Особенности новых серий двигателей

Серия асинхронных двигателей 5А, выпускаемая предприятиями России, пришла на смену 4А, 4АМ, АИ. Электродвигатели устаревших серий разрабатывались, исходя из минимальных затрат на изготовление и эксплуатацию. При этом размеры и характеристики двигателей зависели от существовавшего соотношения цен на материалы и электроэнергию (дешевая электроэнергия и дорогие электротехнические материалы). Поэтому двигатели 4А, 4АМ, и АИ имеют малую материалоемкость, значительное потребление электроэнергии, небольшой ресурс (18 – 22 тыс. часов) и высокий уровень шума. Разработчики серии RA добились высоких энергетических, пусковых и виброакустических характеристик при снижении массы двигателей.

Несмотря на совершенствование серийных асинхронных двигателей, основным их недостатком является потребление реактивного тока (cosφ < 1).

В настояшее время разработаны компенсированные электродвигатели с cosφ = 1. В такой электродвигатель встроено устройство компенсации реактивной мощности, которое обеспечивает повышение выходной мощности на 3,0 – 3,5%, пускового момента и перегрузочной способности на 15 – 20%. При этом увеличение стоимости электродвигателя по сравнению с серийным не превышает 10%.

В течение 10 лет проектировщики технологического оборудования решили задачу выбора между электроприводом постоянного тока и частотно-регулированным электроприводом переменного тока. Достоинства электропривода постоянного тока все в большей степени переходят к частотно-регулированному приводу в связи с совершенствованием элементной базы силовой электроники. Массовое внедрение частотно-регулируемого электропривода в технологическом оборудовании обусловлено достоинствами асинхронного двигателя – высокая надежность, простота эксплуатации, высокая степень защиты от воздействия окружающей среды, низкая стоимость и малые эксплуатационные расходы. Высокий уровень технических характеристик частотно-регулируемого привода достигнут благодаря развитию коммутирующих силовых модулей, высокоскоростных процессов обработки сигналов в реальном времени и разработке эффективных математических моделей управления асинхронным двигателем. Достоинством частотно-регулируемого электропривода является возможность реализации энергосберегающих режимов работы технологического оборудования и получения оптимальных динамических характеристик с учетом инерционных свойств нагрузки.

ЛЕКЦИЯ 30 СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Общие сведения

Синхронная машина – это машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразовании энергии, и ротор имеют одинаковую частоту вращения

n = 60f/p.

На электростанциях электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами (СГ), которые во вращение приводятся паровыми или гидравлическими турбинами. В первом случае синхронные генераторы называются турбогенераторами, а во втором гидрогенераторами. Мощность турбогенераторов – 1200 МВт, гидрогенераторов – 640 МВт. На автономно работающих электростанциях СГ имеют небольшую мощность и приводятся во вращение дизельными двигателями или газовыми турбинами.

Синхронная машина используется также в качестве двигателя. Синхронные двигатели (СД) имеют постоянную частоту вращения и используются там, где нет необходимости в регулировании частоты вращения и где она должна быть постоянной. СД имеют большую мощность (50 – 100кВт и более) и применяются на промышленных предприятиях для приведения в движение насосов, компрессоров и др. Синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт используются в схемах автоматики, звукозаписи, для вращения ленты самопишущих приборов и в др. случаях, требующих постоянства частоты вращения.

Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя, может служить источником реактивной мощности. Если СМ предназначена для работы в режиме ненагруженного двигателя, то она называется синхронным компенсатором.

30.2. Устройство синхронных машин.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора (якоря) и вращающегося ротора (индуктора). Статор в трехфазной машине идентичен статору трехфазного АД. Он состоит из корпуса 1, сердечника 2 и трехфазной обмотки 3. Сердечник имеет форму пустотелого цилиндра и собран из отдельных, покрытых лаком пластин стали. На внутренней цилиндрической поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Фазы A, B, C обмотки смещены друг относительно друга на электрический угол 120°(рис.30.1).

