Выбор средств регулирования напряжения в системе электроснабжения. Синхронный двигатель и асинхронный двигатель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Синхронный двигатель и асинхронный двигатель

3.1 Конструкция и принцип  действия синхронного двигателя

 

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного  двигателя постоянна при различных  нагрузках. Синхронные двигатели находят  применение для привода машин  постоянной скорости (насосы, компресоры, вентиляторы).

В статоре синхронного  электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного  тока и образующая вращающееся магнитное  поле. Ротор двигателя состоит  из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику  постоянного тока. Ток обмотки  возбуждения создает магнитное  поле, намагничивающее ротор.

Роторы синхронных машин  могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами). На рисунке 6а изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2. На рисунке 1б изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.

 

Рисунок 6 – Ротор синхронного  двигателя

 

       Рассмотрим  принцип работы синхронного двигателя на модели (рисунок 7).

Рисунок 7 – Принцип работы синхронного двигателя

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим  в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол α. Северный магнитный полюс  магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол α. Будем вращать  магнит 1. Магнит 2 будет вращаться  вместе с магнитом 1, причем частоты  вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными,  n2 = n1.

Синхронный реактивный двигатель - это синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения.

Ротор синхронного реактивного  двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явновыраженные полюсы. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.

Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось  магнитного поля ротора повернется на угол θ относительно оси магнитного поля статора.

С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель  остановится, выпадет из синхронизма.

У синхронных двигателей отсутствует  пусковой момент. Это объясняется  тем, что электромагнитный вращающий  момент, воздействующий на неподвижный  ротор, меняет свое направление два  раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

В настоящее время применяется  асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.

Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При  взаимодействии этих токов с магнитным  полем статора образуется асинхронный  электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота  вращения ротора приближается к частоте  вращения статорного поля, двигатель  втягивается в синхронизм и вращается  с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

 

 

 

 

 

3.2 Конструкция асинхронных машин

 

Асинхронный двигатель состоит  из двух основных частей, разделенных  воздушным зазором: неподвижного статора  и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора – вторичной, так как энергия в нее поступает  из обмотки статора за счет магнитной  связи между этими обмотками.

Конструкции асинхронных  машин делятся на два основных типа: с короткозамкнутым ротором  и фазным ротором. Наиболее распространение  получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые в серии 4А выполняются  на все мощности, включая 400 кВт.

Обмотки короткозамкнутых роторов  выполняются литыми из алюминия или его сплавов. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков.

Короткозамкнутые роторы крупных машин и специальных  асинхронных машин с улучшенными  пусковыми характеристиками выполняются  сварными. Стержни ротора из меди или  латуни привариваются к короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

Асинхронные машины с фазным ротором имеют на роторе обмотку  из круглых или прямоугольных  проводов, которая выполняется так  же, как и обмотка статора.

Асинхронные двигатели с  короткозамкнутым ротором серии 4А  можно разделить на две разновидности  по степени защиты и способу охлаждения. Машины закрытые, защищенные от попадания  внутрь ее брызг любого направления  и предметов диаметром более 1 мм, имеют внешний обдув вентилятором.

Наружный обдув в закрытых двигателях осуществляется вентилятором, окруженным кожухом . Для улучшения теплоотдачи станина двигателя имеет продольные радиальные ребра. Вентиляционные лопатки ротора  перемешивают воздух внутри машины, отводя тепло от более нагретых лобовых частей обмотки.

В двигателях защищенного  исполнения со степенью защиты 1Р23 применена  двусторонняя симметричная радиальная система вентиляции. Воздух попадает в машину через отверстия в щитах, а выходит через отверстия в щитах, а выходит через отверстия в станине. Напор воздуха внутри машины создается лопатками, отлитыми вместе с короткозамкнутой обмоткой ротора, а диффузоры, укрепленные на подшипниковых щитах, направляют поток воздуха.

В двигателях с фазным ротором  обмотка ротора выполняется всыпной из круглого провода или стержневой из меди прямоугольного сечения.

Отличительной особенностью машин с фазным ротором является наличие на роторе обмотки из проводников  круглого или прямоугольного сечения, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контактных колец вынесен  из станины, а контактные кольца закрыты  кожухом. Узел контактных колец – консольного типа. Контактные кольца, опрессованные пластмассой, насаживаются на вал двигателя, они выполняются чугунными или медными. Выводные концы обмотки ротора подходят к трем кольцам через внутреннее отверстие в вале ротора. Обмотка ротора соединяется в звезду.

Токосъемный аппарат состоит  из щеток и щеткодержателей. Щеткодержатели укреплены на изолированной части  пальца, металлический конец которого ввинчен в прилив подшипникового щита.

Статор асинхронной машины с короткозамкнутым или  с фазным ротором состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнитопровод статора набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга и имеющих на внутренней поверхности пазы.

Сердечник статора состоит  из отдельных пакетов, которые после  сборки скрепляют скобами и укрепляют  в станине. При сборке пакетов  магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пазов и число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.

В производстве асинхронных  двигателей используются горячекатаные  и холоднокатаные стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Горячекатаные стали не имеют магнитной анизотропии, а  холоднокатаные имеют значительную анизотропию. Горячекатаная сталь  марки 1211 при напряженности магнитного поля Н = 2500 А/м имеет индукцию 1,53 Тл, а удельные потери = 3,3 Вт/кг.

Для асинхронных двигателей серии 4А с высотой оси вращения до 160 мм применяется холоднокатаная рулонная сталь марки 2013 с  = 1,65 Тл и = 2,5 Вт/кг. Для двигателей с высотой оси вращения свыше 160 мм используется холоднокатаная рулонная сталь марки 2212 с = 1,6 Тл и = 2,2 Вт/кг.

Обычно из одного рулона штампуются листы как статора, так и ротора. Так как частота перемагничивания ротора небольшая и равна 1-2 Гц, листы ротора не изолируются друг от друга.

Станины двигателей изготавливаются  из алюминиевого сплава АЛ-2, для двигателей большой мощности – из чугуна. Станины  выполняются с прилитыми лапами, с продольными приливами для  крепления подшипниковых щитов. Станины имеют поперечные ребра  для улучшения и усиления механической прочности.

Подшипниковые щиты выполняются  из сплава АЛ-2. Отверстие под подшипник  армировано стальной втулкой. Щиты двигателей большой мощности выполняются из чугуна. Для упрочнения конструкции  щиты имеют ребра. В двигателях серии 4А одна подшипниковая опора со стороны вала плавающая, а вторая – фиксирующая. Подшипник, устанавливаемый  в фиксирующей опоре, воспринимает радиальную и осевую нагрузки. Подшипник в плавающей опоре свободно перемещается в аксиальном  направлении, предотвращая заклинивание при отклонении от предельных размеров и тепловых расширениях. Подшипниковый узел состоит из подщипников, подшипниковых крышек и элементов уплотнения. Подшипниковые узлы выполняются с устройством для пополнения смазки, а также с подшипниками, имеющими двустороннее уплотнение и постоянно заложенную смазку, рассчитанную на весь срок службы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Принцип действия асинхронных машин

 

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рисунок 8, 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 (рисунок 8,б). Обмотку ротора 4 выполняют трехфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее в простейшем случае замыкают накоротко. 

 

Рисунок  8 - 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 рисунке 7, 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 рисунке 8 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.                                                     (7)

 

Скольжение часто выражают в процентах

 

s = [(п1 - п2 )/п1 ] • 100.                                       (7 а)

 

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 (рисунок 9, 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.