Основные виды машин переменного тока

ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ИХ УСТРОЙСТВО 15.1. Основные виды машин переменного тока На практике применяются преимущественно трехфазные машины переменного тока. Однофазные машины переменного тока имеют ограниченное применение. Трехфазные машины переменного тока можно разделить на 3 основных вида: синхронные, асинхронные и коллекторные. В синхронных машинах нормального типа ротор вращается с той же частотой вращения и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле. Таким образом, вращение ротора происходит синхронно с вращающимся полем. СМ используются прежде всего в качестве генераторов, однако в настоящее время все распространение стали иметь СД. Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю. На практике АМ используются в качестве двигателей. Коллекторные машины переменного тока также вращаются несинхронно с магнитным полем, и в этом смысле они являются АМ. Однако ввиду наличия у них коллектора они выделяются в отдельный вид машин переменного тока. Однако их использование в настоящее время ограничено. 15.2. Устройство и принцип действия АМ Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная – ротором. Сердечники статора и ротора АМ собираются из листов электротехнической стали (рис.15.1), которые до сборки покрываются с обеих сторон изоляционным лаком. Фотографии АМ малой мощности в разобранном виде приведены на рис.15.2. Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора – на валу. Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора (рис.15.2). Обмотка статора обычно выполняется трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной. Обмотка ротора тоже может быть выполнена трехфазной аналогично статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и щеток выводятся наружу. Такая АМ называется АМ с фазным ротором. Другая разновидность обмотки ротора – обмотка в виде беличьей клетки (рис.15.3). При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены с медными ил алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Такая АМ называется АМ с короткозамкнутым ротором. Воздушный зазор между статором и ротором в АМ выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины: от 0,4 мм дл нескольких мм. Принцип действия АМ. При подключении сети переменного тока обмотки статора в ней возникает магнитный поток. При вращении АМ магнитный поток пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них ЭДС и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора такой же как и поток статора. Поэтому эти магнитные потоки вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя. В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники с током механические силы и вращающий электромагнитный момент М. Скольжением называется относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора    s 0 При пуске АМ (частота вращения равна нулю) s = 1 , а при вращении ротора синхронно с магнитным полем s = 0. В следствие этого в двигательном режиме 1 > s >0 Частота изменения параметром роторной цепи f2 = sf1. Если ротор АМ с помощью внешнего источника (вращающего момента) перевести во вращение в направлении вращения магнитного поля статора с частотой вращения большей частоты вращения магнитного поля статора (выше синхронной), то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в обмотке ротора токов изменятся на обратное. При этом на обратное изменится и направление электромагнитного момента. Момент при этом будет тормозящим, а АМ будет работать в генераторном режиме и отдавать активную мощность в сеть: s < 0. Если ротор АМ вращать в направлении обратном направлению вращения магнитного поля статора (   0 ), то направление электромагнитного момента сохранится, но будет тормозить вращение ротора. Этот режим работы называется режимом противовключением. При этом s > 1. 15.3 Устройство и принцип работы синхронной машины Статор СМ имеет такое же устройство, как и статор АМ. Трехфазная обмотка статора СМ (в общем случае m-фазная) называется обмоткой якоря. Сердечник статора вместе с обмоткой называется также якорем (рис.15.4). Ротор СМ имеет ОВ, питаемую постоянным током от постороннего источника питания. В качестве источника чаще всего служит ГПТ относительно небольшой мощности (0,3 – 3,0% от мощности СМ), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с СМ. Назначение ОВ – создание в машине первичного магнитного потока. Ротор вместе со своей ОВ называется также индуктором. Поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой вращения, определяемой 2  f1 0  p Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется в связи с этим полем реакции якоря. СМ может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же частотой вращения, как и поле статора. Явнополюсные СМ (рис.15.4а) имеют выступающие полюса и изготовляются с числом полюсов 2р > 4 (2p=4). Сердечники полюсов явнополюсных СМ набираются из листов стали толщиной 1 – 2 мм и стягиваются с помощью шпилек. ОВ крупных машин наматывается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга изоляционными материалами. В полюсных наконечниках СД, в соответствующих пазах, помещаются стержни пусковой обмотки. Такая обмотка напоминает беличью клетку короткозамкнутого АД и служит для асинхронного пуска СД. Такие же по конструкции обмотки изготавливают в СГ и называются в этом случае успокоительными или демпферными обмотками. Явнополюсные машины с горизонтальным валом широко используется в качестве двигателей и генераторов, в частности в качестве т.н. дизель-генераторов, соединяемых с дизельными ДВС. СГ, сочлененные с гидравлическими турбинами, работающими на гидроэлектростанциях, называются гидрогенераторами. Неявнополюсные СМ имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезеруются пазы для укладки ОВ. Эти СМ выпускаются с числом полюсов 2р=2 и 2р=4 и имеют поэтому большие частоты вращения (1500,об/мин и 3000 об/мин). Изготовление крупных машин с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции по условиям механической прочности ротора и крепления его полюсов и ОВ невозможно. Основными представителями неявнополюсных СМ является турбогенераторы, т.е синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с работающими на тепловых электростанциях паровыми турбинами.