Выбор средств регулирования напряжения в системе электроснабжения. Синхронный двигатель и асинхронный двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоммерческое акционерное общество

"Алматинский университет энергетики и связи"

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Специальность: 5В 071800 "Электроэнергетика"

Отчет

по производственной практике

на тему: Выбор средств регулирования напряжения в системе электроснабжения. Синхронный двигатель и асинхронный двигатель

Выполнила: Ергалиева А.Х.

Группа: Эсн -10-3

№ зачетной книжки 104120

Руководитель: старший преподаватель

Асанова К.М.

Алматы 2013

Содержание

Введение

1. Выбор средств регулирования напряжения в системе электроснабжения

1.1 Средства регулирования напряжения

1.2 Выбор средств регулирования напряжения

2. Синхронный двигатель и асинхронный двигатель

2.1 Конструкция и принцип действия синхронного двигателя

2.2 Конструкция асинхронных машин

2.3 Принцип действия асинхронных машин

Список литературы

Введение

Выбор средств регулирования напряжения должен базироваться на анализе режимов напряжения на шинах или режима нагрузок линий, отходящих от этого центра.

При определении степени и средств регулирования следует исходить не только из технических, но и из экономических критериев.

Необходимо рассматривать весь комплекс мероприятий по улучшению режимов напряжения в электрических сетях предприятия: а) применение на ГПП и ПГВ понизительных трансформаторов и автотрансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой с диапазоном регулирования 15-20 %; это средство является основным и во многих случаях оказывается достаточным при ПГВ, располагаемых в центрах нагрузок соответствующих групп потребителей; б) применение последовательно-регулировочных трансформаторов при отсутствии трансформаторов, регулируемых под нагрузкой; в) использование рекомендаций по правильному выбору ответвлений у нерегулируемых трансформаторов для разных режимов работы; г) уменьшение потерь напряжения в отдельных элементах сети путем рационального построения всей системы электроснабжения (применение глубоких вводов и разукрупнение подстанций, улучшение коэффициента мощности, рациональные схемы сети); д) применение батарей косинусных конденсаторов, устанавливаемых в непосредственной близости от токоприемников, с возможностью полного ручного или автоматического отключения всей батареи или ее секций или же применение автоматического регулирования конденсаторных установок поперечной компенсации в зависимости от потребности в реактивной мощности; е) применение связей в распределительных сетях напряжением до 1000 В между подстанциями, позволяющих отключать часть трансформаторов в минимальном режиме нагрузок или же переводить питание дежурного освещения на отдельные трансформаторы малой мощности в часы минимума нагрузок; ж) использование в максимальной степени на предприятиях, имеющих, собственные электростанции, регулирования напряжения генераторов с изменением установок регуляторов в соответствии с изменением напряжения на шинах вторичного напряжения цеховых подстанций; з) применение синхронных электродвигателей с автоматическим регулированием тока возбуждения.

Перечисленные мероприятия по регулированию напряжения необходимо рассматривать и учитывать при выборе оптимальных вариантов электроснабжения уже на первых стадиях проектирования при закладывании основных принципиальных решений, так как позднее их не всегда можно осуществить.

Электрическая машина - это электромеханический преобразователь энергии, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Лоренца, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

Возможность создания электрической машины как электромеханического преобразователя базируется на электромагнитном взаимодействии, которое осуществляется посредством электрического тока и магнитного поля. Электрическая машина, в которой электромагнитное взаимодействие осуществляется при помощи магнитного поля называется индуктивной, а в которой при помощи электрического - ёмкостной. Ёмкостные машины практически не используются, так как при конечной проводимости воздушной среды (при наличии влаги) заряды будут исчезать из активной зоны электрической машины в землю (то есть огромные потери энергии).

