У цьому випадку генератор працює при коефіцієнті потужності cos φ= 1. Відхилення цієї лінії вправо вказує на те, що із зростанням навантаження струм збудження треба збільшувати для підтримання сталої напруги на затискачах генератора. У правій частині крива більш полога, що пояснюється насиченням сталі машини.

При перезбудженні генератор працюватиме з випереджаючим струмом, по відношенню до мережі, а при зменшенні збудження - з відстаючим.

Таким чином, при зміні збудження генератора змінюється лише його реактивна потужність. Для того щоб встановити, що треба зробити, щоб синхронний генератор, який працює паралельно з потужною мережею, взяв на себе активне навантаження, визначимо за спрощеною векторною діаграмою синхронного генератора з неявно вираженими полюсами, від чого залежить потужність, що віддається генератором у мережу. В цій діаграмі нехтуємо спадом напруги на активному опорі обмотки як відносно малим (Мал. 5).

Рис. 5. До виводу формули (2).

Побудуємо прямокутний трикутник ОАС, взявши вектор Е₀ за гіпотенузу. Тому що АВ перпенд. І, а АС перпенд. U, то кут ВАС = φ.

Як відомо з електротехніки, електрична потужність трифазного синхронного генератора дорівнює

P_eл=3U_гeHІcos φ (вт) (1)

або, як видно з цієї діаграми,

Р_ел = 3Е₀І cos ψ (вm), (2)

бо U_ген cosφ = Е_о cos ψ.

3.7 Тема: СИНХРОННІ ДВИГУНИ І КОМПЕНСАТОРИ

3. Робочі характеристики синхронного двигуна

Робочими характеристиками синхронного двигуна називають залежність обертів n₂,струму статора I, підведеної потужності Р₁ корисного обертаючого моменту М₂, Cos ф і к. к. д. від корисної потужності на валу двигуна Р₂ при сталих напрузі мережі U_M, частоті мережі. f і струмі збудження і₃.

Оскільки швидкість обертання ротора n₂не залежить від навантаження і дорівнює швидкості обертового магнітного поля, то при сталій частоті f графік n₂, = = f (Р₂) має вигляд прямої лінії, паралельній осі абсцис,

n₁= 60f/p

Корисний момент на валу двигуна М₂ =P₂ /w₁ на оскільки

w₁ = const, то графік М₂ = f (P₂) має вигляд прямої лінії, що виходить з початку координат.

Підведена до двигуна потужність Р₁' складається з корисної потужності Р₂ і суми втрат. Тому що втрати в міді пропорціональні квадрату струму навантаження, то крива Р₁= f (Р₂) трохи зігнута вверх, бо P₁ зростає швидше, ніж Р₂. Із збільшенням навантаження cos ф зменшується, тому крива cos ф = (Р₂) трохи зігнута донизу.

Величина струму I₁ із збільшенням навантаження Р₂ зростає трохи швидше, ніж Р₁ внаслідок зменшення cos ф. Найбільший к. к. д. буде при навантаженні 0,5-0,75 Р_н,

4 Розділ АСИНХРОННІ МАШИНИ

4.1 Тема: ПРИНЦИП Дії І БУДОВА АСИНХРОННИХ МАШИН

1. Принцип дії асинхронного двигуна

Асинхронний трифазний двигун - найпоширеніший у промисловості і сільському господарстві. Близько 95% всіх двигунів - асинхронні.

Асинхронний двигун винайдений талановитим російським вченим М. О. Доліво-Добровольським у 1889 р.

Простота будови, дешевина, високий к. к. д., велика надійність в роботі сприяли його швидкому впровадженню у всі галузі господарства. Принцип дії асинхронного двигуна оснований на взаємодії обертового магнітного поля, створюваного у трифазній обмотці статора, і провідників із струмом, з яких складається обмотка ротора. Швидкість обертання поля визначають з формули:

n₁=60f/p

Уявимо собі обертове магнітне поле у вигляді кільця з двома постійними магнітами (рис.1).

