1.Общие вопросы теории электрических машин

1.4.Принцип действия трансформатора

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство с двумя или большим числом индуктивно связанных обмоток, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции: значение электродвижущей силы (ЭДС), наведенной в обмотках трансформатора, прямо пропорционально изменению магнитного потока Ф, сцепленного с этими обмотками. Направление наведённой ЭДС определяется законом Ленца: ток, протекающий под действием наведенной в обмотках ЭДС, стремится воспрепятствовать изменению магнитного потока, сцепленного с обмотками. Следовательно, ЭДС, на-

веденная в обмотках трансформатора магнитным потоком:

	e = −	dψ	= −w		dΦ	= −L di		,	(1.6)
		dt			dt
							dt
	где ψ = wΦ =iL −потокосцепление			обмотки			трансформатора;		w − число

витков обмотки; i −мгновенное значение тока, протекающего по обмотке; L – индуктивность обмотки.

Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора. Электромагнитная схема такого трансформатора (рис. 1.1) состоит из двух обмоток, размещенных на замкнутом магнитопроводе. Магнитопровод для усиления магнитной связи между обмотками выполнен из ферромагнитного материала с малым магнитным сопротивлением. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), обмотку более низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотка, которую включают в сеть, – первичная обмотка с числом витков w1. Обмотка, к которой подключают

нагрузку, – вторичная обмотка с числом витковw2 .

Вкачестве нагрузки трансформатора может быть линия электропередач или автономный потребитель. Первичная и вторичная обмотки могут быть как ВН, так и НН.

Врежиме холостого хода первичную обмотку подключают к сети переменного тока с синусоидальным напряжением u1 =U1m sin ωt . Вторич-

ная обмотка трансформатора в режиме холостого хода разомкнута (нагрузка к зажимам вторичной обмотки не подключена).

В режиме холостого хода ток первичной обмотки называют током холостого хода i1 = i0 .

14

1. Общие вопросы теории электрических машин

u1 =U1m sinω t

Φσ1
Φ = Φ	0
i1 = i0
e2	w2
	u =e
w1	2	2
e1

Рис. 1.1. Электромагнитная схема трансформатора в режиме холостого хода

Ток холостого хода, протекая по виткам w1 , создаёт магнитодвижущую силу

F0 = i0w1 .

(1.7)

Магнитодвижущая сила (МДС) F0 возбуждает в магнитопроводе

трансформатора переменное магнитное поле. Магнитное поле удобно представить в виде наложения двух полей.

1. Основное поле (поле взаимоиндукции), поток Ф которого на холо-

стом ходу полностью замыкается по магнитопроводу. Основной магнитный поток Ф сцеплен почти со всеми витками первичной и вторичной обмоток трансформатора.

2. Поле рассеяния, поток Φσ1 которого замыкается частично по маг-

нитопроводу, а частично вне магнитопровода по маслу и конструктивным частям трансформатора. Поток рассеяния Φσ1 сцеплен только с витками

первичной обмотки.

Основной магнитный поток (поток взаимоиндукции) Ф участвует в преобразовании энергии в трансформаторе. Этот поток замыкается по магнитопроводу из ферромагнитного материала, и величина потока, согласно закону Ома для магнитной цепи,

15

1. Общие вопросы теории электрических машин

		Φ = Φ0 =	F0	= i0w1 ,	(1.8)
			Rμ
				Rμ
где R =	l	−магнитное сопротивление магнитопровода.
μ	μ Пс

Магнитное сопротивление зависит от длины магнитной линии l потока Ф, площади Пc магнитопровода, пронизываемой этим потоком, и от

магнитной проницаемости μ материала, по которому замыкается поток. Магнитная проницаемость электротехнических сталей составляет

μ = (1 −100) 10−2 Гн/м. Магнитная проницаемость вакуума (воздуха)

μ = 4 π 10−7 Гн/м.

Основной магнитный поток Ф в соответствии с законом электромагнитной индукции наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

	e	= −dΨ	= −w	dΦ	= −L	di0	,	(1.9)
				dt		dt
	1	dt	1		1

во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции

e	= −dΨ	= −w	dΦ	= −M		di0	.	(1.10)
			dt
2	dt	2			12 dt

В выражениях (1.9) и (1.10) L1 −индуктивность первичной обмотки,

М12 – взаимная индуктивность первичной и вторичной обмоток. Магнитный поток рассеяния Φσ1 наведет в первичной обмотке ЭДС

рассеяния

e	= −w	dΦσ0	= −	dΨσ0	.	(1.11)
1σ	1 dt			dt

Наведенные в первичной обмотке ЭДС е1 и е1σ вместе с падением напряжения на ее активном (омическом) сопротивлении r1 уравновешиваются, согласно второму закону Кирхгофа, подводимым напряжением сети

u1 = −e1 − е1σ + r1i0 ,

(1.12)

а напряжение вторичной обмотки при холостом ходе не отличается от наведенной в ней ЭДС:

u2 = e2 ,

(1.13)

поскольку в этом случае ток по вторичной обмотке не протекает.

16

1. Общие вопросы теории электрических машин

Поскольку при холостом ходе падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки очень мало, а поток рассеяния, замыкающийся по немагнитным путям (среде с проницаемостью μ0), также незначителен, уравнение (1.12) может быть представлено в виде

u = −e = w dΦ.	(1.14)
1 1 1 dt

При подключении к вторичной обмотке возбужденного трансформатора сопротивления нагрузки zнг (рис. 1.2) под действием ЭДС e2 по об-

мотке потечет ток i2 и создаст МДС

F2 = i2w2 .

(1.15)

МДС F2 возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток Ф2, направленный встречно потоку Ф0, который создавался первичной обмоткой в режиме холостого хода:

Φ2 =	F2	=	i2w2	.	(1.16)
	Rμ
			Rμ

u1 =U1m sinω t

Φ	Φ1	Φ2	Φσ2
σ1		i2
i1
w1		w2	zнг
		e2
	e1

Φ = Φ1 +Φ2 = Φ0

Рис. 1.2. Электромагнитная схема трансформатора в режиме нагрузки

17

1. Общие вопросы теории электрических машин

Результирующий магнитный поток (Φ = Φ0 + Φ2 ) уменьшается, при

этом ЭДС e1 также уменьшается и не уравновешивает напряжение u1, подведенное к первичной обмотке. Равенство u1 ≈ −e1 не выполняется. По-

требляемый первичной обмоткой ток увеличивается по сравнению с режимом холостого хода i1 > i0 . Увеличенный ток первичной обмотки i1

создаст МДС

F1 = i1w1 .

(1.17)

Эта МДС больше МДС холостого хода ( F1 > F0 ) и возбуждает больший магнитный поток (Φ1> Φ0 ). Увеличенный магнитный поток Ф1 ком-

пенсирует размагничивающее действие потока Ф2. Поэтому результирующий магнитный поток при нагрузке трансформатора не изменится:

			= const .	(1.18)
Φ = Φ0	= Φ1	+ Φ2

Уравнения напряжений первичной и вторичной обмоток для нагруженного трансформатора, согласно второму закону Кирхгофа,

u1 = −e1 − eσ1 + r1 i`1 ,	(1.19)
u2 = e1 + eσ2 − r2i2 ,	(1.20)

где r2 – активное (омическое) сопротивление вторичной обмотки.