Если электрическая энергия преобразуется в механическую работу и тепло, тогда электрическая машина является электрическим двигателем; когда механическая работа преобразуется в электрическую энергию и тепло, тогда электрическая машина является электрическим генератором; когда электрическая энергия одного вида преобразуется в электрическую энергию другого вида, тогда электрическая машина является электромеханическим преобразователем или трансформатором и когда механическая и электрическая энергии преобразуются в тепло, тогда электрическая машина является электромагнитным тормозом. Для большинства машин выполняется принцип обратимости, когда одна и та же машина может выступать как в роли двигателя, так и в роли генератора или электромагнитного тормоза.

В большинстве электрических машин выделяют ротор - вращающуюся часть, и статор - неподвижную часть, а также воздушный зазор, их разделяющий.

По принципу действия выделяют нижеследующие виды машин:

Асинхронная машина - электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре на частоту скольжения.

Синхронная машина - электрическая машина переменного тока, в которой частоты вращение ротора и магнитного поля в зазоре равны.

Машина двойного питания (и как вариант - асинхронизированная синхронная машина) - электрическая машина переменного тока, в которой ротор и статор в общем случае имеют разные частоты питающего тока. В результате ротор вращается с частотой, равной сумме (разности) питающих частот.

Машина постоянного тока - электрическая машина, питаемая постоянным током и имеющая коллектор.

Трансформатор - электрический аппарат переменного тока (электрический преобразователь), преобразующий электрический ток напряжения одного номинала в электрический ток напряжения другого номинала. Существуют статические и поворотные трансформаторы.

Инвертор на базе электрической машины - как правило, пара электрических машин, соединённых валами, выполняющих преобразование рода тока (постоянный в переменный или наоборот), частоты тока, числа фаз, напряжений.

Вентильный двигатель - электрическая машина постоянного тока, в которой механический коллектор заменён полупроводниковым коммутатором (ПК), возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, размещенных на роторе; а статорная обмотка, как в синхронной машине. ПК по сигналам логического устройства поочерёдно, в определённой последовательности, попарно подключает фазы электродвигателя к источнику постоянного тока, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита ротора, создаёт вращающий момент электродвигателю.

Сельсин - электрическая машина для дистанционной передачи информации об угле поворота.

Назначения

Преобразование энергии - основное назначение электрических машин в качестве двигателя или генератора.

Преобразование переменного тока в постоянный

Преобразование величины напряжения.

Усиление мощности электрических сигналов. В этом случае электрическая машина называется электромашинным усилителем.

Повышение коэффициента мощности электрических установок. В этом случае электрическая машина называется синхронным компенсатором.

Дистанционная передача информации (сельсин)

1. Выбор средств регулирования напряжения в системе электроснабжения

1.1 Средства регулирования напряжения

Регулирование напряжения генераторами станций

Все генераторы электростанций оборудованы устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Генератор вырабатывает номинальную активную мощность при отклонениях напряжения от номинального не более ±5%. При больших отклонениях мощность генератора должна быть снижена, по этой причине пределы регулирования напряжения с помощью генераторов ограничены. В связи с изменяющейся нагрузкой системы все генераторы электростанций работают по заданным графикам генерации активной и реактивной мощности. Условия работы электростанций в системе различны. Это влияет и на возможности регулирования напряжения с помощью генераторов.

При работе электрической станции изолированно ее генераторы, подключенные к шинам ГРУ с присоединенной к ним распределительной сетью (рисунок 1, а) относительно малой протяженности, осуществляют регулирование напряжения изменением возбуждения.

Рисунок 1 - Регулирование напряжения генераторами станции

Этот способ регулирования напряжения на таких станциях является основным средством обеспечения заданного режима напряжения у нагрузок. Пределы регулирования напряжения изменением возбуждения допускаются не ниже 105% номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок. При наличии сети высокого напряжения трансформаторы связи генераторов с РУВН предпочтительнее иметь с РПН.

При работе в блоках с трансформаторами связи (рисунок 1, б) генераторы непосредственно не связаны с распределительными сетями генераторного напряжения, а нагрузка собственных нужд обычно питается через трансформаторы с РПН. Эти условия позволяют использовать полностью предел изменения напряжения на блочных генераторах от -5% до + 10% относительно номинального. Трансформаторы связи в блочных схемах применяются без РПН.

