Айнымалы ток машиналарының электромеханикалық қасиеттері Айнымалы ток машиналары

Айнымалы ток машиналарының электромеханикалық қасиеттері Айнымалы ток машиналары арасынан өндірісте кең тарағаны асинхронды және синхронды машиналар. Бұл машиналар қозғалмайтын бөлік - статордан және айналатын бөлік - ротордан тұрады, ал жұмыс істеу принципі айналмалы магнит өрісін қолдануға негізделген. Асинхронды машиналарда ротордың айналу жиілігі статордың магнит өрісінің айналу жиілігінен өзгеше болады, яғни Асинхронды машинаны 1888 жылы орыс ғалымы М. И. Доливо-Добровольский ойлап тапқан. Бұл машинаның артықшылығы құрылымы 1 қарапайым, арзан, жұмыс істеу сенімділігі жоғары.

Асинхронды машинаның құрылымы Статордың құрамына барлық айналмайтын бөліктер кіреді. Олардың негізгілері – корпус 1, өзекше 2 және орама. Корпус кұймалы алюминийден немесе шойыннан, ал қуатты машиналар үшін болаттан жасайды. Өзекшені екі жағы лакталған электротехникалық болат қаңылтырлардың (0, 35 -0, 5 мм) жиынынан құрайды. 2

Өзекшенің ішкі өнбойлық ойықтарына (паздарына) ораманың мыс сымнан жасалған өткізгіштері орналасады. Ораманың негізгі элементі – бір ( а) немесе бірнеше орамнан (б) тұратын секция. Өзекшенің ойығына Бір секцияның активті қабырғылары салынса, онда орама бір қабатты деп, ал екі секцияның қабырғылары салынса, онда орама екі қабатты ( в) деп аталады 3

Параметрлер: 1. Полюстік бөліну τ - бір полюске қатысты статордың шеңберінің ұзындығы, ол ойық санымен есептеледі: z – өзекшедегі ойықтар саны; р – жұп полюстер саны. 2. Ораманың қадамы у – секцияның активті қабырғалары арасындағы статордың шеңбері бойынша қашықтық, ол ойық санымен есептеледі. 3. Бір полюс және фазаға қатысты ойық саны q m – фаза саны 4. Көрші ойықтар арасындағы бұрыш α: 5. Фазалардың орамаларының арасындағы ығысу λ, (ойық санымен): 4

Секциялар өзара жалғанып, фазалардың орамаларын құрайды. Бір ораманың орамдарының қабырғалары өзекшенің қарама-қарсы ойықтарына (паздарына) орналасады. Бір фазаға қатысты орама біреу болса, онда ол статордың 1/3 орналасады. Магнит ағынының осіне перпендикуляр және статор мен роторды екі бөлікке бөлетін жазықтық нейтраль деп аталады. Бір бөлікте солтүстік магниттік полюс, ал екінші бөлікте оңтүстік полюс орналасады. 5

Фазалардың орамалары өзара “ жұлдызша” және “үшбұрыш ” сұлбасы бойынша жалғанады. Үш фазалы жүйенің орамаларын статордың кеңістігінде өзара белгілі бір бұрыш (120 немесе 60 градус) бойынша ығыстырып, орналастырады. Сол арқылы магнит өрісінің айналу жиілігін өзгертуге болады. 6

Ротор екі түрлі болады: қысқаша тұйықталған ротор және фазалы ротор. Ротордың өзекшесі білікке (валға) бекітілген цилиндр пішінді электротехникалық болат қаңылтырлардан жинақталып, құралады. Қысқаша тұйықталған ротордың өзекшесінің ойықтарына қысқаша тұйықталған ораманың өткізгіштері орналасқан, ал олардың ұштары мыс сақиналар арқылы өзара жалғасқан. Бұндай орама цилиндрлік тор тәріздес, “ақтиін дөңгелегі ” деп аталады. Фазалы ротордың орамалары статордың орамаларындай “ жұлдызша” сұлбасы бойынша жалғанған. Олардың басқы және аяққы ұштары білікке орнатылған, өзара электрлік оқшауланған контактылық сақиналарға жалғанған. Бұл сақиналармен түйіскен сырғымалы щеткалар арқылы ротордың орамалары реостатпен жалғасады. Реостат арқылы айналу жиілігін реттейді және қозғалтқышты жүргізіп жіберу жағдайын жақсартады 7

