Общие положения
Электрические машины переменного тока широко применяют в буровых установках для привода практически всех агрегатов: лебедки, насосов, вспомогательных механизмов. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую или, наоборот, электрическую энергию в механическую. В первом случае такая машина называется генератором, а во втором — двигателем. Любая электрическая машина может быть использована как генератор и как двигатель. Это свойство называется обратимостью электрической машины.
Электрическая машина может служить также для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями.
Среди машин переменного тока наиболее широко применяются трехфазные синхронные и асинхронные машины.
Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.
Асинхронный двигатель, принцип действия и устройство
Трехфазный асинхронный двигатель впервые сконструирован известным русским инженером М. О. Доливо-Добровольским. Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и надежностью. Он состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — подвижная. Асинхронная машина в основном применяется как электродвигатель, так как в качестве генератора она практически не используется из-за неустойчивой работы и ряда других недостатков.
Действие всякой многофазной машины переменного тока основано на использовании вращающегося магнитного поля. Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, частота которого в 1 мин
Если ротор вращается с частотой вращения п2, равной частоте вращения магнитного поля (п2 =п1), т. е. синхронно с полем, то такая частота вращения называется синхронной. Если частота вращения ротора не равна частоте вращения поля 
, то такая скорость вращения называется асинхронной.
Асинхронный двигатель развивает вращающий момент только при асинхронной скорости, т. е. при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля. Частота вращения может очень мало отличаться от частоты вращения поля, но принципиально важно, что при работе двигателя она будет всегда меньше
частоты вращения поля.
На рис. 37, а показана часть статора и ротора.
Поле статора, образованное трехфазным током, представлено северным полюсом N, который вращается в пространстве и вокруг ротора по часовой стрелке с частотой вращения п1. Следовательно, полюс N перемещается относительно проводника обмотки ротора слева направо, в результате чего в этом проводнике индуктируется э. д. с., которая согласно правилу правой руки направлена на зрителя (знак точка). Если обмотка ротора замкнута, то под действием э. д. с. по этой обмотке течет ток, направленный в выбранном нами проводнике также на зрителя. В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки ротора с магнитным полем возникнет сила F, которая стремится перемещать проводник в направлении, определяемом
по правилу левой руки, т. е. слева направо по направлению вращения поля.
Если силу, действующую на проводник обмотки ротора, умножить на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо приложения силы), то получим вращающий момент, развиваемый током данного проводника.
Для изменения направления вращения ротора (реверсирования) необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Это осуществляется изменением последовательности фаз обмоток статора.
На рис. 37,б показана схема устройства асинхронного двигателя. Сердечник статора набирается из стальных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют, делая в них впадины (пазы), и изолируют друг от друга лаком, окалиной или тонкой бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Пластины собирают в отдельные пакеты и крепят в станине двигателя. Обмотка статора может соединяться звездой и треугольником.
Сердечник ротора также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или тонкой бумагой. Пластины штампуют с впадинами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины, образуя цилиндр с продольными пазами. В пазах укладывают проводники обмотки ротора. В зависимости от типа этой обмотки асинхронные машины могут быть с фазными и короткозамкнутыми обмотками ротора. Короткозамкнутую обмотку ротора выполняют по типу беличьего колеса (рис. 37, в). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными кольцами. Фазную обмотку ротора выполняют подобно статорной, т. е. проводники ее образуют трехфазную систему. Начала обмоток ротора подключены к трехконтактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора. Кольца изолированы одно от другого и от вала и вращаются вместе с ротором. При вращении колец по поверхности их скользят угольные или медные щетки. Обмотка ротора может быть замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко при помощи щеток.
Преимущественное распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря простоте конструкции. При больших мощностях и в специальных случаях используется фазная обмотка.
Наряду с положительными качествами — простотой конструкции, высокой надежностью, малой стоимостью — асинхронный двигатель имеет некоторые недостатки, из которых наиболее существенным является относительно низкий коэффициент мощности (соs φ). Это объясняется большим потреблением реактивной мощности, которая необходима для возбуждения магнитного поля.
Пуск в ход асинхронных двигателей
При включении асинхронного двигателя в сеть по обмоткам его статора и ротора будут протекать токи, в несколько раз превышающие номинальные. Это объясняется тем, что при подвижном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его обмотку с высокой скоростью, равной частоте вращения магнитного поля в пространстве, и индуктирует в этой обмотке большую э. д. с. Последняя создает большой ток в цепи ротора, что вызывает возникновение соответствующего тока и в обмотке статора. При увеличении частоты вращения ротора скольжение уменьшается, что приводит к понижению э. д. с. и тока в обмотке ротора, а также тока в статоре.
