Принцип действия и устройство электрических машин переменного тока. синхронные машины

Машины переменного тока по устройству немного отличаются от машин постоянного тока. Каждая машина состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором, и вра­щающейся части, называемой ротором. В отличие от машин по­стоянного тока у машин переменного тока на статоре укладывают обмотку якоря, а на роторе — обмотку возбуждения. Вместо коллектора на роторе имеются изолированные кольца, по которым ток проводится в обмотку возбуждения. Машины переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Си н х р о н н ы м и называются такие машины переменного тока, частота вращения которых определяется частотой тока. С изменением частоты тока у таких машин одновременно (синхронно) меняется частота вращения. Как правило, у синхронных машин по обмотке возбуждения проходит постоянный ток от постороннего источника. Синхронные машины обратимы, т. е. могут работать в качестве генераторов и электродвигателей. Конструкция синхронного двигателя почти не отличается от конструкции синхронного генератора.

Так как на судах морского флота цепи переменного тока питаются от трехфазных синхронных генераторов, то остановимся на их устройстве и принципе работы.

Обмотка якоря трехфазного синхронного генератора распола­гается в статоре и состоит из трех отдельных обмоток-фаз, сдви­нутых относительно друг друга на 120°С (1/3 периода) с таким расчетом, чтобы индуктируемая э. д. с. в каждой фазе достигала своего максимума спустя 1/3 периода после максимума э. д. с. со­седней фазы. Обмотку возбуждения укладывают на роторе, и источником питания для нее может быть небольшой генератор постоянного тока (возбудитель), смонтированный па одном валу с синхронным генератором, или даже аккумуляторная батарея.

Обмотки статора соединяются между собой звездой или тре­угольником, при этом во внешнюю цепь от обмотки статора отхо­дят три провода (три контакта). На рис. 167 даны схема и про­дольный разрез синхронного генератора трехфазного переменного тока с возбудителем.

Обмотки статора соединяются между собой звездой или треугольником, при этом во внешнюю цепь от обмотки статора отхо­дят три провода (три контакта). На рис. 167 даны схема и про­дольный разрез синхронного генератора трехфазного .переменного тока с возбудителем.

Ротор состоит из сердечников полюсов 1, катушки обмотки возбуждения 2, питаемой постоянным током через контактные кольца 5. Статор состоит из активной стали якоря 3, служащей магиитопроводом, и станины 6, служащей для крепления стали якоря и установки машины на фундамент. Активная сталь якоря набирается из листов специальной стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. Листы изолируются с обеих сторон специальным лаком. Обмотка 4 укладывается в пазах, выштампованных в стали статора.

На рис. 168, а показано размещение трехфазной обмотки ста­тора (на одной четвертой его части), а на схемах б и в — соеди­нение обмотки статора в треугольник и в звезду.

При соединении в треугольник начало первой фазы I соединяется с концом II, начало II — с концом III и, наконец, начало III — с концом I.При соединении обмоток статора звездой концы всех фаз соединяются в одну точку, называемую нулевой, а начала всех фаз остаются сво­бодными, и к ним присоединяется внешняя цепь, в которую по­дается вырабатываемая генератором электрическая энергия.

Синхронные трехфазные генераторы являются в настоящее время основными источниками электрической энергии как на бере­говых, так и на судовых электрических станциях любой мощности.

В настоящее время на морских судах получили широкое рас­пространение синхронные генераторы, у которых обмотка возбуж­дения питается током статора, предварительно выпрямленным с помощью выпрямителей. Схема возбуждения этих машин обеспе­чивает такое изменение тока возбуждения, при котором напряже­ние на выводах генератора поддерживается практически постоян­ным. Такие генераторы называются синхронными генера­торами с самовозбуждением и саморегулировани­ем напряжения.

Конструкция синхронного двигателя принципиально не отли­чается от конструкции синхронного генератора. Для того чтобы синхронный генератор заставить работать в режиме двигателя, нужно отключить первичный двигатель и к обмоткам фаз ста­тора подвести трехфазный ток из цепи. В этом случае генератор станет синхронным электродвигателем, потребляющим ток. Про­ходя по обмоткам фаз, переменный трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с электро­магнитом ротора, увлекает его в сторону своего вращения. В ре­зультате ротор будет вращаться с такой же частотой, как и вра­щающееся магнитное поле, при этом он не остановится, даже если дать ему нагрузку, соединив с каким-нибудь механизмом. В этом и заключается сущность работы синхронного электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора синхронного двигате­ля производится изменением частоты тока цепи, а изменение направления вращения ротора — переключением двух любых фаз, Т. е. взаимным пересоединением двух питающих проводов. К недо­статкам синхронных двигателей относится то, что при пуске их при­ходится разворачивать посторонним механизмом до частоты вра­щения, обеспечивающей вращающееся магнитное поле статора.

