Ремонт электромашин переменного тока

На роторах асинхронных  машин располагается либо фазная, т. е. имеющая обычно столько же фаз, сколько и обмотка статора, изолированная  от корпуса обмотка, либо короткозамкнутая. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из расположенных в пазах ротора замкнутых между собой по обоим торцам ротора неизолированных стержней из проводникового материала. Она может быть также выполнена заливкой пазов алюминием. В зависимости от типа обмотки ротора различают асинхронные двигатели с фазными роторами или асинхронные двигатели с короткозамкнутыми роторами. Нормальное исполнение асинхронных машин - с ротором, расположенным внутри статора. Однако для некоторых приводов, например привода транспортера, оказывается выгоднее расположить вращающийся ротор снаружи статора. Такие машины называют обращенными или машинами с внешним ротором. Они выполняются обычно с короткозамкнутыми роторами.

Среди коллекторных машин переменного тока получили распространение в основном однофазные двигатели малой мощности. Они находят применение в приводах, к которым подвод трехфазного или постоянного тока затруднен или нецелесообразен (в электрифицированном инструменте, бытовой технике и т. п.). В машинах средней и тем более большой мощности коллекторные машины переменного тока в настоящее время в СССР не применяются. Исключение составляют отдельные специальные машины, например машины типа двигателя Шраге – Рихтера.

Большинство машин постоянного тока - это коллекторные машины. Они выпускаются мощностью от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Обмотки возбуждения машин постоянного тока располагаются на главных полюсах, закрепленных на станине. Выводы секций обмотки ротора (якоря) впаяны в пластины коллектора. Коллектор, вращающийся на одном валу с якорем, и неподвижный щеточный аппарат служат для преобразования постоянного тока сети в переменный ток якоря (в двигателях) или переменного многофазного тока якоря в постоянный ток сети (в генераторах постоянного тока).

Конструкция машин постоянного  тока более сложная, стоимость выше и эксплуатация более дорогая, чем  асинхронных, поэтому двигатели  постоянного тока применяются в  приводах, требующих широкого и плавного регулирования частоты вращения, или в автономных установках при  питании двигателей от аккумуляторных батарей.

Подавляющее число машин  постоянного тока выполняется с  коллектором - механическим преобразователем частоты. Но существует несколько типов  и бесколлекторных машин, например униполярные генераторы (рис. 5), которые используются для получения больших токов (до 100 кА) при низких напряжениях. В таких машинах коллектор отсутствует, но они могут работать только при наличии скользящего контакта, который состоит из щеток 1 и колец 2. Постоянный магнитный поток, созданный токами обмотки возбуждения 5, замыкается по станине 3, массивному ротору 4 и двум зазорам. Постоянные токи наводятся в массивном роторе и снимаются щетками. Чтобы уменьшить электрические потери в роторе, в нем делают пазы, в которые укладывают медные стержни 6. Стержни, приваренные к контактным кольцам, образуют на роторе короткозамкнутую обмотку.

Рис. 5. Униполярная электрическая  машина

В последние годы получили распространение также бесколлекторные машины постоянного тока с вентильным управлением, в которых механический преобразователь частоты заменен преобразователем частоты на полупроводниковых элементах.

Несмотря на большое число  различных типов электрических  машин и независимо от их конструктивного  исполнения, рода и числа фаз питающего  тока и способов создания магнитных полей преобразование энергии в машинах происходит только при следующем условии: во всех электрических машинах в установившихся режимах поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Поле ротора, которое создается токами, протекающими в обмотке ротора, вращается относительно ротора. При этом механическая частота вращения ротора и частота вращения поля относительно ротора в сумме равны частоте вращения поля статора, поэтому частоты токов в статоре и роторе жестко связаны соотношением f ₂ = f ₁ s, (1)

где f _1, f ₂ - частоты тока и напряжения статора и ротора; s - относительная частота вращения ротора или скольжение, определяемое частотой вращения поля статора n ₁ и частотой вращения ротора машины n ₂ :

s = (n_l ± n ₂) / n ₁ (2)

В синхронных машинах обмотка  возбуждения ротора питается постоянным током (f ₂ = 0), и, следовательно, из (1) s = 0, откуда по (2) n = n ₁ т. е. ротор синхронной машины вращается синхронно с полем, созданным токами обмотки статора.

