Асинхронный двигатель. Синхронный генератор

Электрические машины.

Асинхронный двигатель. Синхронный генератор

История

Наибольший вклад в создание асинхронных двигателей внесли Галилео Феррарис и Никола Тесла. В 1888 году Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской академии наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США № 381968 от 01.05.1888 |заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что, сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и в июле 1888 года попала на глаза выпускнику Дармштадтского высшего технического училища, выходцу из России Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому. Уже в 1889 году Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо», а в 1890-м — патенты в Англии № 20425 и Германии № 75361 на трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором. Данные изобретения открыли эру массового промышленного применения электрических машин. В настоящее время асинхронный двигатель является самым распространенным электродвигателем.

Асинхронный двигатель - самый простой, дешевый и надежный из всех, до сих пор придуманных. У него нет подвижных трущихся контактов, поэтому он практически не требует обслуживания.

Принцип действия

Вращающееся магнитное поле.

Неподвижная обмотка – статор,

Подвижная обмотка – ротор.

Как работает двигатель? Видео 1-2.

По обмотке статора, включенной в трехфазную цепь, протекает ток, создающий вращающее магнитное поле. Магнитные силовые линии вращающегося поля статора пересекают стержни обмотки ротора и индуктируют в них электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС в замкнутых накоротко стержнях ротора протекает ток. Вокруг стержней возникают магнитные потоки, создающие общее магнитное поле ротора, которое, взаимодействуя с вращающим магнитным полем статора, создает усилие, заставляющее ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля статора. Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Этот показатель характеризуется скольжением S и находиться для большинства двигателей в пределах от 2 до 10%.

Скольжение

Скольжение асинхронного двигателя — относительная разность скоростей вращения ротора и магнитного потока, создаваемого обмотками статора двигателя переменного тока. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

где - скорость вращения ротора асинхронного двигателя

- скорость вращения магнитного потока, называется синхронной скоростью (частотой вращения) двигателя.

Конструкция

Конструктивно они делятся на 2 разновидности:

· АД с короткозамкнутым ротором

· АД с фазным ротором

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Статор у такого двигателя состоит из:

· корпуса со станиной

· сердечника

· трехфазной обмотки

Сам корпус чаще всего изготавливают, либо из алюминиевого сплава, либо из чугуна.

Сердечник статора выполняется шихтованным, т.е. набирается из тонких листов электротехнической стали, покрытыми изоляционным лаком. Толщина этих листов составляет примерно от 0, 35 до 0, 5 (мм). Так сделано с целью уменьшения вихревых токов, появляющихся во время перемагничивания «железа» сердечника под действием вращающегося магнитного поля.

С внутренней стороны сердечника статора асинхронного двигателя находятся продольные пазы, в которые укладывается обмотка.

Обмотка может быть, как однослойная, так и многослойная.

Часть обмотки, которая расположена в пазах, называется пазовой.

Пазовые части обмоток за пределами сердечника (с торца) соединяются с лобовыми частями обмоток.

Это все, что касается статора. Теперь перейдем к тому, как устроен ротор

Обмотка короткозамкнутого ротора состоит из ряда алюминиевых или медных (реже) стержней, которые расположены в пазах сердечника ротора. Эти стержни с двух сторон замыкаются короткозамыкающими кольцами.

Сердечник ротора, как и сердечник статора, имеет шихтованную конструкцию, но листы из электротехнической стали у него покрыты не лаком, а тонкой пленкой окисла. Этого вполне достаточно для ограничения вихревых токов малой величины из-за не частого перемагничивания сердечника.

В большинстве случаях короткозамкнутую обмотку ротора АД выполняют с помощью заливки собранного сердечника расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно отливаются и короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки.

Охлаждение асинхронных двигателей мощностью до 15 (кВт) происходит методом обдува наружной поверхности двигателя с помощью центробежного вентилятора. Сам вентилятор прикрыт защитным кожухом с отверстиями для забора воздуха.

Для защиты людей от поражения электрическим током асинхронный двигатель необходимо заземлять. Для этого имеются специальные болты (винты) для заземления. Обычно один болт (винт) находится на корпусе двигателя. Другой в клеммной коробке.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Конструкция статора асинхронного двигателя с фазным ротором аналогична конструкции статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ротор же такого двигателя имеет усложненную конструкцию. На его валу закреплен шихтованный сердечник с трехфазной обмоткой. Начала обмоток соединяют звездой, а их концы соединяют к контактным кольцам. Эти кольца тоже расположены на валу ротора и изолированы от вала и между собой.

Для осуществления контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое кольцо предусмотрено две металлографитовые щетки. Щетка находится в щеткодержателе, который снабжен пружинами для обеспечения необходимой силы прижатия щетки к контактному кольцу.

Пусковой момент - при трогании с места и при разгоне, асинхронный двигатель находится в условиях, существенно отличающихся от условий нормальной работы. Момент, развиваемый двигателем, должен превышать момент сопротивления нагрузки, иначе двигатель не сможет разгоняться. Таким образом, с точки зрения пуска двигателя важную роль играет его пусковой момент.

Табличка

Несколько слов о бирке

На корпусе каждого двигателя установлена пластина со следующими техническими данными:

тип двигателя (например, АОЛ 22-4 или АИР71А4)
наименование страны и завода-изготовителя
год выпуска
номинальная полезная мощность на валу
номинальный напряжение (ток)
схема соединения обмоток (Y/∆ )
коэффициент мощности
номинальная частота вращения (об/мин)
кпд
режим работы (например, S1)

Пример пластины асинхронного двигателя смотрите на фото ниже:

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель - это двигатель переменного тока, который вращается за счет взаимодействия переменного магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора (двигатель постоянного тока наоборот). Синхронный двигатель всегда работает на синхронной скорости. Обычно синхронные двигатели имеют большую мощность (свыше 630кВт), иначе его эксплуатация не выгодна (необходимо специальное выпрямительное устройство или генератор постоянного тока на валу). Есть правда синхронные двигатели на малую мощность до 1кВт (синхронные реактивные двигатели).

