РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Устройство асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором показано на примере двигателя серии AM (рис. 1).

 

Рис. 1 - Устройство АД с короткозамкнутым ротором

Основными частями АД являются неподвижный статор 10 и вращающийся внутри него ротор, отделенный от статора воздушным зазором.

Для уменьшения вихревых токов сердечники ротора и статора набираются из отдельных листов, отштампованных из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы оксидируются (подвергаются термической обработке), что увеличивает их поверхностное сопротивление.

Сердечник статора встраивается в станину 12, являющуюся внешней частью машины. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которых уложена обмотка 14. Статорную обмотку чаще всего делают трехфазной двухслойной из отдельных катушек с укороченным шагом из изолированного медного провода. Начала и концы фаз обмотки выводят на зажимы коробки выводов.

Обмотку статора можно соединить звездой (Y) или треугольником (∆). Это дает возможность применять один и тот же двигатель при двух различных линейных напряжениях, находящихся в отношении √3, например, 127/220 В или 220/380 В. При этом соединению Y соответствует включение АД на высшее напряжение.

Сердечник ротора в собранном виде напрессовывается на вал 15 горячей посадкой и предохраняется от проворачивания при помощи шпонки. На внешней поверхности сердечник ротора имеет пазы для укладки обмотки 13. Обмотка ротора в наиболее распространенных АД представляет собой ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных в пазах и замкнутых по торцам кольцами. В двигателях мощностью до 100 кВт и более обмотка ротора выполняется заливкой пазов расплавленным алюминием под давлением. Одновременно с обмоткой отливаются и замыкающие кольца вместе с вентиляционными крылатками 9. По форме такая обмотка напоминает «беличью клетку».

Для специальных двигателей обмотка ротора может выполняться подобно статорной. Ротор с такой обмоткой помимо указанных частей имеет три укрепленных на валу контактных кольца, предназначенных для соединения обмотки с внешней цепью. АД в этом случае называется двигателем с фазным ротором или с контактными кольцами.

Вал ротора 15 объединяет все элементы ротора и служит для соединения АД с исполнительным механизмом.

Воздушный зазор между ротором и статором составляет от 0,4 — 0,6 мм для машин малой мощности и до 1,5 мм у машин большой мощности. Подшипниковые щиты 4 и 16 двигателя служат опорой для подшипников ротора. Охлаждение двигателя осуществляется по принципу самообдува вентилятором 5. Подшипники 2 и 3 закрыты снаружи крышками 1, имеющими лабиринтовые уплотнения. На корпусе статора устанавливается коробка 21 с выводами 20 обмотки статора. На корпусе укрепляется табличка 17, на которой указываются основные данные АД. На рисунке обозначено также: 6 – посадочное гнездо щита; 7 – кожух; 8 – корпус; 18 – лапа; 19 – вентиляционный канал.

В большинстве случаев СМ выполняют с неподвижным статором (якорем), а питание на обмотку возбуждения подводят через щетки с помощью двух колец.

Рис. 1 - Конструктивная схема синхронной машины

На статоре СМ (рис. 1), включающем корпус 1 и сердечник статора 2, расположена трехфазная обмотка 3, подключаемая к сети. Обмотка возбуждения 5 располагается на полюсе 4 ротора 6 и получает питание от источника постоянного тока посредством контактных колец 9 и щеток 8. Вращение ротора 6 обеспечивается в подшипниковых щитах 7, в которые встроены подшипники. Ротор может иметь явно выраженные (рис. 2, а) или неявно выраженные полюса (рис. 2, б). Явнополюсный ротор обычно применяют в тихоходных СМ с большим числом полюсов (четыре и более), неявнополюсный — в быстроходных машинах (на 3000 об/мин), имеющих на роторе два полюса.

В первом случае обмотку возбуждения 5 выполняют в виде  катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют с помощью полюсных наконечников 10. В неявнополюсном роторе обмотку возбуждения размещают в пазах 12 сердечника, выполненного в виде массивной стальной поковки, и укрепляют в них при помощи немагнитных клиньев. Лобовые части обмоток, на которые воздействуют большие динамические усилия, крепят с помощью цилиндрических стальных бандажей. В полюсных наконечниках явнополюсных роторов СМ размещают демпферную (успокоительную) обмотку II, необходимую для улучшения переходных процессов.

Рис. 2 - Конструктивная схема ротора синхронной машины: а – явнополюсного; б — неявнополюсного 

Назначение обмотки возбуждения в СМ заключается в создании магнитного поля, синусоидально-распределенного на ширине полюса. Для этого полюсным наконечникам в явнополюсных роторах придают такую конфигурацию чтобы под серединой полюса воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным, а по краям — увеличенным (рис. 2, а). Эта же цель в неявнополюсном роторе  достигается за счет того, что пазы для укладки обмотки возбуждения занимают примерно 2/3 каждого полюсного деления (рис. 2, б).

В настоящее время все более широкое применение находят бесщеточные синхронные машины, не имеющие контактных колец на роторе и щеточных устройств. В таких машинах обмотка возбуждения получает питание от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель, в свою очередь, получает питание от возбудителя, который имеет на вращающемся роторе трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами, расположенными на статоре.

Машины переменного тока делятся на две основные группы — синхронные ( СМ ) и асинхронные (AM) машины. Кроме того, находят применение многие типы специальных электрических машин — коллекторные, гистерезисные, индукторные, шаговые, линейные и т.п.

