Электрические машины переменного трёхфазного тока

1. С.Н. Охулков ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Федеральное агентство по образованию
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
С.Н. Охулков
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Кафедра “Теоретическая и общая
электротехника”
Для студентов электротехнических
специальностей всех форм обучения

2.

Автозаводская высшая школа управления и технологий
Очная и заочная форма обучения
- Автомобили и автомобильное хозяйство
- Автомобиле- и тракторостроение
- Технология машиностроения
г. Нижний Новгород, ул. Лескова, 68, т. (831) 256-02-10

3. Тема 6.2

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ПЕРЕМЕННОГО ТРЁХФАЗНОГО
ТОКА

4.

Асинхронная машина —
это машина переменного трёхфазного тока,
в которой возбуждается вращающееся магнитное поле.
Ротор вращается асинхронно, т.е. со скоростью,
отличающейся от скорости вращения поля.
Асинхронные машины принципиально могут быть
генераторами или двигателями. Характеристики
асинхронных двигателей очень высоки, и они широко
применяются в технике. Асинхронные генераторы
практически не используются, так как имеют очень низкие
эксплуатационные качества.

5.

Асинхронная машина состоит из статора и ротора.
Статор имеет шихтованный сердечник, в пазах которого
расположена трехфазная обмотка. В простейшем случае она состоит
из трех катушек, которые сдвинуты одна относительно другой на 120°.
Ротор бывает двух типов: короткозамкнутый и фазный.
Короткозамкнутый ротор имеет
шихтованный цилиндр с пазами. В пазы
укладываются стержни, замкнутые
электрически с двух сторон кольцами.
Эти кольца и стержни называют
«беличьим колесом» (рисунок ниже)
На рисунке выше показано устройство
асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором. Поскольку на
роторе нет коллекторного узла, ротор не
имеет скользящих контактов, двигатель
очень прост в обслуживании, надежен в
работе, дешев, легок и экономичен. Это
двигатель основного исполнения.

6.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором
Электротехника и электроника

7.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором
1 - подшипник 2 - вал 3 подшипниковый щит 4 коробка выводов 5 сердечник
ротора
с
короткозамкнутой
обмоткой 6 - сердечник
статора с обмоткой 7 корпус
8
кожух
вентилятора
9
подшипниковый щит 10 вентилятор 11 - подшипник
12 - обмотка статора 13табличка с паспортными
данными 14 - лапы 15 болт заземления
Электротехника и электроника

8.

Асинхронный двигатель с фазным ротором
1,7 - подшипники 2,6-подшипниковые щиты 3 - корпус 4-сердечник статора с
обмоткой 5-сердечник ротора с обмоткой 8-вал 9 - коробка выводов 10-лапы
11-контактные кольца
Электротехника и электроника

9.

Трехфазные цепи
При вращении ротора в обмотках А, В, С статора
генерируются напряжения, имеющие одинаковую
частоту и амплитуду, но сдвинутые относительно друг
друга на угол, равный 120°.
Мгновенные, значения ЭДС трехфазного источника:
e A Em sin t
,
sin t
eB Em sin t
.
eC Em
Электротехника и электроника

10.

Трехфазные цепи
Векторная диаграмма напряжений трехфазного генератор
Электротехника и электроника

11.

Трехфазные цепи
Соединение генератора и нагрузки звездой:
При соединении звездой концы всех фаз
генератора соединяют в один узел. Его называют
нейтральным узлом или нейтральной точкой.
Электротехника и электроника

12.

Трехфазные цепи
При соединении треугольником начало одной фазной
обмотки соединяют с концом следующей так, чтобы три
обмотки образовали замкнутый треугольник.
Электротехника и электроника

13.

Условные графические обозначения
асинхронных машин
Упрощенное и развернутое
графические изображения
короткозамкнутого
асинхронного двигателя
Упрощенное и развернутое
обозначения асинхронной
машины с фазным ротором

14.

Уравнения асинхронного двигателя
Физические модели асинхронной машины и трансформатора аналогичны.
Поэтому эти машины описываются аналогичными математическими
уравнениями, т. е. асинхронному двигателю отвечают три основных
уравнения трансформатора.
Уравнение цепи статора:
E I R j I X
U
1
1
1 1
1 1
Уравнение цепи ротора:
E 2 I 2 R 2 j I 2 X 2
Соотношение токов:
I I I
1
0
2

15.

Синхронные машины
Как и все электрические машины, синхронная машина обратима и
может широко использоваться в промышленности как генератор и
двигатель преимущественно большой мощности.
Синхронные машины относятся к классу машин трехфазного
переменного тока. Частота вращения ротора синхронной машины
равна частоте вращающегося магнитного поля.
Синхронная машина состоит из статора и ротора

16.

Синхронная
машина
ЭМ
переменного тока, в которой ротор и
магнитное поле токов статора вращаются
синхронно, т. е. с одной и той же частотой
вращения.
Трехфазные СГ – основные
источники электроэнергии :
мощность - на ГЭС: до
640 МВт,
на ТЭС - 800 -1200 МВт

17. Принцип построения трёхфазного генератора

18. Синхронный генератор

Магнитопровод статора
А
Полюс ротора
Ротор
Х
N
Вал
Y
Обмотка ротора
S
Обмотка
статора
B
Z
C

19.

Дизель-генератор
1 - возбудителя, 2 - обмотки возбуждения возбудителя, 3 - контактных колец,
4 -щеткодержателей, 5 - подшипниковых щитов, 6 - сердечника статора, 7 полюсного наконечника, 8 - станины, 9 - обмотки статора, 10 - обмотки
возбуждения полюсов ротора, 11 - остова, 12 - вала, 13 - выводов, 14 подшипника
Электротехника и электроника

20.

Турбогенератор
1 - возбудитель 2 - корпуса, 3 - сердечника статора, 4 - секций
водородного охлаждения, 5 - ротора.
Электротехника и электроника

21.

ГИДРОГЕНЕРАТОР
1 - грузонесущие крестовины, 2 - корпус статора, 3 – сердечник
статора, 4 - обмотки статора, 5 - полюса ротора, 6 – обмотки ротора, 7
- спицы ротора, 8 - обод ротора.
Электротехника и электроника

22.

Трехфазные цепи
Упрощенная схема трехфазного синхронного генератора:
Обмотки фаз генератора сдвинуты друг относительно
друга на угол p , где p - число пар полюсов ротора.
Электротехника и электроника

23.

24.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит,
обмотка которого питается от источника постоянного тока.
Ротор синхронной машины бывает двух типов:
явнополюсный и неявнополюсный
Явнополюсный ротор
используется большей частью в
тихоходных синхронных машинах.
Обмотка ротора присоединяется к
контактным кольцам и с помощью
щеток на нее подается постоянное
напряжение. В машинах с большой
скоростью вращения
(турбогенераторах, газогенераторах)
применяется неявнополюсный ротор.
Схема
явнополюсного
ротора

25.

На рисунке ниже приведена схема неявнополюсного ротора с одной
парой полюсов.
В многополюсных роторах полюсы чередуются по кругу. Обмотка ротора
возбуждает постоянный магнитный поток и называется обмоткой
возбуждения.
В генераторном режиме обмотка возбуждения включается на постоянное
напряжение.
В режиме двигателя, кроме постоянного напряжения, подаваемого на
обмотку возбуждения, подается также трехфазное синусоидальное
напряжение на обмотку статора. Обмотка возбуждает вращающееся
магнитное поле, которое захватывает в синхронном вращении поле ротора
и сам ротор.

26.

Холостой ход синхронного генератора
Холостой ход (или нерабочий режим) осуществляется при отключенной
нагрузке. Ток статора в этом случае равен нулю. Ток возбуждения
регулируется внешним источником в широких пределах.
Характеристика нерабочего
(холостого) хода представляет
собой магнитную характеристику
системы и напоминает кривую
намагничивания.
Форма ЭДС статорной обмотки зависит от формы магнитного потока
в цепи статора. Специальной формой полюсных наконечников
можно получить синусоидальную ЭДС статорной обмотки.

27.

Характеристики синхронных двигателей
Основным преимуществом
синхронного двигателя перед
двигателями других типов является
абсолютно жесткая
механическая характеристика
(см. рис. справа),
т. е. ротор вращается со скоростью
вращающегося магнитного поля,
возбуждаемого статором. Скорость
вращения поля не зависит от момента
сопротивления. Если сопротивление
больше максимального, ротор
останавливается.

28.

Характеристики синхронных двигателей
Полюсы статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью. Но
между осями этих полюсов есть некоторое угловое смещение. Это
смещение зависит от момента сопротивления.
Зависимость электромагнитного момента
от угла между осями полюсов статора и
ротора называется угловой
характеристикой двигателя
(см. рис. справа).
Момент имеет положительные значения в
пределах 0 < < ,
но устойчивый режим работы может быть
только на участке 0 < < /2.
Обычно ном = (20...30)°.
Синхронные двигатели используют там, где требуются стабильная
скорость вращения, экономичность. Бесконтактные микродвигатели с
однофазной и трехфазной обмотками статора применяют в программных
механизмах, электрочасах, звуковой аппаратуре и др.

29.

Пуск синхронного двигателя
При включении двигателя механическая инерция ротора велика и
вращающий момент на валу практически равен нулю. Поэтому для пуска
нужно раскрутить вал двигателя до скорости, близкой к синхронной.
Сложный пуск в значительной мере ограничивает использование
синхронного двигателя.
Для пуска синхронного двигателя
укладывают короткозамкнутую обмотку
(«беличье колесо») в полюса ротора
(рис. справа).
Стержни обмотки соединяются
кольцами. При пуске обмотка
возбуждения замыкается на пусковое
сопротивление, как показано на рис.
справа.

30.

Преимущества и недостатки синхронной машины
Преимущества
синхронных машин:
высокие КПД и коэффициент мощности;
абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя;
независимость частоты ЭДС генератора от нагрузки машины.
Недостатки
синхронных машин:
сложная конструкция;
необходимость использования двух источников напряжения
(переменного трехфазного и постоянного) для двигателя;
затруднения с пуском двигателя.

31.

Графические обозначения синхронных машин
Графические обозначения синхронных машин (пунктирной
окружностью обозначают явнополюсный ротор)
Графическое обозначение
трехфазной синхронной машины
с вращающимся выпрямителем
Графическое обозначение
синхронной машины, которая
возбуждается постоянными
магнитами

32. Рекомендуемая литература

1. Алтунин Б.Ю., Панкова Н.Г. Теоретические основы электротехники:
Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б.Ю. Алтунин,
Н.Г. Панкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-130 с.
2. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс
учебно-методических материалов: Ч.1/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин;
НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-98 с.
3. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс
учебно-методических материалов: Ч.2/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин;
НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2008.-98 с
4. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-М.:
Энергоатомиздат, 2000.
5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники
/под. ред. А.В. Нетушила.-М.: Энергоатомиздат, 1995.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.:
Радио и связь, 1990.-512 с.: ил.
7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П.
Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.
Электротехника и электроника

33. Тема 6.2 Закончена

Благодарю за внимание