Синхронные и асинхронные двигатели. Области применения, отличительные особенности

Министерство образования и  науки российской федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

Омский государственный  технический университет

Нижневартовский филиал

Кафедра «ЭТ»

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по  дисциплине «учебная научно-исследовательская

работа студента»

на тему: Синхронные и асинхронные двигатели. Области применения, отличительные особенности .

Специальность 080801 «Прикладная информатика (в области электрооборудования и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений)»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Латыпов Р.Р.

студент группы ИЭ-310 НВ

Проверил:  профессор кафедры «ЭТ»

Савченко  А.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижневартовск  2013 г.

 

Оглавление

1 Синхронный двигатель

 1.1 Принцип действия синхронного двигателя

 1.2 Общие сведения об обмотке двигателя

1.3 Назначение и область применения.

 

2 Асинхронные двигатели

2.1 Основные понятия

2.2 Принцип действия асинхронного двигателя

2.3 Механическая характеристика асинхронного двигателя

           2.4 Назначение и области применения асинхронных машин

3 СРАВНЕНИЕ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ  ДВИГАТЕЛЕЙ

 4 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ   
1. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 
         Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения, и используется там, где нет необходимости в регулировании частоты или она должна быть постоянной. Синхронные двигатели имеют большую мощность (50–100 кВт и более) и применяется на металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях для приведения в движение насосов, компрессоров и т.д. Достоинством синхронного двигателя является возможность его работы с емкостным (опережающим) током статора. Такой двигатель будет улучшать коэффициент мощности предприятия 
 
         Имеется также специальные синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт, используемые в схемах автоматики, звукозаписи, для вращения лент самопищущих приборов и в других случаях, требующих строгого постоянства частоты вращения. 
 
         Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя, может служить источником реактивной мощности.  
 
         Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах статора размещена обмотка переменного тока, получающая питание от сети, а в роторе – обмотка постоянного тока. 
 
         В зависимости от мощности двигателя ротор выполняют с различной системой возбуждения. Синхронные двигатели средней и большой мощности выполняют с электромагнитным возбуждением. В этом случае расположенная на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца. Для двигателей малой мощности применяют постоянные магниты без обмотки возбуждения, что упрощает конструкцию ротора и повышает надежность двигателей.

 

 

 

Рис.1 Устройство синхронного двигателя небольшой  мощности: 
 
1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4– ротор; 
 
5 – вентилятор; 6 – выводы обмотки статора; 7 – контактные кольца; 
 
8 – щетки; 9 – возбудитель.

 

 

Ротор синхронных двигателей выполняют с явновыраженными и неявновыраженными полюсами. 
 
          Явнополюсные, то есть с ровно выраженными полюсами, при котором каждый полюс выполняют в виде отдельного узла, состоящего из сердечника, полюсного наконечника и полюсной катушки. Все полюса закрепляют на ободе, являющимся также и ярмом, через которые закрепляются магнитные патоки полюсов. Сердечники полюсов явнополюсного ротора обычно собирают из штамповой листовой конструкционной стали толщиной 1 - 1,5 мм. Обод явнополюсного ротора выполняют массивным (литым или сварным) или же шлихтованным из листов конструкционной стали 1-6 мм. Листы стягивают шпильками.

 

Рис.2 Явнополюсной ротор. 
         Неявнополюсной ротор имеет вид удлиненного стального цилиндра. Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки в месте с хвостовиками или же делают сборными. Обмотки возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь две трети его поверхности (по периметру). Оставшееся одна треть внутренности двигателя остается  для ротора. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывает стальными бандажными кольцами (каплями) изготовленными обычно из немагнитной стали.

 

 

 

 

 

Рис.3 Неявнополюсной ротор.  

1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 
         Оболочка статора синхронного двигателя подключается к сети переменного тока, а оболочка ротора к источнику постоянного тока. В синхронном двигателе момент на валу создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора и постоянного поля ротора. В отличие от асинхронного двигателя частота вращения ротора в синхронном двигателе не зависит от нагрузки и равна частоте вращения поля статора. Если ротор двигателя начнет вращаться с частотой, меньшей, чем частота поля статора, то в какой-то момент времени намагниченные полюса ротора расположатся против одноименных полюсов вращающегося поля статора. В этом случае нарушится связь между полюсами статора и ротора из-за их взаимного отталкивания. 
 
         Вращение ротора только с синхронной частотой – характерная особенность синхронных двигателей. 
 
         Для пуска синхронного двигателя в полюсных наконечниках ротора уложена пусковая обмотка, выполненная наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных двигателей. Наличие ее позволяет пускать двигатель как асинхронный. При достижении ротором угловой скорости в его обмотку подает постоянный ток, и двигатель входит в синхронизм. 
 
         Также для  пуска синхронных двигателей используют генераторы постоянного тока (имеющие общий вал с двигателем) либо тиристорные выпрямители, обеспечивающую более высокую (по сравнению с электромашинными возбудителями) надежность работы двигателя. 
 
