Машини змінного струму: пристрій, принцип роботи, застосування

Електричні машини виконують відповідальну функцію перетворення енергії в робочих механізмах і генераторних станціях. Такі пристрої знаходять своє місце в різних областях, забезпечуючи виконавчі органи достатнім силовим потенціалом. Одну з найбільш затребуваних систем даного типу представляють машини змінного струму (МПТ), які мають кілька різновидів і відмінностей всередині свого класу.

Загальні відомості про МПТ

Сегмент МПТ або електромеханічних перетворювачів можна умовно розділити на однофазні і трифазні системи. Також на базовому рівні виділяють асинхронні, синхронні і колекторні пристрої, при цьому загальний принцип дії і конструкційне виконання у них має багато схожого. Дана класифікація машин змінного струму носить умовний характер, оскільки сучасні станції електромеханічного перетворення частково задіють робочі процеси від кожної групи пристроїв.

Як правило, в основі МПТ знаходиться статор і ротор, між якими передбачається повітряний зазор. Знову ж таки, незалежно від типу машини, робочий цикл будується на обертанні магнітного поля. Але якщо в синхронній установці рух ротора відповідає напрямку силового поля, то в асинхронної машині ротор може рухатися в іншому напрямку і з різними частотами. Ця відмінність обумовлює і особливості застосування машин. Так, якщо синхронні можуть виступати і в якості генератора, і як електромеханічний двигун, то асинхронні в основному використовують як двигуни.

Що стосується кількості фаз, то виділяють одно - і багатофазні системи. Причому, з точки зору практичного використання, заслуговують на увагу представники другої категорії. Це здебільшого трифазні машини змінного струму, в яких функцію енергоносія якраз виконує магнітне поле. Однофазні ж пристрої зважаючи експлуатаційної непрактичності і великих розмірів поступово виходять з практики застосування, хоча в деяких сферах вирішальним фактором їх вибору є низька вартість.

Відмінності від машин постійного струму

Принципова конструкційна різниця полягає в розташуванні обмотки. У системах змінного струму вона охоплює статор, а в машинах постійного струму-ротор. В обох групах електродвигуни розрізняються за типом збудження струму-змішані, паралельні і послідовні. Сьогодні машини змінного і постійного струму використовуються в промисловості, сільському господарстві і в побутовій сфері, проте перший варіант більш привабливий за своїми експлуатаційними якостями. Генератори і двигуни змінного струму виграють за рахунок більш технологічною конструкції, надійності і високої енергетичної віддачі.

Застосування пристроїв, що працюють на постійному струмі, поширене в сферах, де на перший план виходять вимоги до точності регулювання робочих параметрів. Це можуть бути тягові механізми транспорту, обробні верстати і складні вимірювальні прилади. У плані продуктивності машини постійного і змінного струму мають високий ККД, але з різними можливостями техніко-конструкційної підстроювання під конкретні умови застосування. Робота з постійним струмом дає більше можливостей для управління частотою обертання, що важливо при обслуговуванні серводвигунів і крокових моторів.

Пристрій асинхронної МПТ

Для технічної основи даного пристрою у вигляді ротора і статора використовується листова сталь, яку перед складанням покривають ізоляційним олійно-каніфольним шаром з обох сторін. У машинах малої потужності сердечник може виконуватися з електричної сталі без додаткового покриття, оскільки ізолятором в даному випадку виступає природний оксидний шар на металевій поверхні. Статор фіксується в корпусі, а ротор на валу. В асинхронних машинах змінного струму великої потужності сердечник ротора може кріпитися і на ободі корпусу втулкою, насадженої на вал. Безпосередньо вал повинен обертатися на підшипникових щитах, які також фіксуються до основи корпусу.

Зовнішні поверхні ротора і внутрішні поверхні статора спочатку забезпечуються пазами для розміщення провідників обмотки. У статора машин змінного струму обмотка частіше виконується трифазної і підключається до відповідної мережі на 380 В. Її також називають первинною. Аналогічно виконується і обмотка ротора, закінчення якої зазвичай формують з`єднання в конфігурації зірки. Передбачаються і контактні кільця, через які додатково може підключатися реостат для регулювання або трифазний пусковий елемент.

Важливо відзначити і параметри повітряного зазору, який виконує функцію демпферної зони, що знижує шум, вібрації і нагрівання при роботі пристрою. Чим габаритніше машина, тим більше повинен бути зазор. Його величина може варіюватися від одного до декількох міліметрів. Якщо конструкційно неможливо залишити достатньо місця для повітряної зони, то передбачається система додаткового охолодження установки.

