Информационно-образовательная среда

 Э.Д.С. обмотки статора

Э.Д.С. катушки статора, если принять закон распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синусоидальным, будет равна:

                                               Е_к= 4,44·Ф·f₁·ω_к

Для определения Э.Д.С. обмотки фазы статора необходимо Э.Д.С. катушки Е_к умножить на число последовательно соединенных катушек в фазной обмотке статора.

Т.к. число катушек в катушечной группе равно q₁, а число катушечных групп в фазной обмотке равно 2р, то фазная обмотка статора содержит 2p·q₁ катушек.

Тогда ω₁=2p·q₁·ω_к, а Э.Д.С. фазной обмотки статора будет равна:   

                                                 Е₁= 4,44·Ф·f₁·ω₁·к_об1

Где к_об1 - коэффициент конструкции обмотки, учитывающий уменьшение Э.Д.С., наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением.

Значение линейной Э.Д.С. при соединении обмотки статора «звездой»: , а при соединении «треугольником»:

 Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора

При включении трехфазной обмотки статора в сеть трехфазного тока в обмотках фаз появляется токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга (во времени) на 120˚.

; ; )

Ток каждой обмотки создает пульсирующую М.Д.С., а совокупное действие этих магнитодвижущих сил создаёт результирующую М.Д.С., вектор которой вращается относительно статора.

Принцип образования вращающейся М.Д.С. рассмотрим на простейшей трехфазной двухполюсной обмотке, каждая фаза которой состоит из одной катушки (q=1). Фазные обмотки соединены звездой и включены в сеть трехфазного тока.

Рисунок
 48

Мы видим, что вектор М.Д.С. F₁ повернулся относительно своего положения в момент времени «0» на 120˚по часовой стрелке в момент времени «1». 

В моменты времени «2» и «3» вектор каждый раз поворачивается на 120˚ и за один период переменного тока делает полный оборот (360˚).

Если частота тока в обмотке статора f₁=50Гц,

то вектор М.Д.С. вращается с частотой 50 об/с.

В общем случае частота вращения вектора М.Д.С. n₁ – синхронная частота вращения – прямо пропорциональна частоте тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р обмотки статора:  [об/мин].

Значение синхронных частот вращения для промышленной частоты f₁=50Гц в зависимости от числа пар полюсов.

Вращающаяся М.Д.С. создает в расточке статора вращающееся магнитное поле. При необходимости изменить направление вращения М.Д.С. нужно изменить порядок следования токов в обмотке (порядок следования фаз).

   Асинхронные машины

  Асинхронной называется машина переменного тока, частота вращения ротора которой не находится в строгом соответствии с частотой тока сети и изменяется в зависимости от нагрузки.

Асинхронная машина обратима, но в основном применяется в качестве двигателя.

Асинхронные двигатели составляют 90…95% от всех электрических машин, применяемых в установках и механизмах.

Их преимущества:

1)    Простота конструкции;

2)    Надежность в эксплуатации;

3)    Относительная дешевизна.

К недостаткам можно отнести:

1)    Трудность регулировки частоты вращения;

2)    Зависимость частоты вращения от нагрузки.

Устройство асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора.

По конструкции ротора асинхронные двигатели подразделяются на:

1)    АД с короткозамкнутой обмоткой ротора;

2)    АД с фазной обмоткой ротора.

Статор состоит из корпуса (чугун, сталь, алюминий) во внутрь которого запрессован сердечник статора (ярмо), который имеет форму цилиндра, набранного из отдельных листов электротехнической стали. На внутренней поверхности располагаются пазы, в которые укладывается обмотка трехфазного или однофазного тока. Для получения вращающегося магнитного поля используется трехфазная обмотка. Число катушечных групп должна быть всегда кратным трем.

Концы обмоток выводятся на клеммный щиток.

Обмотки могут соединяться в «звезду» или «треугольник».

Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой состоит из вала, на который запрессовывается сердечник ротора, набранный из отдельных пластин электротехнической стали.

На внешней поверхности сердечника ротора имеются пазы, в которые укладывается обмотка, которая состоит из толстых металлических стержней (медь, алюминий). С концов эти стержни замыкаются кольцами, поэтому обмотка называется короткозамкнутой. На валу двигателя расположена вентиляторная крыльчатка.

У АД с фазной обмоткой ротора роторная обмотка, выполняется наподобие обмотки статора.

Обмотки соединяются в «глухую звезду». Три свободных конца присоединяются к контактным кольцам, расположенным на валу двигателя.

                                                           Рисунок 49

Подшипниковые щиты, устанавливаются в крышках электродвигателя, служат для центрирования ротора относительно статора.

Принцип работы асинхронного двигателя.

К обмотке статора подводится трехфазный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля равна .