На электростанциях, объединенных в энергетическую систему (рисунок 1, в), изменения напряжений должны осуществляться согласованно по графику, т. к. изменение напряжения даже у одной из станций приведет к перераспределению выработки реактивной мощности всех станций системы. Это условие ограничивает возможности регулирования напряжения в отдельных районах системы, поэтому в мощных системах регулирование напряжения только генераторами станций не является достаточным и требует дополнительных средств.

Регулирование напряжения изменением коэффициента трансформации трансформаторов

Для регулирования напряжения с помощью трансформаторов необходимо иметь возможность изменять соотношение витков обмоток трансформаторов. Это достигается тем, что, помимо основных ответвлений обмоток, предусматривают дополнительные (регулировочные) ответвления. Регулировочные ответвления обычно выполняются на стороне высокого напряжения трансформаторов, так как это значительно облегчает переключающее устройство (меньшие токи).

Трансформаторы с переключенном ответвлений без возбуждения (ПБВ) не позволяют регулировать напряжение в течение суток, так как это связано с необходимостью отключения трансформатора для каждого переключения, что по эксплуатационным условиям недопустимо По этой причине ПБВ используется только для сезонного регулирования напряжения (2-3 раза в год). Современные трансформаторы с ПБВ позволяют регулировать напряжение в пределах ±5% с шагом 2,5% от номинального. Устройства ПБВ устанавливаются на трансформаторах мощностью не более 630 кВ-А, Схема одной фазы трансформатора с ПБВ приведена на рисунок 2, а. Требуемый коэффициент трансформации трансформатора устанавливается с помощью переключателя П.

Рисунок 2 - Регулирование напряжения изменением коэффициента трансформации

Трансформаторы с РПН позволяют регулировать напряжение под нагрузкой, т. е без отключения от сети, без перерыва электроснабжения потребителей. Устройства РПН устанавливаются на мощных трансформаторах с напряжением выше 20 кВ. Регулировочные ступени трансформаторов выполняются на обмотке высшего напряжения со стороны присоединения ее к нейтрали (рисунок 2, б). На этом рисунке обозначено регулирующее устройство РУ, включающее в себя ступень грубой регулировки П и ответвления тонкой регулировки, выбираемые с помощью избирателя И. Пределы регулирования напряжения трансформаторов с РПН составляют от ±10% до ±16% ступенями 1,5... 2,5% от номинального. Приведенная схема одной фазы трансформатора с РПН иллюстрирует лишь принцип регулирования напряжения. Реальные устройства РПН имеют более сложную конструкцию, включающую ряд дополнительных элементов.

Автотрансформаторы осуществляют регулирование напряжения либо за счет ответвлений на обмотке высшего напряжения (со стороны присоединения ее к нейтрали, что облегчает изоляцию переключающего устройства), либо с помощью регулировочной обмотки на линейном конце среднего напряжения, как показано на рисунок 2, в. В первом случае имеет место связанное регулирование, т. к. при переключении ответвлений одновременно меняется количество витков обмоток высшего и среднего напряжения. Во втором случае регулирование будет независимым, но переключающее устройство должно рассчитываться на номинальный ток, а изоляция на полное напряжение средней обмотки. При такой схеме автотрансформатора регулируется коэффициент трансформации между обмотками высшего и среднего напряжения, а соотношение витков обмоток ВН и НН остается неизменным. В основном автотрансформаторы выпускаются с устройствами РПН на стороне среднего напряжения. Такие автотрансформаторы применяются на большие мощности и высокие напряжения. Диапазон регулирования на стороне среднего напряжения составляет ±12% со ступенями 2% от номинального.