Для устранения этого недостатка применяют асинхронный пуск синхронных электродвигателей, который заключается в том, что при пуске через специальные обмотки ротора перепускают переменный ток от цепи.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения пе­ременного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника 1 (рис. 169), собранного из пластин специальной трансформаторной стали. На сердечник надеваются .катушки 2 и 3 (обмотки) с различ­ным числом витков изолированной проволоки. Одна обмотка, на­зываемая первичной 2, присоединяется к источнику переменного тока. В ней создается переменное магнитное поле, намагничиваю­щее сердечник. В другой обмотке — вторичной 3 (вторичных об­моток может быть и несколько) вследствие электромагнитной ин­дукции возникает переменный ток.

Напряжение на концах вторичной обмотки зависит от числа витков в этой обмотке. Если число витков вторичной обмотки равно числу витков первичной обмотки, то напряжение тока во вторичной обмотке будет таким же, как и в первичной обмотке. Если число витков вторичной обмотки будет меньше числа витков первичной обмотки, например, «в два раза, то и напряжение, даваемое вторич­ной обмоткой, будет в два раза меньше, чем в первичной об­мотке.

Трансформатор, дающий напряжение меньше, чем в цепи пер­вичной обмотки, называется понижающим, а трансфор­матор, дающий напряжение больше, чем в цепи первичной обмот­ки, называется повышающим.

Если вторичная обмотка разомкнута с цепью, а к зажимам пер­вичной обмотки подается питание, то такой режим работы транс­форматора называется х о л о с т ы м ходом. Если не считать потерь на на­гревание проводников обмоток и сердечника трансформатора, то при трансформации первич­ный и вторичный токи приблизи­тельно обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток, а э. д. с. первич­ной и вторичной обмоток прямо пропорциональны числам витков соответствующих обмоток. Мощность первичного тока в трансфор­маторах приблизительно равна мощности вторичного тока, а си­лы токов в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям на этих обмотках.

Чтобы трансформировать трехфазный ток, применяют трехфазные трансформаторы с тремя первичными и тремя вторичными обмотками (трехстержневые) или групповые, которые составляют­ся из трех однофазных (в каждую фазу включают по трансфор­матору). Первичные и вторичные обмотки могут соединяться между собой звездой или треугольником. Процессы, проис­ходящие в каждой фазе трехфазного трансформатора в принципе не отличаются от таковых в однофазных трансфор­маторах.

Кроме трехфазных, применяются (в основном для установок низкого напряжения) так называемые автотрансформа­торы, у которых имеется только одна обмотка, часть которой является общей для первичной и вторичной цепи.

На судах применяются специальные типы судовых трансфор­маторов для установки на открытых палубах и в закрытых поме­щениях. Все судовые трансформаторы выпускаются в закрытых кожухах, снабженных лапами для крепления.

Трансформатор перед включением в цепь необходимо осмотреть и убедиться в отсутствии посторонних предметов, грязи, воды и масел на нем и вблизи вентиляционных отверстий.

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Асинхронными называются двигатели, у которых частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного по­ля статора при прохождении в его обмотках трехфазного тока.

При прохождении в обмотках статора трехфазной машины трех­фазного тока возникает вращающееся магнитное поле, под дей­ствием которого в роторе индуктируется электрический ток. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, индуктируемыми в проводниках ротора, возни­кает механическое усилие, действующее на проводник с током, ко­торое и создает вращающий момент, приводящий в движение ро­тор. При этом частота вращения ротора у асинхронного двигате­ля всегда меньше частоты вращения вращающегося магнитного поля статора за счет скольжения ротора, которое у современных двигателей составляет примерно 2—5%.

Таким образом асинхронный двигатель получает энергию, под­водимую к ротору вращающимся магнитным потоком (индуктив­но), в отличие от двигателей постоянного тока, у которых энер­гия подводится по проводам. Асинхронные двигатели в отличие от синхронных возбуждаются переменным током.

Асинхронный двигатель, как и синхронный, состоит из двух основных частей: статора с обмотками фаз, по которым про­ходит трехфазный переменный ток, и ротора, ось которого уло­жена в подшипниках. Ротор может быть короткозамкнутым и фазным (рис. 170).

