Конспект лекцій з навчальної дисципліни "спеціальні електричні машини" для студентів денної форми навчання зі спеціальності



Сторінка4/8
Дата конвертації03.12.2016
Розмір2.43 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8

Асинхронний конденсаторний двигун (рис. 2.20) має на статорі дві обмотки, які обидві є робітниками, і в одну із цих обмоток включається ємність Ср, значення якої розраховується так, що при номінальному навантаженні існує тільки обертове поле прямої послідовності. Обидві обмотки при цьому мають фазні зони по 90° ел. і зрушені відносно один одного в просторі також на 90° ел. Потужність обох обмоток при Р=Рн також однакова, але їхнього числа витків, струми і напруги різні. Конденсаторний двигун, по суті, являє собою двофазний двигун, що підключений за допомогою конденсатора Ср до однофазної мережі і при Р=Рн має симетричне навантаження фаз. При інших навантаженнях симетрія н.с. фаз порушується і з'являється також зворотне поле, тому що при різних навантаженнях значення ємності, необхідні для досягнення симетричного навантаження, також різні.

Ємність Ср, підібрана по робочому режимі, недостатня для одержання високого пускового моменту (рис, 2.18, в). Тому в необхідних випадках паралельно Ср на час пуску включається додаткова, пускова ємність Сп (рис. 2.18, г).

Використання матеріалів у конденсаторному двигуні і його к.к.д. значно вище, ніж в однофазних двигунах з пусковою обмоткою, і майже такі ж, як у трифазних двигунів. Коефіцієнт потужності конденсаторного двигуна через наявність конденсатора вище, ніж у трифазних двигунів рівної потужності.

Двигуни з пусковим активним опором застосовуються в пральних і холодильних машинах, доїльних апаратах, машинах для стрижки овець, центрифугах, для привода малих верстатів і т.п. Двигуни з конденсаторним пуском використаються при підвищених вимогах до пускового моменту (установки для кондиціонування повітря, компресори і ін.).



Рис. 2.20. Схема асинхронного конденсаторного двигуна (а) і його векторна діаграма при коловому полі (б)

Робоча ємність конденсаторного двигуна визначається з наступних умов (рис. 2.20).

Коефіцієнтом трансформації k називається відношення числа витків конденсаторної (b) і неконденсаторної (а) обмоток:



(2.48)

При чисто круговому полі напруги фаз зрушені по фазі на 90° й



(2.49)

або


(2.50)

а н.с. обмотки



(2.51)

і струми Ib, Ia також зрушені по фазі на 90°.

Перемноживши ліві і праві частини рівностей () і (), одержимо

(2.52)

тобто повні потужності обмоток при коловому полі рівні і

(2.53)

Тому що напруги фаз, так само як і струми, зрушені по фазі на 90°, то кути зрушення фаз між напругою і струмом кожної обмотки при коловому полі рівні:



, (2.54)

у результаті чого рівні також активні потужності фаз обмотки.

Крім того (рис. 2.20, а),

(2.55)

і зрушення фаз між Ib і напругою конденсатора становить 90°. Згідно із цими умовами побудована векторна діаграма (рис. 2.20, б). Неважко встановити, що зображені на ній трикутники струмів і напруг подібні і мають кути, рівні φоб

На підставі рис. 2.20, б напруга на конденсаторі

. (2.56)

Необхідна для одержання кругового поля ємність визначається співвідношенням



(2.57)

звідки


(2.58)

Потужність конденсатора



(2.59)

З іншого боку, повна потужність двигуна, споживана з мережі,



(2.60)

Звідси видно, що потужність конденсатора повинна бути дорівнює повної потужності двигуна при коловому полі. Таким чином, потужність конденсатора досить велика.