Линейные регуляторы (ЛР), или последовательные регулировочные трансформаторы служат для регулирования напряжения и перераспределения потоков мощности в линиях. Они устанавливаются либо последовательно с нерегулируемыми обмотками трансформаторов, либо непосредственно в линии. На рис. 9, г показана схема включения ЛР в цепь автотрансформатора. Регулятор содержит регулируемый автотрансформатор РАТ и последовательный трансформатор ПТ, с помощью которого вводится дополнительная ЭДС Едоб в нейтраль обмотки высшего напряжения, чем достигается изменение соотношения напряжений обмоток ВН и СН относительно обмотки НН. Диапазон регулирования ЛР достигает ±15% от номинального. ЛР значительно дороже устройств РПН поэтому их применение ограничено. Существенным достоинством линейных регуляторов является возможность не только продольного регулирования напряжения, но и поперечного (изменением фазы Едоб). Эго свойство ЛР особенно широко используется при регулировании потоков мощности в линиях электропередач. Мощность ЛР достигает 125 MB-А, а уровень напряжения 110 кВ.

Регулирование напряжения с помощью компенсирующих устройств

Потеря напряжения, характеризующая изменение напряжения у потребителей, при пренебрежении поперечной составляющей падения напряжения определяется зависимостью. Регулируя потери напряжения, можно поддерживать требуемый уровень напряжения на шинах потребителей. Одним из эффективных средств регулирования напряжения является изменение реактивной мощности, передаваемой сетью. Реактивная мощность вырабатывается не только генераторами электростанций, но и другими источниками: синхронными компенсаторами (СК), синхронными двигателями (СД), батареями конденсаторов (БК), статическими источниками реактивной мощности (ИРМ), тиристорными компенсирующими установками (ТКУ) и др. При наличии источников реактивной мощности, или, как их еще называют, компенсирующих устройств, потери напряжения можно записать в следующем виде:

 (1)

где QKу-реактивная мощность, генерируемая или потребляемая компенсирующим устройством, квар, Мвар. Из формулы видно, что потери напряжения можно свести до величины, определяемой лишь потерями напряжения на активном сопротивлении сети, вырабатывая всю реактивную мощность на месте потребления (QKy = Q), либо, наоборот, увеличить их, переведя компенсирующее устройство в режим потребления реактивной мощности.

Синхронный компенсатор - это синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу. В отличие от генератора он не имеет первичного двигателя. СК не может вырабатывать активную мощность, а для покрытия своих механических и электрических потерь он потребляет энергию из сети. При перевозбуждении СК генерирует реактивную мощность в сеть, а при недовозбуждеиии становится потребителем реактивной мощности. Регулирование напряжения с помощью СК осуществляется плавно. Синхронные компенсаторы обычно устанавливают на мощных понижающих подстанциях и включают на шины 6 . . . 10 кВ (рисунок 3, а) или подключают к обмотке НН автотрансформатора либо к компенсационной обмотке трансформатора с РПН.

Синхронный двигатель широко используется в качестве электропривода для рабочих механизмов. Потребляя активную мощность, он одновременно может генерировать реактивную мощность (при перевозбуждении) либо потреблять ее (при недовозбуждении). СД позволяет реализовать плавное, автоматическое регулирование напряжения в местной сети. Стоимость СД высокая, но ниже, чем стоимость асинхронного двигателя такой же мощности совместно с компенсирующим устройством, позволяющим получить эквивалентный эффект регулирования напряжения. Схема подключения СД такая же, как и СК.



Рисунок 3 - Регулирование напряжения с помощью СК

Батареи конденсаторов применяют в тех случаях, когда не требуется ее работа в режиме потребления реактивной мощности. Управляемые батареи конденсаторов (УБК) представляют собой группу последовательно и параллельно соединенных конденсаторов для получения требуемой мощности и для подключения на заданное напряжение (рисунок 3, б). При параллельном подключении УБК к сети реактивная мощность, генерируемая батареей,

(2)

где С - емкость конденсаторной батареи. мФ; Uc - напряжение сети, к которой подключена УБК, кВ.

УБК более экономичны, чем СК. Их выполняют на большие мощности (до 100 и более Мвар). Батареи конденсаторов устанавливаются на крупных подстанциях и подключаются как на шины 6.. .35 кВ, так и на шины высокого напряжения 110 кВ. Наличие переключающего устройства батарей конденсаторов дает возможность ступенчатого регулирования напряжения на шинах потребителей, так как позволяет отключать часть параллельно включенных конденсаторов или всю батарею при снижении нагрузки и включать полностью все конденсаторы при ее максимуме.