У середині кільця вміщена обмотка ротора у вигляді короткозамкненого білячого колеса.

Обертове магнітне поле статора індукує у проводах обмотки ротора струми, напрям яких визначають за напрямом правої руки. При цьому треба мати на увазі, що якщо магнітне поле обертається за годинниковою стрілкою, то відносне обертання провідника треба брати проти годинникової стрілки.

Рис. 1. Принцип дії асинхронного двигуна.

У проводах, що знаходяться під північним полюсом, струм напрямлений до нас і напрям його позначимо точкою.

При взаємодії магнітного поля статора і ротора (рис. 221) до проводу прикладена сила F, яка примушує його перемі­щуватися в бік руху поля статора.

Якщо поле статора обертається з швидкістю n_l, яку називають синхронною, то ротор обертається з меншою швидкістю n₂, яку називають асинхронною.

Відносне відставання ротора від поля статора називають ковзанням і позначають буквою s.

Величину ковзання можна визначити з рівняння

S= (n1- n2) /n1

Ковзання - основна змінна величина асинхронної машини, від якої залежить режим ЇЇ роботи.

З формули ковзання можна вивести формулу обертів ротора

n₂=n₁(1-s).

Число обертів ротора n₂ при номінальних навантаженні, напрузі та частоті зазначають на заводському щитку двигуна.

Величини ковзання асинхронних двигунів нормального типу становить приблизно s = 1,5 - 7%. Ковзання можна визначити також у процентах.

s_% = [(n₁-n₂)/n₁] *100

У асинхронного двигуна при нерухомому роторі ковзання має максимальне значення s = 1, бо n₂= 0.

У початковий момент пуску в хід асинхронного двигуна, коли n₂ ще дорівнює нулю, s = І.

Приклад. Визначити число обертів чотириполюсного, асинхронного електродвигуна, що працює з ковзанням 3%.

Розв'язання. Для чотириполюсного асинхронного електродвигуна швидкість обертання поля статора становить

n₁ = 60f/p = (60*50)/2 = 1500 об/хв.

Тоді швидкість обертання ротора визначиться з формули ковзання

s = (n₁-n₂) / n₁; звідки n₂ = n₁ (1 - s); n₂ = 1500 (1 - 0,03) = 1455 об/хв.

2. Будова асинхронних двигунів

Асинхронний двигун складається:

з нерухомої частини - статора і обертової - ротора.

Статор являє собою стальне осердя у вигляді порожнистого циліндра, що набирається з окремих листів електротехнічної сталі, ізольованих між собою лаком. Всередині циліндра виштамповані пази, куди укладають обмотку статора. За будовою статор асинхронного двигуна майже нічим не відрізняється від статора синхронної машини

Рис.2 Асинхронні двигуни:

а - з короткозамкненим ротором;

б - з фазним ротором;

1 - корпус двигуна;

2 - обмотка статера:

3 - підшипниковий щит;

4 - короткозамкнений ротор;

5 - контактні кільця;

6 - фазний ротор.

Обмотки статорів асинхронної і синхронної машин розраховують і виконують аналогічно (рис. 2).

Всередині статора вміщується ротор, який являє собою стальний циліндр, що набирається з окремих листів електротехнічної сталі, покритих ізоляційним лаком.

Ротори бувають двох типів: короткозамкнені і фазн і.

У пази короткозамкненого ротора укладають обмотку. у вигляді білячого колеса, виконувану з мідних стержнів, які з торцевих сторін замикають кільцями (рис. 3, а).

Рис. 3 Короткозамкнений ротор.

а – біляче колесо; б – складений.

У двигунах невеликої потужності, до 100 кВт, біляче колесо виготовляють заливанням пазів ротора алюмінієм під тиском. Біляче колесо від сталі ротора не ізолюють, тому що провідність провідників обмотки в десятки разів більша від провідності сталі. При відливанні білячого колеса з алюмінію одночасно відливають і бокові кільця разом з вентиляційними крилами.