Двигун з екранованими полюсами (рис. 2.21, а) має на статорі явно виражені полюси з однофазною обмоткою О и ротор з обмоткою у вигляді білячої клітки. Частина наконечника кожного полюса охоплена (екранована) короткозамкненим витком К. Струм статора I1 створює в неекранованій і екранованій частинах полюса пульсуючі потоки Ф’1 і Ф”1 (рис. 2.21, б). Потік Ф”1 індуктуе у короткозамкненому витку е.р.с. Јдо, що відстає від Ф”1 на 90°. Короткозамкнений виток має певне активне і індуктивне опори, і його струм Iк відстає від е.р.с. Ek на кут φдо<90°. Струм Iк створює потік Фк, і результуючий потік екранованої частини полюса

Фэ = Ф1 + Фк (2.61)

зсунут по фазі щодо потоку неекранованої частини полюса Ф’1 на деякий кут ψ. Тому що потоки Ф’1 і Фэ також зрушені в просторі, то виникає обертове поле. Це поле не колове, а еліптичне, тобто містить також складову зворотної послідовності, тому що потоки Ф’1 і Фэ не рівні за значенням і зрушені в просторі і у часі на недостатньо більші кути. Проте, при пуску створюється обертаючий момент Мі = (0,2-0,5) /Мн.



Рис. 2.21. Пристрій (а) і його векторна діаграма потоків статора (б) однофазного асинхронного двигуна з екранованими полюсами

Магнітне поле найпростішого екранованого двигуна містить значну третю просторову гармоніку, що викликає великий провал кривої моменту. Для поліпшення форми поля застосовують наступні міри: між наконечниками сусідніх полюсів встановлюють магнітні шунти Ш (рис. 2.21, а) з листової сталі, збільшують зазор під неекранованою частиною полюса, на кожному полюсі поміщають два-три короткозамкнених витка різної ширини.

Внаслідок більших втрат у короткозамкненому витку двигун має низький к.к.д. (до 25-40%). Екрановані двигуни найпростішої конструкції будуються на потужності від часток вата до 20-30 Вт, а при вдосконаленій конструкції - до 300 Вт. Сфера застосування цих двигунів - настільні та інші вентилятори, програвачі, магнітофони і ін.


2.8 Асинхронні мікро машини автоматичних пристроїв

Асинхронні виконавчі двигуни широко застосовуються в системах автоматичного керування. Вони являють собою асинхронні двигуни невеликої потужності (0,1—300 Вт) із двофазною обмоткою статора і короткозамкненим ротором (рис. 2.22). Одна з обмоток статора називається обмоткою збудження (В) і перебуває під постійною напругою Uв, а друга називається обмоткою керування (В) і живиться напругою Uy, значення (рис. 2.22, а і б) або фаза (рис. 2.22, в) якого змінюються під впливом керуючого сигналу. У першому випадку керування називається амплітудним, а в другому — фазовим. В обох випадках напруги Uв і Uy зрушені по фазі, у результаті чого двигун здатний розвивати обертаючий момент.

Рис. 2.22. Схеми включення асинхронних виконавчих двигунів

Звичайно до виконавчих двигунів пред'являються наступні вимоги: 1) відсутність самоходу, тобто необхідність самогальмування і зупинки двигуна при знятті напруги керування Uy; 2) усталена робота у всьому діапазоні швидкостей обертання; 3) зміна швидкості обертання в широкому діапазоні при зміні значення або фази напруги керування; 4) близькі до лінійних механічні (М = f(n) при Uy = const) і регулювальні (n=f(Uy) при М=const) характеристики; 5) великий пусковий момент; 6) мала потужність керування; 7) швидкодія; 8) надійність у роботі; 9) малі габарити і маса.

Рис. 2.23. Криві обертаючих моментів асинхронного виконавчого двигуна при Uy=0



Рис. 2.24. Вид механічних (а) і регулювальних (б) характеристик асинхронного виконавчого двигуна при амплітудному виконанні

Виконавчі двигуни будуються з таким розрахунком, що колове обертове поле в них виникає тільки при пуску. Це сприяє одержанню великого пускового моменту. Відсутність самоходу, усталена робота і лінійність характеристик досягаються вибором активного опору ротора настільки більшим, що критичне ковзання sm=3-4. При цих умовах криві моментів прямої послідовності М и зворотної послідовності М2 мають вигляд, зображений на рис. 2.23. З малюнка видно, що при знятті напруги керування, коли струми прямій і зворотної послідовності рівні, що регулюють момент М=М12 у робочому діапазоні ковзань (0y=0 ротор виконавчого двигуна, на відміну від нормального двигуна при роботі в однофазному режимі, зупиняється. Разом з тим, збільшення опору ротора виконавчого двигуна приводить до зниження його номінальної потужності при тих же габаритах у два-три рази.