Статические источники реактивной мощности (ИРМ, СКУ, СТК и др.) в последние годы получают все большее применение в силу таких их качеств, как отсутствие вращающихся частей, высокое быстродействие, плавность регулирования напряжения и генерируемой реактивной мощности, незначительное влияние на токи к. з. и т. п. Однако их стоимость пока значительно выше, чем стоимость других компенсирующих устройств такой же мощности. Статические компенсирующие установки по принципу работы делят на две группы. К первой группе относят установки, в которых реактивная мощность генерируется статическими конденсаторами и регулируется с помощью быстродействующих тиристорных средств, а ко второй - установки, в которых для генерирования реактивной мощности используется свойство индуктивности аккумулировать энергию в магнитном поле. На рисунке 3, в приведена упрощенная схема тиристорного компенсатора типа ТК, предназначенного для компенсации реактивной мощности с автоматическим поддержанием напряжения или коэффициента мощности. Силовая часть компенсатора содержит два трехфазных управляемых моста, включенных параллельно и замкнутых на обмотки дросселя L. Мосты собраны по схеме независимого инвертора с отсекающими диодами и искусственной емкостной коммутацией. Управление тиристорными мостами осуществляется системой управления

СУ. Современные статические тиристорные компенсаторы, например, серии СТК. выпускаются на мощность до 450 Мвар с номинальным напряжением до 110 кВ. Эти компенсаторы нашли применение в мощных протяженных линиях электропередач, в сетях электроснабжения крупных сталеплавильных печей и для других целей.

Линии электропередачи рассматривают как распределенную емкость, зависящую от ее протяженности, диаметра фазных проводов, их взаимного расположения, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды Генерируемая ЛЭП реактивная (зарядная) мощность.

(3)

где

b₀ = wС₀

- погонная реактивная проводимость ЛЭП, См/км; С_о - погонная емкость ЛЭП, Ф/км; /-протяженность ЛЭП, км.

Протяженные ЛЭП являются мощными нерегулируемыми источниками реактивной мощности в системе. Эта мощность в основном изменяется за счет ее компенсации с помощью шунтирующих реакторов (поперечная индуктивная компенсация).

Регулирование напряжения изменением параметров сети

В незначительных пределах напряжение можно регулировать изменением активного и реактивного сопротивлений питающей сети. При нескольких параллельно работающих линиях или трансформаторах (рисунок 4, а, б) в часы минимальной нагрузки, когда снижаются потери напряжения, можно отключить одну из линий или трансформатор, что приведет к увеличению потерь напряжения в питающей сети и, следовательно, к понижению напряжения у потребителя.



Рисунок 4 - Регулирование напряжения изменением активного и реактивного сопротивлений питающей сети

Такое регулирование, несмотря на ступенчатость, повышает экономичность передачи, однако его можно использовать только в том случае, если не снижается надежность электроснабжения.

Рисунок 5 - Продольная емкостная компенсация индуктивного сопротивления

Продольная емкостная компенсация индуктивного сопротивления передачи возможна при последовательном включении в линию обратного по знаку емкостного сопротивления (рисунок 5, а), при этом результирующее реактивное сопротивление передачи определится как

Xi = XL - Хс (4)

С учетом формулы (4) при известных параметрах нагрузки напряжение на шинах потребителя до и после компенсации определится зависимостями (для фазных токов и напряжений):

Как видно из векторной диаграммы (рисунок 5, б), при неизменном напряжении на питающем конце линии в случае включения продольной емкостной компенсации напряжение у потребителя будет выше, чем без нее. Это определяется тем, что потери напряжения на реактивном сопротивлении линии в случае компенсации снижаются, т. е.

Включение компенсации (см. рисунок 5, а) осуществляется расшунтированием батареи конденсаторов коммутирующим аппаратом. Степень компенсации на отечественных ЛЭП не превышает 50% (например, ЛЭП Братск - Иркутск имеет степень компенсации 30%).