У пази фазного ротора укладають трифазну обмотку, виконувану за типом обмотки статора. Розріз двигуна фазним ротором показаний на рис. 4.

Як правило, фазну обмотку ротора з’єднують у зірку. При цьому кінці обмотки з'єднують разом, а початки приєднують до контактних кілець, на які

вста­новлюють щітки, з'єднані з пусковим реостатом.

Шкала потужностей двигунів нової серії складається з дев'ятнадцяти ступенів (замість чотирнадцяти у попередній серії): 0,4; 0,6; 0,8; 1,1; 1,5; 2,2; 3; 4; 5,5; 7,5; 10; 13; 17; 22; З0; 40; 55; 75; 100 кВт.

На базі основного виконання двигунів загального призначення з короткозамкненим ротором виготовляють їх електричні модифікації, основними з яких є такі: з підвищеним ковзанням (АОС2, АОЛС2), в яких ковзання досягає

8-13%; з підвищеним пусковим моментом (АОП2), в яких пусковий момент досягає

1,7 - 1,8 Мнм; багато швидкісні (АО2); для текстильної промисловості (АОТ2); з фазним ротором (АК2, АОК2) та інші.

Умовні позначення асинхронних електродвигунів основного виконання розшифровуються так: А - асинхронний, О - обдув ний, 2 - індекс, що" характеризує нову серію; число після першого дефісу означає типорозмір: перша цифра - порядковий номер зовнішнього діаметра осердя статора (габарит), друга - порядковий номер довжини двигуна; після другого дефісу - число полюсів. Наприклад, AOС2-31-2 означає: асинхронний двигун, закритий, обдув ний, нової єдиної серії, з чавунною оболонкою, підвищеним ковзанням, третього габариту, першої довжини, двополюсний.

У випадку, коли двигун виготовляється з алюмінієвою оболонкою, в позначення включається буква Л.

Двигуни нової серії і всі їх модифікації, крім багатошвидкісних, виготовляються на номінальну напругу 220/380 в, а двигуни загального призначення А2 і АО2потужністю більше 3 кВт також і на напругу 380 в (при з’єднанні обмоток трикутником). Багатошвидкісні двигуни виготовляються на напругу 380 в.

Асинхронні двигуни єдиної серії випускаються у вибухо-захищеному виконанні і позначаються ВАО (вибухо-безпечний, асинхронний, обдувний). Крім вибухозахищених двигунів єдиної серії, продовжують випускати вибухо-захищені двигуни серій КОМ,КО, К і МА.

Зараз розробляється нова єдина серія асинхронних двигунів A3 і AQ3 загально-промислового застосування потужністю до 100 кВт. Ці електродвигуни за надійністю, енергетичними і ваговими показниками не будуть поступатись перед кращими зразками двигунів зарубіжних фірм. Для виготовлення обмоток цих двигунів будуть застосовані в основному обмоткові проводи з нагрівостійкою емалевою ізоляцією Е і F. Двигуни цієї серії будуть мати шкалу потужностей, аналогічну серії А2 і АО2.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть принцип дії асинхронного двигуна.

2. Чи може ротор асинхронного двигуна мати 2000 об/хв при частоті мережі

f = 50 гц.

3. 3 яких основних частин складається асинхронний двигун і яке їх призначення?

4. Як приєднані виводи обмотки статора до затискачів і чому вибрана така схема приєднання?

5. Що таке ковзання і як його визначають?

6. Чому в асинхронного двигуна ковзання не може дорівнювати нулю?

Рис 4. Поздовжній розріз асинхронного двигуна з фазним ротором:

1 - вал; 2 - осердя ротора; 3 - обмотка статора; 4 - корпус статора; 5 - осердя статера;

6 - підшипниковий щит; 7 - контакті кільця; 8 - щітки; 9 - коробка виводів.

4.2 Тема: Робочий процес трифазної асинхронної машини.

3. Асинхронний двигун, при обертанні ротора: частота, опір, струм.