Вид механічних і регулювальних характеристик асинхронних виконавчих двигунів при амплітудному керуванні показаний на мал.2.24.



Рис. 2.25. Пристрій асинхронного виконавчого двигуна з повним немагнітним ротором

Асинхронні виконавчі двигуни мають наступні різновиди конструкції ротора: 1) з обмоткою у вигляді білячої клітки, 2) порожній немагнітний ротор і 3) порожній феромагнітний ротор. Двигун з порожнім немагнітним ротором (рис. 2.25) має зовнішній і внутрішній статори з листової електротехнічної сталі, між якими обертається тонкостінний (0,2-1,0 мм) ротор з алюмінієвого сплаву, що має форму склянки. Двофазна обмотка звичайно розташовується на зовнішньому статорі. Двигун з порожнім феромагнітним ротором не має внутрішнього статора, тому що роль магнітопровода виконує сам ротор. Для поліпшення технічних показників двигуна іноді зовнішню циліндричну поверхню феромагнітного ротора або його днища (торцеві пробки) покривають міддю.

Двигуни з порожнім немагнітним ротором мають малу механічну інерцію і тому мають більшу швидкодію. Однак немагнітний зазор магнітного ланцюга (між зовнішнім і внутрішнім статорами) у них виходить більшим (0,5-1,5 мм), що приводить до зменшення к.к.д. і коефіцієнта потужності і до збільшення габаритів і маси. Через останні два факторів у ряді випадків перевага цих двигунів у швидкодії губиться. Ці двигуни також менш надійні в роботі, чим двигуни з білячою кліткою.

Двигуни з порожнім феромагнітним ротором мають досить великий активний опір ротора, і тому їх к.к.д. ще нижче, ніж у двигунів з порожнім немагнітним ротором.

Найбільше часто застосовуються двигуни з білячою кліткою і порожнім немагнітним ротором. Виконавчі двигуни виготовляються на номінальні частоти 50-1000 Гц.

У деяких системах автоматичного керування використаються керовані двигуни, ротори яких не обертаються, а лише повертаються в межах деякого невеликого кута. Вплив цих двигунів на керований об'єкт залежить від моменту, що розвиває ними обертаючого, і такі двигуни називаються моментними. Значення їхнього моменту також залежить від напруги обмотки керування.

Асинхронні тахогенератори. Тахогенератори змінного струму можна виконати у вигляді невеликих синхронних генераторів, е.р.с. яких при постійному потоці порушення пропорційна швидкості обертання. Однак такі тахогенератори мають змінну частоту, що є їхнім істотним недоліком. У зв'язку із цим застосовуються асинхронні тахогенератори (рис. 2.26), пристрій яких цілком аналогічно пристрою виконавчого двигуна з порожнім ротором.



Рис. 2.26. Схема (а) асинхронного тахогенератора і розподіл у роторі струмів трансформації (б) і обертання (в)

Обмотка збудження В тахогенератора живиться від мережі змінного струму з f=const і створює пульсуючий потік Фв. При нерухомому роторі (рис. 2.26, б) цей потік індуктуе у роторі е.р.с. трансформації, у результаті чого в роторі виникають струми, які створюють магнітний потік, що діє по осі обмотки збудження. Цей потік із сигнальною обмоткою С не зчіплюється, тому що ця обмотка зрушена щодо обмотки В на 90°. Тому при n=0 напруга сигнальної обмотки Uc=0. При обертанні ротора в ньому індуктуеться також е.р.с. обертання, у результаті чого в роторі виникає інша система струмів (рис. 2.26, в), що створює потік Фс, що зчіплюється із сигнальною обмоткою. Цей потік пульсує із частотою струму порушення, значення його пропорційно n, і в обмотці С індуктуеться е.р.с. Ес ~ n. До цієї обмотки приєднується навантаження у вигляді вимірювального приладу або елемента системи автоматичного регулювання.
2.9 Обертові трансформатори

Обертові, або поворотні, трансформатори застосовуються в автоматичних і лічильно-вирішальних пристроях для одержання напруг змінного струму, пропорційних синусу і косинусу кута повороту а ротора трансформатора або пропорційних самому куту повороту.