Этим полем пересекаются проводники обмотки ротора, в которых индуцируется Э.Д.С. Так как обмотка ротора замкнута сама на себя, то в ней под действием Э.Д.С.  протекает ток. Взаимодействие тока обмотки ротора с вращающимся полем статора вызывает действие электромагнитных сил, которые воздействуют на каждый проводник с током  обмотки ротора. В результате создается вращающий момент, ротор приходит во вращение и движется в ту же сторону, что и вращающееся магнитное поле, с частотой вращения  n₂. Вращение ротора через вал передается рабочему механизму (машине).

Частота вращения ротора n₂ всегда меньше частоты вращения поля n₁, т.к. только при таких условиях возможна работа асинхронного двигателя.

Разность частот вращения вращающегося магнитного поля и ротора   выражается в относительных единицах или % и называется скольжением s.

 или

Скольжение АД зависит от режима работы электродвигателя:

1)    Режим ХХ, при этом режиме n₂=n₁; S=0;

Режим ХХ может быть только теоретически.

2)    Режим КЗ, при этом режиме n₂=0; S=1 (100%);

3)    При режиме номинальной нагрузки скольжение равно: S=0,01…0,06 (1…6%). 

Физический процесс, происходящий при работе в асинхронном двигателе.

Обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора. Энергия из одной обмотки в другую передается при помощи магнитного поля (аналогично трансформатору).

В процессе работы асинхронного двигателя по обмоткам статора и ротора протекают токи, которые создают намагничивающие силы в соответствующих обмотках F₁ и F₂.

Совместным действием этих МДС создается результирующий поток, который замыкается через сердечник статора, через воздушный зазор и через сердечник ротора.

Кроме основного потока имеются потоки рассеивания Фр₁ и Фр₂.

Основным потоком в обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции:

                                    Е₁= 4,44·Ф_мах·f₁·ω₁·к_об1                                              

Потоком рассеянья наводится ЭДС рассеянья: Е_р1= -j·I_1·x₁

Кроме того, на обмотке статора создается активное падение напряжения: I₁·r₁

Уравнение напряжения для обмотки статора: U₁= -E₁+ j·I_1·x₁+ I₁·r₁

В процессе работы двигателя ротор вращается со скоростью n₂, скорость вращения магнитного поля относительно ротора будет равна n₁-n₂, тогда частота наведенной ЭДС в роторе будет равна:                

Величина наведенной ЭДС основным потоком в обмотке ротора равна:

E_2s=4,44·Ф_max·f₂·ω₂·к_об2=4,44·Ф_мах·f₁·S·ω₂·к_об2=Е₂·S,

Где Е₂ - ЭДС неподвижной машины при n₂=0;

Е_2s - ЭДС работающей машины.

Индуктивное сопротивление подвижного ротора меняется, т.е. зависит от скольжения:

X_2s=ω₂·L₂=2π·f₂·L₂=2π·f₁·S·L₂=X₂·S,

Где Х₂ – реактивное сопротивление при неподвижном роторе,

Х_2S – реактивное сопротивление при любом скольжении.

Активное сопротивление ротора от частоты не зависит. Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, то напряжение U₂=0, тогда уравнение напряжения и ЭДС для обмотки ротора: O= Е_2s- j·I_2·x_2s+ I₂·r₂,  Е2s= j·I_2·x_2s+ I₂·r₂

     Асинхронные машины

  Асинхронной называется машина переменного тока, частота вращения ротора которой не находится в строгом соответствии с частотой тока сети и изменяется в зависимости от нагрузки.

Асинхронная машина обратима, но в основном применяется в качестве двигателя.

Асинхронные двигатели составляют 90…95% от всех электрических машин, применяемых в установках и механизмах.

Их преимущества:

1)    Простота конструкции;

2)    Надежность в эксплуатации;

3)    Относительная дешевизна.

К недостаткам можно отнести:

1)    Трудность регулировки частоты вращения;

2)    Зависимость частоты вращения от нагрузки.

Устройство асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора.

По конструкции ротора асинхронные двигатели подразделяются на:

1)    АД с короткозамкнутой обмоткой ротора;

2)    АД с фазной обмоткой ротора.

Статор состоит из корпуса (чугун, сталь, алюминий) во внутрь которого запрессован сердечник статора (ярмо), который имеет форму цилиндра, набранного из отдельных листов электротехнической стали. На внутренней поверхности располагаются пазы, в которые укладывается обмотка трехфазного или однофазного тока. Для получения вращающегося магнитного поля используется трехфазная обмотка. Число катушечных групп должна быть всегда кратным трем.

Концы обмоток выводятся на клеммный щиток.

Обмотки могут соединяться в «звезду» или «треугольник».

Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой состоит из вала, на который запрессовывается сердечник ротора, набранный из отдельных пластин электротехнической стали.

На внешней поверхности сердечника ротора имеются пазы, в которые укладывается обмотка, которая состоит из толстых металлических стержней (медь, алюминий). С концов эти стержни замыкаются кольцами, поэтому обмотка называется короткозамкнутой. На валу двигателя расположена вентиляторная крыльчатка.

У АД с фазной обмоткой ротора роторная обмотка, выполняется наподобие обмотки статора.

Обмотки соединяются в «глухую звезду». Три свободных конца присоединяются к контактным кольцам, расположенным на валу двигателя.

                                                           Рисунок 49

Подшипниковые щиты, устанавливаются в крышках электродвигателя, служат для центрирования ротора относительно статора.

Принцип работы асинхронного двигателя.

К обмотке статора подводится трехфазный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля равна .

Этим полем пересекаются проводники обмотки ротора, в которых индуцируется Э.Д.С. Так как обмотка ротора замкнута сама на себя, то в ней под действием Э.Д.С.  протекает ток. Взаимодействие тока обмотки ротора с вращающимся полем статора вызывает действие электромагнитных сил, которые воздействуют на каждый проводник с током  обмотки ротора. В результате создается вращающий момент, ротор приходит во вращение и движется в ту же сторону, что и вращающееся магнитное поле, с частотой вращения  n₂. Вращение ротора через вал передается рабочему механизму (машине).

Частота вращения ротора n₂ всегда меньше частоты вращения поля n₁, т.к. только при таких условиях возможна работа асинхронного двигателя.

Разность частот вращения вращающегося магнитного поля и ротора   выражается в относительных единицах или % и называется скольжением s.

 или

Скольжение АД зависит от режима работы электродвигателя:

1)    Режим ХХ, при этом режиме n₂=n₁; S=0;

Режим ХХ может быть только теоретически.

2)    Режим КЗ, при этом режиме n₂=0; S=1 (100%);

3)    При режиме номинальной нагрузки скольжение равно: S=0,01…0,06 (1…6%). 

Физический процесс, происходящий при работе в асинхронном двигателе.

Обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора. Энергия из одной обмотки в другую передается при помощи магнитного поля (аналогично трансформатору).

В процессе работы асинхронного двигателя по обмоткам статора и ротора протекают токи, которые создают намагничивающие силы в соответствующих обмотках F₁ и F₂.

Совместным действием этих МДС создается результирующий поток, который замыкается через сердечник статора, через воздушный зазор и через сердечник ротора.

Кроме основного потока имеются потоки рассеивания Фр₁ и Фр₂.

Основным потоком в обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции:

                                    Е₁= 4,44·Ф_мах·f₁·ω₁·к_об1                                              

Потоком рассеянья наводится ЭДС рассеянья: Е_р1= -j·I_1·x₁

Кроме того, на обмотке статора создается активное падение напряжения: I₁·r₁

Уравнение напряжения для обмотки статора: U₁= -E₁+ j·I_1·x₁+ I₁·r₁

В процессе работы двигателя ротор вращается со скоростью n₂, скорость вращения магнитного поля относительно ротора будет равна n₁-n₂, тогда частота наведенной ЭДС в роторе будет равна:  

Величина наведенной ЭДС основным потоком в обмотке ротора равна:

E_2s=4,44·Ф_max·f₂·ω₂·к_об2=4,44·Ф_мах·f₁·S·ω₂·к_об2=Е₂·S,

Где Е₂ - ЭДС неподвижной машины при n₂=0;

Е_2s - ЭДС работающей машины.

Индуктивное сопротивление подвижного ротора меняется, т.е. зависит от скольжения:

X_2s=ω₂·L₂=2π·f₂·L₂=2π·f₁·S·L₂=X₂·S,

Где Х₂ – реактивное сопротивление при неподвижном роторе,

Х_2S – реактивное сопротивление при любом скольжении.

Активное сопротивление ротора от частоты не зависит. Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, то напряжение U₂=0, тогда уравнение напряжения и ЭДС для обмотки ротора: O= Е_2s- j·I_2·x_2s+ I₂·r₂,

                                             Е2s= j·I_2·x_2s+ I₂·r₂

 Э.Д.С. обмотки статора

Э.Д.С. катушки статора, если принять закон распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синусоидальным, будет равна:

                                               Е_к= 4,44·Ф·f₁·ω_к

Для определения Э.Д.С. обмотки фазы статора необходимо Э.Д.С. катушки Е_к умножить на число последовательно соединенных катушек в фазной обмотке статора.

Т.к. число катушек в катушечной группе равно q₁, а число катушечных групп в фазной обмотке равно 2р, то фазная обмотка статора содержит 2p·q₁ катушек.