Якщо до статора двигуна підвести номінальну напругу, то його короткозамкнений або замкнений фазний ротор обер­татиметься вхолосту, якщо на валу двигуна немає наванта­ження.

Ротор обертається в бік обертання магнітного поля ста­тора з швидкістю n₂ n₁. Тому швидкість обертання маг­нітного поля статора відносно ротора дорівнює різниці швидкостей:

n = n₁ – n₂.

Магнітний потік статора Ф₁ обганяючи ротор зі швидкістю n = n₁ – n₂, індукує в роторі е. p.c. і струми частотою f₂, яку називають частотою ковзання.

Частоту ковзання можна визначити з формули:

pn p(n₁ – n₂)

f₂ = — = ————
60 60

Помножимо чисельник і знаменник дробу на n₁

pn₁(n₁ – n₂)

f₂ = ————— =sf₁ (гц)

60n₁

Отже, частота е. р. с і струму, індукованого в ротор обертовим магнітним полем-, дорівнює частоті мережі, по­множеній на ковзання.

Сила струму в обертовому ро­торі залежить від ковзання.

Режим асинхронного двигуна з оберто­вим ротором зведений до еквівалентного режиму при неру­хомому роторі, тому що величини Е₂ і Х₂, які входять у фор­мулу і залежать від ковзання, відповідають нерухомому ротору. При цьому все відбувається так, ніби ротор нерухо­мий і до його затискачів підведена е. р. с. Е₂, а його опори дорівнюють r₂/s і х₂.

Оскільки обмотка ротора трифазна і по ній протікає трифазний струм частотою f₂, в роторі утворюється обертове магнітне поле, яке обертається відносно ротора з швидкіс­тю n = n₁ – n₂, що відповідає частоті струму ротора, тобто

pn p(n₁ – n₂)

f₂ = — = ————
60 60

Крім того, сам ротор обертається в просторі з швидкіс­тю n₂. Тому швидкість обертового магнітного поля ротора в просторі дорівнює сумі швидкостей n + n₂.

pn 60f₁

З формули f₂ = —, можна написатиn = ——. Підставивши значення f₂ = sf₁, матимемо

60 p

60f₁

n= —— s = n₁s, але тому що n₂ = n₁ (1-s), то n + n₂ = n₁s + n₁(1-s) = n₁.

p,

Отже, поле ротора оберта­ється в просторі з такою самою швидкістю і в той самий бік, що і поле статора.

Так само, як і для транс­форматора, для асинхронного двигуна можна намалювати діа­граму його м. р. с, яка подібна до діаграми м. р. с трансформа­тора, з тією різницею, що вектори м. p.c. у двигуні обертаю­ться в просторі з швидкістю n₁ (мал. 1).

Мал.1 Векторна діаграма м.р.с. асинхронного двигуна.

Відповідно до рівняння м. р. с. для трансформатора результуюча м. р. с. асинхронного двигуна I₀ w₁ і ство­рюваний нею результуючий магнітний потік Ф_м будуть постійними при будь-якому навантаженні і сталих напрузі та частоті струму.

4.3 Тема: Обертовий момент асинхронного двигуна.

3. Залежність обертаючого моменту від ковзання, напруги, струму ротора.

При різному навантаженні двигуна можна побудувати криву залежності моменту, що обертає, від ковзання, при постійній напрузі і частоті мережі (мал. 3).

Мал. 3. Залежність обертаючого

моменту асинхронного двигуна

від ковзання.

При ковзанні s=l, коли n₂ = 0, двигун розвиває пусковий момент Мп. У міру розгону двигуна ковзання зменшується, а момент двигуна, що обертає, збільшується. При пуску двигуна в хід, коли s = 1, частота струму в роторі f₂ = f₁ = 50 гц, індуктивний опір x₂ ротора має максимальне значення, кут ψ₂ між векторами струму і е. р. с. найбільший, а cos ψ₂ найменший, тому і момент, що обертає, при пуску невеликий.