Принцип роботи асинхронної МПТ

Трифазну обмотку в даному випадку підключають до симетричної мережі з трифазним напругою, в результаті чого в повітряному зазорі формується магнітне поле. Щодо обмотки якоря вживаються спеціальні заходи для досягнення гармонійного просторового розподілу поля для демпферного зазору, що утворює систему обертових магнітних полюсів. Згідно з принципом дії машини змінного струму, на кожному полюсі формується магнітний потік, який перетинає контури обмотки, тим самим провокуючи генерацію електрорушійної сили. У трифазної обмотці індукується трифазний струм, що забезпечує крутний момент двигуна. На тлі взаємодії струму ротора з магнітними потоками відбувається формування електромагнітної сили на провідниках.

Якщо ротор під дією зовнішньої сили приводиться в рух, напрямок якого відповідає напрямку потоків магнітного поля машини змінного струму, то ротор почне обганяти темпи обертання поля. Це відбувається в тих випадках, коли частота обертання статора перевершує номінальну синхронну частоту. У той же час буде змінено напрямок руху електромагнітних сил. Таким чином формується гальмуючий момент зі зворотною дією. Даний принцип роботи дозволяє використовувати машину і в якості генератора, Що працює в режимі віддачі активної потужності в мережу.

Пристрій і принцип дії синхронних МПТ

У частині виконання і розташування статора синхронна машина схожа на асинхронну. Обмотка називається якорем і виконується з тією ж кількістю полюсів, як і в попередньому випадку. У ротора передбачається обмотка збудження, енергетичне постачання якої забезпечують контактні кільця і щітки, підключені до джерела постійного струму. Під джерелом мається на увазі малопотужний генератор-збудник, що встановлюється на одному валу. У синхронній машині змінного струму обмотка виконує функцію генератора первинного магнітного поля. В процесі проектування конструктори прагнуть створювати умови для того, щоб індукційний розподіл поля збудження на поверхнях статора було якомога ближче до синусоїдального.

При підвищених навантаженнях обмотка статора формує магнітне поле з обертанням в напрямку ротора з аналогічною частотою. Таким чином утворюється єдине поле обертання, при якому поле статора буде впливати на ротор. Цей пристрій машин змінного струму дозволяє їх використовувати як електродвигуни, якщо спочатку забезпечується підводка трифазного струму до синхронної обмотці. Такі системи створюють умови для координованого обертання ротора з частотою, що відповідає полю статора.

Явнополюсні та неявнополюсні синхронні машини

Головною відмінністю явнополюсних систем є присутність в конструкції виступаючих полюсів, які кріпляться до спеціальних виступів вала. У типових механізмах фіксація виконується за допомогою Т-образних хвостових кріплень до обода хрестовини або валу через втулку. У пристрої машин змінного струму малої потужності ця ж задача може вирішуватися болтовими з`єднаннями. Як матеріал обмотки використовується смугова мідь, яку намотують на ребро, ізолюючи спеціальними прокладками. У наконечниках з полюсами в пазах розміщуються стрижні обмотки для пуску. У цьому випадку застосовується матеріал з високим питомим опором на зразок латуні. Контури обмотки по торцях приварюють до короткозамикаючих елементів, утворюючи загальні кільця для короткого замикання. Явнополюсні машини з силовим потенціалом на 10-12 кВт можуть виконуватися в так званій зверненої конструкції, коли якір обертається, а полюса індуктора зберігають нерухомий стан.

У неявнополюсних машин конструкція базується на циліндричному роторі, що виконується зі сталевої поковки. У роторі присутні пази для формування обмотки збудження, полюси якої розраховуються на високі частоти обертання. Однак застосування такої обмотки в електричних машинах зі змінним струмом великої потужності неможливо через високий ступінь зносу ротора в жорстких умовах експлуатації. З цієї причини навіть в установках середньої потужності для роторів застосовують високоміцні компоненти з цільних поковок на основі хромонікельмолібденових або хромонікелевих сталей. Відповідно до технічних вимог до міцності, максимальний діаметр робочої частини у ротора неявнополюсной синхронної машини не може бути вище 125 см. Це пояснює незвичайний форм-фактор ротора з подовженим корпусом, хоча і по даному параметру є обмеження, пов`язані зі збільшенням вібрацій у занадто довгих елементів. Гранична довжина ротора становить 8,5 м. До неявнополюсним агрегатів, які використовуються в промисловості, можна віднести різні турбогенератори. З їх допомогою, зокрема, пов`язують робочі моменти парових турбін з тепловими енергостанціями.

Особливості вертикальних гідрогенераторів

Окремий клас явнополюсних синхронних МПТ, забезпечених вертикальним валом. Такі установки підключаються до гідравлічних турбін і підбираються під потужності обслуговуваних потоків по частоті обертання. Більшість машин змінного струму даного типу є тихохідними, але при цьому мають велику кількість полюсів. Серед відповідальних робочих компонентів вертикального гідрогенератора можна відзначити наполегливий підшипник і підп`ятник, на який припадає навантаження від обертових частин движка. На підп`ятник, зокрема, накладається і тиск від потоків води, яка діє на турбінні лопаті. Крім того, для зупинки обертання передбачається гальмо, а в робочій структурі також присутні напрямні підшипники, що сприймають радіальні зусилля.