Тогда ω₁=2p·q₁·ω_к, а Э.Д.С. фазной обмотки статора будет равна:   

                                                 Е₁= 4,44·Ф·f₁·ω₁·к_об1

Где к_об1 - коэффициент конструкции обмотки, учитывающий уменьшение Э.Д.С., наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением.

Значение линейной Э.Д.С. при соединении обмотки статора «звездой»: , а при соединении «треугольником»:

1.4 Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора

При включении трехфазной обмотки статора в сеть трехфазного тока в обмотках фаз появляется токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга (во времени) на 120˚.

; ; )

Ток каждой обмотки создает пульсирующую М.Д.С., а совокупное действие этих магнитодвижущих сил создаёт результирующую М.Д.С., вектор которой вращается относительно статора.

Принцип образования вращающейся М.Д.С. рассмотрим на простейшей трехфазной двухполюсной обмотке, каждая фаза которой состоит из одной катушки (q=1). Фазные обмотки соединены звездой и включены в сеть трехфазного тока.

Рисунок 48

Мы видим, что вектор М.Д.С. F₁ повернулся относительно своего положения в момент времени «0» на 120˚по часовой стрелке в момент времени «1». 

В моменты времени «2» и «3» вектор каждый раз поворачивается на 120˚ и за один период переменного тока делает полный оборот (360˚).

Если частота тока в обмотке статора f₁=50Гц,

то вектор М.Д.С. вращается с частотой 50 об/с.

В общем случае частота вращения вектора М.Д.С. n₁ – синхронная частота вращения – прямо пропорциональна частоте тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р обмотки статора:  [об/мин].

Значение синхронных частот вращения для промышленной частоты f₁=50Гц в зависимости от числа пар полюсов.

Вращающаяся М.Д.С. создает в расточке статора вращающееся магнитное поле. При необходимости изменить направление вращения М.Д.С. нужно изменить порядок следования токов в обмотке (порядок следования фаз).

 Э.Д.С. обмотки статора

Э.Д.С. катушки статора, если принять закон распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синусоидальным, будет равна:

                                               Е_к= 4,44·Ф·f₁·ω_к

Для определения Э.Д.С. обмотки фазы статора необходимо Э.Д.С. катушки Е_к умножить на число последовательно соединенных катушек в фазной обмотке статора.

Т.к. число катушек в катушечной группе равно q₁, а число катушечных групп в фазной обмотке равно 2р, то фазная обмотка статора содержит 2p·q₁ катушек.

Тогда ω₁=2p·q₁·ω_к, а Э.Д.С. фазной обмотки статора будет равна:   

                                                 Е₁= 4,44·Ф·f₁·ω₁·к_об1

Где к_об1 - коэффициент конструкции обмотки, учитывающий уменьшение Э.Д.С., наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением.

Значение линейной Э.Д.С. при соединении обмотки статора «звездой»: , а при соединении «треугольником»:

  Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора

При включении трехфазной обмотки статора в сеть трехфазного тока в обмотках фаз появляется токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга (во времени) на 120˚.

; ; )

Ток каждой обмотки создает пульсирующую М.Д.С., а совокупное действие этих магнитодвижущих сил создаёт результирующую М.Д.С., вектор которой вращается относительно статора.

Принцип образования вращающейся М.Д.С. рассмотрим на простейшей трехфазной двухполюсной обмотке, каждая фаза которой состоит из одной катушки (q=1). Фазные обмотки соединены звездой и включены в сеть трехфазного тока.

                                                                   Рисунок 48

Мы видим, что вектор М.Д.С. F₁ повернулся относительно своего положения в момент времени «0» на 120˚по часовой стрелке в момент времени «1». 

В моменты времени «2» и «3» вектор каждый раз поворачивается на 120˚ и за один период переменного тока делает полный оборот (360˚).

Если частота тока в обмотке статора f₁=50Гц,

то вектор М.Д.С. вращается с частотой 50 об/с.

В общем случае частота вращения вектора М.Д.С. n₁ – синхронная частота вращения – прямо пропорциональна частоте тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р обмотки статора:  [об/мин].

Значение синхронных частот вращения для промышленной частоты f₁=50Гц в зависимости от числа пар полюсов.

Вращающаяся М.Д.С. создает в расточке статора вращающееся магнитное поле. При необходимости изменить направление вращения М.Д.С. нужно изменить порядок следования токов в обмотке (порядок следования фаз).

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора.

1. Пуск непосредственным включением статорной обмотки в сеть.

     Данный способ является самым простым и дешевым. Обмотка статора при помощи выключателя или магнитного пускателя включается непосредственно в сеть под полное напряжение.