При розгоні двигуна частота струму в роторі f₂ =sf₁ зменшується, унаслідок чого знижується його індуктивний опір, що приводить до зменшення кута ψ₂, збільшенню cos ψ₂ і збільшенню моменту, що обертає. Максимального значення Ммакс обертаючий момент досягає при критичному ковзанні.

Із кривої видно, що в межах номінальної потужності обертаючий момент двигуна пропорційний ковзанню.

Зазвичай у асинхронних двигунів номінальний момент М_н розвивається при ковзанні, рівному 3-5%. Найбільший момент, що розвивається двигуном, називається максимальним моментом Ммакс.

Перевантаження двигуна моментом опору робочої машини, який дорівнює максимальному, призводить до зупинки двигуна.

4.4 Тема: Асинхронні короткозамкненні двигуни з поліпшеними пусковими властивостями.

1. Короткозамкнені асинхронні двигуни з глибокими пазами на роторі.

Статор двигуна з глибоким пазом не відрізняється від статора звичайного короткозамкнутого двигуна, але пази ротора виконують подовженими, тобто глибокими, в них закладають стрижні у вигляді тонких і високих смуг або заливають алюміній.

На (мал. 4, а)зображено розподіл магнітного потоку розсіяння навколо стержня. Нижня частина стержня охоплюється великим числом магнітних силових ліній, чим верхня, унаслідок чого індуктивний опір нижньої частини стрижня, обумовлений величиною магнітного потоку розсіювання, значно більше, чим у верхній.

Мал. 4. Двигун з глибоким пазом;

а – паз ротора; б – розподіл

струму в пазу при пуску двигуна в хід.

Оскільки при пуску двигуна в хід, в початковий момент, коли ротор ще нерухомий, частота струму в роторі рівна частоті мережі, то індуктивний опір ротора буде найбільшим.

У момент пуску струм з нижньої частини стержня, що володіє великим індуктивним опором, чим верхня, буде витеснятися у верхню (мал. 3, б). Внаслідок цього як би зменшується перетин стержня і збільшується його активний опір. Зростання активного опору стрижнів приводить до збільшення пускового моменту і зменшення пускового струму.

При роботі двигуна частота струму в роторі невелика (2-3 гц) і індуктивний опір стрижнів, залежний від частоти, незначний. Тому струм розподіляється рівномірно по всьому стержню, і двигун працює як звичайний короткозамкнутий.

До недоліків двух-кліткових і глибокопазових двигунів відносяться низькі к. к. д. і

cos φ, а також знижена перевантажувальна здібність в порівнянні з звичайним короткозамкну-

тими двигунами. Вартість їх вища, ніж звичайних короткозамкнутих, що викликане складністю виготовлення ротора.

2. Короткозамкнені асинхронні двигуни з двома клітками на роторі.

Асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором дуже прості по конструкцій і надійні в експлуатації, але вони мають великий пусковий струм і малий пусковий момент.

Для поліпшення пускових властивостей Доліво-Добровольський в 1893 р. запропонував конструкцію асинхронного двигуна з подвійною білячою кліткою. Пізніше був сконструйований двигун з глибоким пазом, що має покращувані пускові властивості.

Двигуни з подвійною білячою кліткою виготовляють зазвичай середніх і великих потужностей, а з глибоким пазом навіть невеликих потужностей (2-3 кВт).

У двигуна з подвійною білячою кліткою статор звичайний, а ротор має дві білячі клітки (мал. 4, а). Зовнішня біляча клітка 1 володіє великим активним опором, оскільки її виготовляють з матеріалів з підвищеним активним опором (марганцевистої бронзи або латуні), стержні роблять невеликого перетину, а внутрішню клітку виготовляють з міді великого перетину, тому вона має малий активний опір. Індуктивний опір зовнішньої білячої клітки клітки дуже малий, оскільки вона розташована близько до поверхні ротора і охоплюється малою кількістю магнітних силових ліній, а індуктивний опір внутрішньої клітки 2 дуже великий, тому що вона охоплюється великою кількістю магнітних силових ліній (мал.5,б).

