Машини за променлив ток: конструкция, принцип на действие, приложение

Електрическите машини изпълняват отговорната функция за преобразуване на енергията в работни машини и генераторни станции. Тези устройства намират своето място в различни приложения, като осигуряват на задвижващите механизми достатъчен енергиен потенциал. Една от най-популярните системи от този тип е машината за променлив ток (ACM), която има няколко варианта и разлики в рамките на своя клас.

Обща информация за NRMM

Сегментът на MPT или електромеханичните преобразуватели може да се раздели условно на еднофазни и трифазни системи. Асинхронните, синхронните и колекторните устройства също се разграничават на базово ниво, с много сходства в общия им принцип и конструкция. Тази класификация на машините за променлив ток е произволна, тъй като съвременните станции за електромеханично преобразуване частично включват работни процеси от всяка група устройства.

Като правило MPT се основава на статор и ротор, между които е осигурена въздушна междина. Независимо от вида на машината, работният цикъл се определя от въртенето на магнитното поле. Но докато при синхронните машини движението на ротора следва посоката на силовото поле, при асинхронните машини роторът може да се движи в различна посока и с различна честота. Тази разлика е и причината машините да се използват по различни начини. Докато синхронните машини могат да функционират както като генератор, така и като електромеханичен двигател, асинхронните машини се използват главно като двигатели.

Прави се разграничение между еднофазни и многофазни системи. А от гледна точка на практическите приложения внимание заслужава втората категория. В по-голямата си част това са трифазни машини с променлив ток, в които магнитното поле е основният носител на енергия. От друга страна, еднофазните устройства постепенно излизат от употреба поради своята непрактичност и големи размери, въпреки че в някои приложения ниската цена е решаващ фактор за избора им.

Разлики от машините за постоянен ток

Основната структурна разлика е в разположението на намотките. При системите за променлив ток той обхваща статора, а при машините за постоянен ток - ротора. И в двете групи електродвигателите се различават по вида на токовото възбуждане - смесено, паралелно и последователно. Машините за променлив и постоянен ток се използват днес в промишлеността, селското стопанство и домакинствата, но първите са по-привлекателни поради своите експлоатационни характеристики. Генераторите и променливотоковите двигатели се възползват от по-технологично усъвършенстван дизайн, надеждност и висока изходна мощност.

Използването на постояннотокови устройства е широко разпространено в приложения, в които се набляга на прецизния контрол на работните параметри. Това могат да бъдат задвижващи механизми на превозни средства, инструменти за механична обработка и сложно измервателно оборудване. По отношение на производителността машините за постоянен и променлив ток имат висока ефективност, но с различни възможности за инженерна и конструктивна адаптация към специфичните условия на приложение. Работата с постоянен ток предлага по-големи възможности за контрол на скоростта, което е важно при работа със серво и стъпкови двигатели.

Проектиране на асинхронна MTU

За техническата основа на този агрегат се използва стоманена ламарина под формата на ротор и статор, които преди сглобяване се покриват от двете страни с масло и колофон. При машините с ниска мощност сърцевината може да бъде изработена от електротехническа стомана без допълнително покритие, тъй като изолаторът в този случай е естественият оксиден слой върху повърхността на метала. Статорът е фиксиран в корпуса, а роторът - на вала. При машините за променлив ток с висока номинална мощност сърцевината на ротора може да се монтира и на венеца на корпуса с помощта на главина, монтирана на вала. Самият вал трябва да се върти върху лагерните плочи, които също са фиксирани към основата на корпуса.

Външните повърхности на ротора и вътрешни повърхности В началото на статора са предвидени прорези за разполагане на проводниците на намотката. При машините за променлив ток статорната намотка обикновено е трифазна и е свързана към подходяща верига с напрежение 380 V. Известна също като първична намотка. Намотките на ротора се проектират по подобен начин, като краищата им обикновено се оформят като звезда. Предвиден е и плъзгащ пръстен, чрез който може да се свърже допълнително реостат за регулиране или трифазен пусков елемент.

Важно е също така да се отбележат параметрите на въздушната междина, която има функцията на демпферираща зона, намаляваща шума, вибрациите и нагряването по време на работа. Колкото по-голяма е машината, толкова по-голяма трябва да е междината. Размерът му може да варира от един до няколко милиметра. Ако конструктивно не е възможно да се остави достатъчно хлабина в намотките на котвата, за да се генерира електродвижеща сила пространство за Ако това не е възможно, в климатичната система се включва допълнителна охладителна система.

