Основні типи й класифікація електричних машин

1.1 Основні типи й класифікація електричних машин

Електричні машини - це електромеханічні перетворювачі, у яких здійснюється перетворення електричної енергії в механічну або механічної в електричну. Основна відмінність електричних машин від інших перетворювачів у тім, що вони оборотні, тобто та сама машина може працювати в режимі двигуна, переробляти електричну енергію в механічну, і в режимі генератора, переробляти механічну енергію в електричну.

По виду створюваного в машинах поля, у якому відбувається перетворення енергії, електричні машини підрозділяються на індуктивні, ємнісні й індуктивно-ємнісні. Сучасні широко застосовувані в промисловості й інших галузях народного господарства електричні машини - індуктивні. Перетворення енергії в них здійснюється в магнітному полі. Ємнісні електричні машини, хоча й були винайдені задовго до індуктивних, дотепер не знайшли практичного застосування через складність створення досить потужного електричного поля, у якому відбувається перетворення енергії. Індуктивно-ємнісні машини з'явилися лише в останні роки. Перетворення енергії в них відбувається в електромагнітному полі, і вони поєднують властивості індуктивних і ємнісних електричних машин. У практиці ці машини ще не застосовуються, тому в даній роботі розглядаються тільки індуктивні електричні машини, які надалі будуть називатися просто електричними машинами. [7, с. 6]

Для того щоб електрична машина працювала, у ній повинне бути створене обертове магнітне поле. Принцип утворення обертового поля у всіх машин той самий.

Найпростішою електричною машиною є ідеальна узагальнена електрична машина (мал. 1), тобто машина симетрична, ненасичена, що має гладкий повітряний зазор. На статорі й роторі такої машини розташовані по двох обмотки: wsб і wsв на статорі, wrб і wrв на роторі, зрушені в просторі відносно один одного на електричний кут, рівний 90°. Якщо до обмоток статора або ротора такої машини підвести струми, зрушені в часі на електричний кут 90°, то в повітряному зазорі машини буде обертове кругове поле. При симетричній синусоїдальній напрузі поле буде синусоїдальне, тому що ідеальна машина не вносить у зазор просторових гармонік. Всі реальні електричні машини в тім або іншому ступені відрізняються від ідеальної машини, тому що в повітряному зазорі реальної машини не можна одержати синусоїдальне поле.

Мал. 1. Узагальнена електрична машина

Для того щоб МДС, необхідна для створення магнітного поля, не була надмірно велика, статор і ротор електричної машини виконують із феромагнітного матеріалу, магнітна провідність якого в багато разів більше, ніж провідність неферомагнітного середовища (µст>>µ0). При цьому магнітні силові лінії поля замикаються по муздрамтеатрі машини й практично не виходять за межі її активних частин. Ділянки муздрамтеатру, у яких потік змінний, для зменшення втрат на вихрові струми й гістерезис виконують шихтованими з тонких аркушів електротехнічної сталі. Ділянки муздрамтеатру машин, у яких потік постійний (наприклад, полюси й станини машин постійного струму), можуть бути виконані масивними з конструкційної сталі. [7, с. 6]

Неодмінною умовою перетворення енергії є зміна потокосцепления обмоток залежно від взаємного положення її частин - статора й ротора. Ця умова може бути виконане при різних варіантах конструктивних форм муздрамтеатру й при різних конструкціях і розташуванні обмоток (мал. 2, а - г). Той або інший варіант вибирається залежно від роду живильного струму, найбільш зручного способу створення поля й типу машини. Для перетворення енергії в переважній більшості електричних машин використовується обертовий рух.

Електричні машини звичайно виконуються з одною обертовою частиною - циліндричним ротором і нерухливою частиною - статором. Такі машини називаються одномірними. Вони мають один ступінь волі. Майже всі випускаються промисловістю машини - одномірні із циліндричним обертовим ротором і зовнішнім нерухливим статором. [7, с. 7]

Електромагнітний момент в електричних машинах прикладений і до ротора, і до статора. Якщо дати можливість обертатися обом частинам машини, вони будуть переміщатися в протилежні сторони. У машин, у яких обертаються й ротор, і статор, два ступені волі. Це двомірні машини. У навігаційних приладах ротором може бути куля, що обертається щодо двох статорів, розташованих під кутом 90°. Такі машини мають три ступені волі. У космічній електромеханіці зустрічаються шестимерні електромеханічні системи, у яких і ротор, і статор мають по трьох ступеня волі.