По своїй конструкції обертовий трансформатор подібний до асинхронного двигуна з фазним ротором і має на статорі і роторі симетричні двофазні обмотки зі зрушенням у просторі на 90° ел. (мал.2.27). Кінці обмотки ротора виводяться назовні за допомогою щіток або при обмеженому куті повороту також за допомогою гнучких провідників.

Внаслідок зрушення обмотки на 90° ел. взаємна індуктивність між фазами обмотки статора, як і між фазами обмотки ротора, дорівнює нулю. У той же час взаємна індуктивність між фазами обмоток статора і ротора повинна з можливо більшою точністю мінятися залежно від кута α за синусоїдальним законом. Для цього прагнуть до того, щоб форми кривих магнітних полів обмоток були по можливості ближче до синусоїдального і е.р.с., індуктуемі вищими просторовими гармоніками поля, були мінімальні. Тверді вимоги пред'являються до точності виготовлення і якості магнітопровода. Нерідко застосовуються синусні обмотки. У ряді випадків максимальна погрішність відтворення функцій sin α і cos α не перевищує 0,02 - 0,03%.



Рис. 2.27. Схема з'єднань синусно-косинусного обертового трансформатора



Рис. 2.28. Схема з'єднань лінійного обертового трансформатора

Обмотка статора 1с (рис. 2.28) є обмоткою збудження і підключається до мережі змінного струму зі стабілізованою напругою. Потік збудження, створюваний цією обмоткою, індуктуе в обмотці ротора 1р е.р.с., пропорційну sin α, a в обмотці 2р е.р.с., пропорційну cos α. При підключенні до однієї або обох обмоткам ротора навантаження в них виникають струми, що створюють у машині вторинне магнітне поле. Індуктуємі цим полем е.р.с. можуть спотворити синусну і косинусную залежності вторинних напруг від кута повороту. Щоб уникнути цього необхідно мати в ланцюгах вторинних обмоток рівні опори навантаження Zнг.p2=Zнг.pl або замкнути вторинну обмотку статора 2с на опір Zк.с., значення якого дорівнює внутрішньому опору джерела живлення обмотки 1с. В обмотці 2із при цьому індуктуеться струм, що компенсує вторинний магнітний потік, що діє перпендикулярно осі обмотки збудження. Зазначені заходи називаються відповідно до вторинних і первинним симетруванням обертового трансформатора.

Схеми для одержання на опорі навантаження Zнr напруги, що змінюється лінійно у функції кута повороту ротора, зображені на рис. 2.28. При відповідному підборі значень опорів Zк.с. або Zк.p лінійна залежність цієї напруги досягається в межах 0<α<60.

Обертові трансформатори застосовуються також для визначення (за значеннями напруг вторинних обмоток) гіпотенузи прямокутного трикутника по заданих його катетах або для визначення одного катета по заданим гіпотенузі і іншому катеті. Аналогічно перебуває також значення деякого вектора по його складової і навпаки. Вихідні напруги трансформатора подаються на вхідні елементи системи автоматичного регулювання.

Останнім часом виготовляються також обертові трансформатори із друкованими обмотками, розташованими на дископодібних або циліндричних поверхнях статора або ротора. Такі обмотки, виконувані подібно друкованим радіомонтажним схемам, дозволяють уникнути погрішностей, пов'язаних із зубчастою будовою статора і ротора звичайного обертового трансформатора.


2.10 Однофазні сельсини

Сельсини (скорочення, що вийши від англійського слова selfsynchronizing - що самосинхронізується) застосовуються найчастіше для синхронного повороту або обертання двох або декількох осей, не зв'язаних один з одним механічно, а також для деяких інших цілей.