К преимуществам асинхронных двигателей можно отнести все, кроме малого пускового момента и нелинейности характеристики момент на валу - скорость, малый коэффициент мощности на мощностях ниже номинальной. Преимущество синхронного двигателя - опережающий коэффициент мощности, регулируемый с помощью возбуждения (обмотка ротора). Все остальное - недостатки. Очень трудный пуск (обычно используют асинхронный пуск), а уже потом входят в синхронизм. Очень чувствителен к нагрузкам - если вышел из синхронизма - гасят поле ротора и останавливают. Дорог по стоимости и в эксплуатации.

Главная особенность синхронных электродвигателей – абсолютно жесткая механическая характеристика, т.е., обороты абсолютно не зависят от нагрузки и тока в обмотках, ротор либо крутится с синхронными оборотами, либо не крутится, третьего (крутится медленнее) не дано. В силу данной особенности широко применяется там, где нужны стабильные обороты (привод ведущего вала в студийных магнитофонах, перемешение печатающей головки в принтерах, электромеханические реле времени и т.п.), и не применяется в качестве тягового привода на транспорте. Кроме асинхронных в качестве тяговых используют (и в нашей стране - наиболее широко) коллекторные электродвигатели постоянного (пульсирующего, в случае с ТИСУ) тока.

Механическая характеристика

Асинхронный генератор

Как построить трёхфазный(однофазный) генератор 220/380 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока.

Автономные асинхронные генераторы - трёхфазные машины, преобразующие механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока. Их несомненным достоинством перед другими видами генераторов являются отсутствие коллекторно-щеточного механизма и, как следствие этого, большая долговечность и надежность. Если отключенный от сети асинхронный двигатель привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим. Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С0, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от характеристики машины и ёмкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор.

Рис.1 Стандартная схема включения асинхронного электродвигателя в качестве генератора.

Можно подобрать емкость так, чтобы номинальное напряжение и мощность асинхронного генератора равнялись соответственно напряжению и мощности при работе его в качестве электродвигателя.
Индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение потребной ёмкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и ёмкость конденсаторов, то есть подключать дополнительные конденсаторы. Это обстоятельство необходимо рассматривать как недостаток асинхронного генератора.

Частота вращения асинхронного генератора в нормальном режиме должна превышать асинхронную на величину скольжения S = 2…10%, и соответствовать синхронной частоте.

Не выполнение данного условия приведёт к тому, что частота генерируемого напряжения может отличаться от промышленной частоты 50 Гц, что приведёт к неустойчивой работе частото-зависимых потребителей электроэнергии: электронасосов, стиральных машин, устройств с трансформаторным входом. Особенно опасно снижение генерируемой частоты, так как в этом случае понижается индуктивное сопротивление обмоток электродвигателей, трансформаторов, что может стать причиной их повышенного нагрева и преждевременного выхода из строя.

В качестве асинхронного генератора может быть использован обычный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель соответствующей мощности без каких-либо переделок. Мощность электродвигателя-генератора определяется мощностью подключаемых устройств. Наиболее энергоёмкими из них являются:

бытовые сварочные трансформаторы;

электропилы, зернодробилки (мощность 0, 3…3 кВт);

электроутюги (мощность 850…1000 Вт).

Особо хочу остановиться на эксплуатации бытовых сварочных трансформаторов.
Их подключение к автономному источнику электроэнергии наиболее желательно, т.к. при работе от промышленной сети они создают целый ряд неудобств для других потребителей электроэнергии. Если бытовой сварочный трансформатор рассчитан на работу с электродами диаметром 2…3 мм, то его полная мощность составляет примерно 4…6 кВт, мощность асинхронного генератора для его питания должна быть в пределах 5…7 кВт.

Если бытовой сварочный трансформатор допускает работу с электродами диаметром 4 мм, то в самом тяжелом режиме - " резки" металла, потребляемая им полная мощность может достигать 10…12 кВт, соответственно мощность асинхронного генератора должна находиться в пределах 11…13 кВт.

В качестве трёхфазной батареи конденсаторов хорошо использовать так называемые ком-пенсаторы реактивной мощности, предназначенные для улучшения соs φ в промышленных осветительных сетях. Рассмотренный выше вариант подключения трёхфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать классическим, но не единственным. Существуют и другие способы, которые так же хорошо зарекомендовали себя на практике. Например, когда батарея конденсаторов подключается к одной или двум обмоткам электродвигателя-генератора.

В заключение несколько общих советов.

Генератор переменного тока является устройством повышенной опасности. Применяйте напряжение 380 В только в случае крайней необходимости, во всех остальных случаях пользуйтесь напряжением 220 В.

По требованиям техники безопасности электрогенератор необходимо оборудовать заземлением.

Обратите внимание на тепловой режим генератора. Он " не любит" холостого хода. Снизить тепловую нагрузку можно более тщательным подбором емкости возбуждающих конденсаторов.

Не ошибитесь с мощностью электрического тока, вырабатываемого генератором. Если при работе трёхфазного генератора используется одна фаза, то её мощность будет составлять 1/3 общей мощности генератора, если две фазы - 2/3 общей мощности генератора.

Электрические машины.

Асинхронный двигатель. Синхронный генератор

История

Принцип действия

Вращающееся магнитное поле.

12 3 4 Следующая ⇒