Мал. 2. Основні конструктивні виконання електричних машин: а - асинхронна; б - синхронна; в - колекторна; г - індукторна

Знаходять застосування також електричні машини, у яких ротор (або й ротор, і статор) має форму диска. Такі машини називають торцевими.

Електричні машини крім обертального можуть мати й зворотно-поступальний рух (лінійні машини). У таких машинах статор і ротор розімкнуті й магнітне поле відбивається від країв, що приводить до перекручування поля в повітряному зазорі.

Крайовий ефект у лінійних електричних машинах погіршує їхні енергетичні показники. Низькі енергетичні показники обмежують застосування електричних машин зі зворотно-поступальним рухом.

Зі звичайної машини із циліндричним статором і ротором виходять машини із сегментним статором і лінійні (мал. 3). Якщо збільшити діаметр ротора сегментної машини нескінченно, одержимо лінійний двигун (мал. 3, б).

Лінійні двигуни постійний і змінний токи знаходять застосування в промисловості для одержання лінійних переміщень.

У генераторному режимі лінійні машини практично не застосовуються.

Мал. 3. Модифікація конструктивного виконання електричних машин: а - машина із сегментним статором; б - лінійний двигун; 1 - статор; 2 - ротор

У більшості типів електричних машин магнітне поле створюється змінними струмами обмоток статора й ротора. Однак існує клас машин, у яких поле створюється постійними струмами обмоток, розташованих тільки на статорі. Перетворення енергії в них відбувається за рахунок зміни магнітного потоку в повітряному зазорі через зміну його провідності при обертанні ротора. Ротор у таких машинах має яскраво виражені зубці, переміщення яких щодо статора викликає зміна магнітного опору на ділянках зазору й обмотки статора. Такі машини називають параметричними або індукторними. Конструктивні виконання індукторних машин досить різноманітні. Найбільше поширення одержала конструкція індукторної машини із двома роторами 1 і статорами 2 (мал. 4). Якщо ротори зрушені відносно один одного на електричний кут 90°, загальний магнітний опір машини під час обертання роторів не змінюється й в обмотці збудження 3, що харчується постійним струмом, не наводиться змінна напруги. Обмотки на роторах відсутні. При роботі машини з обмоток змінного струму 4, розташованих у пазах кожного статора, знімається напруга. Потік порушення замикається по корпусі статора й втулці ротора 5, насадженої на вал.

Залежно від роду споживаного або струму, що віддається в мережу, електричні машини підрозділяються на машини змінний і постійний токи. Машини змінного струму діляться на синхронні, асинхронні й колекторні.

Мал. 4. Індукторна машина із двома роторами

У синхронних машинах поле порушення створюється обмоткою, розташованої на роторі, що харчується постійним струмом. Обмотка статора з'єднана з мережею змінного струму. У звичайному виконанні машин обертовий ротор з обмоткою збудження розташовується усередині статора, а статор нерухливий. Звернена конструкція, при якій ротор з обмоткою збудження нерухливий, а обертається статор, у синхронних машинах зустрічається рідко через складність підведення струму до обертової обмотки змінного струму.

Ротор синхронної машини може бути полюсним, тобто з явно вираженими полюсами, що мають феромагнітні сердечники з насадженими на них котушками порушення. Ротори синхронних машин, розрахованих на частоту обертання 1500 і 3000 про/хв і вище, звичайно виконуються не явно полюсними. При цьому обмотка збудження укладається в профрезерованні в роторі пази. Обмотка змінного струму синхронних машин, як правило, розподілена, тобто розташована рівномірно по окружності внутрішнього діаметра статора в пазах його муздрамтеатру. [7, с. 7]

В асинхронних машинах спеціальна обмотка збудження відсутній, робочий потік створюється реактивного тридцятимільйонного струму обмотки статора. Цим пояснюється простота конструкції й обслуговування асинхронних двигунів, тому що відсутні ковзні контакти для підведення струму до обертової обмотки збудження й відпадає необхідність у додатковому джерелі постійного струму для порушення машини. Обмотки статорів і роторів асинхронних машин розподілені й розміщені в пазах їхніх муздрамтеатрів.

