Тема: Однофазный асинхронный двигатель. Синхронные электрические машины

ОДНООЭАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Принцип работы однофазного асинхронного двигате­ля, как и трехфазного, основан на использовании вра­щающегося магнитного поля.

Для получения вращающегося магнитного поля, кроме смещения в про­странстве обмоток друг относительно друга, необходим еще сдвиг по фазе токов обмоток. Для его осуществления применяют фазосмещающий элемент, который устанавливают последовательно одной из двух обмоток статора.

На рис. 8.15 приведена схема конденсаторного одно­фазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и двумя смещенными под углом 90° обмотками А и В статора. Токи этих обмоток I_А и Iв сдвинуты по фазе за счет применения конденсатора. Фазосмещающим эле­ментом может быть также активное сопротивление или индуктивность.

Если при работе двигателя оборвать цепь обмотки В, то магнитный поток Ф статора прекращает вращаться по отношению к статору. Но, так как ротор продолжает по инерции вращаться, то этот поток остается вращающимся по отношению к обмотке ротора и наводит в ней ЭДС, ток и собственный магнитный поток Ф_р. При этом, ротор стремится повернуть­ся так, чтобы его поток Ф_р совпадал по направлению с потоком Ф статора, как это показано на рис. 8.16. Каза­лось бы, после совпадения по направлению Ф и Ф_р ротор остановится. Но Ф, изменяясь по синусоидальному закону, меняет свое направление на обратное, и ротор продолжает вращаться.

Так как в этом случае магнитный поток статора по отношению к ротору не вращается, то двигатель не запустится. Пуск двигателя можно осуществить при помощи внешней силы, которая приведет ротор в первоначальное движение. Однако это неудобно, поэтому для пуска однофазных асинхронных двигателей применяют пусковую обмотку с фазосмещающим элементом, которым чаще бывает активное сопротивление как более дешевое. После запуска двигателя пусковая обмотка автоматически от­дается при помощи реле. Ввиду кратковременной работы пусковую обмотку выполняют из более тонкого провода, чем рабочую.

Однофазные асинхронные двигатели получили наибольшее распространение в бытовых приборах. Их мощность обычно не превышает 500 Вт.

В качестве однофазного можно использовать трехфазный асинхронный двигатель.

Для создания пускового вращающего момента в цепь одной из обмоток статора включают конденсатор (рис. 8.17) на время пуска двигателя.

Пусковую емкость при соединении обмоток статора звездой рассчитывают по формуле

С= 10⁹ P/(314U²),

где— мощность двигателя, кВт;

U — напряжение сети, В;

С — емкость конденсатора, мкФ.

При соединении обмоток треугольником пусковая ем­кость в три раза больше, чем при соединении звездой.

Трехфазный двигатель в однофазном режиме разви­вает мощность, составляющую 60—70 % номинальной.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронный двигатель. Статор синхронного двигателя устроен аналогично статору асинхронного двигателя, а ротор представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис. 8.18).

Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя (рис. 8.19). Внутри магнита N₁S₁ помещен магнит NS. Если магнит N₁S вращать, то он вовлечет за собой во вращение магнит NS.

	Рис. 8.18		Рис. 8.19

В реальном двигателе поле магнита N₁S₁ заменено вращающимся магнитным полем статора.

Ротор вращается синхронно с полем, т. е. со ско­ростью n = n₁=60f/p. Отсюда название синхронный двигатель. Постоянная частота вращения — важное до­стоинство синхронных двигателей, так как стабильные скорости требуются для многих отраслей техники, напри­мер в автоматике и телемеханике, в авиации и судострое­нии, при записи и воспроизведении звука и т. д. Недоста­ток синхронного двигателя — трудность запуска. Чаще всего применяют асинхронный пуск синхронного двига­теля. Для этого в ротор встраивают короткозамкнутую обмотку. Во время пуска двигатель работает как асин­хронный, а затем самостоятельно синхронизируется с сетью и продолжает работать уже как синхронный.