Мал. 5. Ротор двигуна з подвійною кліткою:

а – загальний вигляд ротора; б – паз ротора; 1 – пускова клітка,

2 – робоча клітка.

Щілина між клітками робиться для того, щоб магнітні силові лінії, що утворюються навколо проводів клітки 1, охоплювали клітку 2, оскільки їм легко пройти по сталі навколо клітки 2, чим по повітрю через щілину між клітками. Це сприяє ще більшому збільшенню індуктивного опору другої клітки.

4.5 Тема: Регулювання частоти обертання і пуску у хід трифазних асинхронних двигунів.

2. Пуск асинхронних двигунів з фазним ротором.

При вмиканні пускового реостата у коло фазного ротора з дотриманням умови, що r_реост = Х_к - r_рот, можна одержа­ти пусковий момент рівний максимальному.

Критичне ковзання s_кр, при якому двигун розвиває мак­симальний обертаючий момент, визначається за форму­лою

s_кр = r₂ /х_к,

де

r₂ = r_рот + r_реост.

На початку пуску ковзання s = 1, тому r₂ = х_к; ввесь опір реостата ввімкнутий у коло ротора, що відповідає положенню рукоятки реостата на клемі 1 (мал,10, а) і кривій 1 (мал.10, б).

Мал. 10 Пуск асинхронного двигуна з фазним ротором:

а – схема; б – криві моментів;

Після того як ротор двигуна розкрутиться до швид­кості, яка відповідає ковзанню s₁ переводять рукоятку реостата на клему 2, що відповідає кривій 2. Потім рукоят­ку реостата переводять на клему З, що відповідатиме кри­вій З, і після розгону двигуна на цьому ступені реостата зовсім виводять опір реостата, встановлюючи рукоятку на клему 4, що відповідає кривій 4. Таким чином, при сво­єчасному перемиканні рукоятки реостата при ковзаннях ротора s₁, s₂ ,s₃ (мал.10, б) можна до­сягти майже максимального мо­менту протягом всього періоду пуску двигуна. Пусковий струм під час пуску двигуна з фазним ротором перевищує номінальний струм двигуна у 1,5—2 рази.

Під час пуску двигуна з не­великим навантаженням, коли не­ потрібно максимального пусковогообертаючого моменту, опір реостатаберуть трохи більшим від тієї ве­личини, яка відповідає максималь­ному пусковому моменту, щоб зменшити пусковий струм. Вми­кати і вимикати з мережі двигуни з.розімкнутим фазним ротором неможна, тому що при цьому спостерігаються великі зростання пускового струму, а при вмиканні у обмотках статора і ротора виникають небезпечні для ізоляції обмоток перенапруги. Внаслідок цього пускові реостати до цих двигунів не мають холостих контактів і коло ротора завжди замкнуте.

Для запобігання спрацюванню щіток і кілець ротора та зменшення втрат на тертя двигуни великої і середньої потужності обладнують спеціальними механізмами для піднімання щіток під час замикання кілець накоротко (рис. 11).

Мал. 11 Механізм для замикання кілець і піднімання щіток

асинхронного двигуна з фазним ротором.

Для цього рукоятку Р повертають після пов­ного розгону ротора двигуна при виведеному пусковому реостаті.

Послідовність зупинки двигуна така: 1) опускають щіт­ки на кільця; 2) вводять опір пускового реостата, якщо він не введений; 3) від'єднують, статор від мережі.

Таким чином, двигун стає повністю підготовленим до наступного пуску.

4.6 Тема: Однофазні асинхронні двигуни.

1. Принцип дії однофазного асинхронного двигуна.

Якщо на статорі асинхронного двигуна виконати одну фазу обмотки, то при протіканні по ній однофазного струму створюватиметься пульсуюче магнітне поле.

Змінне пульсуюче поле Ф може бути замінене двома полями, які обертаються у різні боки з швидкістю n = ± (60f₁ /p), величини яких дорівнюють половині амплітуди пульсуючого поля,

Ф1=Ф2 =Фм/2

Така заміна можлива лише тому, що ці два поля (Ф₁ і Ф₂), які обертаються в різні напрями, створюють екві­валентне пульсуюче поле Ф (рис. 4.6.1).

