Наладка электрических машин электроприводов — снятие характеристик хх и кз генератора

Различия между короткозамкнутым и фазным ротором

Система такого мотора построена на основе трех обмоток статора, формирующих разное количество магнитных полюсов (в зависимости от конструкции, выбранной в процессе проектирования). Объем полюсов на обмотках оказывает влияние на номинальный режим работы. Роторная система же может быть выполнена в 2 вариантах – короткозамкнутом и фазном.

Короткозамкнутый ротор

При помещении в движущееся магнитное поле статора, замкнутый виток проводника начнет индуцировать ЭДС, вследствие чего будет вырабатываться ток. Из-за этого замкнутый контур начинает подвергаться воздействию сил Ампера, поворачиваясь в том же направлении, что и у магнитных полей статора.

В этом заключается основной принцип работы короткозамкнутого электродвигателя. Вместо замкнутого контура в конструкции применяется набор стержней из меди или алюминия, замкнутых накоротко кольцами. Переменное напряжение при прохождении по статорным обмоткам создает вращающееся магнитное поле. На замкнутых контурах роторной конструкции появляется ток, и вся система приходит в движение. Вращение происходит за счет разной величины индуцируемого тока на парах стержней, что постоянно меняется в зависимости от расположения парных элементов относительно магнитного поля.

Для устранения пульсации и сохранения постоянности крутящего момента стержни «беличьей клетки» располагаются не параллельно валу. Небольшой наклон также снижает действие высших гармоник при работе электродвигателя.

Фазный ротор

Асинхронные модели с фазным ротором конструктивно имеют полноценную обмотку. В роторной конструкции предусмотрены специальные пазы, в которых укладываются провода. Выводы от обмотки подключены к контактным кольцам, которые расположены на валу. При этом поверхности данных элементов изолированы друг от друга и от вала. Конструкция обмотки составлена 3 частями, каждая из которых отвечает за отдельную фазу. Наиболее распространенным способом подключения является звезда. Фазные системы более сложны, чем короткозамкнутые и имеют большую себестоимость. Однако они предоставляют больше возможностей по регулировке рабочего момента на валу.

Статорная обмотка в фазном электродвигателе представляет собой аналог ротора на короткозамкнутой конструкции. Она создает разное количество парных полюсов, объем которых зависит от набора катушек, сдвинутых относительно друг друга на определенную величину (120о, 60о, 40о и т.д.). Регулировка рабочего момента осуществляется посредством управления напряжением на обмотках.

5.17. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ОДНОФАЗНОГО

Очень часто задают вопрос, нельзя ли обычный трехфазный
двигатель включить в однофазную сеть переменного тока?

Рассуждения в п.5.14., относящиеся к однофазным двигателям,
можно отнести к двигателям с трехфазной обмоткой на статоре. На рис. 5.17.1.
показаны четыре различные схемы подключения двигателей.

Здесь две статорные обмотки включаются в сеть последовательно,
образуя обмот­ку возбуждения. Третья фазная обмотка является пусковой, поэтому
она содержит фазо­сдвигающий элемент.

Второе обязательное условие для двухфазных двигателей
здесь можно выполнить достаточно точно путем правильного подбора конденсатора С.

Первое условие здесь выполнено неточно, т.к. пространственный
сдвиг между обмотками составляет не 90°, а 120°.

Вследствие этого, двигатель теряет примерно 50-60% своей номинальной мощности.

5.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Вращающееся магнитное поле
статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная
обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника,
взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу — F_эм.
Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М,
который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.

Частота вращения ротора
n₂ будет всегда меньше синхронной частоты n₁, т.е. ротор
всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается
с частотой n₂ равной частоте вращающегося поля статора n₁.
В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно,
в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий
момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может
вращаться синхронно c полем статора. Разность между частотами поля статора n₂
и ротора n₁ называется частотой скольжения Dn.

Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:

В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы.
Однако номинальное скольжение S_н обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя
выражение *), получим выражение частоты вращения ротора:

Обмотка ротора асинхронного
двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель
подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой,
а обмотка ротора — вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора
наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя
— потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том
и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора,
неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается.

ЭДС роторной обмотки, в
свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться,
анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.

Синхронная частота вращения
магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения
Dn. Она же наводит в обмотке
ротора ЭДС E₂, частота которой f₂ связана со скольжением
S:

Учитывая, что f₁=рn₁/60,
f₂=рn₁S/60.

Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1,
можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет
0,5-5 Гц (при f₁=50 Гц).

5.18.5 Сельсины

Представим себе два асинхронных двигателя с фазным
ротором включенным последующей схеме (рис. 5.18.5.1). Обмотки статора С₁,
С₂, С₃, называемые обмотками возбуждения, включены в общую
сеть трехфазного тока.