На роторах асинхронних машин розташовується або фазна, тобто яка має фази, яких звичайно стільки ж, скільки й обмотка статора, ізольована від корпуса обмотка, або короткозамкнена. Короткозамкнена обмотка ротора складається з розташованих у пазах ротора замкнутих між собою по обох торцях ротора неізольованих стрижнів із провідникового матеріалу. Вона може бути також виконана заливанням пазів алюмінієм. Залежно від типу обмотки ротора розрізняють асинхронні двигуни з фазними роторами або асинхронні двигуни з короткозамкненими роторами. [7, с. 8]

Нормальне виконання асинхронних машин - з ротором, розташованим усередині статора. Однак для деяких приводів, наприклад привода транспортера, виявляється вигідніше розташувати обертовий ротор зовні статора. Такі машини називають зверненими або машинами із зовнішнім ротором. Вони виконуються звичайно з короткозамкненими роторами.

Серед колекторних машин змінного струму одержали поширення в основному однофазні двигуни малої потужності. Вони знаходять застосування в приводах, до яких підведення трифазний або постійний токи утруднене або недоцільний (в електрифікованому інструменті, побутовій техніці й т.п.). У машинах середньої й тим більше великої потужності колекторні машини змінного струму в цей час у СРСР не застосовуються. Виключення становлять окремі спеціальні машини, наприклад машини типу двигуна Шраге - Ріхтера.

Більшість машин постійного струму - це колекторні машини. Вони випускаються потужністю від часток вата до декількох тисяч кіловатів. Обмотки збудження машин постійного струму розташовуються на головних полюсах, закріплених на станині. Виводи секцій обмотки ротора (якорі) упаяні в пластини колектора. Колектор, що обертається на одному валу з якорем, і нерухливий щітковий апарат служать для перетворення постійного струму мережі в змінний струм якоря (у двигунах) або змінного багатофазного струму якоря в постійний струм мережі (у генераторах постійного струму).

Конструкція машин постійного струму більше складна, вартість вище й експлуатація більше дорога, чим асинхронних, тому двигуни постійного струму застосовуються в приводах, що вимагають широкого й плавного регулювання частоти обертання, або в автономних установках при живленні двигунів від акумуляторних батарей. [7, с. 8]

Гнітюче число машин постійного струму виконується з колектором - механічним перетворювачем частоти. Але існує кілька типів і безуважних машин, наприклад уніполярні генератори (мал. 5), які використовуються для одержання більших струмів (до 100 ка) при низьких напругах. У таких машинах колектор відсутній, але вони можуть працювати тільки при наявності ковзного контакту, що складається із щіток 1 і кілець 2. Постійний магнітний потік, створений струмами обмотки збудження 5, замикається по станині 3, масивному ротору 4 і двом зазорам. Постійні струми наводяться в масивному роторі й знімаються щітками. Щоб зменшити електричні втрати в роторі, у ньому роблять пази, у які укладають мідні стрижні 6. Стрижні, приварені до контактних кілець, утворять на роторі короткозамкнену обмотку.

Мал. 5. Уніполярна електрична машина

В останні роки одержали поширення також безуважні машини постійного струму з вентильним керуванням, у яких механічний перетворювач частоти замінений перетворювачем частоти на напівпровідникових елементах.

Незважаючи на велику кількість різних типів електричних машин і незалежно від їхнього конструктивного виконання, роду й числа фаз живильного струму й способів створення магнітних полів перетворення енергії в машинах відбувається тільки при наступній умові: у всіх електричних машинах у сталих режимах поля статора й ротора нерухливі відносно один одного. Поле ротора, що створюється струмами, що протікають в обмотці ротора, обертається щодо ротора. При цьому механічна частота обертання ротора й частота обертання поля щодо ротора в сумі рівні частоті обертання поля статора, тому частоти струмів у статорі й роторі жорстко зв'язані співвідношенням f 2 = f 1 s, (1)

де f 1, f 2 - частоти струму й напруги статора й ротора; s - відносна частота обертання ротора або ковзання, обумовлена частотою обертання поля статора n 1 і частотою обертання ротора машини n 2 :

s = (nl ± n 2) / n 1 (2)

У синхронних машинах обмотка збудження ротора харчується постійним струмом (f 2 = 0), і, отже, з (1) s = 0, звідки по (2) n = n 1 т. е. ротор синхронної машини обертається синхронно з полем, створеним струмами обмотки статора.

