в чем разница между генератором и электродвигателем
Генератор и двигатель — чем они отличаются
Все электрические машины функционируют в соответствии с законом электромагнитной индукции, а также с законом взаимодействия проводника с током и магнитного поля.
Электрические машины по типу питания подразделяются на машины постоянного и переменного тока. Постоянный ток создается за счет источников бесперебойного питания. Для машин постоянного тока характерно свойство обратимости. Это означает, что они способны работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Данное обстоятельство можно объяснить с точки зрения аналогичных явлений в работе обеих машин. Более детально конструктивные особенности двигателя и генератора рассмотрим далее.
Двигатель
Двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую. В промышленном производстве двигатели применяются в качестве приводов на станках и прочих механизмах, являющихся частью технологических процессов. Также двигатели используются в бытовых приборах, к примеру, в стиральной машине.
Электродвигатель постоянного тока
При нахождении в магнитном поле проводника в виде замкнутой рамки, силы, которые приложены к рамке, приведут данный проводник к вращению. В таком случае, речь будет идти о простейшем двигателе.
Как было указано ранее, работа двигателя постоянного тока осуществляется от источников бесперебойного питания, к примеру, от аккумуляторной батареи, блока питания. У двигателя имеется обмотка возбуждения. В зависимости от ее подключения, различают двигатели с независимым и самовозбуждением, которое, в свою очередь, может быть последовательным, параллельным и смешанным.
Подключение двигателя переменного тока производится от электрической сети. Исходя из принципа работы, двигатели подразделяются на синхронные и асинхронные.
Главным отличием синхронного двигателя является наличие обмотки на вращающемся роторе, а также имеющийся щеточный механизм, служащий для подведения тока на обмотки. Вращение ротора осуществляется синхронно вращению магнитного поля статора. Отсюда двигатель имеет такое название.
В асинхронном двигателе важным условием является то, что вращение ротора должно быть медленнее вращения магнитного поля. При несоблюдении данного требования наведение электродвижущей силы и возникновение электротока в роторе оказывается невозможным.
Асинхронные двигатели применяются чаще, однако у них имеется один значительный недостаток – без изменения частоты тока невозможно регулирование скорости вращения вала. Данное условие не позволяет достичь вращения с постоянной частотой. Также значительным недостатком является ограничение по максимальной скорости вращения (3000 об./мин.).
Генератор
Проводник, перемещаясь между двумя магнитными полюсами, способствует возникновению электродвижущей силы. Когда проводник замыкают, то при воздействии электродвижущей силы в нем возникает ток. На данном явлении основывается действие электрического генератора.
Генератор переменного тока
Генератор способен вырабатывать электрическую энергию из тепловой или химической энергии. Однако наиболее широкое распространение получили генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую.
Основные составные элементы генератора постоянного тока:
Генераторы постоянного тока используются не так часто. Основные сферы их применения: электрический транспорт, сварочные инверторы, а также ветроустановки.
Генератор постоянного тока
Генератор переменного тока имеет схожую конструкцию с генератором постоянного тока, но отличается строением коллекторного узла и обмотками на роторе.
Схема генератора переменного тока
Так же как и в случае с двигателями, генераторы могут быть синхронными и асинхронными. Разница между данными генераторами заключается в строении ротора. У синхронного генератора катушки индуктивности расположены на роторе, а у асинхронного генератора для расположения обмотки на валу имеются специальные пазы.
Чем отличается генератор от двигателя?
Подводя итог, важно отметить, что функционирование двигателей и генераторов основано на общем принципе электромагнитной индукции. Конструкция данных электрических машин аналогична, однако имеется различие в конфигурации ротора.
Главным же отличием является функциональное назначение генератора и двигателя: двигатель вырабатывает механическую энергию, потребляя электрическую, а генератор наоборот вырабатывает электрическую энергию, потребляя механическую, либо другой вид энергии.
ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ, машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.
Все электрические машины вращательного типа делятся на машины постоянного и переменного тока.
ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Теория.