8

Статорда айналмалы магнит өрісінің пайда болуы Үш фазалы асинхронды қозғалтқышта фазалық орамалар статор кеңістігінде өзара 120 градусқа ығысып, орналасады. Олар үш фазалы симметриялы кернеулер жүйесіне қосылған кезде олардың бойымен синусоидалы токтар жүреді: Белгілі бір сәтте ток оң болса (суретте +), онда ток ораманың басқы ұшынан аяққы ұшына бағыталған деп есептейміз (мысалы, а-дан x – ке қарай). Ал ток осы сәтте теріс болса, онда ол ораманың аяққы ұшынан басқы ұшына бағыталған деп есептейміз (мысалы, у-тен b – ге қарай). Әр орама өзінің магнит өрісін тудырады, ал үш магнит өрісі қосылуы нәтижесінде статордың қорытынды магнит өрісі пайда болады. Бұл қорытынды магнит өрісі сипатын үш уақыт сәтіне ( ) қатысты анықтайық. Өткізгіште бізге қарай бағытталған токтың бағыты (·) белгілейміз, керісінше жағдайда (+). Болаттан ауалық саңылауға кірген жақта N полюс , ал ауалық саңылаудан болатқа кірген жақта S полюс пайда болады. 9

10

11

Үш уақыттық сәттерге сәйкес келетін қорытынды магнит өрісінің салыстыра отырып, мынадай тұжырымдама жасауға болады: 1. Қорытынды магнит өрісінің күштік сызықтары машинаның осіне қатысты бірқалыпты бір бағытта айналады, яғни үш фазалы статордың манит өрісі айналмалы болады; 2. Егер фазаның орамасы біреу болса, онда үш фазалы токтар жүйесі бір жұп полюсті магнит өрісін тудырады; 3. Қозғалмайтын орамалардағы ток өзгерген кезде магнит өрісінің сызықтарының конфигурация өзгермейді; 4. Қорытынды магнит өрісінің айналу бағытын өзгерту үшін орамалардағы токтардың реттік жүрісін (фазалардың берілу ретін ) өзгерту керек. 12

Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс істеу принципі 13

14

Статордың орамаларына үш фазалы кернеу берген кезде N -S полюстері бар айналмалы магнит өрісі пайда болады. Бұл өрістің күштік сызықтары ротордың орамасын қиып өткен кезде орамада Э. Қ. К. пайда болады. Э. Қ. К. -нің бағыты “оң қол” ережесімен анықталады. Пайда болған Э. Қ. К. - тің әсерінен тұйық контурдың бойымен ток жүреді. Ал айнымалы магнит өрісінде орналасқан тогы бар өткізгішке электромагниттік күш әсер ететіні белгілі. Бұл күштің бағыты “сол қол” ережесі бойынша анықталады. Суреттегі жоғарғы өткізгішке оңға қарай, төменгі өткізгішке солға қарай итермелейтін күштер әсер етеді, яғни қозғалмай тұрған роторды магнит өрісінің айналу бағыты бойынша айналдыруға тырысатын электромагниттік момент пайда болады. Бұл момент мәне валды тежеуші момент үлкен болған кезде, ротордың айналу жылдамдығы 15 артады.

Өндірістік механизмдердің тежегіш моментін теңгеретін электромагниттік момент тудыруға жеткілікті орамамен ток жүрген кезде ротор тұрақты жиілікпен айналады. Қорытынды: Кеңістікте статор мен ротордың магнит өрістері бір бағытта әр түрлі жиілікпен айналады: ротордың айналу жиілігі әр кезде статордың магнит өрісінің айналу жиілігінен кем болады. Егер болса, онда статордың магнит өрісінің күштік сызықтары ротордың орамасын қиып өтпейді, демек, онда Э. Қ. К. (ток) пайда болмайды. Бұл жағдайда роторды айналдыратын электромагниттік пайда болмайды. Сырғанау деп аталатын параметр қолданылады: , бұдан 16