Обмотки ротора P₁, P₂, P₃
объединены трехпроводниковой линией связи. Магнитные потоки обмоток возбуждения
при q₁=q₂ наводят в соответствующих
обмотках роторов равные и совпадающие по фазе ЭДС.

Если ротор двигателя Д1 повернуть на угол q₁,
а ротор Д2 оставить на месте (q₂=0), то в фазных обмотках
ротора двигателя Д2 будет наведена ЭДС E₂>E₁. В результате
в линии связи потечет ток DI от большего потенциала к меньшему.

где 2z — сумма сопротивлений обмоток роторов и линии связи.

Этот ток, пройдя по обмоткам роторов, взаимодействуя
с магнитными полями статоров, вызовет образование дополнительных вращающих моментов
DM. Поскольку направление момента DМ в каждом двигателе
будет свое, то в одном из них произойдет поворот ротора вправо (у двигателя
Д2), а у другого — влево (у двигателя Д1).

Следовательно, оба двигателя самостоятельно (синхронно)
придут в положение (q₁=q₂).
Такая система получила название синхронно-следящей.

Практическое использование эта система получила
в многоприводных механизмах (конвейерах, козловых кранах и т.п.).

В автоматике применяются так называемые сельсины.
Это маломощные асинхронные машины с однофазным статором и трехфазным ротором.

Сельсины применяются для целей измерения или определения
угла, на который повернулся определенный механизм.

В сельсинной передаче всегда используются две машины:
сельсин-датчик и сельсин-приемник.

Обмотки возбуждения бывают обычно однофазные и
располагаются на явновыраженных полюсах. Число полюсов всегда два. Обмотки синхронизации
— трехфазные, размещаются в пазах ротора и оканчиваются тремя контактными кольцами
(рис. 5.18.5.2).

В отличие от силовых синхронно-следящих систем,
поворот ротора сельсина-датчика осуществляется принудительно, а ротор сельсина-приемника
приходит в движение автоматически. Поворот ротора фиксируется индикаторной стрелкой.

При наличии однофазных обмоток возбуждения на статоре
поворот ротора сельсина-датчика может осуществляться в любую сторону, т.к. пульсирующее
магнитное поле статора обеспечивает для этого необходимые условия.

Помимо приведенного индикаторного режима, сельсины
могут работать и в так называемом трансформаторном режиме.

В этом случае сельсин-приемник, не только показывает
угол рассогласования q, но и вырабатывает электрический сигнал
для управления мощным механизмом

Конструктивные особенности

Основными элементами электродвигателя любого назначения являются статор и ротор. Для защиты от контактов с окружающими объектами система с обмотками закрывается в прочный кожух. Предотвратить перегрев обмоток позволяет дополнение в виде установленного на роторном валу охлаждающего вентилятора.

Статор асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором имеет стандартное для электродвигателей строение. Исполнение, рассчитанное на работы с обмотками на три фазы, подразумевает расположение сердечников под углом в 120о. Обмотки выполняют из медной проволоки подходящего сечения, изолированной. Подключение обмоток производится в звезду или треугольник (оно описано в отдельных статьях). Статорный магнитопровод жестко фиксируют к стенкам корпуса.

Роторная часть имеет внешний вид, похожий на небольшую цилиндрическую клетку. Парные кольца исполняют роль короткозамыкающего элемента для стержней, изготовленных из алюминия. Если рассматривать конструкцию высокой мощности, для нее стержневые части конструкции могут изготавливаться из меди. Причиной использования данного материала служит его низкое сопротивление. Однако есть и минусы – медь для обмотки стоит дороже алюминия и быстрее плавится при нагреве сердечника вихревыми токами.

Расположение стержней при сборке выполняется поверх сердечников из специальной трансформаторной стали. Монтаж производят на валу агрегата, провод обмотки впрессовывается в специальные пазы магнитопровода. Простота изготовления повышается тем, что в таком исполнении для магнитопроводных пластин не требуется изоляция. Это – один из главных факторов, сделавших асинхронный агрегат короткозамкнутого типа самым популярным (его доля в общей массе электромоторов достигает 90%).

5.15. ДВУХФАЗНЫЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Двухфазный конденсаторный
двигатель имеет на статоре две обмотки ОВ и ОУ, рассчитанные на длительное протекание
тока. Обмотки располагаются в пространстве под углом 90 эл. градусов), а последовательно
одной из них включают конденсатор С.

Двухфазный конденсаторный
двигатель переменного тока обладает вращающимся магнитным полем (правда, не
круговым, а эллиптическим). Поэтому он не нуждается в специальных пусковых устройствах
(рис. 5.15 1.).

Двухфазный асинхронный
двигатель, в отличие от трехфазного, имеет возможность плавного регулирования
частоты вращения ротора.

Делается это одним из двух
способов: амплитудным (изменением напряжения Uy) и фазным (изменением емкости
конденсатора С).

Двухфазные двигатели получили
широкое распространение в бытовых приборах и лабораторной практике.