Рис. 2.29. Схема включення однофазних сельсинів при індикаторному режимі роботи

Однофазні сельсини звичайно мають наступний пристрій (рис. 2.29). На явновиражених полюсах статора розташована зосереджена обмотка збудження В, а в пазах циліндричного ротора — три розподілені обмотки синхронізації З, які зрушені відносно один одного в просторі на 120° ел. і цілком аналогічні трифазній обмотці нормальної машини змінного струму. Обмотки ротора з'єднуються із зовнішніми ланцюгами за допомогою контактних кілець і щіток. Сердечники статора і ротора зібрані з листової електротехнічної сталі.

Розглянемо роботу однофазних сельсинів.

В індикаторному режимі роботи (рис. 2.29) один сельсин-датчик Д управляє роботою одного або декількох сельсинів-приймачів П. Обмотки збудження В цих сельсинів включаються в загальну мережу, а обмотки синхронізації Із з'єднуються один з одним, як показано на рис. 2.29. Пульсуюче поле збудження індуктується е.р.с. в «фазах» обмоток синхронізації. Якщо кути повороту відповідних фаз датчика βд і приймача βп стосовно вісі полюсів однакові (βд = βп), то е.р.с. з'єднаних один з одним «фаз» обмоток синхронізації також однакові:

Eад = Eап; Ebд = Ebп; Ecд = Ecп; (2.62)

і спрямовані зустрічно. При цьому в обмотках синхронізації не виникає ніяких струмів і електромагнітні моменти сельсинів дорівнюють нулю. Якщо ж ротори сельсинів будуть займати неоднакове положення і тому так званий кут неузгодженості



β=βд = βп (2.63)

буде не дорівнює нулю, то зазначені вище рівності е.р.с. порушаться, в обмотках синхронізації виникнуть струми і на ротори сельсинів будуть діяти електромагнітні моменти Мд і Мп. Більше докладний аналіз цього питання показує, що моменти датчика і приймача мають різні знаки, і обоє діють у напрямку зменшення кута неузгодженості β. Якби момент опору на валу сельсина-приймача був дорівнює нулю, те β = 0 і ротор цього сельсина в точності відтворював би рух ротора сельсина-датчика, притім не тільки в режимі повільного повороту ротора, але і при його обертанні з певною швидкістю. У дійсності на ротор сельсина-приймача діють певні, хоча і невеликі гальмові моменти. Це моменти від тертя в підшипниках, на контактних кільцях і об повітря в сельсині, а також невеликий момент опору механізму, з'єднаного з валом сельсина-приймача (стрілка або шкала вказівного приладу — індикатора, движок невеликого реостата і ін.). Тому завжди існує невелика помилка в передачі кута. Деяка помилка виникає також у результаті різних неточностей у виготовленні сельсинів, зубчастої будови їхнього ротора і т.п. Сельсини різних класів точності мають максимально припустимі значення кутів неузгодженості (помилок) у межах 0,25—2,5°. Максимальний момент сельсинів-приймачів звичайно перебуває в межах (2-20)• 10-2 Н• м (200—2000 гс•см).

Використовуються також інші схеми включення і режими роботи сельсинів.

Рис. 2.30. Пристрій безконтактного сельсина



Безконтактні сельсини (рис. 2.30), запропоновані А. Г. Іосіфьяном і А. Б. Свечарником в 1938 р., мають переваги, що відсутність ковзних щіткових контактів збільшує надійність роботи сельсинів і зменшує їхньої погрішності через зменшення втрат на тертя. У таких сельсинах обидві обмотки розміщаються на статорі 1, а ротор 3 не має обмоток. Обмотки синхронізації 5 цього сельсина розташовуються на статорі, що по своїй конструкції аналогічний статору асинхронного двигуна. Обмотка збудження 2 має вигляд кільцевих коаксіальних котушок, що охоплюють ротор. Особливістю пристрою ротора є те, що він має немагнітну частину 4, завдяки чому полюси ротора в магнітному відношенні розділений і потік Ф направляється з одного полюса ротора через нерухомий зовнішній магнітопровід 6 в інший полюс ротора і через ротор у статор. У результаті цього при нерухомій обмотці збудження вдається одержати в повітряному зазорі між ротором і статором магнітне поле такого ж виду, як і у звичайному сельсині.