     Недостаток этого способа в том, что в момент пуска двигателя возникают большие пусковые токи в 5…7 раз превышающие номинальное значение тока.

     Для самого двигателя пусковой ток является не опасным, т.к. время пуска мало, но является нежелательным для питающей сети, т.к. в сети происходит резкое изменение напряжения, что отрицательно сказывается на работе других потребителей. Обычно этим способом осуществляется пуск двигателей мощностью до 30 кВт.

     При значительно мощной питающей сети возможен запуск двигателей мощностью до 2000 кВт, но так чтобы при этом не было «провала» напряжения в сети.   

                                  Рисунок 55

2. Пуск на пониженном напряжении.

     Для ограничения пускового тока двигатели большой мощности пускаются на пониженном напряжении.

     Существуют несколько способов пуска на пониженном напряжении:

1)                Переключением статорной обмотки с соединения «звездой» на «треугольник».

     Перед пуском двигателя с помощью специального переключателя статорную обмотку соединяют в «звезду». Этим самым снижают фазное напряжение в √3 раз, соответственно и фазный ток уменьшится в √3.

Линейный ток при соединении обмотки в «звезду» уменьшается в 3 раза, т.о. бросок пускового тока уменьшается в 3 раза.

     По мере разгона двигателя обмотку статора переключают со «звезды» на «треугольник», после чего на каждую фазу подается полное напряжение сети (U_ф = U_л).

     Недостаток данного способа в том, что он имеет ограниченное применение, т.к. применим только для двигателей с нормальным включением обмоток статора в «треугольник». Кроме того, в результате снижения напряжения в √3 раз пусковой момент уменьшается в 3 раза, поэтому таким способом двигатели запускаются вхолостую или при неполной нагрузке.

                                 Рисунок 56

2)                Реакторный пуск двигателя.

При разомкнутом рубильнике SВ2 замыкается рубильник SВ1. Напряжение на обмотку статора подается через реакторы, двигатель запускается при пониженном напряжении:                 

По мере разгона двигателя пусковой ток уменьшается, падение напряжения на реакторе уменьшится, а на обмотке статора увеличится. 

                                                             Рисунок 57

К концу пуска на статорную обмотку подается полное напряжение, после чего включается рубильник 2.

Благодаря снижению напряжения происходит резкое уменьшение пускового момента, поэтому запуск производят вхолостую или при неполной нагрузке, что является недостатком данного способа запуска.

К достоинству можно отнести то, что соединение обмоток статора может быть, как в «звезду», так и в «треугольник».

3)                Автотрансформаторный пуск асинхронного двигателя.

Порядок запуска двигателя:

             Рисунок 58

Перед запуском двигателя замыкается рубильник SB1. Этим самым обмотки автотрансформатора включаются по схеме «звезда». Затем включается рубильник SB2, при этом на обмотку статора подается пониженное напряжение, а пусковой ток на выходе автотрансформатора уменьшается пропорционально уменьшению напряжения. Ток на выходе автотрансформатора уменьшится в

К² раз (где К-коэффициент трансформации трансформатора) по сравнению с пусковым током при непосредственном включении статорной обмотки в сеть.

После того, как ротор придет во вращение и пусковой ток уменьшается, рубильник SB1 размыкают, автотрансформатор преобразуется в реактор, напряжение на статорной обмотке повышается.

При включении рубильника SB3 на обмотку статора подается полное напряжение. Таким образом, запуск осуществляется тремя ступенями.

На первой ступени к двигателю подводится напряжение 50…70% от U_1H.

На второй ступени к двигателю подводится 70…80% от U_1H.

На третьей ступени к двигателю подводится полное напряжение U_1H.

Этот способ основан на уменьшении подводимого напряжения, а, следовательно, и пускового тока.

С точки зрения снижения пускового тока, этот способ выгоднее реакторного способа пуска, но из-за сложности пусковой операции и высокой стоимости аппаратуры имеет ограниченное применение. Данный способ применяется только для запуска мощных асинхронных двигателей.

 Потери и К.П.Д. коллекторной машины постоянного тока

В машине постоянного тока в процессе преобразования энергии происходят потери мощности, которые подразделяются на магнитные, электрические, механические и добавочные.

1)    Магнитные потери ∆P_ст (потери в стали) происходят только в сердечнике якоря, т.к. только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Магнитные потери состоят из потерь от гистерезиса и вихревых токов и зависит от частоты перемагничивания:

При постоянной частоте вращения потери в стали - постоянны.

                                         ∆P_ст=∆Р_вх+∆Р_г

2)    Электрические потери обусловлены нагревом обмоток и щеточных контактов.

Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения: ∆Р_эв=I_в·U_в,

где U_в- напряжение на зажимах цепи возбуждения.