В отличие от рассмотренных
выше типов двигателей, интересен двигатель с полым ротором. Он имеет два статора,
между которыми располагается ротор (рис. 5.15.2.).

Наружный статор 1 имеет
обычно конструкцию с двухфазной обмоткой 4. Фазные обмотки сдвинуты в пространстве
относительно друг друга на 90°. Внутренний статор 3 представляет
собой пакет электротехнической стали без обмотки. В воздушном зазоре между
статорами помещен ротор двигателя 2, который не имеет обмотки и выполнен в виде
стакана с тонкими стенками из немагнитного материала (алюминия). Посредством
втулки 6 ротор укреплен на валу двигателя 5. Такая конструкция обеспечивает
ему незначительную инерцию и делает двигатель чувствительным даже к небольшим
импульсам (сигналам) тока. Этому также способствует наличие второго статора,
который уменьшает сопротивление магнитной цепи. Одна из фаз обмоток статора
включается на напряжение сети U_с, другая является управляющей обмоткой.
Когда напряжение на ней отсутствует, ротор неподвижен. С появлением управляющего
сигнала U_у достаточной величины статор создает двухфазное вращающееся
поле, и двигатель развивает вращающий момент, величина которого пропорциональна
U_c.

Работа этого двигателя
основана на взаимодействии магнитного поля статора с вихревыми токами, наведенными
на поверхность полого ротора.

Машины с полым ротором
весьма чувствительны к изменениям напряжения сигнала и его продолжительности,
что дает возможность применять их в качестве исполнительных двигателей.

5.16. ОДНОФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМИ ПОЛЮСАМИ

Для создания вращающего момента в однофазных асинхронных
двигателях иногда применяют конструкцию с явно выраженными полюсами и однофазной
обмоткой. Полюса 1 (рис. 5.16.1) имеют расщепленную конструкцию, причем на одну
из половинок каждого полюса надет короткозамкнутый виток в виде медного кольца
2. Ротор также короткозамкнутый. При подключении обмотки статора к сети под
действием создаваемого ею пульсирующего магнитного потока в витке возникает
ток, который препятствует нарастанию потока в этой части полюса.

В результате потоки в обеих
частях каждого полюса оказываются сдвинуты по фазе относительно друг друга,
что в свою очередь приводит к образованию в двигателе вращающего магнитного
поля. Однофазные двигатели применяют в некоторых типах вентиляторов, электропроигрывателях
и т.д.

Принцип действия [ править | править код ]

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

• короткозамкнутым;
• фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно со вращающимся полем статора. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f : n c = 60 f p =<60f>

>>

При частоте 50 Гц получаем для p = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля n c > = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

Внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора

Построение внешних характеристик.Внешние характеристики синхронного генератора представляют собой зависимости напряжения U

от тока нагрузкиIа при неизменных токе возбужденияI в, угле φ и частотеf 1(постоянной частоте вращения ротораn 2).

Рис. 1.26 – Упрощенные векторные диаграммы синхронной неявнополюсной машины

Они могут быть построены при помощи векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке Iа

ном генератор имеет номинальное напряжениеU ном, что достигается соответствующим выбором тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора станет равным э.д. с. холостого ходаЕ 0. Таким образом, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз φ междуÙ иİ а, так как в зависимости от этого угла изменяется величина вектораĖ 0(при заданном значенииU = U ном). На рис. 1.26 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а

), активно-индуктивной (б )и активно-емкостной (в ) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузкахЕ 0>U; при активно-емкостной нагрузкеЕ 0<U . Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а в двух других случаях–продольная размагничивающая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).

Рис. 1.27 – Внешние характеристики синхронного генератора при различном характере нагрузки

На рис. 1.27 изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении U

ном(а) и при одинаковом значенииUo = Eo (б). Во втором случае приU = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыканияI к.

Изменение напряжения.При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной

(1.24)

Обычно генераторы работают с cosφ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu

% = 25 ÷ 35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, требуется применять специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжениеU, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δи %, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δи %. Однако небольшую величину Δи % можно получить, уменьшая синхронное индуктивное сопротивлениех сн (в неявнополюсных машинах) или соответственнохd иxq (в явнополюсных машинах), т.е. поток якоря, для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. При таком способе уменьшения Δи % необходимо увеличивать м.д. с. обмотки возбуждения, что заставляет увеличивать размеры этой обмотки и делать в конечном итоге синхронную машину более дорогой.

В мощных турбогенераторах мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δи

%.

В гидрогенераторах (по сравнению стурбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т.е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δи

%. Рис. 1.28 – Регулировочные характеристики синхронного генератора при различном характере нагрузки

Регулировочные характеристики синхронного генератора.Эти характеристики (рис. 1.28) представляют собой зависимости тока возбуждения I

в от тока нагрузкиIа при неизменных напряженииU, угле φ и частотеf 1. Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что при возрастании нагрузки необходимо при φ > 0 увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0-уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.