Принцип на действие на асинхронните машини

В този случай трифазната намотка е свързана към симетрична мрежа с трифазно напрежение, така че във въздушната междина се създава магнитно поле. по отношение на намотката на котвата се вземат специални мерки за постигане на хармонично пространствено разпределение на полето за затихващата междина, като по този начин се създава система от въртящи се магнитни полюси. Съгласно принципа на действие на машината за променлив ток на всеки полюс се индуцира магнитен поток, който пресича контурите на намотката и създава електродвижеща сила. Трифазната намотка индуцира трифазен ток, който осигурява въртящия момент на двигателя. При взаимодействието на роторния ток с магнитните потоци върху проводниците се създава електромагнитна сила.

Ако роторът се задвижва от външна сила, чиято посока съответства на посоката на потока на магнитното поле на машината за променлив ток, роторът ще започне да изпреварва скоростта на въртене на полето. Това се случва, когато скоростта на статора превиши номиналната синхронна честота. В същото време посоката на електромагнитните сили се обръща. По този начин се създава спирачен момент с обратно действие. Този принцип на работа позволява използването на машината и като генератор, работещ в режим на активно предаване на енергия към мрежата.

Проектиране и принцип на работа на синхронни MPT

Синхронната машина е подобна на асинхронната машина по отношение на конструкцията и разположението на статора. Намотката се нарича арматура и е направена със същия брой полюси, както в предишния случай. Роторът има възбуждаща намотка, чието захранване с енергия се осигурява от плъзгачи и четки, свързани към постояннотоковото захранване. Източникът е малък възбуждащ генератор, монтиран на един вал. В синхронна машина за променлив ток намотката действа като генератор на първичното магнитно поле. При проектирането конструкторите се стремят да гарантират, че разпределението на индукционното поле върху повърхностите на статора е възможно най-близко до синусоидално.

При по-високи натоварвания статорната намотка създава магнитно поле с въртене по посока на ротора с подобна честота. Това създава равномерно въртящо се поле, при което полето на статора ще въздейства върху ротора. Това устройство на машините за променлив ток позволява използването им като електродвигатели, ако първоначално е осигурено трифазно подаване на ток към синхронната намотка. Тези системи позволяват на ротора да се върти координирано и с честота, която съответства на статорното поле.

Синхронни машини с явен полюс и скрит полюс

Основната разлика между ясно изразените полярни системи е наличието на стърчащи полюси, които се закрепват към специални шпилки на вала. Машините от този тип се монтират посредством Т-образни дръжки към ръба на кръстосаната глава или вала чрез втулка. При машините за променлив ток с ниска номинална мощност същата задача може да се изпълни с болтови връзки. Материалът за намотката е медна лента, която се навива на ребро и се изолира със специални разделители. Върховете на полюсите съдържат навиващи се пръчки в жлебовете за стартиране. В този случай се използват материали с високо съпротивление под формата на месинг. Краищата на намотката се заваряват към късо съединение, за да се образува общ контур на късо съединение. Самополюсните машини с потенциална мощност 10-12 kW могат да се конструират в т.нар. обърнат вариант, при който котвата се върти, а полюсите на индуктора остават неподвижни.

При машините с неинвертирани полюси конструкцията се основава на цилиндричен ротор, изработен от кована стомана. Роторът включва канали за формиране на възбуждаща намотка, чиито полюси са предназначени за високи скорости. Но този тип намотки не могат да се използват в машини за променлив ток с висока номинална мощност поради високото ниво на износване на ротора при най-тежките условия на работа. Поради тази причина дори в машините със средна мощност се използват високоякостни компоненти, изработени от еднокомпонентни изковки на базата на хром-никел-молибденови или хром-никелови стомани за роторите. Поради изискванията за здравина максималният диаметър на ротора на синхронна машина с неясен полюс не трябва да надвишава 125 cm. Това обяснява необичайната форма на ротора с удължен корпус, въпреки че съществуват ограничения, свързани с повишените вибрации при прекалено дългите елементи. Ограничението на дължината на ротора е 8,5 м. Имплицитно полюсните машини, използвани в промишлеността, включват различни турбинни генератори. Те се използват по-специално за свързване на работните моменти на парните турбини с тези на топлоелектрическите централи.

Характеристики на вертикалните хидрогенератори

Отделен клас еднополюсни синхронни ППТ, снабдени с вертикален вал. Те са свързани с хидравлични турбини и са съобразени с капацитета на потоците, които обслужват, по отношение на скоростта. Повечето машини за променлив ток от този тип са с ниска скорост, но имат голям брой полюси. Сред критичните работни компоненти на вертикален хидравличен генератор са опорният лагер и опорният лагер, който поема натоварването на въртящите се части на двигателя. По-специално, подкормилото също е подложено на натиска на водните течения, действащи върху лопатките на турбината. Освен това машината може да бъде оборудвана със спирачка за спиране на въртенето и направляващи лагери за поемане на радиалните сили.