На рис. 1,а показан виток провода abcd, вращающийся по часовой стрелке вокруг оси 00 ў в магнитном поле между северным (N) и южным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной наведенной ЭДС показано стрелками ab и cd; величина и знак ЭДС для положений 1, 2, 3 и 4 приведены на графике рис. 1,б. Когда плоскость витка перпендикулярна полю (положения 1 и 3), ЭДС равна нулю; когда же плоскость витка параллельна полю (положения 2 и 4), ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС в боковых частях витка (скажем, ab), когда они проходят мимо северного полюса, противоположно ее направлению при прохождении мимо южного полюса. Поэтому ЭДС меняет знак через каждую половину оборота в точках 1 и 3, так что в витке генерируется переменная ЭДС и, стало быть, течет переменный ток. Если предусмотреть в конструкции токособирательные (контактные) кольца, то переменный ток пойдет во внешнюю цепь.
Конструкция.
Генератор постоянного тока должен давать ток, который всегда течет в одном направлении. Для этого нужно переключать контакты внешней цепи в тот момент, когда ЭДС падает до нуля, прежде чем она начнет нарастать в другом направлении. Это делается с помощью коллектора, схематически изображенного на рис. 1,в. В показанном простейшем случае он представляет собой кольцо, разрезанное на две части по диаметру. Один конец витка присоединен к одному из полуколец, другой – к другому. Щетки расположены так, что они перекрывают зазоры между полукольцами, когда плоскость витка перпендикулярна магнитному полю (в положениях 1 и 3) и ЭДС равна нулю. Как явствует из рисунка, каждый раз, когда ЭДС меняет знак, переключаются концы внешней цепи, так что ток в ней течет всегда в одном направлении (рис. 1,г). Если к витку, показанному на рис. 1,в, добавить еще один, перпендикулярный ему, то его ЭДС будет соответствовать кривой bb, сдвинутой относительно первоначальной на 90 ° (рис. 2). Полная ЭДС будет соответствовать сумме двух кривых, т.е. значительно более гладкой кривой e. На практике используется большое число витков и коллекторных сегментов (рис. 3), так что пульсации ЭДС незаметны.
Генератор с параллельным возбуждением.
Многие генераторы сами создают магнитное поле возбуждения (работают в режиме самовозбуждения). В генераторе с параллельным возбуждением, схема которого представлена на рис. 4, цепь возбуждения присоединена к зажимам якоря, причем предусмотрен последовательный реостат для изменения тока и, следовательно, напряжения генератора. Обмотка возбуждения состоит из большого числа витков сравнительно тонкой проволоки, так что ее сопротивление велико и ток возбуждения обычно не превышает 0,5–3% номинального выходного тока генератора. Генератор развивает свое напряжение от нуля за счет небольшого остаточного магнетизма в железной магнитной цепи. Якорь пересекает это слабое поле, и в обмотке возбуждения появляется слабый ток. Его направление таково, что создаваемое им слабое поле возбуждения добавляется к остаточному полю. В результате начинает увеличиваться наводимая ЭДС, снова увеличивается ток возбуждения, а с ним и магнитное поле. ЭДС начинает быстро нарастать, и ее рост ограничивается только реостатом в цепи возбуждения и магнитным насыщением железа.
Генератор со смешанным возбуждением.
При подключении нагрузки к генератору с параллельным возбуждением напряжение на его зажимах падает, в частности, из-за того, что нагрузка отбирает часть тока возбуждения. Такое понижение нежелательно по многим соображениям: это может приводить, например, к изменению яркости осветительных ламп и пр. Его можно исключить, добавив еще одну обмотку возбуждения, соединенную последовательно либо с нагрузкой (короткий шунт), либо с якорем (длинный шунт), как показано на рис. 5. Тогда ток нагрузки будет проходить через последовательную обмотку возбуждения и увеличивать магнитное поле. Степень компаундирования можно регулировать посредством переменного резистора с малым сопротивлением, шунтирующего последовательную обмотку возбуждения (рис. 5). Если напряжение в отсутствие нагрузки равно напряжению при номинальной нагрузке, то генератор называется плоско-компаундированным (кривая В на рис. 6); если напряжение под нагрузкой больше, чем в ее отсутствие, то он – перекомпаундированный (кривая А). Недокомпаундированные генераторы (кривая D) используются редко.
Применение.
Некогда генераторы постоянного тока были основными источниками электроэнергии в крупных городах, но затем их вытеснили генераторы переменного тока. В настоящее время их применяют в основном в сочетании с электродвигателями постоянного тока в промышленности и на транспорте.
