Лекция №15

Генераторное торможение. Скорость вращения ротора превышает скорость идеального холостого хода (скорость вращения поля). Ротор будет обгонять вращающееся магнитное поле, а его проводники будут пересекать линии поля в направлении обратном направлению в режиме двигателя, поэтому ЭДС и токи в обмотке ротора изменят своё направление на противоположенное. В результате сила взаимодействия вращающегося поля и токов ротора изменит своё направление и станет противодействовать вращению ротора. Такая ситуация может возникнуть у работающего многоскоростного двигателя при переключении числа пар полюсов с высшей скорости на низшую. Например, обмотку статора переключили с частотой на . Магнитное поле станет сразу вращаться с новой синхронной скоростью , а ротор в силу механической инерции будет постепенно снижать скорость до 1500 . Кинетическая энергия движущихся частей будет преобразовываться в электрическую и возвращаться в сеть.

Торможение противовключением. Этого добиваются переключением двух фаз обмотки статора у работающего двигателя. При этом магнитное поле машины мгновенно изменяет направление вращения, а ротор по инерции продолжает вращаться в первоначальном положении.

До начала торможения двигатель работает в режиме , (точка на характеристике 1). После переключения обмотки статора работа двигателя определяется характеристикой 2 (обратное направление вращения поля). Точка определяет начальный режим работы двигателя при торможении. Под действием тормозного момента двигатель останавливается (участок . При двигатель следует отключить от сети, в противном случае, под действием развиваемого момента, ротор начнёт вращаться в обратном направлении. Такой способ применяется при необходимости быстрой остановки машин. А недостатком этого способа является повышенное потребление из сети и нагрев обмоток двигателя.

Синхронные машины.

Принцип действия синхронного генератора.

Это упрощённая модель. Синхронные генераторы преобразуют механическую энергию первичных двигателей в электрическую энергию трёхфазного тока. Основными частями являются:

1. Система возбуждения, создающая основной магнитный поток.

2. Якорь или статор, в обмотке которого индуцируется ЭДС.

Неподвижная часть (якорь или статор) представляет собой полый шихтованный цилиндр с продольными пазами на внутренней поверхности. В пазах расположена обмотка статора. Внутри полости сердечника статора расположен ротор или система возбуждения. В данном случае это постоянный магнит, закреплённый на валу, который механически связан с первичным двигателем. Под действием вращающего момента первичного двигателя ротор вращается с частотой . В соответствии с явлением электромагнитной индукции в обмотке статора наводится ЭДС. И если обмотка статора замкнута на нагрузку , то по цепи обмотки потечёт ток . Этот ток, также как наведённая ЭДС, будет переменным, так как магнитное поле при вращении магнита также вращается. Проводник обмотки статора оказывается то в зоне южного () магнитного полюса, то в зоне северного () магнитного полюса. Мгновенное значение ЭДС в обмотке статора равно , где - ЭДС в обмотке статора, ; - магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсом ротора, ; - активная длина одной пазовой стороны обмотки статора; - скорость движения полюсов ротора относительно статора, ; - внутренний диаметр сердечника статора, .

Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора закон изменения переменной ЭДС в обмотке статора определяется исключительно законом распределения магнитной индукции в воздушном зазоре.

Если бы этот закон изменения магнитной индукции в зазоре был синусоидальным, то есть , то ЭДС генератора была бы также синусоидальной.

Однако, если магнит имеет форму представленную на рисунке слева, и воздушный зазор постоянный между ротором и статором, то закон изменения магнитной индукции в воздушном зазоре имеет трапециидальный вид, а следователь и ЭДС также изменяется по трапециидальному закону. Что бы получить синусоидальное распределение магнитной индукции в зазоре необходимо применить магнит с полюсами определённой формы – ротор с явно выраженными полюсами (рисунок справа). Полюсные наконечники имеют форму, при которой воздушный зазор увеличивается от середины полюса к краям, а магнитная индукция (плотность магнитных линий) уменьшается. В результате ЭДС близка к синусоидальной. Только в генераторах малой мощности применяют постоянный магниты, а в большинстве генераторах применяют электромагниты. Они питаются от вспомогательного источника постоянного тока. Обмотку электромагнитов называют обмоткой возбуждения. В связи с этим появляется второй способ получения синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Необходимо соответствующим образом поместить обмотку возбуждения в пазах ротора. Магнитные потоки катушек должны иметь общую ось и неодинаковые размеры катушек. Концы обмотки возбуждения присоединены к двум изолированным от вала кольцам (контактные кольца). Ток в обмотку возбуждения подаётся через щётки, наложенные на кольца. Обычно обмотка ротора питается от возбудителя (генератора постоянного тока), находящегося на одном валу с ротором. Мощность возбудителя обычно составляет от одного до трёх процентов от номинальной мощности генератора.

Итак, первичный двигатель приводит во вращение ротор с частотой , магнитное поле ротора также вращается с частотой и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС. Они одинаковые по значению (по модулю) и сдвинуты по фазе на , то есть образуют симметричную трехфазную систему ЭДС, и, при подключении нагрузки, в фазах обмотки статора текут токи, при этом обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле. Частота его вращения равна частоте вращения ротора, то есть . Таким образом, поле статора и ротор вращаются синхронно. Поэтому такой тип машин называется синхронным. На тепловых электростанциях применяют главным образом двухполюсные турбогенераторы с скоростью вращения , при этом . Таким образом частота получаемого переменного тока 50 герц – стандартная промышленная частота. У гидравлических турбин скорость изменяется от до . В этом случае для получения переменного тока стандартной частоты 50 герц тихоходные генераторы выполняют многополюсными: .

Роторы с неявновыраженными полюсами применяют в быстроходных паротурбинных генераторах, когда окружная скорость ротора может достигать . При этих скоростях нельзя применять роторы с явновыраженными полюсами по условию механической прочности.

Синхронный двигатель.

Электрическая машина может преобразовывать механическую энергию в электрическую, то есть работать в качестве генератора, или наоборот может преобразовывать электрическую энергию в механическую, то есть работать в качестве двигателя. Это свойства машин называется обратимостью.

Принцип работы синхронного двигателя. Большинство синхронных двигателей изготавливают на скорости вращения 1500, 1000, 750, 600 и менее. У этих двигателей ротор выполняется с явновыраженными полюсами и обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока. Трёхфазная обмотка статора, как и у асинхронного двигателя, присоединяется у питающей сети переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора на модели представлено в виде полюсов и постоянного магнита, которые вращаются с синхронной скоростью . Ротор также изображён в виде постоянного магнита с полюсами и . Внешняя и внутренняя система разделены воздушным зазором и могут вращаться вокруг оси. Если обмотку возбуждения двигателя присоединить к источнику постоянного тока, а обмотку статора подключить к трёхфазной сети, то магнитное поле статора начнёт вращаться с синхронной скоростью вокруг неподвижного ротора, причём эта скорость устанавливается практически мгновенно. Допустим, если , то это значит, что в течении одной секунды мимо каждого полюса ротора будет проходить раз полюс и полюс вращающегося поля статора. Таким образом, на ротор будут действовать силы направленные то в одну, то в другую сторону. А среднее значение момента сил будет равно нулю. В результате ротор, который обладает определённым моментом инерции, не сдвинется с места. Если каким либо способом предварительно разогнать ротор до синхронной скорости, то силы взаимодействия полюсов ротора и с полюсами и вращающегося поля статора обеспечат вращение ротора с скоростью поля .