1.5. Назначение, области применения и устройство трансформаторов

По назначению и области применения современные трансформаторы можно разделить на следующие группы:

1. Силовые трансформаторы. Силовые трансформаторы служат для повышения или понижения напряжения в электрических сетях и системах

передачи и распределения электрической энергии.

Напряжение генераторов на электрических станциях обычно не превышает 6–20 кВ. Передавать на большие расстояния электроэнергию при таком напряжении невыгодно из-за больших электрических потерь в линиях электропередач (ЛЭП). Увеличение вторичного напряжения приводит к пропорциональному уменьшению тока. Так, например, при уменьшении тока в 10 раз потери электроэнергии в линии ЛЭП уменьшаются в 100 раз.

18

1. Общие вопросы теории электрических машин

Поэтому на всех электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы, увеличивающие напряжения в ЛЭП до стандартных значений 110, 220, 330, 500, 750, 1 150 кВ. Повышающие трансформаторы, устанавливаемые на мощных генерирующих станциях, имеют мощность до 1 млн кВА.

На распределительных подстанциях напряжение понижается до 35, 10, 6 кВ, а потребление электроэнергии электроприёмниками на местах осуществляется при напряжениях 220, 380, 660 В. Следовательно, необходимо снижение напряжения до требуемых величин, что осуществляется понижающими трансформаторами.

Таким образом, в энергосистемах происходит многократное от 3 до 5 раз преобразование величины напряжения, осуществляемое силовыми трансформаторами.

2. Преобразовательные трансформаторы. Применяют для согласо-

вания напряжений в вентильных преобразовательных установках, обеспечивающих преобразование переменного напряжения в постоянное или в переменное напряжение регулируемой частоты. Их первичное напряжение соответствует напряжению питающей сети, а вторичное – выходному напряжению данного типа преобразователя. Мощности преобразовательных трансформаторов достигают нескольких тысяч кВА, а напряжения первичных обмоток – до 110 кВ.

3.Трансформаторы технологических установок. Предназначены для питания электротехнологических установок и процессов (электропечные, сварочные трансформаторы и др.). Мощность таких трансформаторов достигает нескольких десятков тысяч кВА, напряжение – до 10 кВ.

4.Трансформаторы автоматики и вычислительной техники. При-

меняют в выпрямительных блоках питания устройств автоматики, вычислительной техники и т. д. Трансформаторы имеют мощность от сотен ВА до единиц кВА, с первичным напряжением 220, 380 В.

5.Измерительные трансформаторы. Измерительные трансформа-

торы напряжения и тока используются в электрических сетях для измерения высоких напряжений и больших значений тока, которые нельзя измерить непосредственно вольтметрами и амперметрами, а также для подключения к ним электрических аппаратов защиты и автоматики.

Несмотря на широкую область применения, различия по своему назначению и выполняемым функциям, трансформаторы по принципу действия, основным режимам работы подчиняются единым законам электродинамики. Активная часть трансформаторов (обмотки, магнитопроводы), изоляция токоведущих элементов от магнитопровода и конструктивных частей выполнены из приведенных в п. 1.3 материалов.

Восновном трансформаторы используют для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.

19

1. Общие вопросы теории электрических машин

Различают двух-, трех- и многообмоточные трансформаторы, имеющие соответственно две, три и более гальванически не связанные обмотки. Передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит посредством магнитного поля.

Конструкция трансформатора определяется его назначением, мощностью и напряжением. Силовыми называют трансформаторы, применяемые в электрических сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. К силовым относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью 6,3 кВА и более и однофазные мощностью 5 кВА и более.

Различают силовые трансформаторы общего и специального назначения. Силовые трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, или для непосредственного питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы. Силовые трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания сетей и приемников электрической энергии, если эти сети или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей и приемников электрической энергии относятся, например, подземные рудничные и шахтные сети и установки, выпрямительные установки (для электрифицированного транспорта, электролизных установок), электротермические печи.

В прилагаемых к трансформатору сопроводительных документах изготовителем указываются номинальные данные: мощность, напряжение обмоток, частота и т. д., обеспечивающие его работу в условиях, установленных нормативными документами.

Номинальной мощностью двухобмоточного трансформатора является номинальная мощность каждой из его обмоток, а в трехобмоточном трансформаторе – наибольшая из номинальных мощностей трех его обмоток.

За номинальное напряжение обмотки принимается напряжение между соответствующими зажимами, связанными с данной обмоткой при холостом ходе трансформатора.

Трансформаторы, у которых основной изолирующей средой служит воздух, газ или твердый диэлектрик, а охлаждающей средой – воздух, называют сухими. Сухие трансформаторы применяются при мощностях 1 600–2 500 кВА, напряжении до 20 кВ и устанавливаются в помещениях с относительной влажностью воздуха до 80 %. Для улучшения электрической изоляции токопроводящих частей и условий охлаждения обмотки вместе с магнитной системой погружают в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют масляными. До мощности 6 300 кВА применяют трансформаторы с естественной циркуляцией масла и воздуха, охлаждающего радиаторы (тип трансформатора М).

20

1. Общие вопросы теории электрических машин

При большей мощности применяют трансформаторы с принудительной циркуляцией воздуха (тип Д) или принудительной циркуляцией масла (тип МЦ и НМЦ). Баки некоторых трансформаторов вместо масла наполняют негорючей синтетической жидкостью – совтолом.

Далее рассмотрим силовые масляные трансформаторы общего назначения, представление об устройстве которых даёт рис. 1.3.

Основными частями трансформатора являются магнитная система (магнитопровод), обмотки и система охлаждения.

Магнитная система служит для проведения и концентрации магнитного потока и изготавливается из изолированных листов электротехнической стали с целью уменьшения вихревых токов.

Основные конструктивные типы трансформаторов связаны с конструкцией их магнитных систем, которые можно отнести к двум основным видам: стержневому и броневому.

Обмотки изготавливают из медного или алюминиевого провода или фольги. В витках обмотки основным магнитным потоком наводится ЭДС. В трехфазном трансформаторе под обмоткой понимают совокупность соединенных между собой обмоток одного напряжения разных фаз.

Вдвухобмоточном трансформаторе различают обмотку высшего напряжения (ВН), присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения (НН), присоединяемую к сети более низкого напряжения. В трехобмоточном трансформаторе различают обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения.

Масляный трансформатор (рис. 1.3) состоит из остова (замкнутая магнитная система 8 в сборе с деталями крепления 1, 5, 6); установленных на магнитной системе обмоток 2; переключающего устройства 10 для регулирования напряжения; установленных обычно на крышке бака вводов 12, 14 высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН) соответственно; отводов 3, 9; бака 7, охладителей (радиаторов) 24, защитных, кон- трольно-измерительных и вспомогательных устройств.

Остов трансформатора, обмотки, части регулирующего устройства, собранные на магнитной системе отводы и соединяющие детали называют

активной частью трансформатора.

Трансформаторы с естественным воздушным охлаждением (сухие трансформаторы) обычно не имеют специальной системы охлаждения. Сухие трансформаторы применяются при мощностях 1 600–2 500 кВА, напряжении 20 кВ и устанавливаются в помещениях с относительной влажностью воздуха до 80 %.