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Генераторы постоянного тока удовлетворительно работают как двигатели и при тех же номинальных параметрах не требуют изменений в конструкции. Например, генератор с параллельным возбуждением, рассчитанный на 10 кВт и 230 В, будет вполне удовлетворительно работать как электродвигатель мощностью 10 кВт при напряжении 230 В и той же частоте вращения. Точно так же генератор со смешанным возбуждением удовлетворительно работает как электродвигатель с возбуждением того же типа. Однако последовательную обмотку возбуждения придется переключить наоборот, чтобы она помогала параллельной. Генераторы с последовательным возбуждением редко применяются, но двигатель с последовательным возбуждением очень полезен, особенно как тяговый в городском электрическом транспорте.
Теория.
Принцип действия электродвигателя иллюстрирует рис. 7. На рис. 7,а провод с током, направленным от читателя (кружок с крестиком, изображающим задний, оперенный конец стрелы), перпендикулярен магнитному полю, существующему между магнитными полюсами N и S. Магнитный поток вокруг провода, создаваемый его током, направлен по часовой стрелке. Он увеличивает магнитное поле над проводом и уменьшает его под проводом. Магнитные силовые линии, подобно упругим нитям, стремящимся сократиться, действуют на провод с силой F, направленной вниз. Когда ток в проводе направлен так, как показано точкой на рис. 7,б (символизирующей острие стрелы, летящей навстречу), магнитное поле усиливается под проводом и ослабляется над ним, и сила F, действующая на провод, направлена вверх. На рис. 7,в изображен простой виток провода (такой же, как и на рис. 1,а), расположенный параллельно оси полюсов. В этом случае возникает вращающий момент 2Fd, стремящийся повернуть виток по часовой стрелке. Чтобы такое вращение поддерживалось, направление тока в витке должно измениться на обратное, когда последний перейдет через вертикальное положение. Для этого необходим коллектор (такой же, как на рис. 1,в), изменяющий направление тока после каждой половины оборота.
Конструкция.
Якорь двигателя постоянного тока обычно имеет большое число витков провода и соответствующих им секций коллектора, так что при заданных токе якоря и напряженности магнитного поля вращающий момент практически постоянен. На рис. 7,г представлен якорь двигателя постоянного тока (в разрезе), находящийся в магнитном поле между двумя полюсами магнита. Вращающий момент, действующий на якорь, пропорционален напряженности магнитного поля и току в обмотке якоря. Момент на выходном валу двигателя несколько меньше теоретического значения, поскольку часть его затрачивается на преодоление трения, а часть теряется из-за вихревых токов и гистерезиса в железе якоря.
В двигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединяется к зажимам источника неменяющегося напряжения, так что магнитное поле почти постоянно. Поэтому вращающий момент пропорционален току якоря (рис. 8). На рис. 9 представлена схема включения двигателя с последовательным возбуждением, в которую входит пусковое устройство. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, а потому, если пренебречь насыщением железа, магнитное поле пропорционально току якоря. Если ток якоря увеличить вдвое, то магнитное поле удвоится, а вращающий момент увеличится в 4 раза. Таким образом, в двигателе с последовательным возбуждением вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря (кривая А на рис. 8). В двигателе же со смешанным возбуждением параллельная обмотка возбуждения создает постоянное магнитное поле, а последовательная (если пренебречь насыщением) – пропорциональное току в ней. Поэтому вращающий момент такого двигателя возрастает с увеличением нагрузки быстрее, чем для двигателя с параллельным возбуждением, но медленнее, чем для двигателя с последовательным (кривая В на рис. 8).
Механическая характеристика.
Двигатель с параллельным возбуждением.
Противо-ЭДС немного уменьшается с увеличением нагрузки, что связано с падением напряжения на обмотке якоря, составляющим 2–7% выходного напряжения V. Поскольку обмотка возбуждения присоединена к зажимам источника неизменяющегося напряжения, поток j почти постоянен. Поэтому частота вращения немного падает с увеличением нагрузки, как показывает кривая С на рис. 10. Двигатели с параллельным возбуждением применяются в тех случаях, когда требуется почти постоянная частота вращения, – в силовых передачах с постоянной частотой вращения, в металлорежущих станках, печатных машинах. Частоту вращения можно задавать и регулировать, изменяя ток возбуждения посредством реостата в цепи возбуждения.
