Устройство 3-ф асинхронных и синхронных машин

Дополнительно по теме

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ И СИНХРОННЫХ МАШИН

В электрических машинах происходит преобразование механической энергии в электрическую (электрические генераторы) или электрической энергии в механическую (электрические двигатели) за счет энергии магнитного поля. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные сердечники, в пазы которых закладываются обмотки, выполняемые, как правило, из меди (иногда — из алюминия). Сердечники и обмотки являются активными частями машины, так как они непосредственно участвуют в процессе преобразования энергии. Для крепления сердечников и обмоток, фиксации взаимного положения вращающейся (ротор) и неподвижной (статор) частей машины служат конструктивные части — станина, щиты, вал, подшипники и т. д.

1 Устройство асинхронных машин (рис. 16-1, левая половина). Сердечники статора и ротора набираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Предварительно листы лакируются (листы ротора — не всегда). Сердечник статора фиксируется в металлической станине (серый чугун, силумин, сталь), которая неподвижно закрепляется на фундаментной плите. Сердечник ротора насаживается либо непосредственно на вал, либо на сварную (литую) втулку, которая укрепляется на валу. Концы вала опираются на два подшипника. Между сердечниками статора и ротора имеется небольшой воздушный зазор. В пазах сердечника статора размещается многофазная якорная обмотка (см. раздел), в пазах сердечника ротора — или многофазная, обычно трехфазная якорная обмотка, подобная обмотке статора (двигатель с контактными кольцами), или короткозамкнутая обмотка типа беличьей клетки (см. раздел). В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой сопрягаются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочное сопротивление или дополнительную э. д. с. для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.

Конкретное конструктивное оформление асинхронных машин очень разнообразно. Оно зависит от ряда факторов: от способа защиты от воздействия среды; от способа охлаждения; от габаритов машины и т. д.

2 Принцип действия асинхронного двигателя (рис. 16-2). Асинхронные машины используются главным образом в качестве электродвигателей. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя не только переменного тока, но и вообще электрического двигателя.

Токи частоты , потребляемые из сети и взаимно смещенные во времени на 120 эл. град, протекают по фазам обмотки статора, оси которых взаимно смещены в пространстве также на 120 эл. град, и образуют результирующую н. с. вращающуюся в пространстве со скоростью , где с — число пар полюсов обмотки, равное числу периодов магнитного поля (на рис. 16-2 каждая фаза обмотки машины с 2р = 2 показана в виде трех катушек). Намагничивающая сила F1 создает вращающееся магнитное поле (см. п. 5), которое наводит в обмотке ротора э. д. с. . Угловую скорость W1 и частоту вращения n магнитного поля называют синхронными - скоростью и частотой. Под действием э. д. с. в обмотке протекает ток .Ток несколько отстает по фазе от э. д. с. так как обмотка ротора имеет некоторое индуктивное сопротивление. В результате взаимодействия тока ротора вращающимся магнитным потоком Ф возникает вращающий электромагнитный момент , где j— угол сдвига по фазе между и . В режиме двигателя ротор под действием момента М приходит во вращение с некоторой скоростью W= 2pn в том же направлении, в каком вращается поле.

Относительную разность угловых скоростей или частот вращения поля и ротора называют скольжением

При изменении нагрузки в широком диапазоне (например, от холостого хода до номинальной) скорость ротора изменяется лишь на 3—5%. При номинальной нагрузке s= 0,03...0,05,

В асинхронном двигателе частота вращения ротора должна быть меньше частоты вращения поля, так как в случае равенства этих частот в обмотке ротора ие наводилась бы э. д. с, не было бы тока 1 и не возникал бы вращающий электромагнитный момент; под действием которого ротор приходит во вращение. Это различие частот вращения магнитного поля и ротора и послужило причиной наименования рассматриваемых машин асинхронными. Оно также свойственно машине и при работе в режиме генератора и тормоза.

