Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения
Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения
Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.
Принцип работы
Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.
Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора
Статор: вращающееся магнитное поле
На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».
Ротор: постоянное магнитное поле
Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.
Синхронная скорость
Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:
,
- где Ns – частота вращения магнитного поля, об/мин,
- f – частота тока статора, Гц,
- p – количество пар полюсов.
Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.
Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети
Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?
Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.
Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети
Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.
Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.
Выход из синхронизма
Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.
Синхронный компенсатор
Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.
Схема автомобильного генератора: принцип работы
В статье расписано подробное строение и схема автомобильного генератора, а также его принцип работы. Дана схема соединений системы генератора ВАЗ 2110 и 2106.
Электрическая машина, служащая для преобразования механической энергии в электрический ток, называется автомобильным генератором. Функция генератора, которую он выполняет в автомобиле – это зарядка батареи аккумулятора и питание электрического оборудования при двигателе, находящемся в рабочем состоянии. В качестве автомобильного генератора служит генератор переменного тока.
Располагается генератор в двигателе чаще всего в его передней части, приводится от коленного вала. На гибридных автомобилях генератор выполняет работу стартер-генератора, подобная же схема используется и в некоторых других конструкциях системы стоп-старт. В настоящее время фирмы Denso, Delphe и Bosch занимают первые места в мире по выпуску генераторов.
Существует два вида конструкций автомобильных генераторов: ком-пактная и традиционная. Отличия, характеризующие эти виды, состоят из разницы в компоновке вентилятора, разнятся устройством корпуса, выпрямительным узлом и приводным шкивом, геометрическими размерами. Общие параметры, имеющиеся в обоих видах автомобильных генераторов, это:
Схема автомобильного генератора ВАЗ 2106:
Схема автомобильного генератора ВАЗ 2110:
Схема соединений системы генератора:
1 — генератор; 2 — отрицательный диод; 3 — дополнительный диод; 4 — положительный диод; 5 — контрольная лампа разряда аккумуляторной батареи; 6 — комбинация приборов; 7 — вольтметр; 8 — монтажный блок; 9 — дополнительные резисторы по 100 Ом, 2 Вт; 10 — реле зажигания; 11 — выключатель зажигания; 12 — аккумуляторная батарея; 13 — конденсатор; 14 — обмотка ротора; 15 — регулятор напряжения
Главная задача ротора – создать вращающееся магнитное поле, для этой цели на валу ротора и расположена обмотка возбуждения. Она помещается в две половины полюса, в каждой полюсной половине имеется шесть выступов – они называются клювами. Ещё на валу имеются контактные кольца, их два, и именно через них идёт питание обмотки возбуждения. Кольца, чаще всего, изготавливаются из меди, достаточно редко встречаются стальные кольца или латунные. Непосредственно к кольцам припаяны выводы обмотки возбуждения.На валу ротора размещается одна либо две крыльчатки вентилятора (их количество зависит от конструкции) и закреплён ведомый приводной шкив. Два шариковых необслуживаемых подшипника составляют подшипниковый узел ротора. Со стороны контактных колец на валу также может быть расположен роликовый подшипник.
Статор необходим для создания переменного электрического тока, объединяет металлический сердечник и обмотки, сердечник набран из пластин, они изготовлены из стали. Имеет 36 пазов для навивки обмоток, в этих пазах укладываются обмотки, количество их три штуки, они образуют трёхфазное соединение. Есть два способа укладки обмоток в пазы – волновой способ и петлевой. Между собой обмотки соединяются по схемам «звезда» и «треугольник».
Что представляют собой эти схемы?
-
«Звезда» – одни концы обмоток соединяются в одной точке, а другие концы – это выводы;
Большинство конструктивных элементов генератора размещено в корпусе. Он представляет собой две крышки – переднюю и заднюю. Передняя расположена со стороны приводного шкива, задняя расположена со стороны контактных колец. Между собой крышки стягиваются болтами. Изготовление крышек практикуется чаще всего из сплава алюминия. Он немагнитный, лёгкий и способен легко рассеивать тепло. На поверхности крышек есть вентиляционные окна, и две либо одна крепёжные лапы. В зависимости от количества лап крепление генератора называется однолапным или двухлапным.
Щёточный узел служит для обеспечения передачи тока возбуждения на кольца контакта. Он состоит из двух графитных щёток, пружин, которые их прижимают, и щёткодержателя. В генераторах современных машин щёткодержатель находится с регулятором напряжения в едином неразборном узле.