Электрические потери в обмотки якоря:

, где - сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре.

= r[1+α(75-ϴ)], где α – температурный коэффициент α_меди=0,04 1/град, а ϴ - температура окружающей среды.

Потери мощности в щеточных контактах

∆Р_щ=∆U_щ·I_a, где ∆U_щ- переходное падение напряжения на щетках.

Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины поэтому эти потери называют переменными.

3)    Механические потери ∆Р_мех вызваны трением в подшипниках, щетках о коллектор, на вентиляцию.

∆Р_мех=∆Р_п+∆Р_к+∆Р_вент

При постоянной частоте вращения механические потери постоянны.

4)    Добавочные потери трудно подвергаются исследованию и их, согласно ГОСТу, принимают равными 1% от полезной мощности для генератора и 1% от подводимой мощности для двигателя.

К.П.Д. электрической машины представляется собой отношение мощности, отдаваемой (получаемой) Р₂ к подводимой (потребляемой) Р₁:

Полезная мощность меньше затраченной на величину суммарных потерь:

Для генератора:

Для двигателя:

К.П.Д. машин постоянного тока зависит от нагрузки. С увеличением нагрузки К.П.Д. резко увеличивается и достигает максимального значения при нагрузки равной (0,75-0,8) Рн, затем, с дальнейшим увеличением нагрузки, начинают активно возрастать потери.

К.П.Д. машин мощностью от 1кВт до 100 кВт: 0,75-0,90.

К.П.Д. машин мощность свыше 100 кВт 0,90-0,97

К.П.Д. машин мощностью от 5 до 50 Вт: 0,15-0,5.

                      Рисунок 41

Практическая работа №7 Изучение конструкции бесколлекторных электрических машин переменного тока

Цель работы: изучить конструкцию бесколлекторных электрических машин, ознакомиться с конструктивными деталями и их назначением

Порядок выполнения работы:

1)    зарисовать асинхронную бесколлекторную электрическую машину;

2)    выяснить назначение основных узлов асинхронных бесколлекторных электрических машин;

3)    зарисовать синхронную бесколлекторную электрическую машину;

4)    выяснить назначение основных узлов синхронных бесколлекторных электрических машин;

5)    ответить на контрольные вопросы;

6)    сделать вывод по практической работе.

Бесколлекторные электрические машины разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронной машина называют потому что частота вращения ротора и вращающегося магнитного поля статора не одинаковы. Асинхронная машина, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора.

Рисунок 1.  Устройство трехфазного асинхронного двигателя с

короткозамкнутым ротором:

1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3,7 — подшипниковые щиты; 4 — короб¬ка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11— корпус; 12 — лапы

Статор асинхронной машины практически не отличается от статора синхронной. Он состоит из корпуса 11, который может быть изготовлен из различных конструкционных материалов: стали, чугуна, цветных металлов и их сплавов. В корпус запрессован сердечник 10, изготовленный из отдельных пластин электротехнической стали. В сердечнике сделаны пазы, куда укладывают трехфазную обмотку. С торцов корпус закрыт подшипниковыми щитами 3 и 7. Подшипниковые щиты обычно выполняют из тех же материалов, что и корпус. В подшипниковых щитах расположены подшипники 2 и б, на которые опирается вал 1 ротора. На вал напрессован сердечник 9, выполненный из отдельных пластин электротехнической стали. В сердечнике сделаны пазы в которые заливают расплавленный алюминий. При охлаждении алюминия образуются стержни, к концам которых припаивают алюминиевые кольца. Чаще всего кольца и стержни отливают одновременно. Образуется короткозамкнутая обмотка  типа «беличье колесо». В некоторых машинах вместо алюминиевой «беличьей клетки» применяют медную. Тогда в пазы ротора просто укладывают медные стержни концы которых замыкают медными кольцами. Вместе с кольцами отливают вентиляционные лопатки, способствующие охлаждению двигателя. Для уменьшения габаритов двигателя охлаждающий поток воздуха направляют центробежным вентилятором 5, который напрессовывают на вал ротора. Вентилятор прикрыт кожухом 8, изготовляемый из стали, а в последнее время из пластмассы.

Рисунок 2. Короткозамкнутый ротор:

а) ротор выполненный методом литья под давлением;

б) обмотка «беличья клетка»

Двигатель монтируют посредством лап 12, либо с помощью фланца. В последнем случае на подшипниковым щите (чаще всего со стороны выступающего конца вала ) выполняют фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочем органе.

Другой разновидностью асинхронных двигателей являются двигатели с фазным ротором (рисунок 3). Ротор конструктивно отличается от короткозамкнутого. На валу 8 напрессован шихтованный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют «звездой», а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, напрессованным на вал и изолированным друг от друга и от вала. По кольцам контактируют щетки, помещенные в щеткодержатели (рисунок 4).

