Файл: Лекции для курсов Электрические машины и аппараты.docx

скольжением.

Где: n₁ – скорость вращающегося магнитного поля статора.

n₂ – скорость вращения ротора
При пуске s = 1 , при номинальном режиме работы двигателя s= 4 – 6 % .

Принцип действия и устройство синхронных машин

35.1. Принцип действия синхронной машины.

Синхронная машина состоит из двух основных частей:

• 
  неподвижной - статора
  
• 
  вращающейся – ротора
  

Синхронная машина имеет две основные обмотки.

Одна обмотка подключает­ся к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмот­кой возбуждения.

Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами.

Другая обмотка явля­ется обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из од­ной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распростра­нение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах чаще всего находит применение конструкция, при которой, обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе (рис.34.1). Синхронные машины небольшой мощности иногда имеют обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагает­ся на роторе, а обмотка возбуждения - на полюсах стато­ра (рис. 34.2). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны.



 Рис. 34.1. Конструктивный вариант синхронной машины, при котором обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе.



 Рис. 34.1. Конструктивный вариант синхронной машины, при котором обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения –на статоре.

Однако из практических соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае к скользящим контактам на роторе под­водится мощность возбуждения, составляющая 0,3-3 % номинальной мощности машины.

---

Во втором варианте сколь­зящие контакты следовало бы рассчитывать на полную мощность машины. Для мощных машин, имеющих относи­тельно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу таких контактов весьма затруднительно.

В дальнейшем будут рассматриваться синхронные машины, выполненные   по   первому (основному) конструктивному варианту.

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз.

Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, маг­нитные оси которых сдвинуты в пространстве на электри­ческий угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируют­ся ЭДС, образующие трехфазную систему.

Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов ри частоты вращения ротора п:



Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в опреде­ленной зависимости между собой.

Так, для получения стан­дартной частоты  f₁= 50 Гц при р=1нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а  при р = 24  n = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генера­тора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора 



Заменяя в этой формуле частоту ее значением из предыдущей формулы, полу­чаем

n₁ = n.

Равенство частот вращения ротора пи поля якоря n₁ является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка якоря присоединяется к трехфазной сети. При этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения n₁. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы этот момент имел одно и то же направление, поля должны быть непо­движны относительно друг друга. Это имеет место, если ротор и, следовательно, его магнитное поле вращаются с частотой, равной

---

n₁. Поэтому в синхронном двигателе ро­тор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения поля n₁.

Схема подключения синхронной машины

---

Лекция 6

1. 
   Рабочие характеристики асинхронного двигателя
   
2. 
   Пусковые характеристики асинхронного двигателя
   
3. 
   Пуск в ход асинхронных двигателей
   
4. 
   Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
   

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

При работе двигателя неизбежно происходит потеря преобразуемой им энергии, поэтому мощность, развиваемая на валу двигателя Р₂всегда будет меньше потребляемой им из сети мощности Р_1.

Процесс преобразования энергии и потери, происходя­щие при работе двигателя, можно иллюстрировать энергетической диаграммой (рис. 36.1).

Потребляемая двигателем мощность из се­ти P₁частично расходуется на покрытие по­терь в обмотках статора Р_м1и в стали сердечника статора Р_с1на гистерезис и вихревые токи.

Оставшаяся часть мощности Рэм называемая электромагнитной,


Рис.36.1. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
передается рото­ру через воздушный зазор вращающимся магнитным полем.
Энер­гия, полученная ротором, преобразуется в механическую и частич­но расходуется на покрытие потерь в роторе.

На диаграмме пока­зано, что электромагнитная мощность, поступающая на ротор, мо­жет быть представлена в виде суммы двух мощностей: Рэм= Р₂’+ P_м2.

где Р₂’— мощность, развиваемая вращающимся ротором,

P_м2— потери в меди обмоток ротора.
Не вся энергия, преобразованная машиной в Р₂’ является полезной энергией Р₂, так как часть ее расходу­ется на покрытие механических потерь Р_мехот трения в подшип­никах и о воздух вращающихся частей машины.
Рассчитать потери в двигателе и полезную мощность на валу можно, используя следующие формулы:

• 
  Потребляемая двигателем мощность из сети:
  

• 
  потери в обмотках статора:
  

---

• 
  электромагнитная мощность:
  

• 
  мощность, развиваемая вращающимся ротором:
  

Где: m = 3 –число фаз машины.

Анализ рабочих характеристик асинхронного двигателя

Зависимости потребляемого тока I₁, мощности P₁, КПД η,коэффициента мощности cosφ, скольжения s. частоты вращения n от полезной механической мощности Р₂называются рабочими характеристиками двигателя.

Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U₁ и частоте f сети. Пример рабочих характеристик приведен на рис. 36,1.

Рассмотрим эти характеристики.

При холостом ходе (полезная мощность Р₂=0) скольжение s также равно нулю (частота вращения ротора n практически равна синхронной), ток в обмотке ротораI₂=0. По обмотке статора протекает ток холостого хода I₀.


Рис.36.2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.


Коэффициент полезного действия ηравен нулю, так как равна нулю полезная мощность Р₂, а коэффициент мощности равен коэффициенту мощности для тока холостого хода {cosφ₁=cosφ_o).

При увеличении нагрузки частота вращения ротора уменьшается и увеличивается скольжение s. Увеличивается ток ротора и ток статоpa.

Так как увеличивается полезная мощность, растет КПД двигателя, а также коэффициент мощности.

Обычно номинальная мощность на валу двигателя достигается уже при небольшом понижении частоты вращения ротора и вся область рабочих режимов находится в диапазоне скольжений от 0 до 2—5%.

В асинхронном двигателе частота вращения ротора меньше частоты вращения поля, за счет чего обеспечивается наведение ЭДС, а также создание тока I₂ в обмотке ротора и вращающего электромагнитного момента, под действием которого ротор приходит во вращение.

Характеристика cosφ = f(P₂) лежит в области значений, меньших 1,

Коэффициент полезного действия достигает своего максимального значения при P

---