Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока. Назначение, область применение, устройство принцип действие машин.
Машины переменного тока бывают двух видов. Это синхронные машины и асинхронные. У синхронных машин скорость вращения ротора строго зависит от частоты переменного тока. Можно сказать скорость вращения "синхронна" с частотой тока. Не трудно догадаться, что у асинхронных машин частота вращения в общем случае зависит от нагрузки на валу, а не от частоты питающего тока. Кроме деления на синхронные и асинхронные электрические машины еще делятся по назначению. Это могут быть генераторы. То есть такая машина, которая преобразует механическую энергию вращения в переменный электрический ток. Машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую называется двигателем. Также существует еще один класс электрических машин. Они преобразуют электрическую энергию, тоже в электрическую, но другой частоты или напряжения. Синхронной машиной переменного тока называют такую машину, в которой: основное магнитное поле то есть поле статора создается постоянным током. В частном случае это может быть даже постоянный магнит. А вращение ротора происходит с частотой изменения тока.
n=60fPФормула 1 — зависимость частоты вращения ротора синхронной машины от частоты переменного тока. где n это частота, с которой вращается ротор, измеряется в оборотах в минуту. То есть, сколько полных оборотов совершит ротор за одну минуту. f частота питающего переменного тока p количество пар полюсов у магнитной системы машины
В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.
Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.
За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.
Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания. Неподвижная часть машины называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 2.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия.
Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами c1,c2,c3, концы – c4,c5,c6.

Начала и концы фаз выведены на клеммник, закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда или треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл=660В по схеме звезда или в сеть с Uл=380В – по схеме треугольник.
Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

Сердечник ротора  набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов:короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки”. Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.
Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.
Однафазные асинхронные двигатели.
Асинхронный двигатель является простейшей из электрических машин. Как и любая электрическая машина, он имеет две основные части: статор и ротор.
Статор (рис. 6.1) состоит из чугунной станины 1, в которой закреплен магнитопровод 2 в виде полого цилиндра. Между станиной и сердечником обычно оставляют зазор, через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких (0,5 мм) листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком.

Рис. 6.1. Конструкция статора асинхронного двигателя:
1 — станина; 2 — сердечник; 3 — обмотка;
4 — лапа; 5 — прокладка
В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора, укладывают обмотку 3. У двухполюсной машины обмотка статора состоит из трех катушек, сдвинутых на углы 120°, у четырехполюсной — из шести катушек, сдвинутых на 60°, у шестиполюсной — из девяти катушек и т. д. Обмотку в пазах статора закрепляют клиньями.
Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной (рис. 6.2). Короткозамкнутая обмотка типа

Рис. 6.2. Общий вид ротора асинхронного двигателя с коротко- замкнутой (а) и фазной (б) обмотками
«беличья клетка» изображена на рис. 6.3. Она состоит из толстых проводящих стержней (медь, алюминий), соединенных по торцам медными или алюминиевыми кольцами. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора. Иногда ее изготовляют заливкой расплавленного алюминия в пазы ротора.
Контактные кольца1, изготовленные из латуни или меди, укрепляют на валу двигателя с помощью изолирующих прокладок. Щеткодержатель с угольными или медно-графитовыми щетками 2 крепят на подшипниковом щите.

Рис. 6.3. Общий вид коротко- замкнутой обмотки типа «беличья клетка»

Рис. 6.4. Схема соединения фазной обмотки ротора с регулировочными реостатами:
1 —'контактные кольца, 2— щетки; 3 — реостаты
Общий вид асинхронного двигателя показан на рис. 6.5.


Рис. 6.5. Общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками ротора

Принцип действия асинхронного двигателя.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники.
При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки роторо. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индукциреутся ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.
В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.
Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т. е. несинхронно с полем, или асинхронно.
Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.
Синхронный двигатель
Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис. 6.6).
Принцип работы синхронного двигателя поясняется рис. 6.7. Внутри магнита N1 S1 помещен магнит NS. Если магнит N1 S1 вращать, то он потянет за собой магнит NS. В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.
К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита NiSi. При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.
В реальном двигателе поле магнита N1 S1 заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол α, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора: n2=n1=60fp.
Рис. 6.6. Схематическое изображение Рис. 6.7. К пояснению принципа синхронного двигателя работы синхронного двигателя
Постоянство частоты вращения — важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя — трудность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный. Короткозамкнутая обмотка при этом оказывается обесточенной, так как частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора и стержни обмотки ротора не пересекаются магнитными силовыми линиями.
В настоящее время существует тенденция замены на подвижных объектах (корабли, самолеты, автомобили) электрических цепей постоянного тока цепями переменного тока повышенной частоты (200, 400 Гц и выше). Возможность использования бесколлекторных машин переменного тока, трансформаторов и магнитных усилителей позволяет повысить надежность работы цепи, а также уменьшить габариты и массу машин и аппаратов.
При оборудовании объекта сетью переменного тока широкое применение находит электропривод на переменном токе. Разработаны схемы с асинхронными и синхронными двигателями, которые позволяют выполнить все операции, осуществляемые ранее двигателями постоянного тока.
Преимущества асинхронных двигателей особенно заметны тогда, когда по условиям работы привода нет необходимости в плавном регулировании частоты вращения в широких пределах и больших пусковых моментах (привод насосов, вентиляторов и др.).
Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности.
Синхронный генератор
Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем (отсюда их название). Поскольку частоты вращения ротора и магнитного поля одинаковы, в обмотке ротора не индуцируются токи. Поэтому обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока.
Устройство статора синхронной машины (рис. 6.8) практически не отличается от устройства статора асинхронной машины.

Рис 6.8. Общий вид статора синхронного генератора.

Рис 6.9. Общий вид неявнополюсного ротора синхронного генератора.
Роторы синхронных генераторов могут быть явнополюсными (рис. 6.9) и неявнополюсными (рис. 6.10). В первом случае синхронные генераторы приводятся в действие тихоходными турбинами гидроэлектростанций, во втором — паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

Рис. 6.10. Общий вид неявнополюсного ротора синхронного генератора
Используют различные способы возбуждения синхронных генераторов. Широкое распространение получил синхронный генератор с машинным возбудителем, представляющим собой генератор постоянного тока, расположенный на одном валу с синхронным генератором. Машинный возбудитель приводится в действие от того же первичного двигателя, что и синхронный генератор. Выходные зажимы возбудителя через щетки и кольца подсоединены к обмотке ротора синхронного генератора. Напряжение синхронного генератора можно регулировать реостатом в цепи обмотки возбуждения возбудителя, что удобно и энергетически выгодно, так как в этой обмотке протекают сравнительно небольшие токи.
Находят также применение генераторы с самовозбуждением через полупроводниковые или механические выпрямители.
Из характеристик синхронного генератора наибольший практический интерес представляют внешние характеристики, выражающие зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных значениях тока возбуждения, частоты и коэффициента мощности.