Вмасляных трансформаторах в систему охлаждения входят бак трансформатора, заливаемый маслом, а для мощных трансформаторов еще

иохладители, вентиляторы, масляные насосы, теплообменники и т. д.

21

1. Общие вопросы теории электрических машин

13	14	15	16	17	18
12					19

	11
	10	20
	9
	8	21
	7
	6
	5
	4
	3
	2
	1	22
	23
		24

Рис. 1.3. Общий вид силового трансформатора общего назначения: 1 – нижняя ярмовая балка; 2 – обмотка ВН; 3 – регулировочные ответвления; 4 – деревянные планки; 5 – вертикальная прессующая шпилька; 6 – верхняя ярмовая балка; 7 – бак; 8 – магнитопровод; 9 – линейный отвод; 10 – переключатель; 11 – кран для заливки масла; 12 – ввод ВН; 13 – привод переключателя; 14 – ввод НН; 15 – маслопровод; 16 – газовое реле; 17 – выхлопная труба; 18 – расширитель; 19 – маслоуказатель; 20 – воздухоосушитель; 21 – термосифонный фильтр; 22 – кран для слива масла; 23 – каток;

24 – радиатор (на фронтальной проекции не показаны радиаторы охлаждения)

22

1. Общие вопросы теории электрических машин

Трансформаторы с охлаждением типа М применяют до мощности 6 300 кВА. Охлаждение масла в них осуществляется естественной циркуляцией масла внутри бака, выходом нагретого масла в радиаторы, расположенные по боковым стенкам бака и служащие для увеличения поверхности охлаждения, и охлаждением его при прохождении его по трубам радиаторов. Иногда (в трансформаторах мощностью до 10–160 кВА) применяют ребристые баки для увеличения охлаждающей поверхности. При мощностях 10 000–80 000 кВА применяют системы типа Д, предусматривающие принудительную вентиляцию воздуха вдоль наружных поверхностей радиаторов при естественной циркуляции в них масла.

Вэтом случае теплоотдача увеличивается почти в два раза по сравнению

сохлаждением типа М.

Втрансформаторах мощностью до 400 000 кВА используют принудительную циркуляцию масла через специальные малогабаритные охладители с принудительным воздушным охлаждением (охлаждение типа ДЦ

иНДЦ). Для более эффективного охлаждения применяются водяные охладители масла (тип охладителя Ц и НЦ). Водяные охладители компактнее, чем воздушные, и позволяют рассеивать большую мощность.

Втрансформаторах с охлаждением типа Н, НД и ННД активную часть помещают в бак, заполненный синтетической негорючей и неокисляющейся жидкостью – совтолом, у которого диэлектрические свойства

итеплопроводность такие же, что и у масла, но он дороже. Для защиты от соприкосновения с воздухом и окисления нагретого при работе трансформатора масла бак закрыт крышкой, уплотненной прокладкой из маслостойкой резины. Постоянное давление внутри бака поддерживается при изменении температуры за счет перетока масла из бака 7 в расширитель 18 и обратно по соединительному патрубку маслопровода 15 (рис. 1.3).

Внутренний объём расширителя сообщается с окружающим воздухом через воздухоосушитель 20, служащий для удаления влаги из поступающего в расширитель воздуха. Из-за разницы температур в верхней

инижней частях бака масло течёт через термосифонный фильтр 21 и в нём очищается от влаги и продуктов окисления.

Вслучае бурного газовыделения кипящее масло вместе с газами разрушает мембрану, закрывающую выхлопную трубу 17, и удаляется через нее, что предохраняет бак от механических деформаций и поврежде-

ний [7].

Всиловых трансформаторах предусмотрены устройства для контроля уровня и температуры масла в баке – 19; транспортировки – крюки

икатки 23; для заливки и слива масла – краны 11 и 22.

Силовые трансформаторы общего назначения отличаются конструктивным исполнением, условиями работы, способом охлаждения, номи-

23

1. Общие вопросы теории электрических машин

нальными мощностью и напряжением, что находит своё отражение в обозначении типа трансформатора.

Условное обозначение типа силового трансформатора имеет вид

X X X X X Х − Sн / Uнл − Х Х

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

Первые шесть позиций образуют буквенное обозначение типа трансформатора:

1 – для автотрансформатора обозначение А, в обозначении трансформатора позиция 1 отсутствует;

2 – если трансформатор однофазный – О, трехфазный – Т; 3 – при наличии расщеплённой обмотки низшего напряжения (НН) – Р,

позиция 3 в обозначении отсутствует, если нет расщеплённой обмотки НН; 4 – для трехобмоточного трансформатора – Т (для двухобмоточного

обозначения нет);

5– способ охлаждения 1–3 буквы;

6– если в одной из обмоток есть ответвления для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), – Н, позиция 6 в обозначении отсутствует (регулирующее устройство без нагрузки ПБВ не обозначается).

Позиции 7 и 8 определяют соответственно номинальные полную

мощность SН в киловольт-амперах (кВА) и линейное напряжение (класс напряжения) обмотки высшего напряжения (ВН) UНЛ в киловольтах (кВ). Позиции 9 и 10 характеризуют соответственно климатическое исполнение

икатегорию размещения трансформатора, например, У2 – умеренный климат, неотапливаемое сырое помещение. В марках трансформаторов для собственных нужд электростанций перед позицией 7 ставят букву С.

Например:

ТМН 630/35 – трансформатор трехфазный масляный с регулированием под нагрузкой, мощностью 630 кВА и напряжением первичной стороны 35 кВ.

ТРДНС-16 000/20 – трансформатор трехфазный с расщепленной обмоткой НН, принудительной циркуляцией воздуха, регулированием под нагрузкой, для собственных нужд электростанции, мощностью 16 000 кВА, первичным напряжением 20 кВ.

В зависимости от мощности и класса напряжения силовые трансформаторы подразделяются на восемь габаритов:

I габарит включает трансформаторы мощностью до 100 кВА напряжением до 35 кВ;

II – от 100 до 1000 кВА напряжением до 35 кВ; III – от 1000 до 6 300 кВА напряжением до 35 кВ; IV – свыше 6 300 кВА напряжением до 35 кВ;

24

1. Общие вопросы теории электрических машин

V – до 32 000 кВА, напряжением до 110 кВ;

VI – свыше 32 000 до 80 000 кВА напряжением до 330 кВ; VII – свыше 80 000 до 200 000 кВА напряжением до 330 кВ; VIII – свыше 200 000 кВА напряжением более 330 кВ.

1.6. Принцип получения вращающегося магнитного поля

в электрических машинах переменного тока

Электромагнитная схема асинхронной машины (рис. 1.4, а) является развитием электромагнитной схемы трансформатора.

В асинхронной машине, как и в трансформаторе, имеются магнитопровод для проведения основного магнитного потока и обмотки, по которым течет ток. Принцип действия асинхронной машины основан на законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Электромагнитная схема синхронной машины является дальнейшим развитием схемы асинхронной машины. Общим для этих машин является единый принцип конструкции статора – его магнитопровода и обмоток. Магнитная система этих машин в отличие от трансформатора выполняется из листовой электротехнической стали в виде двух концентрических цилиндров, из которых внутренний (ротор), укрепленный на валу в подшипниках, может свободно вращаться внутри неподвижного внешнего (статора).