Рисунок 3. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с

фазным ротором:

1,7 — подшипники; 2, 6 — подшипниковые щиты; 3 — корпус; 4 — сердечник статора с обмоткой; 5 — сердечник ротора; 8 — вал; 9 — короб выводов; 10 — лапы; 11 — контактные кольца

Рисунок 4. Расположение щёткодержателей:

1 — контактное кольцо; 2 — щетка; 3 — щеткодержатель

На каждое контактное кольцо 1 накладывают обычно две щетки 2, находящиеся в щеткодержателях 3. Определенное нажатие на щетку обеспечивается пружинами щеткодержателя. К щеткам подключают пусковые реостаты ПР, создающими в цепи ротора добавочное сопротивление Rдоб.

Рисунок.5. Схемы включения трехфазных асинхронных двигателей

с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором

На рисунке.5 показана схема включения асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а)   и фазным (б)  ротором.

Выводы обмоток выводят на зажимы коробки выводов 4 (см. рисунок 1) и 9 (см. рисунок 3). К трехфазной сети обмотки статора подключают «звездой» или «треугольником» (рисунок 6). Обычно на табличке, укреплённой на корпусе двигателя, указывают два напряжения, отличающиеся в √3 раз. Если в сети большее напряжение из указанных в табличке, то двигатель включается «звездой», при меньшем напряжении – треугольником».

Рисунок 6. Расположение выводов обмотки статора асинхронного двигателя (а) и положение перемычек при соединении обмоток статора «звездой» (б) и «треугольником» (в)

Синхронные машины довольно широко применяют в электроэнергетике. Преобладающая часть электроэнергии, используемой в экономике России и в бытовых целях, производится синхронными генераторами. На тепловых и атомных электростанциях приводом генераторов является паровая или газовая турбина, поэтому их называют турбогенераторами, а на гидроэлектростанциях — гидротурбина, из-за чего их называют гидрогенераторами.

На тепловозах с переменно-постоянной и переменно-пере-менной передачами в качестве тяговых используют синхронные генераторы, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с генераторами постоянного тока.

Синхронные машины используют в качестве тяговых двигателей на ТПС нового поколения.

Их также используют в качестве вспомогательных машин, например, синхронные возбудители тепловоза 2ТЭ116.

Сердечник статора (Рисунок 1) собирается из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно¬канифольным изоляционным лаком. В машинах малой мощности обычно листы сердечников не имеют лакового покрытия, так как естественный или искусственно созданный слой оксидов на поверхности листов стали является достаточной изоляцией. Во внутренней цилин-дрической поверхности сердечника сделаны пазы, в которых размещается трехфазная обмотка статора. Сердечник запрессовывают в корпус, который изготовляют из конструкционных материалов: стали, чугуна, алюминия и его сплавов (машины малой мощности) и др. Так как в обмотках статора индуцируется ЭДС, то его сердечник с обмотками называют якорем. С обоих торцов корпус закрыт подшипниковыми щитами, которые обычно изготовляют из того же материала, что и корпус.

Рисунок 1. Статор машины переменного тока: 1 — сердечник;

1       — обмотка; 3 — корпус

искусственно созданный слой оксидов на поверхности листов стали является достаточной изоляцией. Во внутренней цилиндрической поверхности сердечника сделаны пазы, в которых размещается трехфазная обмотка статора. Сердечник запрессовывают в корпус, который изготовляют из конструкционных материалов: стали, чугуна, алюминия и его сплавов (машины малой мощности) и др. Так как в обмотках статора индуцируется ЭДС, то его сердечник с обмотками называют якорем. С обоих торцов корпус закрыт подшипниковыми щитами, которые обычно изготовляют из того же материала, что и корпус.

Ротор синхронной машины бывает двух видов: явнополюсной (рисунок 2, а) и неявнополюсной (рисунок 2, б).

Сердечники полюсов явнополюсных машин набирают из листов стали толщиной 1-2 мм и стягивают с помощью шпилек. В средних и крупных машинах полюса крепят к выступам вала или к ободу крестовины с помощью Т-образных хвостов. В малых машинах полюсы крепят также с помощью болтов. Обмотки возбуждения крупных машин наматывают из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируют друг от друга изоляционными прокладками.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей (рисунок 3) делают пазы, куда помещают стержни 1 пусковой обмотки из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.), которые приваривают по торцам к короткозамкнутым сегментам 2, а последние соединяют в корткозамкнутые кольца. Такие же по конструкции обмотки, но из медных стержней изготовляют нередко в синхронных генераторах и называют в этом случае успокоительными или демпферными обмотками.