У верхній частині машини поряд з гідрогенератором можуть розміщуватися допоміжні агрегати-наприклад, збудник генератора і регулятор. До слова, останній являє собою самостійну машину змінного струму з обмоткою і полюсами на постійних магнітів. Дана установка забезпечує живлення двигуна для забезпечення функції автоматичного регулятора. У великих вертикальних гідрогенераторах збудник може замінюватися синхронним генератором, який разом зі збудливими вузлами і ртутними випрямлячами забезпечує енергопостачання силових пристроїв, що обслуговують робочий процес основного гідрогенератора. Конфігурація машини з вертикальним валом також використовується в якості приводного механізму потужних гідравлічних насосів.

Колекторні МПТ

Наявність колекторного вузла в конструкції МПТ часто обумовлюється необхідністю виконання функції перетворення частоти обертання в електричному зв`язку різночастотних ланцюгів на обмотках ротора і статора. Це рішення дозволяє наділяти пристрій додатковими експлуатаційними властивостями, у числі яких автоматична регуляція робочих параметрів. Колекторні машини змінного струму, які підключаються до трифазних мереж, отримують по три щіткових пальця в кожному сегменті подвійного полюсного поділу. З`єднання щіток між собою виконується по паралельній схемі перемичками. У цьому сенсі колекторні МПТ схожі на електродвигуни з постійним струмом, але відрізняються від них кількістю застосовуваних щіток на полюсах. Крім цього, статор в даній системі може мати кілька додаткових обмоток.

Замкнута обмотка якоря при використанні колектора з трифазними щітками буде являти собою трифазну комплексну обмотку з з`єднанням у вигляді трикутника. В процесі обертання якоря кожна фаза обмотки зберігає незмінну позицію, проте секції по черзі переходять від однієї фази до іншої. Якщо в колекторної машині змінного струму використовується шестифазний комплект щіток із зсувом на 60° відносно один одного, то формується шестифазна обмотка з з`єднанням за схемою багатокутника. На щітках багатофазної машини з колекторної групою частота струму визначається обертанням магнітного потоку по відношенню до нерухомих щіток. Напрямок обертання ротора може бути як зустрічним, так і узгодженим.

Застосування МПТ

Сьогодні МПТ використовуються всюди, де в тому чи іншому вигляді потрібно генерація механічної або електричної енергії. Великі продуктивні агрегати застосовуються в обслуговуванні інженерних систем, енергетичних станцій і підйомно-транспортних вузлів, а малопотужні-у звичайній побутовій техніці від вентиляторів до насосів. Але в обох випадках призначення машин змінного струму зводиться до вироблення енергетичного потенціалу в достатньому обсязі. Інша справа, що мають принципове значення конструкційні відмінності, реалізація внутрішньої конфігурації статора і ротора, а також керуюча інфраструктура.

Хоча загальний пристрій МПТ протягом тривалого часу зберігає один і той же набір функціональних компонентів, підвищуються вимоги до експлуатації таких систем змушують розробників вносити додаткові органи контролю і управління. На сучасному етапі технологічного розвитку особливо в контексті застосування машин змінного струму у виробничій сфері експлуатацію подібних двигунів і генераторів складно уявити без високоточних засобів регуляції робочих параметрів. Для цього використовуються найрізноманітніші способи управління-імпульсний, частотний, реостатний і т.д. Впровадження автоматики в регулюючу інфраструктуру також є характерна риса сучасної експлуатації МПТ. Керуюча електроніка підключається до силової установки з однієї сторони, а з іншого-до програмних контролерів, які за заданим алгоритмом дають команди на установку конкретних параметрів роботи механізму.

Укладення

Генератори струму і електродвигуни є обов`язковим силовим компонентом в сучасній промисловості. За рахунок їх функції працюють верстати, транспорт, комунікаційні установки та інші Електротехнічні агрегати і прилади, що вимагають енергопостачання. При цьому існує величезний масив видів і підвидів електричні машини змінного і постійного струму, особливості та характеристики яких в результаті визначають нішу для їх експлуатації. До техніко-експлуатаційних особливостей МПТ можна віднести більш просте конструкційне пристрій і відносно низькі вимоги до обслуговування. З іншого боку, машини постійного струму виявляються більш привабливим рішенням завдань енергопостачання в складних відповідальних системах живлення. Вітчизняний виробничий сегмент енергетичного промислового обладнання має величезний досвід в проектуванні і випуску електричних машин обох типів. Великі підприємства все більший упор роблять на розробку індивідуальних рішень з конструкційними та експлуатаційними особливостями. Відхилення від типових проектів часто пов`язані з необхідністю підключення допоміжних функціональних вузлів і обладнання на зразок систем охолодження, захисних засобів від перегріву і мережевих коливань, додаткового і резервного живлення. Крім того, на частину конструкційних властивостей електричних машин чималий вплив робить зовнішнє середовище експлуатації, що також враховується на етапах проектування і створення техніки.