Двигатель с последовательным возбуждением.
Противо-ЭДС отличается от напряжения на выходных зажимах на 3–8% – таково падение напряжения на последовательной обмотке возбуждения и на обмотке якоря. Магнитный поток пропорционален току якоря (в пренебрежении насыщением). Поэтому частота вращения приблизительно обратно пропорциональна току якоря (кривая А на рис. 10). Когда этот ток приближается к нулю, частота вращения быстро нарастает, т.е. двигатель выходит из-под контроля. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением должен быть жестко связан с нагрузкой (например, посредством зубчатой передачи или другого устройства, ограничивающего частоту вращения). Благодаря быстрому нарастанию вращающего момента с увеличением тока такой двигатель очень подходит в качестве тягового для поездов метро и железнодорожных электровозов, для которых требуются большие пусковые моменты, быстрое ускорение и большие вращающие моменты при преодолении подъемов. Он применяется также на подъемниках, кранах и в автомобильных стартерах.
Двигатель со смешанным возбуждением.
Магнитный поток j в двигателе с увеличением тока возрастает, а частота вращения быстро падает (кривая В на рис. 10). В отличие от двигателя с последовательным возбуждением у двигателя со смешанным возбуждением частота вращения не нарастает беспредельно в отсутствие нагрузки. Такие двигатели применяются для лифтов, поскольку последовательная обмотка возбуждения создает большой вращающий момент, необходимый для быстрого ускорения, а параллельная обеспечивает постоянную частоту вращения после разгона. Они также незаменимы в приводах, требующих периодического приложения больших вращающих моментов – для мощных ножниц, штампов, прессов и прокатных станов. При уменьшении тока сам двигатель и другие вращающиеся элементы, например маховики, передают нагрузке свою кинетическую энергию, что позволяет существенно снизить пиковые нагрузки энергоблоков.
Пуск двигателей постоянного тока.
Ток в электродвигателе ограничивается противо-ЭДС. В момент пуска противо-ЭДС равна нулю, и если обмотка якоря включена непосредственно в сеть, ток может в 15–40 раз превысить номинальное значение. На рис. 11 представлен четырехполюсный пускатель для двигателя с параллельным возбуждением. При пуске резистор, соединенный последовательно с обмоткой якоря, постепенно выводится поворотом ручки пускателя вправо, якорь разгоняется, и возникает необходимая противо-ЭДС. Противодействующая пружина стремится вернуть в исходное положение ручку, которая удерживается в рабочем положении соленоидом, включенным в сеть. При аварийном обесточивании сети соленоид остается без питания, и под действием пружины ручка пускателя перескакивает в исходное положение. Поэтому, когда напряжение в сети восстанавливается, обмотка неподвижного якоря не оказывается включенной непосредственно в сеть. Пускатель двигателя с последовательным возбуждением устроен почти так же (рис. 9), но в нем не предусмотрен соединительный зажим для параллельной обмотки возбуждения.
Коммутация.
Самая большая проблема в работе с машинами постоянного тока – коммутация. Этим, в частности, ограничивается максимальная проектная мощность генераторов постоянного тока; коммутация не позволяет также сильно повышать рабочие частоты вращения больших машин.
Чтобы коммутация осуществлялась без искрения, ток и, следовательно, наведенная ЭДС в коммутируемом витке должны быть равны нулю в момент коммутации. Это не выполняется по двум причинам. Под нагрузкой ток обмотки якоря создает магнитное поле, поперечное по отношению к создаваемому магнитными полюсами, а также магнитный поток в зоне коммутации. Коммутируемые витки пересекают этот поток, и в них наводится ЭДС. Кроме того, ток в витках якоря создает магнитный поток, которым сцеплены эти витки. Когда этот ток резко меняет направление на обратное за очень малое время коммутации, возникает ЭДС самоиндукции. Обе ЭДС, хотя они и невелики, создают большой ток в короткозамкнутом витке с малым сопротивлением. Поскольку почти все сопротивление короткого замыкания приходится на контакт щетки с коллектором, используются угольные щетки, обладающие высоким контактным сопротивлением, с графитовой добавкой, которая служит смазкой, уменьшающей трение и износ поверхности коллектора. Для уменьшения искрения щетки следовало бы перемещать при каждом изменении нагрузки в положение, отвечающее минимальной наведенной ЭДС. Но поскольку это практически неосуществимо, выбирают некое среднее положение, обеспечивающее удовлетворительную коммутацию только для одной нагрузки.