К недостаткам этого способа регулирования напряжения относятся следующие: увеличение токов к. а. в сети, возможность появления перенапряжений на конденсаторных батареях, появление при толчках нагрузки субгармонических колебаний вплоть до субгармонического резонанса.

1.2 Выбор средств регулирования напряжения

Выбор средств регулирования напряжения производится обычным путем (как и для сетей других типов) на основании технико-экономического анализа возможных вариантов с учетом графиков изменения нагрузок потребителей. В связи со сравнительно высокой стоимостью трансформаторов малой мощности, регулируемых под нагрузкой, применение их на сетевых потребительских подстанциях обычно оправдывается только при малых значениях допустимой потери напряжения, значительных длинах линий и при неоднородном составе потребителей, питающихся от рассматриваемой линии.

Выбор средств регулирования напряжения должен базироваться на анализе режимов напряжения на шинах центра питания (питающей подстанции или ТЭЦ) и режимов нагрузок линий, отходящих от этого центра.

Для выбора средств регулирования напряжения и места их установки, а также для правильной установки ответвлений у трансформаторов необходимо выявить уровни напряжения в разных точках системы электроснабжения предприятий в разное время суток.

В связи с вышеперечисленным задача выбора мощности КУ должна решаться в тесной взаимосвязи и одновременно с выбором средств регулирования напряжения, определением сечений ЛЭП, числа и мощности трансформаторов, а также пропускной способности других элементов электрической сети. При оптимизации КРМ необходимо применять системный подход к решению задачи, то есть учитывать эффект от КРМ во всей электроэнергетической системе от ИП до ЭП.

При выполнении технического проекта электрических сетей решаются такие вопросы, как выявление мест расположения потребителей энергии, определение нагрузок и их категорий, выбор напряжений сетей и схем их соединения, определение мест расположения подстанций, выбор сечения и марок проводников, определение отклонений и колебаний напряжения у потребителей, выбор средств регулирования напряжения и их размещение в сети, выбор конструкции электросети, требования к строительной части сооружений и их пожарной безопасности.

В связи с тем, что на промышленных предприятиях сети среднего напряжения непротяженные, как правило, выполнены кабелем, допустимая величина потерь напряжения в этих сетях не является ограничивающей по режиму напряжений или параметрам сети.

Для всех расчетных режимов предварительно определяют мощности и токи, протекающие на участках сети от шин ИП (ГПП, ПГВ и др.) до ближайших и удаленных потребителей, технические параметры этих участков, сечения линий, мощности трансформаторов, типы реакторов. Выбор средств регулирования напряжения должен базироваться на анализе режимов напряжения на шинах или режима нагрузок линий, отходящих от этого центра. При определении степени и средств регулирования следует исходить не только из технических, но и из экономических критериев.

Для определения расчетного напряжения следует считать потери напряжения в элементах сети (линиях и трансформаторах) и принять соответствующие меры по регулированию напряжения. Выбор средств регулирования напряжения для конкретной установки должен выполняться в комплексе с электрическими расчетами сети с учетом распределения потерь напряжения в указанных элементах сети.

Отклонения напряжения у потребителей являются следствием изменения режима работы электроприемников, а также изменения режима питающей энергосистемы. Это вызывает необходимость регулирования напряжения для поддержания необходимого уровня при различных режимах. Для выбора средств регулирования напряжения и места их установки, а также для правильной установки ответвлений у трансформаторов необходимо выявить уровни напряжения в разных точках системы электроснабжения предприятий в разное время суток.

Расчеты электрических сетей, регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности и ограничение токов короткого замыкания выполняются при проектировании схем развития энергосистем и электрических сетей. К ним относятся расчеты установившихся режимов как нормальных, так и послеаварийных, статической и динамической устойчивости, токов короткого замыкания. Расчеты должны дать ответы на вопросы, связанные с выбором схемы сети и параметров ее элементов, определением требований к схемам коммутации узловых пунктов, выбором средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности.