Жесткая связь частоты  тока и частоты вращения определила область применения синхронных машин. Синхронные генераторы являются практически  единственными мощными генераторами электрической энергии на электростанциях. Синхронные двигатели с учетом трудностей их пуска применяются как приводы  промышленных установок, длительно  работающих при постоянной частоте  вращения и не требующих частых пусков, например как приводные двигатели  воздуходувок, компрессоров и т. п. В  асинхронных машинах ток в  обмотке ротора обусловлен ЭДС, наведенной в проводниках обмотки магнитным  полем статора.

Наведение ЭДС происходит только при пересечении проводниками магнитных силовых линий поля, что возможно лишь при неравенстве  частот вращения ротора и поля статора (n ₂ ≠ n ₁). Частота тока в роторе равна f ₂ = f ₁ s, что обеспечивает взаимную неподвижность поля токов ротора и поля статора, а частота вращения ротора при этом равна n ₂ = n ₁(1 - s). При скольжении s = l ротор неподвижен (f ₂ = f ₁), преобразования механической энергии не происходит и имеет место трансформаторный режим работы машины.

При питании обмотки ротора постоянным током машина переходит  в синхронный режим работы. При  питании ротора переменным током  асинхронный двигатель может  вращаться с частотой большей, чем  частота поля статора. Такие режимы используются редко из-за сложности  пуска машины: необходим разгонный  двигатель либо преобразователь  частоты. Примером двигателя этого  типа являются двигатели Шраге - Рихтера, в которых для преобразования частоты тока ротора используется коллектор, соединенный с добавочной обмоткой ротора. Регулирование частоты вращения двигателя производится изменением добавочной ЭДС, вводимой в обмотку ротора, путем изменения положения щеток на коллекторе .

В машинах постоянного  тока поле возбуждения создается  постоянным током, а поле якоря - переменным. Преобразование постоянного тока сети в многофазный переменный ток  якоря происходит с помощью механического  преобразователя - коллектора. Частота  переменного тока якоря определяется частотой его вращения, и магнитное  поле, создаваемое током якоря, неподвижно относительно поля возбуждения машины.

Бесколлекторные (вентильные) машины постоянного тока, как правило, обращенные, т. е. их обмотки возбуждения, питаемые постоянным током, расположены на вращающемся роторе, а якорные обмотки - на неподвижном статоре. Частота питания якорных обмоток задается статическим преобразователем частоты. Условие взаимной неподвижности полей статора и ротора приводит к возможности регулирования частоты вращения вала двигателя изменением частоты питания его якорных обмоток. С этой точки зрения вентильные машины постоянного тока могут рассматриваться как синхронные, обмотки переменного тока которых питаются от преобразователя частоты.

В однофазных коллекторных машинах обмотки возбуждения  питаются переменным током и создают  пульсирующее поле. Коллектор преобразует  однофазный ток питания в многофазный  переменный ток с частотой, зависящей  от частоты вращения ротора, при  которой магнитные поля статора  и ротора неподвижны относительно друг друга. Из-за затрудненной коммутации коллекторные машины переменного тока выполняются лишь небольшой мощности

2. Устройство электромашины с короткозамкнутым ротором

Асинхронные эл. двигатели самые распространенные эл. двигатели во всем мире. Простота их конструкции, и низкая стоимость вполне может характеризовать «коротыши» самым положительным образом. Принцип действия этих двигателей можно рассматривать только в контексте с их  конструкцией, поэтому давайте рассмотрим основные узлы и, естественно, соответствующую терминологию. Асинхронные электрические двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором состоят из двух основных узлов:  статора и ротора.

Ротор это та часть двигателя, которая вращается внутри статора. С конструктивной точки зрения ротор  – тело вращения, что означает симметрию  относительно оси вращения. Ротор, в  принципе , очень прост и вполне надежен. Выглядит он как обычная цилиндрическая болванка с торчащими концами вала, но это только кажется, что ротор прост. Изготавливается он из разных материалов и с довольно точными размерами.  В роторе имеется обмотка, но увидеть её не представляется возможным так, как обмотка эта выполняется довольно необычным образом. Обмотку заливают в пазы ротора расплавленным алюминием. Иногда её выполняют из медных стержней, которые забивают в пазы и приваривают по обоим концам к медным кольцам. В результате, получается, что обмотка в роторе короткозамкнутая и выглядит она как «беличья клетка».

         Такие обмотки довольно массивные и поэтому механически прочные. Если эл. двигатель будет работать в штатном режиме или при кратковременных перегрузках, то такая обмотка практически вечная. Отсюда и высокая надёжность всего асинхронного эл. двигателя с к.з. ротором.