В большинстве современных электромашин предусматриваются узкие добавочные полюса, расположенные между основными (рис. 12). Они возбуждаются обмотками, соединенными последовательно с якорем, и благодаря своему довольно большому воздушному зазору компенсируют в зоне коммутации поток, создаваемый током якоря, а кроме того, наводят в коммутируемых витках якоря ЭДС, компенсирующую ЭДС самоиндукции. Тем самым добавочные полюса устраняют необходимость в перемещении щеток при изменении нагрузки. В генераторе последовательность основных и добавочных полюсов (в направлении вращения) такова: NsSn (рис. 12,а), а в двигателе – NnSs (рис. 12,б).
Применение.
Двигатели постоянного тока имеют хорошие рабочие характеристики, а именно: широкий диапазон регулирования частоты вращения, возможность задания фиксированных частот вращения, быстрые разгон и торможение, постоянный вращающий момент и пригодность для автоматического регулирования, благодаря чему они находят все более широкое применение.
Во многих непрерывных технологических процессах требуется подавать, причем часто на большой скорости, лист или ленту материала (бумаги, резины, стали) на вход машины или группы машин. В таких условиях необходимо быстро и точно регулировать натяжение листа. Неправильно установленное натяжение может приводить к разрыву листа или к снижению качества продукции. Регулирование натяжения необходимо и при намотке ленты; иначе натяжение будет слишком быстро нарастать с увеличением диаметра рулона, что тоже грозит разрывом ленты или ее нежелательным деформированием. По этим причинам в электроприводах постоянного тока применяется автоматическое регулирование. На выходе машины устанавливается датчик, сигнал которого поступает на блок сравнения регулятора. При наличии рассогласования между регулируемым параметром продукции и «уставкой» (его заданным значением) сигнал ошибки подается на исполнительный орган автоматического регулятора, который и устраняет рассогласование. Автоматические регуляторы приводов постоянного тока, переключая токи и напряжения, почти мгновенно изменяют частоту вращения двигателей постоянного тока.
См. также АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ.
СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Как уже упоминалось, в витке провода, вращающемся в постоянном магнитном поле, наводится переменная ЭДС. При этом не имеет значения, вращается ли виток в неподвижном магнитном поле или виток неподвижен, а вращается поле, – необходимо лишь их относительное вращение. В синхронных машинах частота вращения пропорциональна частоте переменного тока.
Конструкция.
В синхронных генераторах обмотку якоря (т.е. ту обмотку, в которой индуцируется ЭДС) обычно делают неподвижной (и называют обмоткой статора), а обмотку возбуждения – вращающейся (и называют обмоткой индуктора), причем машины с иным расположением обмоток называют обращенными. Дело в том, что напряжение на обмотке якоря нередко бывает большим (до 25 кВ); то же относится к рабочим токам. Если якорь неподвижен, то легче изолировать выводы его обмотки, присоединяемые к внешним токоведущим шинам. Обмотка возбуждения же обычно потребляет значительно меньше 1% генерируемой мощности и питается постоянным током при напряжении 125 или 250 В. Передача столь малой мощности при низком напряжении на обмотку вращающегося индуктора через щеточно-коллекторный аппарат не сопряжена с большими трудностями.
Частота тока f связана с частотой вращения S и числом P полюсов статора или ротора соотношением f = SP/120 Гц. Если P = 4, а частота вращения S = 1800 об/мин, то f = (1800 ґ 4)/120 = 60 Гц. Такая частота (60 Гц) чаще всего применяется в электротехнике; она достаточно велика, чтобы не было заметно мигания осветительных ламп, но в то же время достаточно мала для удовлетворительной работы большинства машин. В отношении конструкции обмотки возбуждения синхронные генераторы бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения; они подходят для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор такого генератора представляет собой стальную поковку с выфрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах клиньями, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха. Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными, так что на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального (амплитудного) значения. Почти все мощные синхронные генераторы (и двигатели) охлаждаются водородом.
СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Трехфазный синхронный генератор – обратимая машина, т.е. если обмотку якоря подключить к шинам трехфазного напряжения, а ротор довести до синхронной частоты вращения, то генератор будет работать как двигатель, создавая вращающий момент на валу. Синхронный двигатель почти всегда (исключение – микродвигатели) работает при многофазном питании обмоток статора, создающих вращающееся магнитное поле. Полюса ротора входят в синхронизм с полюсами статора и увлекаются ими (рис. 13). Поэтому при постоянной частоте напряжения питания частота вращения синхронного двигателя постоянна и равна
Важное достоинство синхронного двигателя состоит в том, что он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Таким путем можно установить коэффициент мощности, равный 1. В случае недовозбуждения (ток возбуждения меньше номинального) двигатель потребляет ток, отстающий по фазе от напряжения питания, и действует как индуктивная нагрузка; в случае же перевозбуждения он потребляет ток, опережающий по фазе напряжение, и действует как емкостная нагрузка. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения регулирования энергетических систем. За счет реакции якоря ток, отстающий по фазе, усиливает возбуждение, а опережающий – ослабляет его. Как и в случае генератора, обе реакции противодействуют изменению возбуждения и тем самым повышают устойчивость системы.
В отсутствие вращения момент на валу синхронного двигателя равен нулю. Чтобы он заработал, нужно довести его до частоты вращения, близкой к синхронной. Это можно сделать при помощи вспомогательного двигателя. Если синхронный двигатель служит приводным двигателем генератора постоянного тока, то последний можно использовать в качестве двигателя для разгона синхронного двигателя до синхронной частоты. Пуск синхронного двигателя можно также осуществлять при помощи асинхронного двигателя.
В момент пуска ток обмотки якоря может в 3–8 раз превышать нормальное рабочее значение. Чрезмерное понижение напряжения источника питания предотвращают, понижая в этот период подводимое напряжение при помощи последовательно включаемого токоограничивающего реактора.
АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Многофазные асинхронные двигатели.
Принцип действия многофазных асинхронных двигателей состоит в том, что при определенном сдвиге по фазе между многофазными токами в многофазных обмотках они создают вращающееся магнитное поле. Такие многофазные обмотки обычно располагают в пазах на внутренней поверхности статора, набранного из тонких кольцевых пластин, стянутых по оси.
В случае трехфазного переменного тока синхронная частота вращения N вращающегося поля равна
где f – частота переменного тока, а Р – число полюсов.
Ротор.
Ротор многофазного асинхронного двигателя выполняется в виде шихтованного цилиндрического якоря, набранного из тонких кольцевых пластин с осевыми пазами. Существуют обмотки ротора двух видов: короткозамкнутая (типа «беличьей клетки») и фазная. Короткозамкнутая обмотка выполняется либо из медных стержней, заложенных в пазы и припаянных на концах к массивным торцевым кольцам, замыкающим их накоротко, либо из алюминиевых проводников в пазах и концевых колец, отлитых зацело непосредственно в сердечнике, помещенном в форму. Фазная обмотка состоит из отдельных обмоток для всех фаз, вложенных в пазы ротора, с выводами на токособирательные кольца. Щетки позволяют вводить в цепь ротора сопротивление для увеличения пускового момента, а иногда и для регулировки частоты вращения. Обычно статор – первичный элемент, к которому подводится питание, а ротор – вторичный, в котором наводятся токи.
Вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазными токами статора, наводит токи в проводниках ротора. Направление наведенных токов таково, что они, взаимодействуя с индуцирующим их полем, создают вращающий момент, действующий в направлении вращающегося магнитного поля. Таким образом, ротор вращается вслед за полем. Но он не может вращаться с той же частотой, так как тогда наведенные токи были бы равны нулю, а значит, отсутствовал бы вращающий момент. Поэтому неизбежно и необходимо «скольжение» ротора. Скольжение s определяется равенством
где N2 – частота вращения ротора. Например, если синхронная частота вращения N четырехполюсного 60-Гц асинхронного двигателя равна 1800 об/мин, а частота вращения ротора – 1728 об/мин, скольжение равно s = (1800 – 1728)/1800 = 0,04, т.е. 4%. Частота токов ротора равна sf, где f – частота токов в статоре. Например, в упомянутом двигателе частота токов в роторе равна 0,04 ґ 60 = 2,4 Гц.