На основе технико-экономических расчетов и сопоставления вариантов технический проект определяет число и расположение на генеральном плане главных понизительных подстанций (ГПП) и их схемы коммутации. Определяются схема сетей и размещение всех остальных подстанций на территории предприятия, число и мощность понизительных трансформаторов. Выбираются номинальные напряжения сетей, определяются уровни отклонений и колебаний напряжений. Производится выбор средств регулирования напряжений, решаются вопросы повышения коэффициента мощности и основные вопросы управления и защиты в сетях предприятия.

2. Синхронный двигатель и асинхронный двигатель

2.1 Конструкция и принцип действия синхронного двигателя

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянна при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы).

В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.

Роторы синхронных машин могут быть явно полюсными (с явно выраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявно выраженными полюсами). На рисунке 6а изображен сердечник 1 явно полюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2. На рисунке 1б изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.

Рисунок 6 - Ротор синхронного двигателя

Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели (рисунок 7).

Рисунок 7 - Принцип работы синхронного двигателя

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол б. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол б. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n2 = n1.

Синхронный реактивный двигатель - это синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения.

Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явновыраженные полюсы. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.

Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол и относительно оси магнитного поля статора.

С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма. электроснабжение напряжение асинхронный двигатель

У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.

Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

2.2 Конструкция асинхронных машин

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора - вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.

Конструкции асинхронных машин делятся на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Наиболее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые в серии 4А выполняются на все мощности, включая 400 кВт.

Обмотки короткозамкнутых роторов выполняются литыми из алюминия или его сплавов. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков.

Короткозамкнутые роторы крупных машин и специальных асинхронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

Асинхронные машины с фазным ротором имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А можно разделить на две разновидности по степени защиты и способу охлаждения. Машины закрытые, защищенные от попадания внутрь ее брызг любого направления и предметов диаметром более 1 мм, имеют внешний обдув вентилятором.

Наружный обдув в закрытых двигателях осуществляется вентилятором, окруженным кожухом. Для улучшения теплоотдачи станина двигателя имеет продольные радиальные ребра. Вентиляционные лопатки ротора перемешивают воздух внутри машины, отводя тепло от более нагретых лобовых частей обмотки.

В двигателях защищенного исполнения со степенью защиты 1Р 23 применена двусторонняя симметричная радиальная система вентиляции. Воздух попадает в машину через отверстия в щитах, а выходит через отверстия в щитах, а выходит через отверстия в станине. Напор воздуха внутри машины создается лопатками, отлитыми вместе с короткозамкнутой обмоткой ротора, а диффузоры, укрепленные на подшипниковых щитах, направляют поток воздуха.

В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется всыпной из круглого провода или стержневой из меди прямоугольного сечения.

Отличительной особенностью машин с фазным ротором является наличие на роторе обмотки из проводников круглого или прямоугольного сечения, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контактных колец вынесен из станины, а контактные кольца закрыты кожухом. Узел контактных колец - консольного типа. Контактные кольца, опрессованные пластмассой, насаживаются на вал двигателя, они выполняются чугунными или медными. Выводные концы обмотки ротора подходят к трем кольцам через внутреннее отверстие в вале ротора. Обмотка ротора соединяется в звезду.

Токосъемный аппарат состоит из щеток и щеткодержателей. Щеткодержатели укреплены на изолированной части пальца, металлический конец которого ввинчен в прилив подшипникового щита.

Статор асинхронной машины с короткозамкнутым или с фазным ротором состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнитопровод статора набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга и имеющих на внутренней поверхности пазы.

Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, которые после сборки скрепляют скобами и укрепляют в станине. При сборке пакетов магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пазов и число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.

В производстве асинхронных двигателей используются горячекатаные и холоднокатаные стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Горячекатаные стали не имеют магнитной анизотропии, а холоднокатаные имеют значительную анизотропию. Горячекатаная сталь марки 1211 при напряженности магнитного поля Н = 2500 А/м имеет индукцию 1,53 Тл, а удельные потери = 3,3 Вт/кг.

