Електричні машини виконують відповідальну функцію перетворення енергії до робочих механізмів і генераторних станціях. Такі пристрої знаходять своє місце в різних областях, забезпечуючи виконавчі органи достатнім силовим потенціалом. Одну з найбільш затребуваних систем даного типу становлять машини змінного струму (МПТ), які мають кілька різновидів та відмінностей усередині 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 пристрою, 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 асинхронній машині ротор може рухатися в іншому напрямку і з різними частотами. Це відмінність обумовлює і особливості застосування машин. Так, якщо синхронні можуть виступати і як генератор, 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, у яких функцію енергоносія як раз виконує магнітне поле. Однофазні пристрою через експлуатаційної непрактичності і великих розмірів поступово виходять із практики застосування, хоча в деяких сферах вирішальним чинником 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, однак 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, поширена 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 двигунів.
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. В машинах малої потужності сердечник може виконуватися з електричної сталі без додаткового покриття, оскільки ізолятором у 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 обертатись 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 трифазною і підключається до відповідної мережі на 380 Ст. 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, знижує шум, вібрації і нагрівання при роботі пристрою. Чим більше машина, тим більше повинен бути зазор. Його величина може варіюватися від одного до декількох міліметрів. Якщо конструктивно 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, у результаті чого в повітряному зазорі формується магнітне поле. Відносно обмотки якоря приймаються спеціальні заходи для досягнення гармонійного просторового розподілу поля для демпферного зазору, що утворює систему обертових магнітних полюсів. Згідно принципу дії машини змінного струму, на кожному полюсі формується магнітний потік, який перетинає контури обмотки, тим самим провокуючи генерацію електрорушійної сили. У трифазній обмотці індукується трифазний струм, що забезпечує обертаючий 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 перевищує номінальну синхронну частоту. В той же час буде змінено напрямок руху електромагнітних сил. Таким чином формується гальмівний момент із зворотною дією. Даний принцип роботи дозволяє використовувати машину і в якості генератора, працюючого в режимі віддачі активної потужності в мережу.
Пристрій і принцип дії синхронних МПТ
В 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, який встановлюється на одному валу. В синхронній машині змінного струму обмотка виконує функцію генератора первинного магнітного поля. У процесі проектування конструктори прагнуть створювати умови для того, щоб індукційне розподіл поля збудження на поверхнях статора було як можна ближче до синусоїдальної.
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 поля статора.
Явнополюсные і неявнополюсные синхронні машини
Головною відмінністю явнополюсных систем є наявність у конструкції виступаючих полюсів, які кріпляться до спеціальним виступам валу. У типових механізми фіксація виконується за допомогою Т-подібних хвостових кріплень до обода хрестовини або валу через втулку. У пристрої машин змінного струму малої потужності ця ж задача може вирішуватися болтовими з’єднаннями. В якості матеріалу обмотки використовується смугова мідь, яку намотують на ребро, ізолюючи спеціальними прокладками. В наконечниках з полюсами в пазах розміщуються стрижні обмотки для пуску. У цьому випадку застосовується матеріал з високим питомим опором зразок латуні. Контури обмотки по торцях приварюють до короткозамикаючим елементів, утворюючи загальні кільця для короткого замикання. Явнополюсные машини з силовим потенціалом на 10-12 кВт можуть виконуватися в так званій зверненої конструкції, коли якір обертається, а полюси індуктора зберігають нерухомий стан.