Твердий зв'язок частоти струму й частоти обертання визначив область застосування синхронних машин. Синхронні генератори є практично єдиними потужними генераторами електричної енергії на електростанціях. Синхронні двигуни з урахуванням труднощів їхнього пуску застосовуються як приводи промислових установок, що довгостроково працюють при постійній частоті обертання й не потребуючих частих пусків, наприклад як приводні двигуни повітродувок, компресорів і т.п. [7, с. 9]

В асинхронних машинах струм в обмотці ротора обумовлений ЕДС, наведеної в провідниках обмотки магнітним полем статора.

Наведення ЕДС відбувається тільки при перетинанні провідниками магнітних силових ліній поля, що можливо лише при нерівності частот обертання ротора й поля статора (n 2 ≠ n 1). Частота струму в роторі дорівнює f 2 = f 1 s, що забезпечує взаємну нерухомість поля струмів ротора й поля статора, а частота обертання ротора при цьому дорівнює n 2 = n 1(1 - s). При ковзанні s = l ротор нерухливий (f 2 = f 1), перетворення механічної енергії не відбувається й має місце трансформаторний режим роботи машини.

При живленні обмотки ротора постійним струмом машина переходить у синхронний режим роботи. При живленні ротора змінним струмом асинхронний двигун може обертатися із частотою більшої, ніж частота поля статора. Такі режими використовуються рідко через складність пуску машини: необхідні розгінний двигун або перетворювач частоти. Прикладом двигуна цього типу є двигуни Шраге - Ріхтера, у яких для перетворення частоти струму ротора використовується колектор, з'єднаний з додатковою обмоткою ротора. Регулювання частоти обертання двигуна виробляється зміною додаткової ЕДС, що вводиться в обмотку ротора, шляхом зміни положення щіток на колекторі .

У машинах постійного струму поле порушення створюється постійним струмом, а поле якоря - змінним. Перетворення постійного струму мережі в багатофазний змінний струм якоря відбувається за допомогою механічного перетворювача - колектора. Частота змінного струму якоря визначається частотою його обертання, і магнітне поле, створюване струмом якоря, нерухомо відносно поля порушення машини. [7, с. 9]

Безуважні (вентильні) машини постійного струму, як правило, звернені, тобто їхньої обмотки збудження, що харчуються постійним струмом, розташовані на обертовому роторі, а якірні обмотки - на нерухливому статорі. Частота живлення якірних обмоток задається статичним перетворювачем частоти. Умова взаємної нерухомості полів статора й ротора приводить до можливості регулювання частоти обертання вала двигуна зміною частоти живлення його якірних обмоток. Із цього погляду вентильні машини постійного струму можуть розглядатися як синхронні, обмотки змінного струму яких харчуються від перетворювача частоти.

В однофазних колекторних машинах обмотки збудження харчуються змінним струмом і створюють пульсуюче поле. Колектор перетворить однофазний струм живлення в багатофазний змінний струм із частотою, що залежить від частоти обертання ротора, при якій магнітні поля статора й ротора нерухливі відносно один одного. Через утруднену комутацію колекторні машини змінного струму виконуються лише невеликої потужності

Розділ 2. Загальна характеристика синхронного електричного двигуна і його призначення

Синхронні машини, як і інші електричні машини, оборотні, тобто вони можуть працювати як у руховому, так і генераторному режимах. Однак електропромисловість випускає синхронні машини, призначені для роботи тільки в генераторному або тільки в руховому режимі, тому що особливості роботи машини в тім або іншому режимі висувають різні вимоги до конструкції машини. [6, с. 431]

Синхронні двигуни частіше працюють у пускових режимах і повинні розвивати більший пусковий момент, чим генератори. Це накладає певні умови на конструкцію ротора: демпферну (пускову) обмотку синхронних двигунів розраховують на більші струми й більше тривалий режим.