Обмотка 1 (рис. 1.4, а, б) размещается равномерно по окружности статора так, чтобы отдельные ее фазы были сдвинуты на 120°. Обмотка 2 на роторе асинхронной машины (рис. 1.4, а) выполняется трехфазной или многофазной и в простейшем случае замыкается накоротко. Для лучшей магнитной связи воздушный зазор 3 между статором и ротором выбирается минимально возможным.

В синхронной машине (рис. 1.4, б) на роторе установлена обмотка возбуждения 2 для создания жесткой магнитной связи между статором и ротором. Обмотка возбуждения при помощи контактных колец и щеток подключается к источнику постоянного тока и служит для создания основного магнитного потока (потока возбуждения).

Принцип образования вращающегося магнитного поля в машине переменного тока рассмотрим на примере статора с простейшей обмоткой (рис. 1.5), в которой каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (первая фаза – проводники А и Х, вторая фаза – проводники В и Y, третья фаза – проводники С и Z).

25

1. Общие вопросы теории электрических машин

f1					f1

	1			1
		n1		n1
3	2	n	2	n
		3
	f2	РМ		РМ
		(ПД)		(ПД)
		–		+
	а			б

Рис. 1.4. Электромагнитные схемы трехфазных машин: асинхронной (а) и синхронной (б)

	А			А				А			А
Y		Z	Y		Z	Y		Z	Y		Z
		1		1				1			1
С	2	В	С	2	В	С		2	С		2
								В			В
	Х			Х				Х			Х
		I A
				I
			I	A	B		IB	IC		IC
											I A
IC		IB		IC				I A		IB
	а			б				в			г
		Рис. 1.5. Образование вращающегося магнитного поля

26

1. Общие вопросы теории электрических машин

Проводники каждого витка (фазы) расположены друг от друга на расстоянии полюсного деления

τ =	πDа	,	(1.21)
	2 р

где Dа − диаметр внутренней расточки статора; р −число пар полюсов.

На рис. 1.5 полюсное деление составляет половину окружности. Шаг витка или обмотки y называют полным ( y = τ).

Двойному полюсному делению 2τ соответствует угол по окружности статора1 в 360° эл. Начала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в данном случае составляет треть окружности.

На рис. 1.5, а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени t = 0, когда ia = Im . Через четверть периода

токи изменят фазу на 90° (рис. 1.5, б):

i = 0;	i =	3	I		; i = −	3	I		.
		2				2
a	b			m	c			m

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины создают (рис. 1.5) двухполюсный магнитный поток Ф1, проходящий через статор, ротор и воздушный зазор. При изменении фазы токов на 90° кривая распределения токов и магнитный поток поворачиваются в направлении следования фаз на 90°. При изменении фазы токов еще на 90° ось магнитного потока повернется еще на 90°. Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся магнитное поле. При этом за период изменения тока поле поворачивается на 2τ или на 360°.

Распределение токов по окружности статора (рис. 1.6) составляет две зоны, каждая величиной τ, а направления токов в этих зонах противоположны и токи распределены по поверхности статора по синусоидальному закону.

Частота вращения магнитного поля
n1 = f1,	(1.22)

где f1 − частота тока статора.

1 В электромеханике для обозначения пространственного расположения обмоток пользуются понятием «электрический градус», который соответствует р геометрическим градусам: 1° = р° эл.

27

1. Общие вопросы теории электрических машин

−ib	ia = Im			−iа	−ib			ib	= 3 Im
	−iс						−iс		2	−iа
		B	X	C				B	X	C
	Y A Z	ib		iс		Y A Z		ib		iс

τ	τ	τ	t =	π τ
	t = 0			2
	а		б

Рис. 1.6. Направление токов в проводниках обмотки статора

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное достаточно переменить местами на зажимах обмотки статора концы двух проводников, идущих от питающей сети. При 2 р = 4 полюсное деление

составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трехфазной обмотки статора состоит из двух витков с шагом y = τ, которые сдвинуты

относительно друг друга на 2τ и соединены последовательно или параллельно. Отдельные фазы и их начала А, В, С при этом также сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., составляющих в данном случае 1/6 окружности (рис. 1.7, а).

Такая обмотка, как видно из рис. 1.7, создает кривую распределения тока и магнитное поле с 2 р = 4 .

Это поле также является вращающимся и за один период тока поворачивается на величину двойного полюсного деления 2τ, что в данном случае составляет половину окружности (рис. 1.7, б), вследствие чего частота вращения магнитного поля

n1 = f1 2.

(1.23)

В общем случае можно изготовить обмотку с 2 р = 6, 8,10 и т. д. При этом получается кривая распределения тока и магнитное поле с р парами полюсов. Магнитное поле вращается с частотой (в оборотах в секунду)

n1 = f1 p

(1.24)

или в оборотах в минуту

n1 = 60 f1 p .

(1.25)

28

1. Общие вопросы теории электрических машин

	Y	А	Z			Y	А	Z
							S
	S		N
C				B		C			B
X				X		X N			N X
B	N		S	C		B			C
							S		IB
I A	Z		Y			Z		Y
		А					А
								I A
I
C		IB
						Y	X C Y		IC
		B X C		Y A Z					X С
Y A Z		B X C				A Z В		A Z B
	τ					τ
		а					б
	Рис. 1.7. Простейшая обмотка статора асинхронной машины
			с 2 р = 4 и ее магнитное поле
								Таблица 1.2
p	1	2		3	4	5	6	8	10
n1,	3 000 1 500		1 000		750	600	500	375	300
об/мин

В табл. 1.2 приведены значения частоты вращения магнитного поля обмоток с различными числами полюсов при стандартной частоте промышленного тока f = 50 Гц.

1.7. Принцип действия и устройство асинхронной машины

При своем вращении магнитный поток, пересекая витки обмоток статора и неподвижного в момент включения ротора, индуцирует в них, согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС соответственно

29

1. Общие вопросы теории электрических машин

е1 = −w1 dΦdt и е2 = −w2 dΦdt . Если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи i2, частота которых при неподвижном роторе (n = 0) равна частоте сети f1.

Если обмотка ротора трехфазная, то в ней индуцируется трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся магнитный поток ротора Ф2 при числе полюсов 2p, направление и частота вращения которого при n = 0 такие же, как и у потока статора:

n2 = f2 p = f1 p = n1 .

(1.26)

Поэтому потоки Ф1 и Ф2 вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. В стержнях короткозамкнутого ротора индуцируется многофазная система токов i2 со сдвигом в соседних стержнях по фазе на угол

γ = 2π р Z2 ,

(1.27)

где Z2 – число стержней ротора.

Токи создают вращающийся поток Ф2, число полюсов, направление и частота вращения которого такие же, как у потока фазного ротора. Значит, и в этом случае в двигателе образуется общий магнитный поток Ф. Поэтому рассматривают ЭДС, индуцируемые этим магнитным полем.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы (силы Ампера F = B l i ) и вращающий электромагнитный момент М.