Рис.30.1. Конструкция синхронной машины: а – машина в сборе с неявнопюсным ротором; б – ротор явнополюсный.   Конструкция синхронной машины: а – машина в сборе с неявнопюсным ротором; б – ротор явнополюсный.

По конструкции ротор бывает неявнополюсным а и явнополюсным б (рис.30.1,а и б). Сердечник неявнополюсного ротора выполнен в форме монолитного стального цилиндра 4. На части внешней поверхности цилиндра фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения 5. Явнополюсный ротор имееет выраженные полюсы, на которых размещают отдельные катушки обмотки возбуждения. Обычно ротор этого типа содержит четыре и более полюсов, причем катушки на полюсах соединяют так, что северные и южные полюсы чередуются. Неявнополюсная конструкция ротора обладает большей механической прочностью и по этой причине используется в быстроходных машинах, работающих на частотах 3000, 1500 и 1000 об/мин. При меньших частотах вращения применяются явнополюсные роторы, число витков которых тем больше, чем ниже частота вращения. При любом типе ротора трехфазная обмотка статора (якоря) выполняется так, что создаваемое ею магнитное поле имеет такое же число полюсов, как и ротор.

Обмотка ротора, называвмая обмоткой возбуждения, подключена к двум смонтированным на валу и изолированным от вала контактным кольцам 3. К кольцам примыкают подпружиненные щетки 4, через которые от генератора постоянного напряжения (возбудителя) в обмотку возбуждения подается постоянный ток возбуждения I_в (рис.30.2).

Электрическая схема синхронной машины следующая:

1 – трехфазная обмотка якоря (статора); 2 – обмотка возбуждения; 3 – контактные кольца; 4 – щетки; 5 – вал ротора; 6 – генератор постоянного напряжения.

Рис.30.2. Электрическая схема синхронной машины Рис.30.3. Электрическая схема синхронной машины с «бесщеточ- ным» возбуждением

В качестве источника постоянного напряжения может использоваться питаемый от трехфазной сети выпрямитель. В настоящее время эксплуатируются также синхронные машины с так называемым «бесщеточным» возбуждением. В качестве возбудителя используется маломощный синхронный генератор: поток возбуждения создается неподвижными постоянными магнитами 1 (рис. 30.3), трехфазная обмотка 2 возбудителя расположена на роторе. При вращении вала машины во вращающейся вместе с ним обмотке 2 генерируется трехфазная ЭДС, которая подводится к смонтированному непосредственно на валу выпрямителю 3, питающему обмотку возбуждения 4 основной синхронной машины. Отсутствие скользящего контакта щетки – кольца повышает надежность системы возбуждения. Мощность системы возбуждения составляет 1–3% от мощности якоря.

Синхронная машина, как и машины других типов, имеет два порта: механический (вал ротора) и электрический (зажимы A, B, C обмотки якоря). В режиме генератора машина преобразует механическую энергию, подводимую к механическому порту, в электрическую энергию электрического порта. На гидро- тепло- и атомных электростанциях устанавливают мощные синхронные генераторы для получения трехфазного электрического напряжения. В режиме двигателя наблюдается обратное преобразование энергии: электрическая энергия, подводимая из сети, преобразуется в механическую на валу машины.

Синхронный генератор

Ротор генератора приводится во вращение с постоянной частотой n от приводного двигателя, в качестве которого может выступать паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания или электрический двигатель. Если в обмотку ротора подается ток возбуждения, то вместе с ротором вращается магнитное поле возбуждения, которое согласно закону электромагнитной индукции наводит в неподвижной трехфазной обмотке якоря (статора) трехфазную синусоидальную систему ЭДС с действующим значением E₀:

,

где K_об – обмоточный коэффициент якоря; f = pn/60 – частота синусоидальных ЭДС якоря; w – число витков одной фазы обмотки якоря;
Ф_mв – амплитуда потока возбуждения.

Действующее значение каждой фазной ЭДС – Е_А, Е_В, Е_С равны по значению и отстают друг от друга на угол 120°.