ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Генераторы – устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Двигатель – электрическая энергия преобразуется в механическую.

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Асинхронная машина – это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор работает асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля.

Достоинства – простота и дешевизна, отсутствие легко повреждающихся и быстроизнашивающихся частей.

Недостаток – сложность и неэкономичность режимов работы.

Конструкция.

Состоит из двух главных частей:

- неподвижный статор;

- вращающийся ротор.

Статор.

Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. На внутренней стороне цилиндра имеются пазы (канавки) в которые помещаются обмотки образующие магнитную цепь.

Оси фазных обмоток сдвинуты относительно друг друга на угол , где р – число пар полюсов = количеству обмоток в одной фазе, соединенных между собой последовательно.

Ротор.

Асинхронные машины различают по конструкции ротора:

- Фазный ротор;

- Короткозамкнутый ротор.

Фазный ротор – представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник насаживается на вал, в пазах ротора располагаются витки обмоток, образующие трехфазную цепь.

Обмотки соединены звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированы от этого вала. На кольца наложены щетки, через кольца и щетки обмотка обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату для регулирования пускового тока и скорости двигателя.

Схема соединения асинхронного двигателя с фазным ротором:

Короткозамкнутый ротор. Относительно дешевле и чаще используется, обслуживание значительно проще.

Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных и алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника и их концы замыкаются накоротко кольцами («беличье колесо»).

Принцип действия. Режим двигателя

К трехфазной обмотке статора подводится трехфазное напряжение, под действием которого в статоре возникает вращающееся магнитное поле. Магнитный поток Ф₁ создаваемый обмоткой статора, при своем перемещении пересекает обмотки ротора и индуктирует в них э.д.с., если обмотки ротора замкнуты, то в них возникают токи. В трехфазной обмотке возникает трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора.

Потоки Ф₁ и Ф₂ вращаются синхронно и образуют общий поток Ф.

В результате взаимодействия токов с магнитным потоком Ф на проводники ротора действует механический и вращающий Эл. магнитный момент. Если момент М > тормозного момента, то ротор приходит во вращение по направлению вращения поля, с меньшей скоростью.

Относительная разность скорости вращения поля и ротора называется скольжением

n₁ – скорость вращения магнитного поля (об/сек);

n₂ – скорость вращения ротора (об/сек).

; при ,

; ,

где р – число пар полюсов, равно количеству обмоток в одной фазе статора.

;

f₁ – частота сети;

f₂ – частота тока в роторе.

РЕЖИМ ГЕНЕРАТОРА

Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение в направление вращения поля со скоростью выше синхронной, то ротор будет обгонять поле. В обмотке ротора токи поменяют направление. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть, S при этом < 0.

РЕЖИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТОРМОЗА

Если ротор вращать в направлении обратном направлению вращения поля статора, электромагнитный момент М будет действовать в направлении поля, но будет тормозить вращение ротора. В этом случае S > 1.

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СТАТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

На рисунке простейшая однополюсная обмотка:

A, B, C – начало фаз;

X, Y, Z – концы фаз.

Проводники каждого витка расположены друг от друга на расстояние полюсного деления

,

где D – внутренний диаметр сердечника статора;

При р = 1 полюсное деление составляет половину окружности .

Начала фаз сдвинуты относительно друг друга на угол .

На развертке сечений проводников показаны направления токов, когда:

; .

Представим направление токов для момента времени, когда фаза изменилась на , т.е.

; ; .

Из рисунков видно, что токи расположены на поверхности статора по синусоидальному закону и составляют две зоны, каждая величиной направление токов в этих зонах противоположны.

Токи проводников обмотки статора создают двухполюсной магнитный поток Ф. При изменении фазы токов на полюса поворачиваются в направлении следования фаз на . Магнитное поле вращается, за один период изменения тока поле поворачивается на .

Скорость вращения поля

f₁ — частота тока статора;

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз (А, В,С).

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Комплексная мощность трехфазного асинхронного двигателя

Р₁, Q₁ – активная и реактивная мощности двигателя.

Активная мощность двигателя Р₁ определяет среднюю мощность необратимого преобразования электрической энергии получаемой из сети тепловой и др. виды энергии.

Реактивная мощность Q₁ – максимальная мощность обмена энергией между источником и магнитным полем двигателя.

АКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ И КПД ДВИГАТЕЛЯ

В диаграмме исходной величиной является мощность

-

потребления электрической энергии из трехфазной сети.

Р_пр1 – мощность потерь на нагрев проводов статора;

Р_вр.п. – мощность вращающегося магнитного поля;

Р_с – мощность потерь из-за гистерезиса;

Р_эм – электромагнитная мощность ротора.

;

Р_мех – механическая мощность развиваемая ротором;

;

Р_пр2 – потери на нагрев проводов ротора;

Р₂ – полезная мощность на валу;

;

Р_м.п. – механические потери (трение);

.

Двигатели малой и средней мощности имеют номинальное к.п.д. 70 – 90%, двигатели большой мощности имеют к.п.д. ~ 94 – 96%.

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Необходимость магнитного поля вращаться приводит к наличию реактивной мощности. Представляет интерес соотношение между активной и реактивной мощностями, которое оценивается коэффициентом мощности.

.

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Вращающий момент можно определить на основании выражения механической мощности:

,

где – угловая скорость ротора;

.

Связь между угловыми скоростями определяется скольжением

; ,

Угловая скорость вращающегося поля

,

- угловая частота тока в статоре;

р – число пар полюсов.

,

.

R – эквивалентное сопротивление, на котором электрическая энергия превращается в тепло (на этом сопротивлении замыкается цепь ротора);

m₂ – число фаз или количество стержней ротора;

I₂ – ток в роторе;

,

R₂ – сопротивление обмоток ротора.

; .

Е₂ – э.д.с. вращающегося ротора;

- э.д.с. неподвижного ротора;

,

W₂ – число витков в каждой фазе ротора;

К_об2 – обмоточный коэффициент,

для к.з. ротора ;

Вводим в уравнение значение магнитного потока

и ; . *

Вращающий момент пропорционален потоку и силе тока

.