         Синхронные двигатели малой мощности (до 2 кВт) иногда возбуждают постоянными магнитами или реактивным током статора.

 Рис.4 Принцип действия синхронного двигателя: 
 
1 статор(катушка возбуждения);2 ротор.  

 

1.2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБМОТКЕ ДВИГАТЕЛЯ 
         Обмотка электрической машины является основной ее частью. Надежность машин главным образом определяется качеством обмоток. Поэтому к ним предъявляются высокие требования электрической и механической прочности, влагостойкости и нагрева-стойкости. 
 
         Обмотки электрической машины является система проводников, соединенных между собой по определенной схеме и вложены в пазы сердечника. Обмотка состоит из витков, катушек и катушечных групп, проводники которых изолируют от корпуса машин корпусной изоляции и друг от друга межвитковой изоляцией. 
 
         Виток обмотки состоит из двух последовательно соединенных между собой проводников, уложенных в два паза сердечника. Число витков обмотки определяется в зависимости от номинального напряжения в машине, в площадь сердечника их от мощности машины. 
 
         Катушка обмотки представляет собой несколько последовательно соединенных витков и уложенных соответствующими сторонами в два паза сердечника. Те части катушки, которые лежат в пазах сердечника, называются пазовыми (активными), а расположенные вне пазов лобовыми частями катушек. Катушки могут быть мягкими (намотанными из изолированного провода круглого сечения), или жесткими (намотанными или согнутыми из проводов прямоугольного сечения). 
 
         Катушечная группа состоит из нескольких последовательно соединенных катушек одной фазы, расположенных в соединенных пазах сердечника. 
 
         Для обмоток провода изготовленных из электротехнической отожженной краски ММ (медная мягкая) и МТ (медная твердая). Провода изолируют хлопчатобумажной пряжей, лаками, стекловолокном и другим. Чаще всего применяют медные провода, покрытые эмалевой изоляцией. Например, провода ПЭЛ – эмалированные масленым лаком и покрытие одним слоем нитей из хлопчатобумажной пряжи, ПЭЛЛО – изолированы масленым лаком и одним слоем лавсановых нитей. Применяются так же обмоточные провода марок АПВ, АПБД, ПЭТВА, и др. 
 
         В качестве пазовой изоляции и прокладок применяют электроизоляционный картон и лакоткани. 
 
         Для защиты обмоток от механических повреждений чаще всего используют хлопчатобумажные ленты, пленочные материалы, стеклоленту. 
 
         Для пропитки изготовленных обмоток используют разные лаки на основе смол, битумов, высыхающих масел и т.д. Так для пропитки обмоток применяют масляно-битумные лаки. Они создают прочность, повышают влагостойкость и теплопроводность обмоток.         Покрывные масляно-битумные и масляно-стойкие лаки создают на поверхности обмоток защитные влагостойкие, маслостойкие и термостойкие покрытия. 
 
         После ремонта обмотки электрических машин покрывают эмалью с целью повышения влагостойкости и маслостойкости обмотки. Для этого используют разные эмали, например, глифтале масляная, которая хорошо цементирует обмотку, повышает ее механическую прочность. 
 
         Обмотка электрических машин подразделяют на петлевые, волновые и комбинированные. Наиболее распространенные в статорных  обмотках получили петлевые обмотки, а в фазных обмотках асинхронных машин - волновые. 
 
         Способы укладки обмотки в пазы зависит от формы пазов. 
 
         Закрытые пазы исполняют в фазных и короткозамкнутых роторах асинхронных двигателей. Провода в пазы вставляют с торца сердечника. 
 
         Полузакрытые пазы – в статорах машин переменного тока мощностью до 100 кВт, роторах и якорях машин мощностью до 15 кВт, провода круглого сечения всыпают по одному через узкую прорезь паза. 
 
         Полуоткрытые пазы применяют также в статорах машин переменного тока мощностью 120 – 400 кВт, а пазы вкладывают жесткие катушки, разделенные в каждом слое на две. 
 
         Открытые пазы используют в якорях постоянного тока мощность свыше 200 кВт, роторах асинхронных машин мощностью до 100 кВт и статорах асинхронных машин мощностью выше 400 кВт и крупных синхронных двигателей. 
 
         В пазы вкладывают жесткие катушки с удержанием их клиньями из дерева или других изоляционных материалов. 
 
         По способу заполнения пазов обмотки электрических машин могут быть однослойными и двухслойными. При однослойной обмотке сторона катушки занимает весь паз по его высоте, а при двухслойной только половину паза, в то время как другую половину этого паза заполняет соответствующая сторона другой катушки. 
 
         Роль межвитковой изоляции играет изоляция самого провода. Изоляция, отделяющая провода обмотки от корпуса, называют корпусной. Ее конструкция зависит от формы паза и напряжения машин и может быть гильзовой или непрерывной.  
 