Выпрямительный блок выполняет функцию преобразования синусоидального напряжения, который вырабатывает генератор, в напряжение постоянного тока бортовой сети автомобиля. Это пластины, которые выполняют роль теплоотводов, со смонтированными диодами. В блоке – шесть силовых полупроводниковых диодов, на каждую фазу – по два диода, один на «положительный», а другой на «отрицательный» вывод генератора.
На многих генераторах обмотка возбуждения подключается через отдельную группу, которая состоит из двух диодов. Эти выпрямители препятствуют прохождению тока разряда аккумуляторной батареи через обмотку при неработающем двигателе. Когда обмотки соединены по принципу «звезда», на нулевом выводе устанавливается два силовых диода дополнительно, позволяя увеличивать мощность генератора до 15 процентов. Выпрямительный блок выключается в схему генератора на специальных монтажных площадках посредством пайки, сварки, или соединения болтами.
Регулятор напряжения – его предназначение поддерживать напряжение генератора в определённых пределах. В настоящее время генераторы оснащены полупроводниковыми электронными (или интегральными) регуляторами напряжения.
Конструкции регуляторов напряжения:
-
гибридное исполнение – использование радиоэлементов и электронных приборов в электронной схеме вместе;
Стабилизация напряжения, которая необходима при изменении частоты вращения коленчатого вала нагрузки и двигателя, производится автоматически воздействием на ток в обмотке возбуждения. Регулятор осуществляет управление частотой импульсов тока и продолжительностью импульсов.
Регулятор напряжения производит изменение напряжения, подводимого для заряжания аккумуляторной батареи термокомпенсацией напряжения (зависимостью от t воздуха). Чем выше температура воздуха, тем меньшее напряжение идёт к аккумуляторной батарее.
Привод генератора происходит с помощью ременной передачи, обеспечивает вращение ротора со скоростью, превышающей частоту вращения коленчатого вала в два-три раза. В разных конструкциях генератора может использоваться поликлиновый или же клиновый ремень:
-
Клиновый ремень имеет предпосылки для быстрого изнашивания, (это зависит от определённого диаметра шкива) так как область применения клинового ремня ограничивается размерами ведомого шкива.
Есть генератор, который называется индукторный, то есть бесщёточный. Он имеет ротор, состоящий из набора спрессованных тонких пластин, сделанных из трансформаторного железа, так называемый ротор из магнитомягкой пассивной ферромассы. На статоре помещается перемотка возбуждения. Путём изменения магнитной проводимости воздушного зазора между статором и ротором в таком генераторе получается электродвижущая сила.
Принцип работы автомобильного генератора
Когда в замке зажигания поворачивается ключ, на обмотку возбуждения поступает ток через щёточный узел и контактные кольца. В обмотке наводится магнитное поле. Ротор генератора начинает двигаться с вращением коленчатого вала. Обмотки статора пронизываются магнитным полем ротора. На выводах обмоток статора возникает переменное напряжение. С достижением определённой частоты вращения, обмотка возбуждения запитывается непосредственно от генератора, то есть, генератор переходит в режим самовозбуждения.
Переменное напряжение преобразуется выпрямительным блоком в постоянное. В этом состоянии генератор занимается обеспечением требуемого тока для зарядки питания потребителей и аккумуляторной батареи.
Регулятор напряжения включается в работу при изменении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Он занимается регулировкой времени включения обмотки возбуждения. Время включения обмотки возбуждения уменьшается при уменьшении внешней нагрузки и возрастании частоты вращения генератора. Время увеличивается при увеличении нагрузки и уменьшении частоты вращения. Когда же потребляемый ток превышает возможности генератора, включается в работу аккумуляторная батарея. На панели приборов имеется контрольная лампа, контролирующая работоспособное состояние генератора.
Основные параметры генератора:
Номинальное напряжение составляет 12 либо 24 В, величина напряжения зависит от конструкции электрической системы. Номинальным током считается максимальный ток отдачи при номинальной частоте вращения (она составляет 6 000 оборотов в минуту).
Токоскоростная характеристика – это зависимость силы тока от частоты вращения генератора.
Кроме номинальных значений, токоскоростная характеристика имеет и другие точки:
-
минимальный ток и минимальную рабочую частоту вращения (40-50% от номинального тока составляет минимальный ток);
Что такое система возбуждения в генераторе переменного тока?
Раздел А: Генератор переменного тока
Понятие возбуждения и его особенности
Возбуждение – это термин, используемый инженерами-электриками, означающий создание магнитного поля. Простой магнит, используемый в этой главе для иллюстрации работы генератора, конечно способен создать ток в обмотках генератора, но постоянный магнит перестает быть постоянным под действием вибраций и нагрева.
Описание процесса
Обычно ротор выполняется в виде электромагнита, изготовленного из мягкой стали или железа, на который намотана катушка. Через катушку пропускается постоянный ток, индуцирующий в железном роторе магнитное поле. Напряженность наведенного таким обрезом магнитного поля зависит от силы тока, пропускаемого через обмотку возбуждения, и этот факт дает еще одно преимущество, поскольку позволяет регулировать э.д.с, в статорных обмотках генератора.
Простой электромагнит и концентрация поля
Если катушку ротора намотать не железный сердечник так, как показано на рис. 3.13(а), то получится магнит с одной парой полюсов N (North – северный) и S (South – южный).
Рис. 3.13(а). Простой электромагнит.
Из-за большого расстояния между полюсами магнитные силовые линии окажутся сильно рассеянными в пространстве. Теперь протянем полюса магнита навстречу друг другу, так, чтобы между ними остался лишь небольшой зазор (см. рис. 3.13(б)).
Рис. 3.13(6). Загнем концы электромагнита, чтобы сконцентрировать поле.
И, наконец, выполним полюса магнита в виде набора зубьев, входящих друг в друга, но без соприкосновения (см. рис. 3.14). Мы получим в сумме длинный узкий зазор между полюсами N и S, через который будет происходить “утечка” магнитного поля наружу. При вращении ротора эта “утечка” будет пересекать обмотки статора, и наводить в них э.д.с.
Питание ротора постоянным током: особенности процесса
Для того чтобы магнитное поле в роторе не меняло направления, его катушка должна питаться постоянным током одной полярности. Подвод тока к вращающейся катушке осуществляется через угольные щетки и коллекторные кольца.
Для питания обмотки ротора постоянным током применяют два способа: самовозбуждение и возбуждение от внешнего источника (обычно от аккумулятора).
Рис. 3.14. Зубчатый ротор генератора.
Возбуждение генератора: знакомство с определением
Возбуждение генератора – это процесс, который происходит на основе магнитодвижущей силы. Она выполняет процесс наведения магнитного поля, которое, в свою очередь, производит процесс образования электроэнергии. Для возбуждения генераторов первого поколения использовали специальные ротаторы постоянного тока, которые еще принято называть возбудителями. Их обмотка получала питание постоянного тока от другого генератора, его принято называть подвозбудителем. Все компоненты размещаются на одном валу, а их вращение происходит синхронно.
Обмотка возбуждения генератора: знакомство с определением
Обмотка возбуждения генератора – это один из основных конструктивных элементов синхронного генератора. Она получает питание от источника, предоставляющего постоянный ток. Чаще всего функцию источника выполняет электронный генератор напряжения. Такие регуляторы используется в новых моделях, работающих на основе самовозбудителя. А самовозбуждение, в свою очередь, основано на том, что первоначальное возбуждение происходит с помощью остаточного магнетизма магнитопровода синхронного генератора (СГ). Важно понимать, что энергия переменного тока поступает именно от обмотки статора СГ, трансформируя ее в энергию постоянного тока.
Для чего служит обмотка возбуждения генератора
Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока. Ротор вращается с помощью первичного двигателя, тем самым магнитное поле, создаваемое в роторе, тоже вращается вместе с ним с той же скоростью. Теперь линии магнитного поля пересекают обмотку статора, расположенную вокруг ротора. В результате в обмотке образуемся переменная электродвижущая сила (эдс).
Катушка возбуждения генератора: знакомство с определением
Катушка возбуждения генератора – это специальный электромагнит, который используют для генерации электромагнитного поля в электромагнитных машинах. В его состав входит катушка и проволока, по которой протекает ток. Если взять к примеру вращающиеся машины, то там катушки возбуждения наматываются на специальный железный магнитный сердечник. Именно последний выполняет функцию направления силовой линии магнитного поля. В состав магнитопровода входит два основные компонента:
- Статор – он неподвижный.
- Ротор – производит вращения вокруг статора.
Силовые линий магнитного поля непрерывно проходят от от статора к ротору и обратно. Катушки возбуждения могут располагаться либо на статоре, либо на роторе.