Обертові поля будуть індукувати у нерухомій обмотці ротора однакові за величиною, але протилежні за знаком ЕРС і струми, у результаті чого до ротора будуть прикла­дені два однакових за величиною, але протилежних за зна­ком обертаючих моменти. Тому початковий обертаючий мо­мент буде відсутній, і ротор двигуна не зможе зрушити з місця. Якщо ж побічною силою зрушити ротор двигуна, то він буде обертатись і може витримувати навантаження.

Аналогічне явище спостерігається у трифазних двигунах при обриві одного з проводів або перегорянні запобіжника в одній з фаз двигуна.

Рис. 4.6.1. Розкладання пульсуючого поля на два обертових.

При обриві фази на ходу трифазний асинхронний двигун продовжуватиме обертатись і розвиватиме близько ¹/₂ - ²/₃ своєї номінальної потужності. Запустити такий двигун можна лише за допомогою побічного зусилля.

Магнітне поле, яке обертається в той бік, що і ротор, називається прямим, а в бік, протилежний обертанню ротора зворотним.

Швидкість прямого поля відносно ротора дорівнює різниці швидкостей поля і ротора:

n₁ - n₂ = n₁ - n₁(1 - s) =n₁s. (1)

Пряме поле індукує у роторі струм частотою f₂ = sf_l, тобто приблизно 2-5 гц.

Швидкість зворотного поля Ф₂ відносно ротора дорівнює сумі швидкостей поля і ротора:

n₁ + n₂ = n₁ + n₁ (1 - s ) = n₁ (2 - s). (2)

Зворотне поле індукує у роторі струми частотою f₂ = f₁(2 - s), тобто приблизно

95 - 98 гц.

Струм, який індукується прямим полем, взаємодіючи з ним, створює великий обертаючий момент, тому що активна складова цього струму внаслідок малої частоти буде значною.

Струм, який індукується зворотним полем, при взаємо­дії з ним створить невеликий обертаючий момент внаслі­док того, що частота цього струму велика, а активна скла­дова струму незначна.

Тому що ці моменти (М₁ і М₂) спрямовані в різні боки, то результуючий момент двигуна М дорівнюватиме різниці моментів М = М₁ - М₂ і спрямований у бік більшого

моменту М₁.

На рис 4.6.2. подані графіки залежності обертаючих моментів прямого {М₁) і зворотного (М₂) полів і сумарного моменту М від ковзання.

Рис. 4.6.2. Криві обертових моментів однофаз­ного двигуна залежно від ковзання

При ковзанні s = 1 обертаючий момент М₁ = М₂, а сумарний момент M = 0.

Якщо ротор двигуна розкрутити, припустимо, в напрямі руху годинникової стрілки, то пряме поле створить обертаючий момент М₁ при ковзанні s_Hl, а зворотне поле - момент М₂,, який надто малий за величиною, внаслідок чого результуючий момент Мн₁, досягне значної величини. Якщо під час пуску двигуна ротор розкрутити у протилежний бік, то двигун розвиватиме обертаючий момент Мн₂ при ковзанні s_Hz,який прикладений до вала двигуна у протилежному напрямі (рис.4.6.2.).

2. Двигуни з пусковою обмоткою, конденсаторні двигуни, схеми пуску.

Для розкручування ротора під час пуску застосовують різні пускові пристрої: пускову обмотку, розщеплення магнітного потоку полюсів та ін.

Пускову обмотку В (рис. 4.6.3. а) виконують на статорі, зсунутою на 90° відносно робочої обмотки А. Струми у цих обмотках зсуваються по фазі на кут, близький до 90°. Зсув струмів досягається шляхом вмикання у коло пускової обмотки конденсатора С або активного опору R. Інколи пускова обмотка виконується з малої кількості витків про-вода невеликого перерізу, а робоча - з великої кількості. Внаслідок цього робоча обмотка має великий індуктивний опір, а пускова -малий індуктивний і великий активний, чим досягається також зсув струмів у обмотках по фазі на кут, близький до 90° (рис. 4.6.3, б). Пускову обмотку вмикають тільки на час пуску, а після пуску її зразу ж вимикають.