Для порушення синхронних двигунів використовується електромашинна система порушення або тиристорна система порушення. В електромашинних системах порушення якір збудника - генератора постійного струму - з'єднується з валом синхронного двигуна жорстко або в тихохідних машинах - через кубістську передачу, що забезпечує збільшення частоти обертання збудника й зниження його маси. Системи порушення синхронних двигунів принципово не відрізняються від систем порушення генераторів.

Рівняння синхронного двигуна відрізняються від рівнянь синхронного генератора лише тим, що в них змінюється знак моменту опору.

Щоб з генераторного режиму перейти в руховий, треба змінити знак моменту опору, прикладеного до вала синхронної машини. Тоді зміниться знак кута ? і напрямок активної потужності; машина почне споживати потужність із мережі.

На кутовій характеристиці (мал. 6) область рухового режиму перебуває в зоні негативних кутів и. Стійкою частиною кутової характеристики в руховому режимі є область від 0 до - 90°. Номінальний момент, що відповідає и ном, перебуває в області 20-30°. Двигун з не явно полюсним ротором має максимум моменту при и = - 90°:

 (3)

Максимальний момент залежить від розміру повітряного зазору двигуна. Чим більше зазор, тим менше xd і більше М эм мах . Однак при великому зазорі ростуть габарити машини. Межа статичної стійкості

 (4)

Мал. 6 Кутова характеристика синхронної машини

Питомий синхронізуючий момент, як і в генераторному режимі, максимальний при и = 0 і дорівнює нулю при и = 90° .

Для явно полюсного двигуна залежність Мс, Мэм = f (0) має такий же вид, як і для генератора, але розташовується в зоні негативних кутів и. [6, с. 432]

U-Образні характеристики синхронних двигунів мають той же вид, що й для генераторів. При перепорушенні синхронний двигун стосовно мережі є ємністю, недозбуджений двигун споживає з мережі реактивну потужність, будучи стосовно мережі індуктивністю. При недопорушенні реакція якоря в синхронному двигуні - подмагнічує при перепорушенні - що розмагнічує. Важливе значення для дослідження процесів перетворення енергії в синхронних двигунах мають робочі характеристики (мал. 7).

Мал. 7. Робочі характеристики синхронного двигуна

З ростом навантаження на валу двигуна збільшується момент і струм у якорі, спочатку за лінійним законом, а потім через зміну параметрів - за нелінійним законом. Якщо не змінюється If, cos ц може падати, рости або мати максимум. Це залежить від значення If і може бути простежене по U-Образних характеристиках: при збільшенні Р2 - переході з однієї U-Образної характеристики на іншу cos ц змінюється, тому що через внутрішнє спадання напруги крива cos ц = 1 зміщається в область більших навантажень. При зміні If можна одержати постійне значення cos ц при різних Р2 (мал. 8).

Крива 1 на мал. 8 відповідає роботі синхронного двигуна з постійним струмом порушення в зоні недопорушення на U-Образних характеристиках, крива 2 - роботі синхронного двигуна з перепорушенням; крива 3 можлива при регулюванні струму порушення.

Залежність КПД від навантаження така ж, як і для всіх електричних машин.

Мал. 8. Залежності cos синхронного двигуна від навантаження

Характерною відмінністю синхронних двигунів є сталість частоти обертання при зміні навантаження. Синхронні двигуни мають гранично тверді механічні характеристики. [6, с. 432]

Одним з основних недоліків синхронних двигунів є погані пускові властивості, які обмежують їхнє застосування. Пуск синхронних двигунів може бути частотним, за допомогою розгінного двигуна або синхронних двигунів можуть включатися на повну напругу мережі (асинхронний пуск). Найпоширенішим є асинхронний пуск. Внаслідок наявності короткозамкнених контурів на роторі (демпферної обмотки, масивних полюсних наконечників) ротор розганяє до частоти обертання, близької до синхронного. Обмотка збудження при асинхронному пуску виходить на активний опір. Після підходу ротора до частоти обертання, близької до синхронного ( s ? 0,05), обмотка збудження підключається до збудника й здійснюється груба синхронізація машини.

Застосовується також пуск із наглухо приєднаним збудником. У цьому випадку при частоті обертання, рівної (0,5 ч 0,7) n ном, в обмотці збудження синхронного двигуна починає протікати постійний струм і машина втягується в синхронізм. Пуск двигуна з наглухо приєднаним збудником супроводжується більшими кидками струмів і може здійснюватися, якщо навантаження не перевищує (0,4-0,5) М ном. Однак схема пуску з наглухо приєднаним збудником більше проста й знаходить все більше застосування.

При тяжких умовах пуску потужних синхронних двигунів застосовується реакторний або автотрансформаторний пуск по схемах, розглянутим для асинхронних двигунів.

При пуску синхронного двигуна за допомогою розгінного двигуна синхронний двигун доводить до майже синхронної частоти обертання. Як розгінний двигун може використовуватися асинхронний двигун, що має більшу, ніж синхронний, синхронну частоту обертання або двигун постійного струму, якщо є мережа постійного струму. Пуск за допомогою розгінного двигуна застосовується рідко, тому що розгінний двигун використовується тільки при пуску. [6, с. 432]

При частотному пуску обмотка статора синхронного двигуна підключається до перетворювача частоти, що змінює частоту від декількох герців до номінальної частоти. При частотному пуску синхронний двигун входить у синхронізм при малих частотах. Частотний пуск зручно використовувати, якщо перетворювач частоти можна застосовувати для пуску декількох двигунів.

Порівнюючи синхронні двигуни з асинхронними, слід зазначити основна перевага синхронних двигунів - можливість працювати з cos ? = 1, а при перепорушенні - і з випереджальної cos ?

Максимальний момент синхронного двигуна пропорційний U, а асинхронного – U2. Тому синхронні двигуни менш чутливі до зміни напруги мережі й мають більшу перевантажувальну здатність. Регулювання потоку порушення шляхом зміни струму порушення забезпечує регулювання реактивної потужності при спаданні напруги й зменшенні частоти мережі.

Недоліком синхронних двигунів є їх більше складна конструкція, необхідність у джерелі постійного струму й гірші в порівнянні з асинхронними пускові властивості.

При потужності двигунів від декількох кіловатів до 100 кВт проявляється ще один недолік синхронних двигунів - схильність до хитань. При певному співвідношенні параметрів синхронних двигунів ротор погойдується біля синхронної частоти обертання.

Синхронні двигуни за умови легких пусків доцільно застосовувати при потужності понад 200 кВт. Області застосування синхронних двигунів безупинно розширюються, і їхньої потужності зростають до 50 Мвт.

Синхронні двигуни потужністю до 1-2 кВт виконуються з явнополюсным ротором без обмотки збудження. За рахунок розходження провідності по поздовжній і поперечній осях машини в таких машинах виникає реактивний момент, а асинхронний пуск забезпечується демпферною обмоткою. [6, с. 433]

На мал. 9 показані дві найпоширеніші конструкції роторів синхронних реактивних двигунів. Чотирьохполюсна конструкція ротора (мал. 9, а) має сталевий шихтований явно полюсний муздрамтеатр 1 і демпферну обмотку 2. Двохполюсний шихтований ротор, залитий алюмінієм, даний на мал. 9, б. Сердечник ротора 3 заливається алюмінієм 4, що скріплює сердечник і утворить демпферну обмотку.

Мал. 9. Конструкції роторів синхронних реактивних двигунів

Реактивні двигуни мають низькі cos ? і КПД (? = 0,3?0,4), їхня маса більше, ніж у звичайних трифазних асинхронних двигунів.

Замість електромагнітного порушення можна застосовувати постійні магніти. Серії двигунів з постійними магнітами випускаються на потужності від десятків ватів до декількох кіловатів. Вони мають кращі енергетичні показники в порівнянні з реактивними.

Для забезпечення пускового моменту двигуни з постійними магнітами мають пускову обмотку у вигляді білячої клітки, залитої алюмінієм. Ротор з магнитотвердого матеріалу виготовляється шляхом лиття зі спеціальних сплавів. Цей процес трудомісткий, тому ротор має

Розділ 3. Особливості випробувань синхронних двигунів