Частота э. д. с. и тока в обмотке ротора

Вращающийся поток машины Ф пропорционален результирующей н. с. обеих обмоток (н. с. вращаются в пространстве с одинаковыми скоростями). Он зависит от напряжения U1 частоты f1 питающей сети. При неизменных U1 и f1 поток Ф изменяется очень незначительно (2—3%) при изменении нагрузки двигателя в широком диапазоне (от холостого хода до номинальной).

При работе асинхронной машины в режиме двигателя и электромагнитный момент является вращающим. Если ротор привести во вращение с помощью постороннего двигателя со скоростью W>W1 (статор включен в сеть), то асинхронная машина будет работать в режиме генератора, отдавая активную мощность в сеть; при этом электромагнитный момент направлен навстречу внешнему вращающему моменту. Если ротор под действием внешнего момента вращается навстречу полю, т. е. W<0, то асинхронная машина работает в режиме тормоза, потребляя из сети активную мощность; при этом электромагнитный момент действует в сторону вращения поля, т. е. навстречу внешнему вращающему моменту. В режиме генератора и тормоза электромагнитный момент асинхронной машины является тормозящим.

Примечание.

В разделе принята следующая система обозначения выводов трехфазных обмоток: начала фаз обозначаются буквами А, В, С, концы фаз — соответственно буквами X,Y,Z. На рис. 16-2, 16-4 буквами А и А'; В и В'; С и С' обозначены группы проводников обмоток фаз, в которых попарно ток протекает в противоположных направлениях.

Рис. 16-1. Устройство машин переменного тока.

1 -станина (корпус статора); 2 - сердечник статора; 3 - нажимная гребенка; 4 - шпонка; 5 - обмотка статора; 6а - обмотка ротора; 6с - обмотка возбуждения; 7а - соединительный хомутик обмотки ротора; 7с - демпферная обмотка; 8а - сердечник ротора; 8с - сердечник полюса; 9а - нажимная гребенка; 9с - нажимная шека полюса; 10с - ярмо ротора; 11 - токоподвод к контактным кольцам; 12 - контактные кольца; 13 - вал; 14 - стяжная шпилька.

Рис. 16-2. К объяснению принципа действия трехфазного асинхронного двигателя (2р-2).

Рис. 16-3. Размеры и устройство неявнополюсного ротора.

1 - массивный сердечник ротора (стальная поковка); 2 - большой зуб ротора; 3 - малый зуб ротора; 4 - осевой канал ротора; 5 -катушка обмотки возбуждения; 6 - аксиальный канал в большом зубе; 7 - стальной клин канала; 8 - клин; 9 - бандажное кольцо; 10 - центрирующее кольцо; 11 - выводы обмотки возбуждения; 12 - контактные кольца.

Распределение токов по фазам обмотки статора показано для момента времени, когда ток в фазе А имеет максимальное значение:

3 Устройство синхронной машины (рис. 16-1, правая половина). Статор синхронной машины принципиально устроен так же, как и статор асинхронной машины (см. п. 1). На роторе, вал которого опирается на подшипники, располагается обмотка возбуждения, имеющая такое же число полюсов 2р, как и обмотка статора. Обмотка возбуждения питается постоянным током через два контактных кольца и щетки от постороннего иточника. Обмотка возбуждения создает магнитное поле возбуждения. Конструктивное оформление ротора существенно зависит от частоты вращения машины. При n1500 об/мин (соответственно 2р4 при f= 50 Гц) применяется явнополюсное исполнение (явно выраженные полюсы)— рис. 16-1. При n=3000 об/мин (иногда при n=1500 об/мин), т. е. при 2р = 2(4) и f=50 Гц применяется неявнополюсное исполнение (неявно выраженные полюсы) — рис. 16-3.

Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов и ярма, к которому они прикрепляются. Полюсы обычно собираются из штампованных листов стали марки Ст. 3 толщиной 1—1,5 мм, которые стягиваются коваными или литыми нажимными щеками. В отдельных случаях применяются массивные литые полюсы. Полюсы крепятся к ярму ротора с помощью либо болтов (машины малой и средней мощности с массивным ярмом), либо полюсных хвостов Т-образной (рис. 16-1) или иной формы. На каждом полюсе устанавливается катушка обмотки возбуждения (см. раздел).

Ярмо ротора выполняют массивным (сварное, литое) или шихтованным из штампованных листов стали марки Ст. 3 толщиной 1,5 — 6 мм (если листы штампуются) и до 100 мм (если листы вырезаются пламенем газовой горелки). Листы стягиваются шпильками. При малом наружном диаметре (до 2-4 м) ярмо изготовляется из сплошных листов и насаживается непосредственно на вал. При большом диаметре ярмо собирается из отдельных сегментов, которые крепятся к сварному ободу, жестко связанному с валом с помощью спиц. Для улучшения вентиляции машин, имеющих значительную осевую длину, Обод выполняется подразделенным на несколько пакетов, между которыми имеются каналы для прохождения охлаждающего воздуха к периферийным зонам ротора.

Сердечник неявнополюсного ротора (рис. 16-3) изготовляется как единое целое с хвостовиками (концами вала) из одной поковки из углеродистой (диаметром до 800 мм) или легированной (диаметром свыше 800 мм) стали. Обмотка возбуждения распределяется по нескольким пазам ротора. Для защиты лобовых частей обмотки возбуждения от действия центробежных сил применяют стальные бандажные кольца (каппы), изготовляемые для крупных турбогенераторов из немагнитной стали с высокими механическими свойствами. Бандажное кольцо жестко сопрягается с сердечником или хвостовиком.

Рис. 16-4. К объяснению принципа действия трехфазной синхронной машины (2р-2).

4 Принцип действия синхронной машины (рис. 16-4). Синхронные машины используются преимущественно как генераторы электрической энергии. Синхроный генератор является основным типом генератора переменного тока. Ограниченное, но все более расширяющееся применение находят и синхронные двигатели.

При работе синхронной машины в качестве генератора возбужденный ротор приводится во вращение со скоростью W внешним механическим вращающим моментом (например, моментом гидравлической или паровой турбины). Ток обмотки возбуждения создает н. с. и магнитный поток, неподвижный относительно полюсов и замыкающийся через сердечник статора. Вращающимся потоком возбуждения в обмотке статора индуктируется э. д. с. частоты . Электродвижущие силы фаз трехфазной обмотки Взаимно смещены во времени на эл. град, так как оси обмоток фаз взаимно смещены в пространстве на 120 эл. град (см. п. 5). Если к обмотке статора присоединить симметричную нагрузку, то под действием э. д. с. в ней и во внешней цепи будет протекать симметричная система токов которые создают н. с. якоря магнитное поле, вращаюшиеся со скоростью W, т. е. синхронно с ротором (см. п. 5). Результирующий вращающийся магнитный поток Ф образуется совместным действием взаимно неподвижных н. с.

В результате взаимодействия потока Ф с током обмотки якоря возникает электромагнитный момент М=ФIсоsj, где I=Iа=Iв=Iс, j— угол сдвига по фазе между напряжением и током генератора. В генераторном режиме электромагнитный момент действует навстречу внешнему вращающемуся моменту, т, е. является тормозящим.

При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка статора подключается к трехфазной сети переменного тока, а обмотка ротора — к источнику постоянного тока. Обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем обмотки возбуждения возникает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор вращается с синхронной скоростью W. В установившемся режиме электромагнитный момент уравновешивается вешним тормозящим механическим моментом.

Равенство частот вращения магнитного поля и ротора принципиально характерно для рассматриваемых машин и послужило причиной наименования их синхронными.

Явнополюсная синхронная машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя при отсутствии обмотки возбуждения, когда поток Ц создается только обмоткой статора. Такие машины называют синхронными реактивными машинами.