Безконтактні сельсини одержали значне поширення, однак їхніми недоліками є: 1) ускладнення конструкції, 2) подвоєна величина повітряних зазорів у магнітному ланцюзі, 3) підвищені розміри і маса.

Сельсини також виготовляються для роботи при f=50-1000 Гц.

3. Різновиди трансформаторів

3.1 Трьох обмотувальні трансформатори

Широке застосування в енергетику знайшли трьох обмотувальні трансформатори (рис. 3.1), у яких є одна первинна і дві вторинні обмотки. Такі трансформатори використаються на електричних станціях і підстанціях для живлення розподільних мереж з різними номінальними напругами і дозволяють досягти економії в капітальних витратах за рахунок установки меншого числа трансформаторів.



Рис. 3.1. Трьох обмотувальний трансформатор



Рис. 3.2. Спрощена схема заміщення трьох обмотувального трансформатора

Будемо вважати, що обмотки 2 і 3 наведені до числа витків обмотки 1, для чого уведені коефіцієнти приведення, або трансформації:

(3.1)

Схема заміщення трьохобмотувального трансформатора на відміну від схеми заміщення двообмотувального трансформатора буде мати два вторинні ланцюги. У потужних трьох обмотувальних силових трансформаторів струм, що намагнічує, малий і їм можна зневажити. Схема заміщення таких трансформаторів показана на рис. 3.2. З малюнка видно, що зміна навантаження однієї вторинної обмотки впливає на напругу іншої вторинної обмотки, тому що при цьому змінюється спадання напруги первинної обмотки ;

Векторні діаграми трьохобмотувального трансформатора можна скласти на основі схеми заміщення рис. 3.2, вони мають вигляд, показаний на рис. 3.3.

Параметри схеми заміщення рис. 3.2 можна визначити розрахунковим шляхом або з даних трьох дослідів короткого замикання трьохобмотувального трансформатора (рис. 3.4). За дослідним значенням опорів короткого замикання.



; (3.2)

; (3.3)

(3.4)

можна знайти



(3.5)

(3.6)

(3.7)

По аналогічних формулах через активні і індуктивні складові , , виражаються також , , і , , .

Дані досвіду короткого замикання між обмотками 2 і 3 повинні бути наведені до первинної обмотки з коефіцієнтом приведення

.

Рис. 3.3. Векторна діаграма трьох обмотувального трансформатора

У досвідах короткого замикання визначаються також напруги короткого замикання , , значення яких у відносних одиницях дорівнюють відповідним опорам короткого замикання. Слід зазначити, що індуктивний опір розсіювання обмотки, розташованої між двома іншими, близько до нуля або має невелике негативне значення, що формально еквівалентно ємнісному опору. Можливість появи негативних індуктивних опорів розсіювання пов'язана з тим, що, відповідно до співвідношень, для двообмувальних трансформаторів вони визначаються різницею двох (у більше загальному випадку - декількох) величин і ця різниця може виявитися негативною.

Потужності обмоток трьохобмотувального трансформатора



; ; (3.8)

якщо обмотка 1 є первинної, перебувають у співвідношенні



, (3.9)

тому що коефіцієнти потужності і звичайно різні, струми і зрушені по фазі і тому .



Рис. 3.4. Схема досвідів короткого замикання трьох обмотувального трансформатора

Практикується виготовлення трьохобмотувального трансформаторів з наступними варіантами співвідношення номінальних потужностей трьох обмоток:

1) 100%, 100%, 100;

2) 100%, 100%, 67%;

3) 100%, 67%, 100%;

4) 100%, 67%, 67%.

Рис. 3.5. Трьох обмотувальний трансформатор із двома первинними обмотками

Напруги короткого замикання , , визначаються при струмах, які відповідають номінальній потужності найбільш потужної (первинної) обмотки.

Трифазні трансформатори виконуються із групами з'єднань або , а однофазні - із групою з'єднань I/I/I-0-0.


1   2   3   4   5   6   7   8


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка