Каждый из типов электрических машин (синхронные, асинхронные, постоянного тока) имеет специфические особенности. Области применения машин различных типов разграничены в зависимости от их характеристик, способов и пределов регулирования.
Синхронные машины.
Синхронные машины работают с постоянной частотой вращения, зависящей от числа их полюсов и частоты питающей сети. Пустить в ход синхронный двигатель сложно, так как его пусковой момент равен нулю. Поэтому синхронные машины выпускаются в основном как генераторы или как двигатели, предназначенные для приводов механизмов, которые не требуют частых пусков и должны работать с постоянной скоростью.
Обмотка возбуждения синхронной машины (рис. 2) располагается на роторе. Ток возбуждения постоянный, подается в обмотку от возбудителя-генератора постоянного тока или от тиристорного выпрямителя через щетки и вращающиеся контактные кольца, соединенные с выводами обмотки возбуждения.
В машинах с частотой вращения не более 1500 об/мин катушки обмотки возбуждения состоят из большого числа витков и установлены на стальные сердечники полюсов, закрепленные на роторе. Машины такой конструкции называют явнополюсными. Сердечник статора синхронных машин шихтованный из листовой электротехнической стали. В пазах сердечника, равномерно распределенных по его внутренней поверхности, располагаются катушки обмотки статора. Сердечник статора запрессован в корпус. К торцам корпуса крепятся торцовые щиты с подшипниками.
Мощность синхронных явнополюсных двигателей достигает нескольких тысяч киловатт. Мощность явнополюсных синхронных генераторов (рис. 3), установленных на гидроэлектростанциях (гидрогенераторов), значительно больше; на Красноярской ГЭС установлены гидрогенераторы мощностью 500 тыс. кВт, а на Саяно-Шушенской 040 тыс. к Вт.
Рис. 2. Синхронный двигатель:
1 — коробка выводов, 2 — изолятор, 3 вал, 4 магнитопровод ротора, 5 — стержень демпферной (пусковой) обмотки, 6 — сердечник полюса, 7 — корпус, 8 — магнитопровод статора, 9 — кольцевая шпонка, 10 возбудитель, 11 — бандажное кольцо обмотки статора, 12 — обмотка статора, 13 — полюсная катушка, 14 — вентилятор, 15 — подшипник, 16 — крышка подшипника с уплотнениями, 17 щеткодержатель, 18 — токоподвод к обмотке ротора, 19 — контактное кольцо, 20 — защитный кожух контактных колец, 21 — торцовый щит
Конструкция роторов синхронных машин с частотой вращения 3000 об/мин отличается от рассмотренной выше. При 3000 об/мин центробежные .силы, действующие на ротор, очень велики, поэтому приходится выполнять ротор цельным из поковок стали высокой прочности Обмотка возбуждения размещается в пазах, которые фрезеруют в роторе. Такую конструкцию имеют все генераторы, установленные на тепловых и атомных электростанциях. Они называются турбогенераторами (рис. 4). Турбогенераторы — самые мощные электрические машины. На заводе «Электросила» им. С. М. Кирова в 1980 г. построены турбогенераторы мощностью 800 000 и 1200 000 кВт. В настоящее время готовится к выпуску еще более мощный турбогенератор на 1600 МВт.
Рис. 3. Гидрогенератор:
1 — регуляторный генератор, 2 — втулка подпятника, 3 — диск подпятника, 4 — болт регулировки сегмента, 5 — опора сегмента, 6 — охладитель масла, 7 — токоподвод к обмотке ротора, 8 — статор, 9 — полюс, 10 — охладитель, 11 — спицы ротора, 12 — обмотка статора, 13 — обод ротора, 14 — полюсный наконечник, 15 — тормоз, 16 — нижняя крестовина, 17 — соединительный фланец, 18 — вал ротора, 19- втулка ротора, 20 — контактные кольца, 21 — верхняя крестовина
Асинхронные машины.
Асинхронные машины применяются как двигатели. Они приводят в движение почти все виды станков в промышленности, работают в шахтах, на буровых установках, широко применяются в бытовой технике.
В асинхронных машинах в отличие от синхронных специальная обмотка возбуждения отсутствует. Магнитный поток создается током намагничивания, который протекает по той же обмотке, что и ток нагрузки, т. е. по обмотке статора. Обмотка ротора не соединена с внешней цепью. Ток в ней возникает от ЭДС, наводимых при пересечении витками обмотки магнитных силовых линий потока, создаваемого намагничивающим током.
Рис. 4. Турбогенератор:
1 — уплотнения на валу ротора, 2 — торцовый щит, 3 — кронштейн крепления обмотки статора, 4 — ротор, 5 — магнитопровод статора, 6 — детали крепления магнитопровода к корпусу, 7 — корпус турбогенератора, 8—охладитель турбогенератора, 9 — возбудитель, 10— патрубок подвода воды к охладителю, 11 — охладитель возбудителя, 12— маслопровод к подшипнику, 13— стойка подшипника. 14 — термометр, 15 - трубки для циркуляции воды в охладителе, 16 — бандажные кольца обмотки статора, 17 — бандажное кольцо ротора, 18— центробежный вентилятор, 19 — фланец для соединения вала ротора с турбиной
Рис. 5. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором:
1— вал, 2 — наружная крышка подшипника, 3 — роликовый подшипник, 4 — внутренняя крышка подшипника, 5 — подшипниковый щит, 6 — коробка выводов, 7 — обмотка статора, 8 — обмотка ротора, 9 — сердечник статора, 10 — сердечник ротора, 11 — корпус электродвигателя, 12 — кожух вентилятора, 13 — вентилятор, 14 — болт заземления, 15 — отверстие для болта крепления двигателя
Асинхронные двигатели выпускают двух типов: с короткозамкнутыми (рис. 5) и фазными (рис.,6) роторами.
Обмотка фазных роторов изолирована, как и обмотка статора. Начала фаз обмотки подведены к контактным кольцам. С помощью щеток, прилегающих к кольцам, обмотку ротора соединяют с пусковым реостатом. Во время пуска и разгона двигателя резисторы реостата включаются последовательно с каждой из фаз обмотки и ограничивают токи в них, одновременно повышается пусковой момент двигателя. По мере разгона двигателя реостат выводят и при достижении номинального режима работы обмотку ротора замыкают накоротко. Двигатели с фазными роторами могут пускаться плавно без больших бросков тока в сети.
Короткозамкнутые роторы имеют неизолированную постоянно замкнутую накоротко обмотку. Двигатели с короткозамкнутыми роторами проще по конструкции, дешевле и надежней в работе, чем с фазными, так как в них отсутствует изоляция обмотки ротора, нет скользящих контактов — щетки-кольца и для пуска не требуется пускового реостата. Короткозамкнутые роторы имеют два конструктивных исполнения: с обмоткой из вставных медных стержней и с литой обмоткой.
Рис. 6. Асинхронный двигатель с фазным ротором:
1 — вал, 2 — крышка подшипника, 3—масленка для пополнения смазки, 4 — жалюзи для входа воздуха, 5 — щит, 6— обмотка статора, 7 — обмотка ротора, 8—магнитопровод статора, 9 — магнитопровод ротора, 10 — обмоткодержатель, 11— токоподвод к обмотке ротора, 12 — кожух контактных колец, 13 — траверса, 14 — щеткодержатель, 15-контактные кольца, 16 — изоляционные прокладки, 17 — болт крепления траверсы, 18 — крышка коробки выводов.
Наибольшее распространение получили двигатели, обмотка роторов которых выполнена заливкой пазов алюминием или его сплавами. Одновременно со стержнями обмотки отливаются и короткозамыкающие кольца с вентиляционными лопатками. Такое устройство имеют почти все современные асинхронные двигатели мощностью до 300— 400 кВт. Это объясняется, в первую очередь, тем, что изготовление обмотки методом заливки пазов алюминием дешевле, технологичней и требует меньших затрат рабочего времени, чем изготовление обмотки из вставных стержней. Кроме того, в роторах с литой обмоткой могут быть выполнены пазы сложной конфигурации. Эта возможность используется, например, в двигателях, предназначенных для работы с приводами, имеющими тяжелые условия пуска. Пазы роторов таких двигателей выполняются не круглыми или прямоугольными, как в роторах с обмоткой из вставных стержней, а с сужающимися в верхней части фигурными (грушевидными или трапецеидальными) пазами, что значительно улучшает пусковые характеристики двигателей. Недостатком двигателей с короткозамкнутыми роторами является резкое увеличение тока во время пуска: пусковой ток может в шесть-семь раз превышать номинальный. Несмотря на это, асинхронные короткозамкнутые двигатели из-за простоты конструкции и удобства эксплуатации — самые распространенные электрические двигатели.
Машины постоянного тока.
Недостатком синхронных и асинхронных двигателей является отсутствие простых способов регулирования частоты их вращения. Поэтому в приводах механизмов, в которых требуется регулировать скорость в процессе работы, — в некоторых станках, например в станках с числовым программным управлением (ЧПУ), в подъемных устройствах, на железнодорожных электровозах и другом транспорте на электротяге — применяют двигатели постоянного тока, частота вращения которых может быть плавно изменена в широких пределах.
Использование машин постоянного тока в качестве генераторов в настоящее время сокращается. Постоянный ток получают от статических преобразователей.
В машинах постоянного тока (рис. 7) катушки обмоток возбуждения располагаются на полюсах, которые крепятся на статоре. Ток возбуждения постоянный, поэтому магнитный поток в статоре тоже постоянный. Это позволяет статоры машин делать не шихтованными, как в синхронных и асинхронных машинах, а более дешевыми и прочными — массивными из стали или чугуна. Поэтому надобность в специальном корпусе машины отпадает. Статор машины постоянного тока называют станиной. На ее внутренней поверхности закрепляются главные полюсы с обмоткой возбуждения. На наружной поверхности станины имеются лапы для крепления машины к фундаментной плите и рым- болт для подъема и монтажа машины.
Ротор машины постоянного тока называют якорем. В обмотке якоря протекает переменный ток и магнитный поток в его сердечнике переменный, поэтому сердечник якоря делают шихтованным из листов электротехнической стали.
Рис. 7. Машина постоянного тока:
1 — подшипник, 2 — задний подшипниковый щит, 3 — траверса щеткодержателей, 4 — коллектор, 5 — палец щеткодержателя, 6 — щетки, 7 — коробка выводов, 8 — якорь, 9 — обмотка полюса, 10 — болт крепления полюсов, 11 —сердечник полюса, 12 —воздухонаправляющий щиток, 13 — вентилятор, 14 — корпус, 15 — передний подшипниковый щит, 16 — вал, 17 — жалюзи для входа воздуха
Обмотка якоря соединена с коллектором, расположенным на одном валу с якорем. Коллектор представляет собой цилиндр, собранный из отдельных изолированных друг от друга медных пластин, каждая из которых соединяется с витками обмотки.
Коллекторные пластины при вращении якоря скользят под плотно прилегающими к поверхности коллектора неподвижными щетками. Щетки соединяются с сетью постоянного тока. Вращающийся коллектор и неподвижные щетки являются преобразователем тока: в двигателях они преобразуют постоянный ток сети в переменный ток якоря, в генераторах, наоборот, переменный ток якоря в постоянный ток сети.
При вращении коллектора щетки через его пластины поочередно соединяются с разными витками обмотки. При этом беспрерывно происходят замыкания и разрывы контактов между пластинами коллектора и щетками. Этот процесс называют коммутацией. Он может сопровождаться искрением под щетками. При хорошей коммутации искрение под щетками почти незаметно, при плохой большие искры могут повредить пластины коллектора и машина выйдет из строя. Чтобы улучшить коммутацию, на станине помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения устанавливают добавочные полюсы. Магнитные потоки добавочных полюсов несколько изменяют магнитное поле машины, и коммутация улучшается.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- Для чего и где применяют различные электрические машины?
- Назовите основные части электрической машины и укажите их назначение.
- Назовите основные типы электрических машин. Чем они отличаются друг от друга?
- Каковы основные виды потерь в электрических машинах и от чего они зависят?
- Что называют коэффициентом полезного действия электрической машины?
- К какому типу электрических машин относятся установленные на электростанциях турбогенераторы и гидрогенераторы?
- Для привода каких механизмов используются двигатели постоянного тока?
- В чем заключается преимущество асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором перед другими двигателями?
- Какую роль играет коллектор в машинах постоянного тока?