Теперь посмотрим на сердечник  ротора. Он изготавливается не из однородного  куска металла, а набирается из отдельных  пластин из специальной электротехнической стали. Толщина каждого листа  может быть от 0,25 до 0,5 мм. Каждая пластина в сердечнике ротора изготавливается  штамповкой. Пластины имеют форму  круга. По внешнему радиусу вырубаются пазы  определённой формы. Сердечник  ротора получается не однородным. Но зачем  такая сложность в изготовлении? Понятное дело, шихтовать сердечник из отдельных пластин приходится не для забавы. Дело в том, что при переменном токе магнитный поток, который проходит по сердечнику тоже переменный. При этом в каждой пластине наводятся вихревые токи, которые выделяются в виде тепла. Вихревые токи паразитные так, как нагрев сердечника, собственно, нам не нужен. Задача любого эл. двигателя - преобразовывать электрическую энергию в механическую. Нагрев - это потери эл. энергии и снижение КПД машины.

            Как показывает практика, чем толще пластины, тем выше потери. Причём, толщина пропорциональна квадрату потерь. Если выполнить сердечник из цельного металла, то двигатель превратится в печку. С другой стороны, уменьшать толщину отдельных пластин тоже нельзя до бесконечности так, как требуется механическая прочность. При вращении 3000 об/мин возникает достаточно высокая нагрузка, и сердечник может, просто, разорвать центробежной силой.

В отличии от ротора, статор неподвижная часть эл. двигателя. Однако сердечник статора тоже выполняется из отдельных штампованных пластин. Пластина статора напоминает больше кольцо с пазами по внутреннему радиусу. В пазы укладывается обмотка, которая подключается к сети переменного тока.

Статор и ротор - основные и обязательные составляющие асинхронного  эл. двигателя, но, конечно, в двигателе обязательно присутствуют и подшипниковые узлы. В разных исполнениях в конструкцию эл. двигателя может входить ещё многие детали, такие как барно, вентилятор принудительной вентиляции с кожухом или без и т. д., тем не менее, принцип действия асинхронного эл. двигателя переменного тока с к.з. ротором от таких особенностей не зависит.

Принцип действия «коротышей»  определяет статор с обмоткой и ротор, тоже с обмоткой. Если коротко и  примитивно объяснять, как работает асинхронный эл. двигатель, то можно обойтись несколькими предложениями. При подаче переменного напряжения на обмотку статора в статоре образуется вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор. Ротор немного отстаёт по скорости вращения от поля статора, поэтому эти двигатели называются асинхронными.

Согласитесь, что такое  объяснение не даёт полной картины  происходящих процессов в двигателе. Конечно, нас интересует, например, пуск двигателя, холостой ход,  рабочий  режим, пределы нагрузки. Любое устройство требует к себе более пристального внимания и более глубокого знания частностей, так как возникновение  каких-то неполадок (особенно их устранение) может поставить дилетанта в  тупик. К тому же, не мешало бы знать  самую простую бытовую необходимость: «А правильно ли работает устройство, или его нужно срочно выключить?»

Теперь давайте рассмотрим принцип действия асинхронного эл. двигателя переменного тока с к.з. ротором более пристально. В трёхфазной системе питающей сети обмотки статора создают вращающееся магнитное поле. В начальный момент, когда ротор неподвижен, магнитный поток статора пересекает проводники обмотки ротора. Как известно, при пересечении магнитных линий с витком в последнем наводится ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникнет ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем, создает вращающий момент, под воздействием которого ротор придет во вращение. Направление вращения ротора будет совпадать с направлением вращения поля статора.

Что дальше? Частота вращения ротора будет возрастать, но не до бесконечности. Предельная частота вращения это  частота вращения вращающегося поля  статора. Однако ротор не может вращаться синхронно с полем статора, так как при синхронном вращении магнитное поле статора не будет пересекать проводники ротора, а это означает, что ток ротора, в таком случае, будет отсутствовать. Значит, частота вращения ротора, в любом случае, будет несколько меньше частоты вращения поля статора. Эта разница называется скольжением.

Если к валу эл. двигателя приложить какую-либо нагрузку (отрицательный момент), то величина скольжения увеличится, и момент двигателя возрастёт.  На самом деле, когда никакой нагрузки нет, т.е. в двигатель находится режиме холостого хода, все-таки небольшой тормозной момент существует от трения в подшипниках. Однако, величина скольжения на холостом ходу близка к нулю.