Статордың көп полюсті айналмалы магнит өрісі Статордың магнит өрісінің синхронды айналу жиілігі Мұндағы - қоректендіруші желінің жиілігі (50 Гц, АҚШ пен Жапонияда 60 Гц); : р –жұп полюстер саны; Мысалы, А фазасы үшін бір ғана орама болса, онда р=1, =3000 айн/мин. Қозғалтқыштың фазасында екі жұп полюстер (р=2) алу үшін әрбір фаза екі орамадан тұру керек. Бұл жағдайда орамдардың қабырғалары 90° (180°/2) ығысқан ойықтарға орналасуы керек. Егер р=2 болса айн/мин Егер р=4 болса Егер р=3 болса айн/мин 17

18

Фазаның орамдарының жалғану сұлбасы (а) және төртполюсті (р=2) магнит өрісінің көрінісі (б) 19

Асинхронды қозғалтқыштың статоры роторының Э. Қ. К. -тері және токторы Статордың орамындағы Э. Қ. К. : Қозғалмаған кездегі орамындағы Э. Қ. К. ( ( ): =0) мен ротордың 20

Ротор айналған кезде Мұндағы Ротордың орамасындағы ток: Егер S=1( =0) болғанда: Егер S=0, онда 21

Электромагниттік момент 22

Асинхронды қозғалтқыштың жұмыстық сипаттамалары 23

Механикалық сипаттамасы Мж - жұмыстық момент; Мн - номинальдық момент; Мжб – жүргізіп жіберу (пусковой) моменті; Мк – шектік (критический) момент 24

Синхронды машиналар электр машиналардың көпшілігі сияқты қозғалтқыш режимде де, генераторлық режимде де жұмыс жасай алады. Бірақ өндірісте олар генератор ретінде кеңінен қолданылады. Барлық электр станцияларда электр энергиясын өндіруші негізгі қондырғы ретінде саналады. Олар қозғалтқыш ретінде айналу жиілігінің тұрақты болуы қажет өндірісте қолданады (мысалы, газ және мұнай айдаушы станциялардағы компрессорлардың және насостардың жетегінде, металургиялық заводтарда , құрылыс өндірісінде). Олардың статоры асинхронды машиналардың статоры сияқты корпустан, өзекшеден және орамадан тұрады. Өзекшенің ойықтарына кеңістікте бірі-бірінен 120° ығысқан үш ораманың өткізгіштері орналасады. Синхронды машиналардың роторында қоздыру орамасы орналасады, олардың ұштары қозғалмалы сақиналар және қозғалмайтын щеткалар арқылы тұрақты ток көзіне қосылады. 25

Ротор екі түрлі болады: а) анық полюсті; б) анық емес полюсті а) б) Анық полюсті ротор (а) цилиндрлік болат өзекшеден, оған бекітілген магниттік полюстардан және қоздыру орамасынан тұрады. Мұндай ротор ақырын қозғалатын (1000 айн/мин дейін) машиналарда қолданылады 26

Анық емес полюсті ротор (б) бітеу цилиндр болаттан жасалады. Цилиндрде ойықтар жасалып, оларға қоздыру орамасын орналастырады. Цилиндрдің 1/3 ойықтар болмайды, бұл бөлік полюстің өзекшесі ретінде саналады. 27

Синхронды машиналардың жұмыс істеу принципі Ротордың қоздыру орамасына тұрақты ток бергенде N 0 және S 0 полюстері бар тұрақты магнит өрісі пайда болады. 28

Моменті тең жетектеуші қозғалтқыш (ЖҚ) арқылы роторды жиілікпен айналдырған кезде онымен қоса магнит өрісі де айналады. Бұл айналмалы магнит өрісі кезекпен статордың фазалық орамдарының өткізгіштерін қиып өткен кезде электромагниттік индукция заңы бойынша олардың бойында айнымалы Э. Қ. К. -тері ( ) пайда болады. Ауалық саңылауда магниттік индукция синусоидалы заңдылықпен ( ) өзгеретіндіктен және әр орамада w орам болғандықтан Э. Қ. К. –тің өрнегі k-орамдық коэффициент; - пайда Э. Қ. К. –тің жиілігі; р – ротордың жұп полюстері саны; - магнит ағынының амплитудалық мәні 29