Короткозамкнутый ротор (рис. 170, в) представляет собой ци­линдр, по окружности которого параллельно его оси расположены проводники, замкнутые между собой с обеих сторон ротора коль­цами (в виде беличьего колеса).

Асинхронный двигатель с таким ротором называется короткозамкнутым. К его недостаткам относятся: малый пу­сковой момент и большой ток в обмотках статора при пуске. Ес­ли хотят увеличить пусковой момент или уменьшить пусковой ток, применяют асинхронные двигатели с фазным ротором (рис. 170, г). У этих двигателей на роторе размещают такую же обмотку, как и на статоре. При этом концы обмоток соединяют с контактными кольцами (рис. 170, д), расположенными на валу двигателя. Контактные кольца при помощи щеток соединяются с пусковым реостатом.

Для пуска двигателя в питающую цепь включают статор, по­сле чего постепенно выводят из цепи ротора сопротивление пуско­вого реостата. Когда двигатель пущен, контактные кольца при помощи контактов пускателя замыкаются накоротко,

Продольный разрез асинхронного электродвигателя с фазным ротором

На рис. 171 показан продольный разрез асинхронного двигате­ля с фазным ротором. В корпусе 6 статора помещена обмотка 5, уложенная в пазы 4 стали статора. В пазах 2 стали ротора лежит обмотка 3 ротора.

Пуск в ход электродвигателя с короткозамкнутым ротором может быть осуществлен непосредственным включением пускателя па полное рабочее напряжение цепи (способ прямого пуска). Однако вследствие резкого возрастания индуктируемой э. д. с. и пускового тока напряжение в цели в пусковой момент снижается, что отрицательно сказывается на работе приводного двигателя и других потребителей, питающихся от этой цепи.

В случае большого пускового тока для его уменьшения асин­хронные двигатели с короткозамкнутым ротором обычно пускают двумя способами: переключением обмоток статора в момент пуска со звезды на треугольник, если обмотки статора при нормальной работе электродвигателя соединены треугольником, или вклю­чением электродвигателя через пусковой реостат (или авто­трансформатор) в цепи статора.

Остановка электродвигателя производится выключением контактора. После остановки электродвигателя пусковой реостат или автотрансформатор полностью вводится. Частоту вращения асинхронных двигателей регулируют, изменяя сопротивление реостата, включенного в цепь ротора (у электродвигателей с фазным ротором), и переключая статорные обмотки для изменения числа пар полюсов (у электродвигателей с короткозамкнутым ротором).

Изменение направления вращения асинхронных электродвига­телей достигается изменением направления вращающегося маг­нитного поля статора путем переключения любых двух из трех фаз обмотки статора (с помощью проводов, соединяющих зажимы статорной обмотки с цепью) при помощи обычного двухполюсного переключателя.

Асинхронные двигатели просты по конструкции, обладают по сравнению с двигателями постоянного тока меньшими размерами и массой, вследствие чего они значительно дешевле. Кроме того, они более надежны в эксплуатации, требуют меньшего внима­ния при обслуживании из-за отсутствия у них вращающегося кол­лектора и щеточного аппарата; они обладают более высоким к. п. д., аппаратура управления ими значительно проще и дешевле, чем у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели работают без искрообразования, которое возможно в машинах постоянного тока с нарушенной коммутацией, поэтому они более безопасны в пожарном отношении.

Перечисленными основными преимуществами асинхронных дви­гателей объясняется современная тенденция повсеместного внедрения переменного тока на морских судах. Следует отметить, что в промышленности асинхронные двигатели давно завоевали господствующее положение по сравнению с другими типами электродвигателей.

Асинхронные двигатели строятся мощностью от долей киловатта до многих тысяч киловатт. На судах морского флота в основном применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые выпускаются в водозащищенном и брызгозащищенном исполнении и рассчитаны па напряжение 380/220 В.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается принцип действия генератора постоянного тока?

2. Из каких основных частей состоит электрическая машина постоянного тока и каково их назначение?

3. Как разделяются машины постоянного тока по исполнению?

4. Каков принцип действия двигателя постоянного тока?

5. Каковы основные правила обслуживания электрических машин постоянного тока?

6. Какие машины называются синхронными и каков принцип их действия?

7. Для чего служат трансформаторы, каковы их устройство и принцип действия?

8. Какие двигатели называются асинхронными и каков принцип их действия?

9. Как подразделяются асинхронные двигатели по конструкции ротора?