Рисунок 2. Устройство явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) синхронной машины: 1 — статор (якорь); 2 — ротор (индуктор); 3 — обмотка возбуждения

 Рисунок 3. Ротор явнополюсной синхронной машины:   1 — стержень; 2 — сегмент

В некоторых случаях полюсы синхронных машин делают массивными из стальных поковок, и в этом случае роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюсы. Торцы наконечников соседних полюсов в этом случае соединяются проводниками в виде планок.

Явнополюсные синхронные машины небольшой мощности до 10-12 кВт имеют иногда так называемую обращенную конструкцию, когда индуктор (полюсы) являются неподвижными, а якорь вращается. Такие машины похожи на машины постоянного тока, у которых коллектор заменен тремя или двумя контактными кольцами для отвода тока из обмотки якоря. Подобную конструкцию имеет синхронный подвозбудитель тепловоза. Для крупных машин обращенная конструкция невыгодна, так как отвод из обмотки якоря больших токов при высоком напряжении с помощью колец и щеток чрезвычайно затруднителен и сложно осуществить надежную изоляцию вращающейся якорной обмотки высокого напряжения.

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезеруют пазы для укладки обмотки возбуждения (рисунок 2, б). Эти машины выпускают с числом полюсов 2р = 2 и 2р = 4 и имеют поэтому большие частоты вращения (при f= 50 Гц соответственно 3000 и 1500 об/мин).

Обмотка ротора выполняется в виде концентрических катушек и закрепляется в пазах немагнитными металлическими клиньями (дюралю-миний и т.д.), которые обладают требуемой механической прочностью. Немагнитные клинья предотвращают возникновение больших магнитных потоков рассеяния, замыкающихся вокруг пазов через клинья и вызывающих излишнее насыщение зубцов и уменьшение полезного потока, проходящего через воздушный зазор в статор.

Обмотки ротора имеют изоляцию класса В или F.

Контрольные вопросы

1.Каие существуют виды машин переменного тока

2 Почему асинхронный двигатель называют асинхронным.

3 Какими способами подключают асинхронные двигатели к трёхфазной сети.

4 Каково устройство асинхронного двигателя.

5 Какого типа бывают роторы у синхронных машин.

6 Какого типа бывают роторы у асинхронных машин.

Вывод по работе

 Э.Д.С. обмотки статора

Э.Д.С. катушки статора, если принять закон распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синусоидальным, будет равна:

                                               Е_к= 4,44·Ф·f₁·ω_к

Для определения Э.Д.С. обмотки фазы статора необходимо Э.Д.С. катушки Е_к умножить на число последовательно соединенных катушек в фазной обмотке статора.

Т.к. число катушек в катушечной группе равно q₁, а число катушечных групп в фазной обмотке равно 2р, то фазная обмотка статора содержит 2p·q₁ катушек.

Тогда ω₁=2p·q₁·ω_к, а Э.Д.С. фазной обмотки статора будет равна:   

                                                 Е₁= 4,44·Ф·f₁·ω₁·к_об1

Где к_об1 - коэффициент конструкции обмотки, учитывающий уменьшение Э.Д.С., наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением.

Значение линейной Э.Д.С. при соединении обмотки статора «звездой»: , а при соединении «треугольником»:

  Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора

При включении трехфазной обмотки статора в сеть трехфазного тока в обмотках фаз появляется токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга (во времени) на 120˚.

Ток каждой обмотки создает пульсирующую М.Д.С., а совокупное действие этих магнитодвижущих сил создаёт результирующую М.Д.С., вектор которой вращается относительно статора.

Принцип образования вращающейся М.Д.С. рассмотрим на простейшей трехфазной двухполюсной обмотке, каждая фаза которой состоит из одной катушки (q=1). Фазные обмотки соединены звездой и включены в сеть трехфазного тока.

Рисунок
 48

Мы видим, что вектор М.Д.С. F₁ повернулся относительно своего положения в момент времени «0» на 120˚по часовой стрелке в момент времени «1». 

В моменты времени «2» и «3» вектор каждый раз поворачивается на 120˚ и за один период переменного тока делает полный оборот (360˚).

Если частота тока в обмотке статора f₁=50Гц,

то вектор М.Д.С. вращается с частотой 50 об/с.

В общем случае частота вращения вектора М.Д.С. n₁ – синхронная частота вращения – прямо пропорциональна частоте тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р обмотки статора:  [об/мин].

Значение синхронных частот вращения для промышленной частоты f₁=50Гц в зависимости от числа пар полюсов.

Вращающаяся М.Д.С. создает в расточке статора вращающееся магнитное поле. При необходимости изменить направление вращения М.Д.С. нужно изменить порядок следования токов в обмотке (порядок следования фаз).