Большой пусковой ток может вызвать перегрев его обмоток и преждевременное старение изоляции. Из-за больших пусковых токов возникает значительная потеря напряжения в сети, что отрицательно сказывается на работе других приемников энергии, включенных в эту же сеть.
В связи с этим, если сеть не рассчитана на большие пусковые токи или заводы — изготовители электродвигателей ограничивают их значения, применяются схемы пуска с ограничением пускового тока.
К ним относятся следующие схемы: а) пуск двигателя с фазным ротором (рис. 38,а); б) пуск короткозамкнутого электродвигателя при пониженном напряжении — реакторный пуск, автотрансформаторный пуск; в) пуск короткозамкнутого двигателя переключением обмоток со звезды на треугольник (рис. 38,б).
Двигатели с фазным ротором обладают хорошими пусковыми свойствами, так как для уменьшения пускового тока обмотка ротора на время пуска замыкается на активное сопротивление. При включении активного сопротивления в цепь обмотки ротора увеличивается активная составляющая тока ротора, и, следовательно, вращающий момент, развиваемый двигателем при пуске в ход.
Схемы пуска асинхронного двигателя
Реакторный и автотрансформаторный пуск в настоящее время практически распространения не получили, так как все электродвигатели на напряжение 6—10 кВ допускают прямой пуск. Иногда для уменьшения напряжения на зажимах двигателя применяют включение активного или реактивного сопротивления в цепь статора. Этот способ обладает существенным недостатком в связи с тем, что при уменьшении напряжения в п раз вращающий момент уменьшается также в п раз. Поэтому такой способ применяется при спуске двигателя с малыми нагрузками или на холостом ходу.
При способе пуска переключением обмотки статора со звезды на треугольник в момент пуска обмотка статора соединяется звездой, а после разгона ее переключают на треугольник. При этом пусковой ток в сети уменьшается примерно в 3 раза. Этот способ пуска можно применять для двигателя, обмотки статора которого при питании от сети данного напряжения нормально должны быть соединены треугольником.
Улучшение пусковых характеристик может быть достигнуто изменением конструкции ротора. В качестве таких конструкций широко используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Частота вращения ротора определяется выражением
(65)
Из этого выражения видно, что частоту вращения ротора можно регулировать изменением числа пар полюсов р, частоты тока сети f1 и скольжения s.
Изменять число пар полюсов можно, если на статоре имеется несколько обмоток с различным числом полюсов или одна обмотка, допускающая переключения на различное число полюсов. На рис. 39, а схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Ток, протекая по ним, создает магнитное поле с четырьмя полюсами.
Схемы переключения обмоток статора
Если изменить направление тока в одной из катушек, включив их встречно, то обмотка будет создавать двухполюсное магнитное поле (рис. 39,6), Недостаток этого способа — ступенчатость регулирования. Заводы СССР выпускают двух-, трех- и четырехскоростные двигатели на cинхронную частоту вращения 500—750—1000— 1500 об/мин.
Для изменения частоты тока сети необходимо иметь специальный генератор или преобразователь частоты.
Изменить скольжение s можно введением в цепь обмотки фазного ротора регулировочного реостата. Этот способ хотя и прост, но неэкономичен, так как в регулировочном реостате происходит значительная потеря энергии. Несмотря на это, он нашел широкое применение.
Синхронный генератор
Синхронный генератор состоит из статора, в котором укладывается многофазная обмотка, ротора с обмоткой, возбудителя и щеточного аппарата.
Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, т. е. без выступающих полюсов. Явнополюсный генератор применяется при малой частоте вращения — гидрогенераторы (рис. 40, б), а неявнополюсный при большой частоте вращения — турбогенераторы (рис. 40, а).
При протекании постоянного тока по обмотке ротора и приведении его во вращение от какого-либо первичного двигателя (электродвигатель, турбина, двигатель внутреннего сгорания) в обмотке статора создается э. д. с., которая согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока полюсов, пропорционального току (ток возбуждения ротора). Таким образом, изменением тока возбуждения ротора можно менять величину э. д. с. и напряжения генератора.
Если синхронный генератор не нагружен (холостой ход), то тока в обмотках статора нет и напряжение на его зажимах будет равно э. д. с.
При нагрузке генератора ток в обмотке статора не равен нулю, и, следовательно, напряжение на зажимах генератора не равно э. д. с., так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения. Кроме того, токи, протекающие по обмоткам статора, создают поток реакции якоря, который воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнитный поток не будет равен магнитному потоку полюсов на холостом ходу генератора. Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в обмотке статора генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.
Рис. 40. Устройство синхронного генератора и его характеристики:
1 — индуктивная; 2 — активная; 3 — емкостная
На рис. 40, в изображены внешние характеристики синхронного генератора, показывающие изменения напряжения на за жимах генератора при изменении тока для активной и реактивной нагрузок.
Любой приемник электрической энергии требует постоянства напряжения сети. Чтобы обеспечить неизменное напряжение сети при изменении нагрузки у синхронного генератора, регулируют ток возбуждения. Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось постоянным, называется регулировочной характеристикой (рис. 40, г).
Синхронный двигатель
Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от синхронного генератора.
При включении трехфазной обмотки статора в сеть переменного тока создается вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого равна 
Рис. 41. Магнитные поля статора и ротора синхронного двигателя;
а — при холостом ходе; б — при нагрузке
На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, подключаемая к источнику постоянного тока. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами обмотки статора, увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной частотой, т. е. с частотой, равной частоте вращения поля статора. Таким образом, частота вращения синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.
На рис. 41 результирующее магнитное поле статора и поле ротора в некоторой точке окружности статора изображены полюсами различной полярности
Если на валу двигателя нет никакой нагрузки, т. е. он работает вхолостую, то, пренебрегая механическими потерями в двигателе, можно считать, что ротор следует за полем статора и оси магнитных полей статора и ротора совпадают, т. е. угол между осями магнитных полей статора и ротора
(рис. 41, а). Если на валу двигателя приложить некоторый тормозной момент Мт, развиваемый приемником механической энергии, то ротор на какой-то отрезок времени уменьшит свою частоту вращения. Магнитное поле статора, вращающееся с неизменной частотой, начнет перемещаться относительно ротора, и угол между осями статора и ротора
При этом магнитные линии, растягиваясь и стремясь замкнуться кратчайшим путем, будут воздействовать на ротор так, чтобы ось поля ротора приблизилась к оси поля статора. Таким образом, при появлении угла между осями магнитных полей статора и ротора 0 двигатель развивает вращающий момент Mв. После восстановления равновесия моментов, когда вращающий момент станет равен моменту тормозному
, ротор вновь будет вращаться синхронно с полем статора при неизменной величине угла θ.
При увеличении нагрузки двигателя, т. е. при увеличении тормозного момента на его валу Mт, ротор вновь несколько уменьшит свою скорость и угол 0 начнет увеличиваться. Магнитные линии растягиваются больше, увеличивая вращающий момент Мв, и равновесие моментов МВ = Мт наступает при большем значении угла θ.
Уменьшение нагрузки на валу двигателя вызывает уменьшение угла θ.
Основное достоинство синхронных двигателей — возможность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает cos φ, компенсируя реактивную мощность, потребляемую другими приемниками энергии.
Возбуждение синхронных двигателей осуществляется либо от
возбудителей, либо от сети переменного тока через специальный преобразователь.
Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включением его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен и, следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель не развивает вращающего момента. При неподвижном роторе вращающееся поле статора, взаимодействуя с полем ротора, будет развивать вращающий момент переменного направления. Поэтому для пуска в ход двигателя необходимо предварительно увеличить частоту вращения ротора его до синхронной или близкой к ней. В настоящее время основное применение получил асинхронный пуск синхронного двигателя. Для этого в полюсных наконечниках ротора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, выполненная в виде беличьего колеса. Обмотка статора двигателя включается в сеть и пуск его производится так же, как пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. После того как двигатель разовьет частоту вращения, близкую к синхронной (примерно 95 %), обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. частота вращения ротора увеличивается до синхронной.
При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление примерно в 10—12 раз больше, чем сопротивление самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оставлять разомкнутой или замкнутой накоротко.
Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индуктироваться большая э. д. с., опасная для изоляции обмотки и обслуживающего персонала.
Если при пуске в ход обмотку возбуждения замкнуть накоротко, то двигатель может развить частоту вращения, близкую к половине синхронной, и войти в синхронизм не сможет.
Синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения питающей сети, чем асинхронный, так как значение вращающего момента у него пропорционально напряжению в первой степени. Он применяется на буровых установках в качестве приводного двигателя к буровым насосам.
