Синхронные и асинхронные электрические машины

Электрические машины переменного тока составляют основу современной электроэнергетики, как в сфере производства, так и в сфере потребления электроэнергии. Широкое распространение получили синхронные генераторы и асинхронные двигатели.

ЭТО ВАЖНО. Электрическая машина называется синхронной из-за того, что магнитное поле статора вращается синхронно с угловой скоростью ротора.

Упрощенная схема магнитной системы синхронного генератора представлена на рис.12.1, а, где обозначено: 1 – статор, в пазах которого уложены обмотки, образующие трехфазную систему с выводами А, В, С; 2 – ротор; 3 – обмотка возбуждения, образующая на роторе магнитное поле с полюсами N и S; 4 и 5 – контактные кольца, изолированные от вала 8, друг от друга и двух неподвижных щеток 6, 7; 9 и 10 – выводы для подключения источника напряжения постоянного тока.

ПРИНЦИП РАБОТЫ синхронного генератора. Приводной двигатель приводит во вращение ротор генератора с синхронной частотой n₁. Если к выводам обмотки возбуждения, размещенной на роторе подключить источник напряжения постоянного тока, то ток протекающий по этой обмотке будет вызывать действие магнитного поля, которое также будет вращаться с частотой n₁. В результате каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается в зонах северного или южного магнитных полюсов магнитного поля. В трехфазной обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводятся переменные ЭДС Е_А, Е_В, Е_С, которые будучи одинаковыми по значению и сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120^о, образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Поэтому и называется машина синхронной из-за синхронного вращения магнитного поля статора и ротора.

Стабилизация напряжения синхронного генератора при изменениях нагрузки осуществляется за счет изменения величины постоянного тока в обмотке возбуждения машины.

Условия включения на параллельную работу синхронных генераторов:

а) равенство действующих значений напряжений;

б) совпадение фаз действующих значений напряжений;

в) равенство частот f₁ = f₂;

г) одинаковый порядок чередования фаз А, В, С.

ЭТО ВАЖНО. Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной в настоящее время является асинхронная машина, работающая в режиме двигателя.

Причина широкого применения асинхронного двигателя – его простота (высокая надежность работы) и дешевизна. В машине отсутствуют какие-либо быстро изнашивающиеся электрические части, например, коллектор.

Общий недостаток асинхронных машин – это относительная сложность и неэкономичность регулирования частоты вращения ротора. Кроме того, двигатели имеют относительно низкий коэффициент мощности (0,85¸0,9).

Статор асинхронного двигателя 1 (рис.12.2) имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора (рис.12.1). Обмотка ротора 2 (рис.12.2) представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах ротора и замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны).

ПРИНЦИП РАБОТЫ асинхронного двигателя. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора с частотой вращения n₁. Магнитные линии вращающегося поля статора (полюсы N₁ и S₁) пронизывают обмотку ротора и наводят в ней ЭДС. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F_ЭМ (рис.12.2.), которые стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора.

ЭТО ВАЖНО. Частота вращения ротора n₂, называется асинхроннойи всегда меньше частоты вращения магнитного поля n₁, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.

Конструктивно асинхронные двигатели выполняются с короткозамкнутым и фазным роторами. Обмотка двигателя с короткозамкнутым ротором, выполняется из алюминиевых стержней, которые заливают без изоляции в пазы. Одновременно с торцов отливают короткозамыкающие кольца с лопастями вентилятора для принудительного охлаждения.

В пазах ротора двигателя с фазным ротором размещается обмотка, подобная обмотке статора. Обмотки соединяют в звезду, а три вывода подсоединяются к трем контактным кольцам, размещенных на валу и изолированных друг от друга и от вала. Щетками, наложенными на кольца, обмотки ротора замыкаются через добавочные сопротивления с управляющим источником.

Двигатели с фазным ротором сложнее, дороже и менее надежны в эксплуатации, чем с короткозамкнутым ротором, но обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.