Примечания: 1. Обмотку переменного тока синхронной машины называют также обмоткой якоря, или якорной обмоткой, а часть машины, на которой уложена эта обмотка, — якорем. Магнитную систему, на которой располагается обмотка возбуждения, называют также индуктором.

Наиболее распространено такое исполнение синхронных машин, когда якорь является внешней частью машины и он неподвижен, а индуктор вращается. Однако машины малой мощности иногда выполняют с неподвижным внешним индуктором и вращающимся якорем.

5 Вращающееся магнитное поле. Работа многофазных () машин переменного тока основана на явлении вращающегося магнитного поля, которое заключается в том, что при протекании по сдвинутым в пространстве фазам многофазной обмотки токов, взаимно сдвинутых во времени, образуется вращающееся магнитное поле.

Одному периоду изменения магнитного поля в воздушном зазоре соответствует полный электрический угол, равный 360 эл. град, или два полюсных деления основной гармонической магнитного поля. Под основной гармонической магнитного поля обычно понимается гармоническая составляющая магнитной индукции в воздушном зазоре машины, имеющая наибольшую амплитуду по сравнению с другими гармоническими. Число полюсов обмотки 2р равно удвоенному числу периодов поля р. Следовательно, полюсное деление или t=180 эл. град. В машине с 2р полюсами полному геометрическому углу 360° соответствуют с полных электрических углов, или 360 эл. град. Таким образом, 1°=р эл. град.

На рис. 16-5 показана простейшая трехфазная (m=3) двухполюсная (2р=2) обмотка якоря, каждая фаза которой состоит из одного витка (об обмотках — см. раздел). Расстояние между проводниками, образующими один виток, равно полюсному делению. Нормально обмотки фаз в пространстве, а токи фаз во времени должны быть взаимно сдвинуты на угол 360/га. эл. град (условие образования кругового вращающегося поля). Взаимный сдвиг фаз обмотки на рис. 16-5 равен 360/m эл. град = 120 эл. град или, поскольку обмотка двухполюсная, 120 геом. град. На рис. 16-5, б показаны направления токов в проводниках обмотки в исходный момент времени (t=0), когда (за положительное условно принято направление тока в начальных проводниках фаз А, В, С за плоскость рисунка). На рис. 16-5,6 показаны направления токов в проводниках через четверть периода ,когда , а на рис. 16-5, в еще через четверть периода (t=1/2T), когда (мгновенные значения токов фаз определяются как проекции амплитудных векторов токов фаз на вертикальную ось).

Из рис. 16-5 видно, что обмотка создает двухполюсный магнитный поток, вращающийся в пространстве в направлении чередования фаз (А—В—С). За один период Ф изменения тока частоты f поле поворачивается на 360 эл. град, или на 2t. Следовательно, n [об/с] =f [Гц].

2р-полюсная обмотка создает 2р-полюсный магнитный поток, вращающийся в пространстве с частотой, в p раз меньшей, чем поток двухполюсной обмотки, при одинаковой частоте тока.

В общем случае механическая угловая скорость вращения поля W=2pn, где n=f/p, об/с, или n=60f/p, об/мин.

Рис. 16-5. Образование вращающегося магнитного поля.

Таблица 16-1 Частоты вращения поля при f=50 Гц


p	1	2	3	4	5	6	10	20	50
n,об/мин	3000	1500	1000	750	600	500	300	150	60

В табл. 16-1 приведены частоты вращения магнитного поля трехфазных обмоток при токе промышленной частоты 50 Гц.

Угловая скорость магнитного поля, выраженная в электрических угловых единицах (эл. рад или эл. град), называется электрической угловой скоростью. При механической угловой скорости W электрическая угловая скорость поля равна w=сW. Электрическая угловая скорость поля обмотки численно равна круговой частоте тока обмотки w=2pf.