Механическая характеристика.
Когда вал ротора нагружается, возникает потребность в увеличении тока в проводниках ротора. Для этого должна увеличиться скорость пересечения магнитного потока статора, а, следовательно, с увеличением нагрузки должно увеличиваться скольжение ротора. Поскольку частота ротора возрастает с увеличением его скольжения, токи, наводимые в проводниках ротора, все больше и больше сдвигаются по фазе относительно магнитного потока, так что, пройдя через максимум, вращающий момент уменьшается.
Это показано на рис. 14. Максимальный вращающий момент изменяется пропорционально квадрату сетевого напряжения и обратно пропорционально величине реактивного сопротивления ротора при нулевой частоте вращения, а следовательно, обратно пропорционально величинам индуктивности ротора и частоты статора; он не зависит от активного сопротивления ротора. Кривая 1 относится к двигателю с короткозамкнутым ротором. Пусковой момент (при скольжении 100%), как правило, равен полному моменту нагрузки или больше его. Двигатель с короткозамкнутым ротором прост, механически надежен, обладает высоким КПД и широко применяется в приводах с постоянной частотой вращения в тех случаях, когда не требуются большие пусковые моменты. Кривая 2 показывает, как влияет на характеристику увеличение сопротивления ротора. Максимальный вращающий момент не изменяется, но максимум смещается в сторону увеличения скольжения и, следовательно, уменьшения частоты вращения. Сделав сопротивление цепи ротора равным ее реактивному сопротивлению в отсутствие вращения, можно получить максимальный вращающий момент при пуске (кривая 3). Чтобы можно было вводить сопротивление в цепь ротора, нужен ротор с фазной обмоткой, концы которой были бы выведены на токособирательные кольца коллектора. Тогда с помощью внешнего реостата, выполняющего роль пускателя или контроллера, можно ввести в цепь ротора сопротивление и получить максимальный вращающий момент при пуске. После разгона ротора это сопротивление можно отключить, и тогда двигатель может работать на характеристике 1 или 2. Сопротивление фазного ротора не может быть сделано столь же малым, как обычное сопротивление короткозамкнутого, так что при прочих равных условиях скольжение такого ротора больше.
Двигатель с последовательным возбуждением, в котором возбуждение максимально при пуске и уменьшается после его разгона до нормальной частоты вращения, обеспечивает большой вращающий момент.
Двигатели с фазными роторами используются в тех случаях, когда требуются большие пусковые моменты, например, в электровозах и подъемниках, а также тогда, когда желательно регулирование частоты вращения.
Применение в качестве генератора.
Если асинхронный двигатель приводится во вращение с частотой, превышающей синхронную, то скольжение становится отрицательным, направление токов, наводимых в роторе, меняется на обратное по сравнению с направлением в двигателе, и машина работает как генератор. Возбуждение обеспечивается исключительно линией переменного тока, причем ток возбуждения отстает по фазе от тока в режиме двигателя и опережает ток в режиме генератора. Выходное напряжение генератора приблизительно пропорционально скольжению ротора. Частота напряжения не зависит от частоты вращения ротора и полностью определяется частотой в линии, обеспечивающей возбуждение, так что генератор оправдывает свое название асинхронного. Генератор не может работать в режиме самовозбуждения и потому при эксплуатации нуждается в параллельном синхронном генераторе для питания цепи возбуждения.
В качестве энергоблока асинхронный генератор имеет много недостатков и редко применяется. Он может давать только опережающий ток, а, следовательно, синхронный генератор, работающий параллельно с ним, должен не только давать запаздывающие (реактивные) киловольт-амперы, необходимые для системы, но еще и обеспечивать возбуждение асинхронного генератора. Воздушный зазор асинхронного генератора мал, и при его проектировании приходится уделять много внимания снижению потерь в зубцах статора и ротора. Однако у асинхронных двигателей, используемых в приводах железнодорожных локомотивов, имеется то очень важное преимущество, что при движении под уклон они превращаются в генераторы и возвращают электроэнергию в линию за счет т.н. рекуперативного торможения. В лифтах и шахтных подъемниках благодаря переходу двигателей в режим генератора обеспечивается динамическое торможение, а тем самым плавное замедление оборудования и экономия на износе механических тормозов.
ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Если один провод трехфазного питания работающего асинхронного двигателя отключить, так что питание окажется однофазным, то он будет продолжать работать, хотя его номинальная мощность уменьшится примерно до 60% номинальной мощности в трехфазном режиме. Если же однофазное питание подвести к неработающему двигателю, то он сам собой не заработает. Приведя его ротор во вращение в любом направлении, можно получить вращающий момент, действующий в этом же направлении, и, если крутящий момент нагрузки мал, ротор будет набирать обороты. Рабочие характеристики двигателя можно объяснить на основе теории двух вращающихся полей, предложенной Г.Феррарисом. Всякое однофазное синусоидально пульсирующее магнитное поле можно представить в виде суммы двух равных полей, вращающихся в противоположных направлениях. На рис. 15 через Т1 и Т2 обозначены графики вращающий момент – скольжение для двух таких полей (ср. с рис. 14); один из моментов положителен, другой – отрицателен. Когда скольжение равно нулю (синхронная частота вращения) для одного поля, оно равно 2,0 для другого. Следовательно, при частоте, синхронной для одного из полей, другое поле наводит в роторе токи с удвоенной частотой. Однако реактивное сопротивление ротора для токов с удвоенной частотой вдвое больше, чем в отсутствие вращения, так что токи с удвоенной частотой малы. Кривая Т на рис. 15 дает результирующий момент, равный нулю в отсутствие вращения. Но если двигатель ускорить в направлении любого из моментов, то этот момент быстро станет доминирующим и двигатель сможет разогнаться до рабочей частоты вращения.
ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Направление вращающего момента, создаваемого двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением, одинаково при любой полярности проводов питания. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением может работать на переменном токе. Но для того чтобы двигатель постоянного тока хорошо работал на переменном токе, в его конструкцию нужно внести ряд изменений. Магнитная цепь обмотки возбуждения должна быть шихтованной, чтобы были сведены к минимуму вихревые токи. Для того чтобы реактивное падение напряжения на последовательной обмотке возбуждения было приемлемо низким, число витков должно быть велико. Чтобы был достаточно велик магнитный поток возбуждения, воздушный зазор должен быть уменьшен. Но тогда будет велика реакция якоря, что вызовет искажение магнитного потока и увеличит трудности с коммутацией и с пониженным коэффициентом мощности. Поэтому потребуется обмотка для компенсации ампер-витков перекрестного намагничивания. Эта обмотка укладывается в пазы полюсных наконечников и соединяется последовательно с обмоткой якоря. Кроме того, необходимы добавочные полюса, обмотки которых соединяются последовательно с якорем и шунтируются резистором, чтобы магнитный поток, создаваемый добавочными полюсами, был в правильной фазе, необходимой для компенсации трансформаторной ЭДС в замкнутых накоротко коммутируемых витках. Чтобы реактивное падение напряжения на последовательных обмотках возбуждения, а также все другие реактивные падения напряжения не превышали допустимого уровня, частота должна быть как можно ниже. Для больших железнодорожных двигателей переменного тока с последовательным возбуждением обычна, например, частота 25 Гц.
Двигатели переменного тока с последовательным возбуждением часто применяются на тяжелых электровозах. В США электропитание 11 кВ, 25 Гц подводится к электровозу через верхний токоприемник и понижается автотрансформаторами до 250 В. В некоторых районах, где применяется система третьего рельса с напряжением 600 В постоянного тока, электровозы работают с двумя двигателями, включенными последовательно.
Без больших трудностей можно использовать на питании переменного тока двигатели (с последовательным возбуждением) малой мощности, если магнитные цепи их обмотки возбуждения выполнены из шихтованного железа. Такие двигатели могут работать и на постоянном токе. Они широко применяются в пылесосах, кухонных миксерах, электродвигателях, кинопроекторах, медицинской аппаратуре и других устройствах, где требуются большой вращающий момент и регулируемая частота вращения.