В

Вm υ1 Статор

Ротор e2

ττ

		ψ2 = 0
i2	F	ψ2 =90°
i2	F

Рис. 1.8. Токи в проводниках обмотки ротора и действующие на них силы

30

1. Общие вопросы теории электрических машин

Характер действия этих сил поясняет рис. 1.8, в верхней части которого показаны вращающаяся со скоростью υ1 синусоидальная волна общего магнитного поля B машины и направления ЭДС е2, индуктируемой этим полем в проводниках обмотки неподвижного ротора. В нижней части рис. 1.8 показаны направления токов i2 проводников обмотки ротора и дей-

ствующих на них сил F для двух случаев: когда угол сдвига фаз ψ2 между е2 и i2 равен нулю и когда ψ2 = 90°. При ψ2 = 0 (в роторе создается только

активная составляющая тока) все силы действуют в сторону вращения магнитного поля. Поэтому вращающий момент отличен от нуля и также

действует в сторону вращения поля. При ψ2 = 90° (индуктивный ток) силы действуютвразныестороныимоментравеннулю.

M = ∑	F D	(1.28)
2

Отсюда следует, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора:

I2a = I2 cos ψ2 .

(1.29)

Этот вывод справедлив для всех машин переменного тока. Отсюда следует и другой вывод: магнитное поле создается реактивным током; значит, асинхронная машина всегда потребляет для своего намагничивания реактивный ток и всегда работает с отстающим коэффициентом мощности.

	Цепь	ротора	асинхронного
	двигателя обладает активным со-					Ф
	противлением, поэтому при пуске
	двигателя (n = 0) всегда 0 < ψ2 < 90º.					C
	В результате развиваемый момент
					Y	F
	M > 0 и если он больше статическо-					X
					A
	го тормозного момента на валу, то
	ротор двигателя придет во враще-
	ние. Рис. 1.9 иллюстрирует получе-			n	F	M
	ние вращающего момента в асин-
						B
	хронном двигателе.					Z
	При	вращении	магнитного
	потока по часовой стрелке по пра-
	вилу правой руки определено на-
	правление ЭДС (для этого мыслен-				Рис. 1.9. Двигательный режим
	но останавливают поле и переме-				асинхронной машины
	щают проводники ротора в сторону,

31

1. Общие вопросы теории электрических машин

противоположную вращению поля). Активная составляющая тока совпадает по направлению с ЭДС (условные обозначения – крестики и точки – показывают одновременно направление ЭДС и активной составляющей тока). По правилу левой руки определено направление механической силы F. Суммарное усилие, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем с некоторой частотой вращения n < n1 , т. е. ротор будет

вращаться с некоторым отставанием относительно поля статора. Относительную разность частот вращения поля статора и ротора на-

зывают скольжениемивыражаютв относительныхединицах (о. е.):

s	= n1 − n		(1.30)
	n
или в процентах	1
s =100s = n1 − n		100 .	(1.31)
%	n1

В зависимости от режима работы асинхронной машины скольжение изменяется в широких пределах.

Асинхронная машина может работать в следующих режимах: двигательном, генераторном, электромагнитного торможения.

В двигательном режиме электрическая энергия трехфазного переменного тока, подводимая к машине, преобразуется в механическую и выдается с вала. При пуске двигателя частота вращения n = 0 и s = 1, скорость пересечения проводников ротора вращающимся магнитным полем максимальна. ЭДС, индуцируемая полем в обмотке ротора, тоже максимальна. Ток I2a , вступая во взаимодействие с потоком Ф, создает на роторе вра-

щающий электромагнитный момент M = сΦI2a . Под действием момента

ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поле. Пока электромагнитный момент больше момента на валу (статического тормозного), частота вращения ротора увеличивается. При равенстве электромагнитного и статического моментов (М = МС) наступает установившийся процесс: двигатель работает с постоянной частотой вращения п, величина которой определяется согласно формуле (1.30):

n = n1(1 − s) .

(1.32)

При вращении ротора синхронно с полем статора (с синхронной частотой вращения) n = n1 и скольжение s = 0. При этом условии магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в обмотке ротора

32

				1. Общие вопросы теории электрических машин
индуцироваться не будут, значит, M = 0 и такой частоты вращения ротор
самостоятельно достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя
всегда 0 ≤ n < n1		и 1 ≥ s > 0. Всякое изменение статического момента влечет
за собой изменение частоты вращения ротора: при увеличении МС частота
вращения n уменьшается, а разность n1 − n2					соответственно увеличивается.
Пропорционально разности увеличиваются ЭДС Е2 (n1 − n) и ток I2 E2 :
ротор двигателя вращается с меньшей частотой, но развивает больший мо-
мент на валу.
Генераторный режим асинхронной машины наступает при частоте
вращения ротора, превышающей синхронную. По мере увеличения часто-
ты вращения ротора вспомогательным двигателем разность n1 −n умень-
шается. Вместе с нею уменьшаются ЭДС E2 (n1 − n)						и ток I2 E2 . При
n = n1	проводники ротора и поле статора неподвижны относительно друг
друга: ЭДС E2		и ток I2 обращаются в нуль. При дальнейшем увеличении
частоты вращения ротора в проводниках его обмотки вновь появляются
ЭДС и ток, но другого направления: машина переходит в генераторный
режим (рис. 1.10, а).
Пользуясь правилом правой ладони и считая поле неподвижным,
а проводники – перемещающимися вправо с частотой вращения n − n1, оп-
ределим по правилу левой ладони направление механической силы F, на-
правленной против направления вращения ротора.
	Ф	n1 < n			Ф	n1
					Y
	Y	C				C
	F					F
	A	X			A	X
n	Z	F	М	n	F	B	М
		B			Z

а

б

Рис. 1.10. Режимы генератора (а) и электромагнитного торможения (б) асинхронной машины

33

1. Общие вопросы теории электрических машин

Ф		Ф		Ф
F		F		F
Мвр				Мвр
Мэм		Мэм		Мэм
n	υ	n = 0	υ = 0	n	υ
а		б		в
	Рис. 1.11. Переход асинхронного двигателя
	в режим электромагнитного торможения

Таким образом, в двигательном режиме электромагнитный момент машины движущий, вращающий; в генераторном – тормозной, действующий против вращающего МВР.

Теоретически в генераторном режиме частота вращения может быть увеличена до бесконечности. Следовательно, этот режим определяет

скольжение от s = 0 (n = n1) до s = –∞ (n = ∞).

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме необходим намагничивающий (реактивный) ток, создающий магнитное поле. Реактивный ток можно получить из сети (при параллельной работе асинхронного генератора с сетью) или самой машины, поставив ее в условия самовозбуждения. В этом случае необходима остаточная намагниченность магнитопровода машины и батарея конденсаторов, включенная на зажимы статора машины и являющаяся источником реактивной мощности. Наличие батареи конденсаторов, ее большие габариты и масса являются серьезным недостатком асинхронных генераторов. Тем не менее в последнее время асинхронные генераторы применяют в качестве автономных источников питания (ветро- и гидроэнергоустановки малой мощности).

Тормозной режим асинхронной машины характеризуется вращением ротора в сторону, противоположную вращению поля статора (рис. 1.10, б). Этот режим может наступить при спуске двигателем груза (рис. 1.11, а) или реверсировании машин с полной скорости: постепенно увеличивая груз, можно сначала остановить (затормозить) двигатель (рис. 1.11, б), а затем, продолжая увеличивать груз, развернуть его (рис. 1.11, в) в другую сторону (против поля).

Частота вращения ротора относительно поля статора возрастет до n1 + n, в отличие от прежней разности n1 – n, возрастут вместе с этим ЭДС E2, ток I2 и момент Mэм. Направления токов в проводниках ротора

34

1.Общие вопросы теории электрических машин

иэлектромагнитного момента останутся теми же. В таком режиме ротор вращается в обратном направлении (по отношению к направлению магнитного поля), поэтому n < 0, границы изменения скольжения 1 < s < ∞. В рассматриваемом режиме энергию машина получает как со стороны ротора (механическую), так и со стороны статора (электрическую).

Тормозной режим наиболее тяжел для машины и часто приводит

кперегреву обмоток, но пользуются им достаточно широко, ограничивая токи включением добавочных сопротивлений в цепь ротора.

Конструктивно асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (их называют двигателями с контактными кольцами). Конструктивно статоры этих двигателей отличий не имеют. По степени защиты двигатели выполняют закрытыми обдуваемыми (исполнение IP44, IP54) и защищенными (исполнение IP23). В закрытых двигателях со степенями защиты IP44 и IP54 более 90 % тепла, обусловленногопотерямимощности, отводитсявоздухомсповерхностикорпуса.

Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее дешевыми, надежными и поэтому самыми распространенными из всех электрических двигателей; электропромышленность выпускает их десятками миллионов в год.

На рис. 1.12 показан общий вид наиболее распространенного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения. В сердечнике статора 1 расположена трехфазная обмотка 2. Обмотка ротора 3 короткозамкнутая, в виде «беличьего колеса» (общепринятое название «обмотка в виде беличьей клетки»).

Сердечник статора закрепляют в корпусе 4, а сердечник ротора 5 – на валу 6 (машины малой мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой,

надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается

вподшипниках 7, установленных в подшипниковых щитах 8, прикрепляемых к корпусу статора. Конструкция оболочки (корпус, щиты и т. д.)

взначительной степени зависит от исполнения машины по степени защищенности и от выбранной системы охлаждения. В обдуваемой машине (рис. 1.12) для лучшего охлаждения корпус снабжен ребрами 9. Центробежный вентилятор 10, расположенный на валу двигателя снаружи оболочки машины, обдувает ребристый корпус двигателя. Вентилятор закрыт воздухонаправляющим кожухом 11.

Внутри машины воздух перемешивается вентиляционными лопатками 12, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами 13 обмотки 3 ротора.

Вмощных двигателях для повышения интенсивности охлаждения воздух прогоняется через аксиальные каналы ротора, образованные воздухопроводящими трубками и дисками, предотвращающими попадание наружного воздуха и влаги к обмоткам статора.

35

1. Общие вопросы теории электрических машин
14
13	12	11
1
2
3
4
5
6
7	8	10

9

Рис. 1.12. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4АА80 (степень защиты IP44)

36

1. Общие вопросы теории электрических машин

На корпусе крепится коробка выводов 14, в которой установлена клеммная панель с выведенными концами обмотки статора. Количество выводов обмотки может быть шесть (начала и концы всех трех фаз обмотки) для возможности соединения обмотки статора по схеме «звезда» или «треугольник» или три, если в двигателе предусмотрена лишь одна схема соединения обмоток статора.

Сердечник статора (магнитопровод) набирают из отштампованных кольцеобразных листов электротехнической стали толщиной 0,35−0,5 мм.

С внутренней стороны кольца выштампованы пазы для размещения обмотки. Листы изолируют оксидной пленкой или лаком и спрессовывают

всердечник, скрепляя его сваркой, скобками или шпильками.

Вмашинах мощностью свыше 400 кВт в сердечниках для лучшего охлаждения выполняют радиальные каналы: разделяют сердечник на ряд пакетов с установкой между ними стальных прокладок.

Впазы магнитопровода статора укладывают обмотку, изготовленную из медного изолированного провода круглого или прямоугольного сечения. Обмотки из провода прямоугольного сечения изготавливают в виде

жестких секций и укладывают в открытые или полуоткрытые пазы (рис. 1.13, а, б). Обмотки из провода круглого сечения всыпают в полузакрытые пазы через шлиц в пазу (рис. 1.14) с помощью специальных статорообмоточных станков.

а

б

Рис. 1.13. Открытый (а) и полуоткрытый (б)

Рис. 1.14. Паз статора

пазы статора для обмотки из жестких секций

для всыпных двухслойных

обмоток

37

1. Общие вопросы теории электрических машин

В современных асинхронных машинах в качестве межвитковой и корпусной изоляции используют изоляционные материалы классов нагревостойкости В и F, а для специальных машин, работающих в тяжелых условиях, − материалы класса Н.

Магнитопровод ротора набирают из изолированных листов электротехнической стали с выштампованными пазами. В короткозамкнутых роторах пазы заливают алюминием; при этом образуются стержни «беличьей клетки» (рис. 1.12).

Одновременно отливают короткозамыкающие торцевые кольца и вентиляционные лопасти. В более крупных машинах в пазы ротора вставляют медные (бронзовые, латунные) стержни, концы которых вваривают (впаивают) в короткозамыкающие медные кольца. Магнитопровод ротора вместе с короткозамкнутой обмоткой напрессовывают на вал.

Двигатели с фазным ротором находят меньшее применение, чем с короткозамкнутым ротором, и выпускаются промышленностью главным образом мощностью свыше 100 кВт. На рис. 1.15 представлен общий вид асинхронного двигателя с фазным ротором защищенного исполнения.

1	2	3	4	5	6	7	10	11
9
								12 13
8								14
								15
							17	16
Рис. 1.15. Асинхронный двигатель с фазным ротором 4АНК200
(степень защиты IP23) с аксиальной вентиляцией

38

1. Общие вопросы теории электрических машин

Статор двигателя с фазным ротором конструктивно не отличается от статора двигателя с короткозамкнутым ротором. Сердечник статора 1, как и в двигателе с короткозамкнутым ротором, запрессован в корпус 2. В пазах сердечника статора размещена обмотка 3. В пазах сердечника ротора 4 уложена распределенная трехфазная обмотка 5. Для лучшего охлаждения магнитопроводы статора и ротора в машинах большой и средней мощности разделены на отдельные пакеты, между которыми имеются вентиляционные каналы. Лопасти вентилятора 6, установленного на валу 7, засасывают воздух в машину через отверстия 8 в подшипниковых щитах 9 и выбрасывают его через отверстия 17 в корпусе 2 двигателя.

Контактные кольца 12 расположены вне оболочки машины. Выводные концы 10 обмотки ротора 5 проходят через центральное

отверстие в валу 7 и подключаются к трем контактным кольцам 12 болтами. Щеткодержатели 13 со щетками прикрепляются щеточной траверсой 14

к подшипниковому щиту 11. Токосъемное устройство закрыто коробкой 16. В роторах этих двигателей применяют обмотку всыпную из провода круглого сечения или обмотку, состоящую из жестких секций, укладываемых

воткрытые пазы, в том числе из отдельных стержней, вкладываемых в полузакрытые пазы с торца. Обмотку ротора при изготовлении соединяют

в«звезду» (иногда в «треугольник»). Три конца от фазных обмоток присоединяют к контактным кольцам, установленным на вал двигателя.

Асинхронные двигатели являются основными двигателями промышленных электроприводов. В нашей стране выпуск трехфазных асинхронных двигателей превышает 10 млн штук в год.

В современном электромашиностроении асинхронные двигатели, как правило, выпускают сериями. В СССР впервые в мировой практике в 1946–1948 г.г. была разработана первая единая государственная серия асинхронных машин общего назначения мощностью до 100 кВт – серия А

(АО).

Учитывая возросшие требования промышленности, используя достижения в области металлургии, производства изоляционных материалов, развитие теории проектирования и расчета машин с помощью средств вычислительной техники, в 60-е гг. ХХ в. была разработана серия А2 (АО2).

В 70-е гг. в СССР была разработана и освоена единая серия асинхронных двигателей 4А, отмеченная Государственной премией. Впервые одновременно с разработкой конструкции электродвигателей серии 4А создавались типовая технология и технологическое оборудование с автоматизацией обмоточных работ. Для унификации и взаимозаменяемости технологического оборудования для двигателей серии стандартизованы шкала мощностей и установочно-присоединительные размеры в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) по стандартизации параметров и характеристик электротехниче-

39

1. Общие вопросы теории электрических машин

ских изделий. Необходимость международной стандартизации в этой области обусловлена развитием международной торговли электротехническим и промышленным оборудованием.

Двигатели серии 4А выпускались в 80-х гг. ХХ в. массово и в настоящее время эксплуатируются практически на всех промышленных предприятиях России и СНГ. Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и ряд специализированного исполнения.

Двигатели основного исполнения – это двигатели с короткозамкнутым ротором общего назначения, рассчитанные на частоту сети 50 Гц [11]. Их исполнение по степени защиты: IP44 (закрытое исполнение) во всем диапазоне высот вращения и IP23 (защищенное исполнение) в диапазоне высот осей вращения 160–355. IP – первые буквы английских слов International Protection (защита по международному классу). Первая из двух цифр характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими частями, находящимися внутри машины; вторая – степень защиты машины от проникновения воды внутрь машины. Машины закрытого исполнения работают в более тяжелых по условиям охлаждения режимах, чем машины защищенного исполнения. Их выполняют с меньшими электромагнитными нагрузками.

Обозначение двигателя основного исполнения серии 4А состоит из девяти позиций:

4 А Х Х Х Х Х Х Х							Х	.	(1.33)
1 2	3	4	5	6 7	8	9 10

Позиции в порядке следования номеров означают: 1 – порядковый номер серии (четвертая);

2– род двигателя (асинхронный);

3– исполнение по степени защиты: буква Н – исполнение IP23, отсутствие буквы – исполнение IP44;

4– исполнение по материалу станины и щитов: буква А – станина и щиты алюминиевые, буква Х – станина алюминиевая, щиты чугунные или наоборот, отсутствие буквы – станина и щиты чугунные или стальные;

5– высота оси вращения (две или три цифры), мм;

6– установочный размер по длине станины (условная длина станины: буква S – меньшая, буква М – средняя, буква L – большая);

7– длина сердечника статора: буква А – меньшая или В – большая при одинаковом установочном размере S, М, или L; отсутствие буквы означает, что при данном установочном размере выполняется только одна длина сердечника;

40

1. Общие вопросы теории электрических машин

8– число полюсов двигателя (одна или две цифры);

9– климатическое исполнение (буква У);

10– категория размещения (цифры 3 или 2).

Примеры условного обозначения основного исполнения трехфазных асинхронных двигателей серии 4А:

4АА80В6У3 – асинхронный двигатель четвертой серии с короткозамкнутым ротором, степень защиты IP44, щиты и станина алюминиевые, высота оси вращения 80 мм, сердечник статора большей длины (В), шестиполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У), в закрытых неотапливаемых помещениях (3);

4АНК250SА4У3 – асинхронный двигатель четвертой серии с фазным ротором, степень защиты IP23, станина и щиты чугунные, высота оси 250 мм, сердечник статора малой длины (А), четырехполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У), в закрытых неотапливаемых помещениях (3).

Двигатели различных модификаций и специализированного исполнения имеют те же обозначения, что и основного, но с добавочными буквами, проставляемыми либо после названия серии, либо после цифры, обозначающей число полюсов:

4АР… – двигатели с повышенным пусковым моментом; 4АС… – двигатели с повышенным номинальным скольжением;

4АК, 4АНК… – двигатели с фазным ротором исполнения IP44 и IP23 соответственно.

Вмногоскоростных двигателях (ступенчатое регулирование частоты вращения переключением числа пар полюсов) числа пар полюсов обозначаются через черту: 4А160М12/8/6/4У3 – двигатель, обмотки статора которого переключают по двенадцати-, восьми-, шести- и четырехполюсной схеме, соответственно частота вращения магнитного поля двигателя 500/750/1 000/1 500 об/мин. Габаритные, установочные и присоединительные размеры многоскоростных асинхронных двигателей соответствуют односкоростным двигателям, на базе которых они спроектированы.

В80-х гг. ХХ в. разработана серия асинхронных двигателей АИ. В ее разработке приняли участие страны Восточной Европы, входившие в организацию «Интерэлектро», что отражено в названии серии. Серия охватывает диапазон номинальных мощностей от 0,025 до 400 кВт. Серия разработана на 18 стандартных высотах оси вращения от 45 до 355 мм. В качестве основного исполнения двигателей серии АИ принято закрытое исполнение со степенью защиты IP54, защищенное исполнение IP23 отнесено

кмодификациям. Двигатели выпускают по привязке мощностей в двух вариантах: для размещения внутри страны (в обозначении буква Р) и для поставки на экспорт (в обозначении буква С). После обозначения варианта двигателя по привязке мощностей следуют обозначения, аналогичные

41

1. Общие вопросы теории электрических машин

обозначениям серии 4А, начиная с 3-го номера формулы (1.33), например,

АИРХ160S8.

Отличие этой серии состоит в изготовлении двигателей закрытого исполнения по степени защиты IP54.

Всерии АИ предусмотрены практически такие же модификации

испециализированные исполнения, что и в серии 4А с сохранением символов и их расположения в обозначении двигателя.

Результатом модернизации и совершенствования конструкции двигателей серий 4А и АИ являются двигатели выпускаемых серий 5А, 6А

иRA (Российская асинхронная).