Синхронной называют машину переменного тока, у которой скорость вращения ротора с обмоткой (индуктора) находится в строго постоянном отношении к частоте сети и не зависит от нагрузки, а именно

где f₁ — частота сети; p — число пар полюсов ротора.

Асинхронной называют машину, у которой скорость вращения ротора при заданной частоте сети f₁ зависит от нагрузки, т.е.

Процессы преобразования энергии во всех машинах электромеханического типа, в том числе и в машинах переменного тока, подчиняются трем основным законам, получившим название законов электромеханики.

Первый закон касается энергетических соотношений и устанавливает, что преобразование энергии в электрических машинах не может происходить с КПД, равным или большим 100%, т.е. процесс преобразования во всех случаях сопровождается потерями энергии, которые имеют место в электрических контурах или в конструктивных элементах машин.

Второй закон электромеханики касается закономерностей взаимодействия магнитных полей, создаваемых обмотками вращающихся и неподвижных частей машины. Этот закон формулируется следующим образом. Магнитные поля, создаваемые вращающимися обмотками, и обмотками, расположенными на неподвижных элементах электромеханических преобразователей, перемещаются в одном направлении и с одинаковыми скоростями, или неподвижны друг относительно друга. Так, в машинах постоянного тока основное магнитное поле, создаваемое неподвижными обмотками возбуждения, неподвижно и поле, создаваемое вращающим якорем, так же неподвижно. В асинхронных и синхронных машинах магнитные поля статора и ротора вращаются с одинаковыми скоростями в одном направлении и таким образом также неподвижны друг относительно друга.

Третий закон определяет принцип обратимости электромеханических преобразователей. Подобно машинам постоянного тока синхронные и асинхронные машины обратимы, т.е. могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

В  судовых электроэнергетических системах СМ применяются, главным образом, в качестве генераторов — основных и вспомогательных источников электроэнергии, AM — преимущественно в качестве двигателей. В промышленности широкое применение находят и синхронные двигатели (СД). Асинхронные генераторы используются, как правило, в специальных установках. В последние годы они нашли применение в мощных ветроустановках.

Параллельная работа трансформаторов возможна лишь в том случае, если в обмотках трансформаторов не возникают уравнительные токи, а нагрузка распределяется пропорционально номинальным мощностям трансформаторов. Практически это сводится к выполнению следующих условий:

Рассмотрим последствия нарушения названных условий.

Допустим, что не выполнено первое условие (k₁ < k₂ ). Это значит, что при одном и том же напряжении на первичных обмотках трансформаторов U₁, вторичные ЭДС трансформаторов будут неодинаковы Е₁ > Е₂. Под действием возникшей разности потенциалов в замкнутом контуре  вторичных обмоток пойдет уравнительный ток, который создаст падение напряжения в обмотках. В трансформаторе 1 это вызовет уменьшение напряжения на зажимах вторичной обмотки, в трансформаторе 2 – увеличение вторичного напряжения. В результате напряжение на внешних шинах будет иметь среднее значение. При нагрузке уравнительный ток накладывается на ток нагрузки, вследствии чего трансформатор 1 будет перегружен, а трансформатор 2 – недогружен. ГОСТ допускает расхождение в коэффициентах трансформации не больше ±0,5% от их среднего значения.

Если трансформаторы имеют неодинаковые номинальные напряжения короткого замыкания  u_1К  ≠ u_2К, значит неодинаковы сопротивления короткого замыкания Z_1К ≠ Z_2К. При работе трансформаторов в параллель напряжения вторичных обмоток одинаковы т. е. I₁₂Z_1К = I₂₂Z_2К, а это возможно лишь при неодинаковых токах трансформаторов. Это значит, что при параллельной работе трансформаторов нагрузка между ними будет распределяться непропорционально их номинальным мощностям. Чтобы не вызвать аварии трансформатора, имеющего меньшее значение u_К, необходимо снижать общую нагрузку. Это ведет к неполному использованию трансформаторов. Согласно ГОСТ необходимо, чтобы разница напряжений короткого замыкания не превышала ±10% от их среднего значения, а соотношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов было не больше, чем 3:1.

Несоблюдение четвертого условия вызывает настолько большой уравнительный ток, что трансформаторы могут выйти из строя из-за перегрева обмоток. Даже при минимальном расхождении групп соединения трансформаторов (например, у одного группа Ү/Ү – 0, а у другого Ү/Δ – 11) уравнительный ток будет примерно в 5 раз больше номинального, что равносильно короткому замыканию.

Во избежание ошибок присоединение трансформаторов к сети без нулевого провода ( пятое условие ) производят следующим образом. Включают оба трансформатора со стороны высшего напряжения, затем один из них присоединяют к шинам низкого напряжения выводами обмоток всех фаз, а другой — выводами обмотки одной фазы, например С. Затем между выводами обмоток фаз В и А второго трансформатора и шинами низкого напряжения, к которым соответственно присоединены выводы обмоток фаз В и А первого трансформатора, включают вольтметр или лампу. Если обозначения выводов обмоток фаз на трансформаторах нанесены правильно, то между всеми парами одноименных выводов напряжение равно нулю (лампа не горит или вольтметр показывает нуль) и выводы В и А второго трансформатора могут быть соединены с шинами, к которым соответственно присоединены выводы В и А первого трансформатора.

Контрольные лампы или вольтметры при указанной проверке должны быть взяты на двойное рабочее напряжение трансформатора со стороны низшего напряжения.