         Гильзовая изоляция состоит из нескольких слоев изоляционного материала, уложенная в полузакрытые пазы перед укладкой обмотки. При полуоткрытых формах пазов прямолинейная часть проводов или катушек с гильзовой изоляцией обертывают несколькими слоями изоляционного материала. Слои обмоток и лобовые части скрепляют изоляционными лентами. 
 
         Обмотки машин напряжением выше 1000 В выполняются непрерывной изоляцией, выбранной в зависимости от класса нагревостойкости. Количество слоев определяется рабочим напряжением машины. 
 
         Иногда при ремонте обмоток электрических машин приходится использовать имеющиеся провода взамен отсутствующих проводов требуемых марок и сечений. В этом случае намотку катушек вместо одного провода приводят двумя и более параллельными проводами, суммарное сечение которых эквивалентно расчетному сечению. 
 
         Коэффициент заполнения паза проводами должен быть в пределах 0.7 – 0.75 мм, при коэффициенте более 0.75 мм укладка проводов будет затруднительна, а при коэффициенте меньше 0.7 мм провода свободно разместятся в пазах, но не будет использована мощность двигателя. 
 
         Ремонт обмоток проводи обмотчик на обмоточных участках ЭРЦ, которые имеют готовые элементы обмоток, получаемые с заводов – изготовителей или изготавливаемыми силами ЭРЦ. После определения характера неисправности обмоток приступают к их ремонту

 

 

 

1.3 Назначение и область применения.

Синхронные машины, являются машинами переменного тока. Применяются  в качестве двигателя и генератора.

Синхронные двигатели  применяются в основном в приводах большой мощности. Мощность их достигает  нескольких десятков мегаватт. На тепловых станциях, металлургических заводах, шахтах, Холодильниках приводят в движение насосы, и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. Синхронные двигатели могут работать с различной  реактивной мощностью. Таким образом, Эти двигатели позволяют улучшить коэффициент мощности предприятия. Однако стоимость приводов с синхронным двигателями выше, чем с асинхронными.

Специальные двигатели  малой мощности используют в устройствах, где строгое постоянство скорости, электрочасы, автоматические самопишущие  приборы, устройства с программным  управлением и др.

На крупных подстанциях  электрических систем устанавливают  специальные синхронные машины, работающие в режиме холостого хода и отдающие в сеть только реактивную мощность, которая необходима для асинхронных  двигателей. Эти машины называют синхронными  компенсаторами.

 

2.1 Основные понятия

 

Асинхронный двигатель трехфазного тока представляет собой электрическую машину, служащую для преобразования электрической  энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

Двигатель имеет две основные части: неподвижную  – статор и вращающуюся – ротор. Статор состоит из корпуса, представляющего  собой основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна и алюминия. С помощью лап  двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине  производственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя  к производственному механизму.

В корпус вмонтирован сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы с обмоткой статора. Часть обмотки, находящейся вне  пазов, называется лобовой; она отогнута к торцам сердечника статора. Так  как в сердечнике статора действует  переменный магнитный поток и  на статор действует момент, развиваемый  двигателем, сердечник должен изготовляться  из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 – 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.

Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода  круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминиевого провода. В  качестве изоляции проводов друг от друга  используют бумагу и хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюда, стекловолокно и различные эмали. Для изоляции проводов обмотки от сердечника статора служат электроизоляционный картон, слюда, асбест, стекловолокно.

Обмотка статора состоит из трех отдельных  частей, называемых фазами. Фазы могут  быть соединены между собой звездой  или треугольником. Как правило, начала обмоток на схемах обозначаются буквами А, В, С, концы – X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе – треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В. Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В.

На корпусе  двигателя имеется доска с  зажимами, с помощью которых обмотка  присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий  вывод обмотки. Для зажимов приняты  следующие обозначения: зажимы, к  которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток – соответственно С4, С5 и С6.

Сердечник ротора представляет собой цилиндр, собранный из отдельных листов электротехнической стали, в котором имеются пазы с обмоткой ротора.

Обмотки ротора бывают двух видов – короткозамкнутые и фазные. Соответственно этому различают  асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными  кольцами). Короткозамкнутая обмотка  состоит из стержней, расположенных  в пазах, и замыкающих колец. Стержни  присоединены к замыкающим кольцам, в результате чего обмотка оказывается  короткозамкнутой. Стержни и замыкающие кольца в одних двигателях изготовляются  из меди, в других из – алюминия, в третьих из бронзы и т.д. Алюминиевую  обмотку получают путем заливки  в пазы жидкого алюминия.

Фазную  обмотку ротора выполняют так  же, как и обмотку статора. Она  всегда соединяется звездой. Начала фаз обмоток присоединяют к контактным кольцам, которые изготавливают  из стали или латуни и располагают  на валу двигателя. Кольца изолированы  друг от друга, а также от вала двигателя. К кольцам прижимаются пружинами  металлографитные щетки, расположенные  в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор, который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя).