Автоматическая система регулирования. Напряжение генератора

     Многофазная  обмотка переменного тока создает  вращающееся магнитное поле, частота  вращения которого в минуту  рассчитывается по формуле:

N1=60f1/p

    где: n- частота  вращения магнитного поля статора;

            f - частота тока в сети;

            р - число пар полюсов.

 

    Если ротор вращается  с частотой, равной частоте вращения  магнитного поля статора, то  такая частота называется синхронной.

     Если ротор  вращается с частотой, не равной  частоте магнитного поля статора,  то такая частота называется  асинхронной.

      В асинхронном  двигателе рабочий процесс может  протекать только при асинхронной  частоте, то есть при частоте  вращения ротора, не равной частоте  вращения магнитного поля.

Номинальная частота вращения асинхронного двигателя зависит  от частоты вращения магнитного поля статора и не может быть выбрана  произвольно. При стандартной частоте  промышленного тока f1=50Гц возможные синхронные частоты вращения (частоты вращения магнитного поля)  

N1=60f1/p=3000/p

     Работа асинхронного  электродвигателя основана на  явлении, названном “диск Араго  - Ленца”

     Это явление  заключается в следующем: если  перед полосами постоянного магнита  поместить медный диск, свободно  сидящий на оси, и начать  вращать магнит вокруг его  оси при помощи рукоятки, то  медный диск будет вращаться  в том же направлении (Рис.7).

рис.7

Это объясняется тем, что  при вращении магнита его магнитное  поле пронизывает диск и индуктирует  в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с  магнитным полем магнита, возникает  сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление  всякого индуктивного тока таково, что он противодействует причине, его  вызвавшей. Поэтому вихревые токи в  теле диска стремятся задержать  вращение магнита, но, не имея возможности  сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска  всегда меньше, чем частота вращения магнита. 

     В асинхронных  двигателях постоянный магнит  заменен вращающимся магнитным  полем, создаваемым трехфазной  обмоткой статора при включении  ее в сеть переменного тока.

     Вращающееся  магнитное поле статора пересекает  проводники обмотки ротора и  индуктирует в них ЭДС, то  есть электродвижущую силу. Если  обмотка ротора замкнута на  какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием индуктируемой электродвижущей силы проходит ток.

     В результате  взаимодействия тока в обмотке  ротора с вращающемся магнитным  полем обмотки статора создается  вращающейся момент, под действием  которого ротор начинает вращаться  по направлению вращения магнитного  поля.

     Если предположить, что в какой-то момент времени  частота вращения ротора оказалась  равной частоте вращения поля  статора, то проводники обмотки  ротора не будут пересекать  магнитное поле статора и тока  в роторе не будет. В этом  случае вращающийся момент станет  равным нулю и частота вращения  ротора уменьшится по сравнению  с частотой вращения поля статора,  пока не возникнет вращающейся  момент, уравновешивающий тормозной  момент, который складывается из  момента нагрузки на валу и  момента сил трения в машине.

    Асинхронная машина  кроме двигательного режима может  работать в генераторном режиме  и режиме электромагнитного тормоза.

    Генераторный режим  возникает в том случае, когда  ротор с помощью постоянного  двигателя вращается в направлении  вращения магнитного поля с  частотой вращения, большей частоты  вращения магнитного поля.  Если  ротор под действием посторонних  сил начнет вращаться в сторону,  противоположную направлению вращения  магнитного поля, то  возникает  режим электромагнитного тормоза.

     Режим электромагнитного  тормоза начинается при n=0.

      Для изменения  направления вращения ротора, то  есть для реверсирования двигателя,  необходимо изменить направление  вращения магнитного поля, созданного  обмотками статора. Это достигается  изменением чередования фаз обмоток  статора, для чего следует поменять  местами по отношению к зажимам  сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора  с сетью.

   Вне зависимости  от направления вращения ротора  его частота n всегда меньше  частоты вращения магнитного  поля статора.      

  Сердечник статора,  представляющий собой полый цилиндр,   его набирают из отдельных  листов электротехнической стали  толщиной 0,5-0,35мм. Для сердечников  асинхронных двигателей применяются  холоднокатаные   электротехнические  стали марок 2013,02312,02411 и другие. Листы или пластины штампуют  с впадинами (пазами), изолируют  лаком или окалиной для уменьшения  потерь на вихревые потоки, собирают  в отдельные пакеты и крепят  в станине двигателя.

  К станине прикрепляют  также боковые щиты с помещенными  на них подшипниками, на которые  опирается вал ротора. Станину  устанавливают на фундамент (Рис.8).

Рис.8 Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

 

 

 

 

 

 

1.        Вал

2,9  Подшипники

3,8  Подшипниковые  щиты

4     Статор

5     Ротор

6     Корпус

7     Обмотка

 

 

 

  В продольные пазы  статора укладывают проводники  его обмотки, которые соединяют  между собой так, что образуется  трехфазная система. На щитке  машины имеется шесть зажимов,  к которым присоединяются начала  и концы обмоток каждой фазы. Для подключения обмоток статора  к трехфазной сети они могут  быть соединены звездой или  треугольником, что дает возможность  включать двигатель в сеть  с двумя разными линейными  напряжениями.

  Например, двигатель может  работать от сети с напряжением  220 и 127в. На щитах машины  указаны оба напряжения сети, на которые рассчитан двигатель,  то есть 220/127в или 380/220в.

  Для более низких  напряжений, указанных на щитке,  обмотка статора соединяется  треугольником, для более высоких  – звездой.

  При соединении обмотки  статора треугольником на щитке  машины верхние зажимы объединяют  перемычками с нижними, а каждую  пару соединенную вместе зажимов  подключают к линейным проводам  трехфазной сети. Для включения  звездой три нижних зажима  на щитке соединяют перемычками  в общую точку, а верхние  подключают к линейным проводам  трехфазной сети (Рис.9).

Рис.9

 Роторы асинхронных  электродвигателей выполняют двух  видов: с короткозамкнутой и  фазной обмотками. Первый вид  двигателей называют асинхронными  двигателями с короткозамкнутым  ротором, а второй – асинхронными  двигателями с фазным ротором  или асинхронными двигателями  с контактными кольцами. Наибольшее  распространение имеют двигатели  с короткозамкнутым ротором.

  Сердечник ротора также  набирают из стальных пластин  толщиной 0,5мм, изолированных лаком  или окалиной для уменьшения  потерь на вихревые токи.

  Пластины штампуют  с впадинами и собирают в  пакеты, которые крепят на валу  машины. Из пакетов образуются  цилиндры с продольными пазами, в которых укладывают проводники  обмотки ротора. В зависимости  от типа обмотки асинхронные  машины могут быть с фазным  и короткозамкнутым ротором. Короткозамкнутая  обмотка ротора выполняется по  типу беличьего колеса. В пазах  ротора укладывают массивные  стержни, соединенные на торцевых  сторонах медными кольцами. Часто  короткозамкнутую обмотку ротора  изготовляют из алюминия. Алюминий  в горячем состоянии заливают  в пазы ротора под давлением.  Такая обмотка всегда замкнута  накоротко и включение сопротивления  в нее невозможно. Фазная обмотка  ротора выполнена подобно статорной,  то есть проводники соответствующим  образом соединены между собой,  образуя трехфазную систему. Обмотки  трех фаз соединены звездой.  Начала этих обмоток подключены  к трем контактным медным кольцам,  укрепленным на валу ротора. Кольца  изолированы друг от друга  и от вала и вращаются вместе  с ротором. При вращении колец  поверхности их скользят по  угольным или медным щеткам, неподвижно  укрепленным над кольцами. Обмотка  ротора может быть замкнута  на какое-либо сопротивление или  накоротко при помощи указанных  выше щеток.

  Двигатели с короткозамкнутым  ротором проще и надежнее в  эксплуатации, значительно дешевле,  чем двигатели с фазным ротором.  Однако двигатели с фазным  ротором обладают лучшими пусковыми  и регулировочными свойствами.

   В настоящее время  асинхронные двигатели выполняют  преимущественно с короткозамкнутым  ротором и лишь при больших  мощностях и специальных случаях  используют фазную обмотку ротора.

  Асинхронные двигатели  производят мощностью от нескольких  десятков ватт до 15000кВт при  напряжениях обмотки статора  до 6кВ.

  Между статором и  ротором имеется воздушный зазор,  величина которого оказывает  существенное влияние на рабочие  свойства двигателя.

  Наряду с важными  положительными качествами –  простой конструкции и обслуживания, малой стоимостью – асинхронный  двигатель имеет и некоторые  недостатки, из которых наиболее  существенным является относительно  низкий коэффициент мощности. У  асинхронного двигателя соsj  при  полной нагрузке может достигать  значения 0,85-0,9; при недогрузках двигателя  его соs   резко уменьшается  и при холостом ходе составляет 0,2-0,3. 

  Низкий коэффициент  мощности асинхронного двигателя  объясняется большим потреблением  реактивной мощности, которая необходима  для возбуждения магнитного поля. Магнитный поток в асинхронном  двигателе встречает на своем  пути воздушный зазор между  статором и ротором, который  в большей степени увеличивает  магнитное сопротивление, а следовательно,  и потребляемую двигателем мощность.

  В целях повышения  коэффициента мощности асинхронных  двигателей воздушный зазор стремятся  делать наиболее минимальным,  доводя его у малых двигателей (порядка 2-5кВт) до 0,3мм. В двигателях  большой мощности воздушный зазор  приходится увеличивать по конструктивным  соображениям, но все же он  не превышает 2-2,5мм.

Вал ротора вращается в  подшипниках, которые укреплены  в боковых щитах, называемых подшипниковыми щитами. Главным образом это подшипники качения и только в машинах  большой мощности иногда используются подшипники скольжения.

   Подшипниковые щиты  прикрепляют болтами к корпусу  статора. В корпус запрессовывают  сердечник статора.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости  скольжения  S, частоты вращения ротора n2, развиваемого момента M, потребляемого  тока I1,  расходуемой мощности P1,  коэффициента мощности  cosj  и  кпдh   от полезной мощности P2 на валу машины. Эти характеристики снимаются  при естественных условиях работы двигателя, т.е. двигатель не регулируемый, частота  тока f1 и напряжение   U1 сети остаются неизменными, а изменяется только нагрузка на валу  двигателя.

Скольжение  представляет  собой отношение частоты вращения магнитного поля статора относительно вращающегося  ротора к частоте  поля статора:

S=ns/n1=(n1-n2)/n1. 

 где,  n1 -частота вращения  маг. поля статора  n2 -частота  вращения ротора  ns - отношение  n1-n2

При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, причем при больших нагрузках  скольжение увеличивается несколько  быстрее, чем при малых. При номинальной  нагрузке скольжение обычно составляет S=3÷5%. Частота вращения ротора составляет:

n2=n1(1-S)=(60f1/p)(1-S)

При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, а частота вращения будет уменьшаться. Однако изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной  незначительно и не превышает 5%.

Вращающий момент M, развиваемый  двигателем, уравновешен тормозным  моментом на валу Мт  и моментом Мо, идущим на преодоление механических потерь.

M=Mт+Мо=P2/W2+Mo

где, Р2 – полезная мощность двигателя, W -- угловая скорость ротора.

Ток I1 потребляемый двигателем из сети, неравномерно изменяется с  увеличением нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе cosj мал и ток  имеет большую реактивную составляющую. При малых нагрузках на валу двигателя  активная составляющая тока статора  меньше реактивной составляющей, поэтому  активная составляющая тока незначительно  влияет на ток I1. При больших нагрузках  активная составляющая тока статора  становится больше реактивной и изменение  нагрузки вызывает значительные изменения I1.

Коэффициент мощности изменяется в зависимости от нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе cosj мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока статора (обусловленная потерями мощности в машине) мала по сравнению  с реактивной составляющей этого  тока, создающей магнитный поток. При  увеличении нагрузки на валу cosj возрастает (достигая значения 0,8 –0,9) в результате увеличения активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение cosj, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Коэффициент полезного действия АД. С увеличением нагрузки на валу двигателя кпд резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего  значения кпд достигает при такой  нагрузке, когда механические потери и потери мощности в стали, не  зависящие от нагрузки равны потерям  мощности в обмотках статора и  ротора, зависящим от нагрузки.

 

Однофазные асинхронные  двигатели

Однофазные асинхронные  двигатели широко применяют при  небольших мощностях (до 1— 2  кВт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного тем, что на статоре  помещается однофазная обмотка. Ротор  однофазного асинхронного двигателя  имеет фазную или короткозамкнутую обмотку. Особенностью однофазного  двигателя является отсутствие начального или пускового момента,  т.е. при  включении такого двигателя в  сеть ротор его будет оставаться неподвижным.