Для асинхронных двигателей серии 4А с высотой оси вращения до 160 мм применяется холоднокатаная рулонная сталь марки 2013 с = 1,65 Тл и = 2,5 Вт/кг. Для двигателей с высотой оси вращения свыше 160 мм используется холоднокатаная рулонная сталь марки 2212 с = 1,6 Тл и = 2,2 Вт/кг.

Обычно из одного рулона штампуются листы как статора, так и ротора. Так как частота перемагничивания ротора небольшая и равна 1-2 Гц, листы ротора не изолируются друг от друга.

Станины двигателей изготавливаются из алюминиевого сплава АЛ-2, для двигателей большой мощности - из чугуна. Станины выполняются с прилитыми лапами, с продольными приливами для крепления подшипниковых щитов. Станины имеют поперечные ребра для улучшения и усиления механической прочности.

Подшипниковые щиты выполняются из сплава АЛ-2. Отверстие под подшипник армировано стальной втулкой. Щиты двигателей большой мощности выполняются из чугуна. Для упрочнения конструкции щиты имеют ребра. В двигателях серии 4А одна подшипниковая опора со стороны вала плавающая, а вторая - фиксирующая. Подшипник, устанавливаемый в фиксирующей опоре, воспринимает радиальную и осевую нагрузки. Подшипник в плавающей опоре свободно перемещается в аксиальном направлении, предотвращая заклинивание при отклонении от предельных размеров и тепловых расширениях. Подшипниковый узел состоит из подщипников, подшипниковых крышек и элементов уплотнения. Подшипниковые узлы выполняются с устройством для пополнения смазки, а также с подшипниками, имеющими двустороннее уплотнение и постоянно заложенную смазку, рассчитанную на весь срок службы.

2.3 Принцип действия асинхронных машин

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рисунок 8, а), а вторую - на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY и CZ соединяют по схеме Х или Д и подключают к сети трехфазного тока (рисунок 8,б). Обмотку ротора 4 выполняют трехфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее в простейшем случае замыкают накоротко.

Рисунок 8 - Электромагнитная схема асинхронной машины, направления токов и электромагнитного момента при работе в двигательном режиме

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная)

n1 = 60f1 /p.

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. На рисунке 7, а показано, согласно правилу правой руки, направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке, при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки. Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС; поэтому условные обозначения (крестики и точки) на рисунке 8 показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие Fрез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения п 2 соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, в данном случае 0 ? п 2< п 1.

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

s = (п 1 - п 2)/п 1. (7)

Скольжение часто выражают в процентах

s = [(п 1 - п 2)/п 1 ] * 100. (7 а)

Очевидно, что при двигательном режиме 1 > s > 0.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля п 1 то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора, т. е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим (рисунок 9, а). При этом изменит свое направление и электромагнитный момент М, который станет тормозящим. В генераторном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую и отдает в сеть, при этом s < 0.

Рисунок 9 - Электромагнитная схема асинхронной машины, направления токов и электромагнитного момента при работе ее в режимах

Если изменить направление вращения ротора (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях (рисунок 8,б), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т. е. машина будет получать из сети активную мощность. Электромагнитная схема асинхронной машины, направления токов и электромагнитного момента при работе ее в режимах: режиме электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, т. е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины называют режимом электромагнитного торможения. Так как ротор вращается в обратном направлении (относительно направления магнитного поля), то n2 < 0, a s > 1.

Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, т. е. неравенство частот вращения n1 и п 2. Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возникает электромагнитный момент. Поэтому машину называют асинхронной (ее ротор вращается несинхронно с полем).

Список литературы

1. Кацман М.И. Электрические машины: Учебник для студентов средн. проф. учебных заведений. - 3-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2000. - 463 с.

2. Копылов И.П. Электрические машины. Издание третье, исправленное. - М.: Высш.шк., 2002 - 607 с.

3. Поисковая система Google.

Размещено на Allbest.ru