1.8.Принцип действия, область применения

и устройство синхронной машины
Синхронной называют такую машину, частота вращения которой n
находится в строго постоянном соотношении к частоте сети f :
		f = p n или n = f			,		(1.34)
			p
где р – число полюсов.
В синхронных машинах обмотка статора подключается к источнику
трехфазного переменного тока и создается вращающееся магнитное поле.
Обмотка ротора (обмотка возбуждения) при помощи контактных колец и
			щеток	подключается		к источнику
		f1	постоянного тока и служит для соз-
			дания основного магнитного потока
		1	(потока возбуждения).			Электромаг-
			нитная схема синхронной машины
		n1
			приведена на рис. 1.16.
3	2	n	При работе синхронной маши-
			ны в режиме генератора возбужден-
		РМ	ный ротор приводится во вращение
		(ПД)	с частотой n внешним вращающим
			моментом (например, моментом
			гидравлической или паровой турби-
–		+	ны). Ток обмотки возбуждения I f
Рис. 1.16. Электромагнитная схема			создает		магнитодвижущую		силу
трехфазной синхронной машины			(МДС)		Ff и магнитный поток, не-
42

1. Общие вопросы теории электрических машин

подвижный относительно полюсов ротора и замыкающийся через магнитопровод статора. При вращении ротора вращающимся потоком возбуждения в обмотке статора индуцируется ЭДС частотой f = pn . Электро-

движущие силы фаз трехфазной обмотки взаимно смещены во времени на электрический угол 120º.

Если к обмотке статора присоединить симметричную нагрузку, то под действием ЭДС в ней и во внешней цепи будет протекать симметричная система токовIA , IB , IC , создающая МДС якоря Fа и магнитное поле,

вращающееся со скоростью Ω = 2πf р, т. е. синхронно с ротором. Резуль-

тирующий вращающийся магнитный поток образуется в результате совместного действия взаимно неподвижных МДС Ff и Fа .

Всоответствии с законом сохранения энергии активная составляющая тока неподвижной обмотки, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаст механическую реакцию (момент), противодействующую вращению ротора.

Чем больше активная мощность, развиваемая неподвижной обмоткой (мощность, отдаваемая машиной потребителю), тем большую механическую мощность надо затрачивать на вращение ротора.

Таким образом, будет происходить преобразование механической энергии, затрачиваемой на вращение ротора и изменение магнитного поля статора, в электрическую энергию переменного тока, генерируемую в обмотке статора.

Реактивная составляющая тока статора в соответствии с законом Ленца также создаст реакцию, чисто магнитную, изменяющую только поле ротора, но не создающую противодействующего момента. Мощность постоянного тока, подводимая к обмотке ротора, целиком расходуется на покрытие электрических потерь в этой обмотке.

Всинхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в рассматриваемых машинах статор является якорем, а ротор – индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения, вращается ли якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, – на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины предназначены для сравнительно небольшой мощности, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

Основное назначение синхронных машин – преобразование механической энергии в электрическую, т. е. работа в генераторном режиме. Практически все электростанции оборудованы синхронными генератора-

43

1. Общие вопросы теории электрических машин

ми. Это связано с возможностью получения выходного напряжения постоянной частоты, большой и сверхбольшой мощностью, снимаемой с неподвижных контактов статорной обмотки. С помощью скользящих контактов подводится только мощность возбуждения, составляющая 0,3–2 % преобразуемой мощности. Генераторы электростанций приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами (турбогенераторы с частотой вращения 1 500–3 000 об/мин) и гидротурбинами (гидрогенераторы с частотой вращения 50–600 об/мин).

Современные генераторы тепловых и атомных электростанций оснащены энергоблоками мощностью свыше 1 000 МВА, а гидроэлектростанции – мощностью свыше 700 МВА при напряжениях до 15,75 кВ

ивыше. С ростом мощности и частоты вращения КПД машины увеличивается. В турбогенераторах и гидрогенераторах большой мощности он дос-

тигает 0,97–0,99.

Как всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В этом случае обмотку статора присоединяют к источнику переменного (трехфазного) тока с частотой f, обмотку ротора питают постоянным током

иразворачивают ротор тем или иным способом до частоты вращения n = f/p, определяемой равенством (1.33). В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля, созданного трехфазным током статорной обмотки, с полем ротора, вращающегося в ту же сторону с той же частотой вращения, что и поле статора, возникает момент, способный не только вращать вхолостую ротор, но и преодолевать внешний момент нагрузки, приложенный к валу машины.

Вотличие от двигателей постоянного тока и асинхронных частота вращения синхронных двигателей не зависит от моментов на их валу, остается постоянной при всех нагрузках машины (от нуля до номинальной)

иопределяется только частотой тока и числом полюсов машины (1.34). Механические характеристики синхронных двигателей абсолютно жесткие. Существенным недостатком синхронного двигателя является необходимость при пуске двигателя доведения его ротора до «синхронного вращения». Однако эти трудности удается, как будет показано далее, преодолеть различными способами и потому синхронные двигатели получили значительное распространение в электроприводе.

Впоследнее время области использования синхронных двигателей постепенно расширяются, так как успешное развитие силовой электроники позволяет существенно упростить и удешевить систему возбуждения синхронного двигателя, включая двигатели большой (свыше 150 кВт) мощности. Эти двигатели, несмотря на то, что они сложнее и дороже асинхронных равновеликой мощности, оказываются в эксплуатации экономичнее последних благодаря своему свойству отдавать реактивную энергию

44

1.Общие вопросы теории электрических машин

всеть, повышая тем самым коэффициент мощности сети, а вместе с ним и коэффициент полезного действия.

Обычно синхронные машины рассчитывают таким образом, чтобы они могли генерировать реактивную мощность, примерно равную активной мощности (около 0,6 и 0,8 полной мощности соответственно). Часто около крупных промышленных или энергетических предприятий устанавливают синхронные машины, предназначенные исключительно для генерирования реактивной мощности. Эти синхронные машины называются синхронными компенсаторами. Они работают в режиме двигателя на холостом ходу. Их выпускают мощностью от 15 до 160 МВА при частотах вращения 750–1 000 об/мин.

Статор (неподвижная часть) синхронной машины состоит из корпуса, магнитопровода (сердечника) с обмоткой, торцевых щитов и других конструктивных элементов. Конструктивно статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины. При наружном диаметре магнитопровода 1 статора до 1 м (рис. 1.17) последний набирается из цельных кольцевых пластин листовой или рулонной электротехнической стали. При большем наружном диаметре каждый кольцевой слой магнитопровода набирают из сегментов. На внутренней дуге пластин штампуют открытые пазы 2 для обмотки. Пластины изолируют лаком для уменьшения вихревых токов и создаваемых этими токами потерь мощности. В пазы магнитопровода укладывают трехфазную (реже – с другим количеством фаз) распределенную обмотку.

Всинхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную (рис. 1.17, а) (с явно выраженными полюсами) и неявнополюсную (рис. 1.17, б) (с неявно выраженными полюсами). В машинах с частотами вращения 1 500–3 000 об/мин (двух- и четырехполюсные) применяют неявнополюсные роторы, поскольку в этом случае применение явнополюсного ротора невозможно по условиям механического крепления обмоток и его балансировки.

Обмотку возбуждения неявнополюсного ротора размещают в пазах 9 магнитопровода 8, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют клиньями. Лобовые части обмоток крепят с помощью бандажей.

Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие примерно 2/3 полюсного деления, оставляя без обмотки так называемый «большой зуб». Обмотка возбуждения явнополюсного ротора состоит из размещенных на полюсах 3 (рис. 1.17, а) катушек возбуждения 4. Полюсы ротора установлены на основании 7.

Обмотки роторов синхронных машин питают током от возбудителей. Возбудители могут быть машинными (генератор постоянного тока), часто насаженными на вал, или статическими – полупроводниковыми.

45