Рис. 4.6.3 .Схеми пуску однофазних двигунів:

а - а конденсатором або активним опором у колі пускової обмотки;

б - з малим Індуктивним опором пускової обмотки при напрузі 220 в;

в - при напрузі 127 в; г - векторна діаграма при вмиканні у коло пускової обмотки активного опору; д - векторна діаграма при вмиканні у коло пускової обмотки у конден­сатора; е - схема конденсаторного двигуна.

У деяких двигунів пускова і робоча обмотки розділені на дві частини, що дає можливість вмикати двигун на різні напруги (127 або 220 в), з'єднуючи обмотки паралельно (рис. 4.6.3, в) або послідовно (рис. 4.6.3. б).

При легких умовах пуску (пральні машини, холодиль­ники) пускова обмотка однофазних двигунів має підвище­ний активний опір, причому для зменшення індуктивного опору обмотки частину її виконують біфілярно. У цьому випадку обертове магнітне поле буде не коловим, а еліптичним, тому що кут зсуву В між струмами у пусковій і робочій обмотках менший від 90° (рис. 4.6.3, г).

Для важких умов пуску у коло пускової обмотки вмикають конденсатор С. Внаслідок цього кут зсуву між струмами у робочій і пусковій обмотках може досягти 90° (рис. 4.6.3, д), що дає змогу одержати колове обертове магнітне поле.

Випускаються також так звані конденсаторні двигуни типів АОЛД і ABE, які працюють як двофазні. В них обидві обмотки, ввімкнені у мережу під час роботи, займають однакову кількість пазів і в електричне коло однієї з них ввімкнений конденсатор. У цих двигунах колове обертове магнітне поле створюється при номінальному навантаженні. Для поліпшення пускових властивостей конденсаторних двигунів під час пуску паралельно робочому конденсатору С_р вмикають пусковий С_п (рис..4.6.3, е ), який після запуску двигуна вимикається відцентровим вимикачем або пусковою кнопкою.

3. Використання трифазних двигунів як однофазних (самостійно).

При необхідності як однофазний двигун може бути використаний трифазний. Такий двигун запускають за схемами, наведеними, на рис. 267. Величину пускового опору визначають за формулою

R=U_ф/k _l I_h (рис. 4.6.4, а) (219)

R=3U_ф/2k _l I_h (Рис. 4.6.4, б), (220)

де, R - величина опору, Ом; U_ф - фазна напруга, В;

kl = Iп/ Iн = 4 ÷ 7 - береться з каталогів;

Ін- номінальний струм двигуна, А. Трифазний двигун у однофазному режимі розвиває потужність близько 0,5 Р_н, а якщо напруга, що підводиться до двигуна, буде дорівнювати 2 Uф, то близько ²/₃ Р_H трифазного двигуна.

Замість активного опору в електричне коло пускової обмотки можна вмикати конденсатор. Широкого розповсюдження набула схема, показана на рис. 4.6.4. в, тому що у цьому випадку трифазний асинхронний двигун, розрахований на напругу 380/220 в, можна використовувати як однофазний у мережі напругою 220 в.

Величину ємності робочого конденсатора можна ви­значити за формулою

С_р= 4800* (I_H/U_H) (мкф),

де I_н - номінальний фазний струм двигуна, A;

U_H - номінальна фазна напруга, B.

Ємність С_n пускового конденсатора у 2,5 - 3 рази більша від ємності С_р робочого конденсатора.

Рис. 4.6.4. Схеми пуску трифазних двигунів у однофазному режимі:

а, б - з пусковим опором;

в - з конденсаторами.

4.7 ТЕМА: Асинхронні генератори