Фазалық орамалар статордың шеңберінің бойында бірінен 120° бұрышпен ығысып орналасқандықтан, оларда пайда болған Э. Қ. К. -тер де бірінен фаза бойынша 120° ығысады: Сонымен, синхронды генератордың бос жүріс режимі кезінде негізгі магнит ағыны ротордың орамасы тудырады, Ф = Ф 0. 30

Статордың фазалық орамаларын сыртқы жүктемемен Zn қоссақ, онда олардың бойымен токтар жүреді. Олар өз кезегінде статордың айналмалы магнит өрісін (ағынын Фя) тудырады. Бұл өрістің полюстері (N-S) ротордың магнит өрісінің полюстерінен (Nо –Sо ) сәйкессіздік бұрышына θ кеш қалады. Статор мен ротордың әр аттас полюстерінің өзара әрекеттесуі нәтижесінде роторға оның айналу бағытына қарсы бағытталған тежегіш момент ( ) әсер етеді. Тұрақталған режим кезінде = 31

Ал генераторды жүктемеге қосқан кезде пайда болған статордың магнит өрісі мен ротордың магнит өрісінің өзара әрекеттесуін якорьдың реакциясы деп атайды. Ол жүктеменің сипатына қатты тәуелді. Жүктеме активті болғанда Ф 0 90° бұрышқа Фя- дан озады Қорытынды магнит ағынының Фрез бағыты ротордың n 0 қарсы 32

Таза индуктивтілік жүктеме болғанда Фя бағыты Ф 0 бағытына қарама-қарсы, демек, Фрез = Ф 0 - Фя 33

Жүктеме сыйымдылықты сипатта болғанда Фя бағыты Ф 0 бағытымен бағыттас, демек, Фрез = Ф 0 + Фя Якорьдың реакциясының зиянды әсерін (статордың орамаларының Э. Қ. К. -терінің мәніне әсері) азайту үшін ауалық саңылауды кеңейту арқылы статордың магнит ағынын азайтады. 34

Қозғалтқыштық режим Электр желісімен параллель жұмыс істеп тұрған СГ-ды қозғалтқыштық режимге көшіру үшін ЖҚ-тың моментін азайтады. θ = 0 болғанда аралық режим орын алады. Егер ЖҚ тоқтатып, валды жүктесек, онда ротор айналмалы магнит өрісінен θ бұрышқа кеш қалады (θ<0 ). Активті қуат таңбасын өзгертеді, ал эл. маг. момент айналдырушы момент болады. Бұл жағдайда статордың магнит өрісі роторды жетектейді. Тежегіш момент көбейгенде бұрыш θ көбейеді, бірақ ротордың айналу жиілігі тұрақты болады, өзгермейді. 35

Синхронды машинаны генераторлық режимнен қозғалтқыштық режимге көшірудің мұндай жолы практикада қолданбайды. Реалды жағдайда статордың орамалары үш фазалы желіге, ал ротордың қоздырушы орамасын тұрақты ток көзіне қосылса да ротор айналмайды. Өйткені қозғалмай тұрған ротордың инерциясы әсерінен оның магнит полюстері статордың магнит өрісіне ілесе алмайды. Сондықтан асинхронды жүргізіп жіберу қолданылады. Бұл үшін роторға орналасқан “ақтиіндік дөңгелек” тәрізді арнаулы жүргізіп жіберу орамасы қолданылады. Бірінші этапта қоздыру орамасы кедергіге қосылған кезде жүргізіп жіберу орамасы әсерінен қозғалтқыш асинхронды қозғалтқыш тәрізді үдей қозғалады да, синхронды жиіліктің 95% жетеді. Сол кезде, екінші этапта, қоздыру орамасы тұрақты ток көзіне қосылады, одан әрі айналу жиілігі синхронды жиілікке жетеді. 36

Синхронды генератордың сипаттамалары Бос жүріс сипаттамасы Сыртқы сипаттамасы Реттеу сипаттамасы 37