В допълнение към хидравличния алтернатор, в горната част на машината могат да се разположат спомагателни устройства, като възбудителя на алтернатора и регулатора. Между другото, последната е независима машина за променлив ток с намотки и полюси от постоянни магнити. Този блок осигурява захранването на двигателя за функцията на автоматичния контролер. При големите вертикални алтернатори възбудителят може да се замени със синхронен генератор, който заедно с възбудителите и живачните изправители захранва силовите устройства, обслужващи работния процес на главния алтернатор. Конфигурацията на машината с вертикален вал се използва и като задвижващ механизъм за хидравлични помпи за тежки условия на работа.

Колектори MPT

Колекторният блок при проектирането на МТМ често се обуславя от необходимостта от изпълнение на функцията за преобразуване на скоростта при електрическото свързване на различни по честота вериги на роторните и статорните намотки. Това решение дава възможност за захранване на устройството с допълнителни експлоатационни характеристики, които включват автоматично регулиране на работните параметри. Колекторните машини за променлив ток, които са свързани към трифазни мрежи, получават по три четки във всеки сегмент на двуполюсното разделяне. Четките са свързани в паралелна верига с помощта на джъмпери. В този смисъл колекторните двигатели MPT са подобни на двигателите за постоянен ток, но се различават от тях по броя на четките, използвани на полюсите. Освен това статорът в тази система може да има няколко допълнителни намотки.

Затворената намотка на котвата, когато се използва с трифазен четков колектор, ще бъде трифазна комплексна намотка с делта връзка. Докато котвата се върти, всяка фаза на намотката поддържа постоянно положение, но секциите преминават последователно от едната фаза в другата. Ако в колекторната машина за променлив ток се използва набор от шестфазни четки, изместени на 60° една спрямо друга, тогава се формира шестфазна намотка с многоъгълна връзка. При четките на многофазна машина с колекторна група честотата на тока се определя от въртенето на магнитния поток спрямо неподвижните четки. Посоката на въртене на ротора може да бъде както насрещна, така и координирана.

Приложения за NRMM

Днес NRMM се използват навсякъде, където се изисква някаква форма на производство на механична или електрическа енергия. По-големите, високопроизводителни машини се използват за поддръжка на съоръжения, електроцентрали и конвейерни системи, докато по-малките устройства се използват за конвенционални приложения - от вентилатори до помпи. Но и в двата случая целта на машините за променлив ток е да генерират достатъчно енергиен потенциал, за да задоволят енергийните нужди на околната среда. Другото, което е от значение, са разликите в дизайна, реализацията на вътрешната конфигурация на статора и ротора, както и инфраструктурата за управление.

Въпреки че цялостната конструкция на MTBF запазва един и същ набор от функционални компоненти в продължение на много години, нарастващите изисквания към работата на такива системи принуждават проектантите да въвеждат допълнителни елементи за наблюдение и контрол. На сегашния етап на технологично развитие, особено в контекста на прилагането на машини за променлив ток в промишлеността, е трудно да си представим работата на такива двигатели и генератори без прецизен контрол на работните параметри. За тази цел се използва голямо разнообразие от разнообразие от Режими на управление - импулсен, честотен, реостатен и др.д. Включването на автоматизацията в регулаторната инфраструктура също е характерно свойство на модерна работа на MPT. Електрониката за управление е свързана с електроцентралата с от една страна, от една страна, и от друга страна - софтуерни контролери, които дават команди за задаване на конкретни параметри на работата на механизма по предварително определен алгоритъм.

Заключение

Генераторите и двигателите са незаменими енергийни компоненти в съвременната индустрия. Тяхната функция е да захранват машини, транспортни и комуникационни системи и друго електрическо оборудване и уреди, които се нуждаят от захранване. Съществува огромно разнообразие от видове и подвидове електрически машини за променлив и постоянен ток, чиито характеристики и особености които в крайна сметка определят нишата за тяхната дейност. Технико-експлоатационните особености на МПП са тяхната по-проста конструкция и сравнително ниски изисквания за поддръжка. От друга страна, машините за постоянен ток се оказват по-привлекателно решение за сложни системи за електрозахранване с високи изисквания. Местният производствен сегмент на промишлено оборудване за производство на електроенергия има богат опит в проектирането и производството на двата вида електрически машини. Големите предприятия все повече се фокусират върху разработването на персонализирани решения с характеристики на дизайна и производителността. Отклоненията от стандартните проекти често са свързани с необходимостта от свързване на спомагателни функционални единици и оборудване, като например охладителни системи, защита от прегряване и колебания в мрежата, спомагателно и резервно захранване. Освен това някои от конструктивните свойства на електрическите машини се влияят силно от работната среда, която също се взема предвид на етапите на проектиране и конструиране.