У неявно полюсних машин конструкція базується на циліндричному роторі, який виконується із сталевого поковки. В роторі присутні пази для формування обмотки збудження, полюси якої розраховуються на високі частоти обертання. Однак застосування такої обмотки в електричних машинах з змінним струмом великої потужності неможливо із-за високого ступеня зносу ротора в жорстких умовах експлуатації. З цієї причини навіть в установках середньої потужності для роторів застосовують високоміцні компоненти з цільних поковок на основі хромнікельмолібденових або хромонікелевих сталей. У відповідності з технічними вимогами до міцності, максимальний діаметр робочої частини ротора у неявнополюсной синхронної машини не може бути вище 125 див. Це пояснює незвичайний форм-фактор ротора з подовженим корпусом, хоча і за цим параметром є обмеження, пов’язані з збільшенням вібрацій у дуже довгих елементів. Гранична довжина ротора становить 8,5 м. До неявнополюсным агрегатів, які використовуються в промисловості, можна віднести різні турбогенератори. З їх допомогою, зокрема, пов’язують робочі моменти парових турбін з тепловими энергостанциями.
Особливості вертикальних гідрогенераторів
Окремий клас явнополюсных синхронних МПТ, забезпечених вертикальним валом. Такі установки підключаються до гідравлічних турбін і підбираються під потужності обслуговуються потоків по частоті обертання. Більшість машин змінного струму даного типу є тихохідними, але при цьому мають велику кількість полюсів. Серед відповідальних робітників компонентів вертикального гідрогенератора можна відзначити упорний підшипник і підп’ятник, на який припадає навантаження від обертових частин двигуна. На підп’ятник, зокрема, накладається і тиск від потоків води, яка діє на турбінні лопаті. Крім того, для зупинки обертання передбачається гальма, а в структурі робочої також присутні напрямні підшипники, що сприймають радіальні зусилля.
У верхній частині машини поряд з гидрогенератором можуть розміщуватися допоміжні агрегати – наприклад, збудник генератора і регулятор. До речі, 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 гидрогенераторах збудник може замінюватися синхронним генератором, який разом з возбудительными 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 найчастіше обумовлюється необхідністю виконання функції перетворення частоти обертання електричного зв’язку різночастотних ланцюгів на обмотках ротора і статора. Це рішення дозволяє наділяти пристрій додатковими експлуатаційними властивостями, в числі яких автоматичне регулювання робочих параметрів. Колекторні машини змінного струму, які підключаються до трифазних мереж, отримують по три щіткових пальця в кожному сегменті подвійного полюсного ділення. З’єднання щіток між собою виконується за паралельною схемою 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 представляти собою трифазну комплексну обмотку із з’єднанням у вигляді трикутника. У процесі обертання якоря кожна фаза обмотки зберігає незмінну позицію, однак секції по черзі переходять від однієї фази до іншої. Якщо в колекторної машини змінного струму використовується шестифазний комплект щіток зі зрушенням на 60° один відносно 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. Напрям обертання ротора може бути як зустрічними, 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 та ротора, а також керуюча інфраструктура.
Хоча загальне 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 та 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 регулювання робочих параметрів. Для цього використовуються різні способи управління – імпульсний, частотний, реостатний і т. д. Впровадження автоматики в регулюючу інфраструктуру також є характерною рисою сучасної експлуатації МПТ. Керуюча електроніка підключається до силовій установці з одного боку, а з іншого – до програмних контролерів, які за заданим алгоритмом дають команди на встановлення конкретних параметрів роботи механізму.
Висновок
Генератори струму і електродвигуни є обов’язковим силовим компонентом у сучасній промисловості. За рахунок їх функції працюють верстати, транспорт, комунікаційні установки та інші електротехнічні агрегати та прилади, які потребують енергопостачання. При цьому існує величезний масив видів і підвидів електричні машини змінного і постійного струму, особливості і характеристики яких у підсумку визначають нішу для їх експлуатації. До техніко-експлуатаційним особливостям 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 харчування. Вітчизняний виробничий сегмент енергетичного промислового обладнання має величезний досвід в проектуванні та виробництві електричних машин обох типів. Великі підприємства все більший наголос 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 кшталт систем охолодження, захисних засобів від перегріву і мережевих коливань, додаткового і резервного живлення. Крім того, на частину конструкційних властивостей електричних машин чималий вплив має зовнішнє середовище експлуатації, що також враховується на етапах проектування і створення техніки.