Ротор синхронного двигателя, а вместе с ним и маг­нитный поток ротора Ф_р отстает от вращающегося потока статора Ф_с на угол α (см. рис. 8.19).

Если напряжение сети не меняется, практически не меняется и ЭДС самоиндукции в обмотках статора, которая уравновешивает напряжение. Поэтому не изменяется магнитный поток Ф машины, создающий эту ЭДС. Магнитный поток Ф состоит из векторной суммы магнитных потоков Ф_с и Ф_р, сдвинутых по фазе на угол α. Врезультате взаимодействия Ф_с и Ф_р образуется вращающий момент М_ВР, развиваемый двигателем. Из рис. 8.20 видно, что при увеличении α (за счет возрастания

Рис. 8.20

нагрузки на валу двигателя), чтобы суммарный поток Ф не изменился, должен увеличиться магнитный поток статора Ф_с, а значит, и создающий его ток обмотки статора. В результате с ростом нагрузки двигателя увеличиваются не только а, Ф_с, I, но и М_вр.

При изменении напряжения сети пропорционально ему изменяется магнитный поток Ф двигателя за счет изменения Ф_с, что приводит к пропорциональному изменению М_ВР, т. е. вращающий момент синхронного двигателя пропорционален напряжению. Это выгодно отличает синхронный двигатель от асинхронного, у которого

М_ВР ².

Ротором синхронного двигателя является электро­магнит, который получает питание от источника постоян­ного тока через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток. Регулируя ток ротора, называемый током возбуждения, можно изменять поток Ф_р, под действием которого в обмотках статора наво­дятся ЭДС, уравновешивающая напряжение сети.

Если осуществить так называемое перевозбуждение машины, когда рассматриваемая ЭДС окажется больше напряжения сети, то двигатель будет не потреблять, а выдавать в сеть реактивную мощность и, аналогично конденсатору, улучшать коэффициент мощности сети. Двигатель, работающий в режиме пере­возбуждения, называется синхронным компенса­тором. Синхронные компенсаторы имеют преимущество перед конденсаторами, поскольку, изменяя ток возбужде­ния машины, можно регулировать выдаваемую реактив­ную мощность.

Ценное свойство синхронного двигателя — возмож­ность его работы с коэффициентом мощности, равным единице, высокий КПД — делают целесообразным его применение во многих электроприводах, например для привода крупных вентиляторов, компрессоров, центро­бежных насосов и т. п., когда не требуется регулирова­ния частоты вращения и частых пусков. Мощность син­хронных двигателей колеблется в широких пределах — от нескольких ватт до сотен и тысяч киловатт.

Синхронный генератор. В генераторе происходит пре­образование механической энергии в электрическую.

Синхронные машины обратимы, т. е. они могут ра­ботать, как двигателем, так и генератором. На рис. 8.21 показана схема трехфазного синхронного генератора. Вал 2 машины, показанный штриховой линией, соеди­нен с первичным двигателем, который приводит генера­тор во вращение с постоянной частотой n_о. Ток возбуж­дения создает магнитное поле ротора 1, которое, вра­щаясь вместе с ротором, наводит в обмотках 3 статора ЭДС Е_а, Е_в, Е_с трехфазного генератора.

Ток возбуждения I_В, поступающий в цепь ротора от источника постоянного тока, может регулироваться от нуля до некоторого максимального значения. Это позволяет изменять магнитный поток ротора в широких пределах, т. е. получать различные ЭДС статора (Е =4,44аωfФ_р). С другой стороны, из формулы (4.1) f=рn_о/60; значит, ЭДС зависит также и от частоты вращения ротора.

Практически все генераторы на электрических станциях являются синхронными. Первичными двигателями для мощных синхронных генераторов служат гидротурбины, паровые и газовые турбины и относительно редко - двигатели внутреннего сгорания. Постоянный ток для питания обмотки возбуждения может подводиться небольшого генератора постоянного тока — возбудителя (вращающегося вместе с ротором или приводным двигателем) или от полупроводниковой выпрямительной установки.

Мощность отечественных синхронных турбогенераторов достигает 1200 тыс. кВ • А.