АЙНЫМАЛЫ ТО?ТЫ МАШИНАЛАРДЫ? НЕГІЗГІ Т?РЛЕРІ Ж?НЕ ОЛАРДЫ? ??РЫЛЫМЫ

Барлық көп фазалы машиналардың әрекеті айнымалы магнит аймағының үрдісіне негізделген, сондықтан да олардың теориясы ортақ болады. Бір фазалы тұрақты тоқты машиналарда шектеулі қолданыс болады.

Айнымалы тоқты машиналар бір фазалы шектеулі қолданысқа ие.

Үш фазалы тұрақты тоқты машиналар. Олар үш түрге негізделген: синхронды, асинхронды және коллекторлы. Барлық тұрақты тоқты машиналардың түрлері синусоидалы айнымалы тоқтың жұмысына есептеледі.

Әдеттегі синхронды машиналардың роторы айналатын магнит аймағы сияқты жылдамдықпен және сондай бағытта айналады. Осындай ротордың айналуы айналу өрісіне синхронды және үндесті (такт) жүреді. Осыдан бұл машиналардың атауы шыққан.

Синхронды машиналар ең бастысы генератор ретінде қолданады және кейбір жағдайларда айнымалы тоқты электр станцияларында синхронды генераторлар орнатылады. Алайда, синхронды машиналарды қозғалтқыш ретінде қолдану кең тарай бастады.

Асинхронды машиналардың роторы синхронсыз айналады немесе айналатын магнит өрісіне қатысты асинхронды болады. Осыдан олардың атауы шыққан. Тәжірибеде асинхронды машиналар басты түрде қозғалтқыш ретінде пайдаланылады және басым түрде өндірісте қолданылатын электр қозғалтқыштар асинхронды болып табылады

Айнымалы тоқты коллекторлы машиналар магнитті өріспен синхронсыз айналады. Бұл олар асинхронды машиналар болып табылады. Алайда, осы ерекшеліктерге байланысты оларда коллектордың болуымен олар айнымалы токты бөлек машиналар түрі ретінде айрықшаланады. Бірақ оларды пайдалану шектелген. Сондықтан да айнымалы тоқты машиналардың негізгі түрі болып, асинхронды және синхронды машиналар болып табылады.

Асинхронды машинаның құрылымы. Айнымалы тоқты машинаның қозғалмайтын бөлігі статор , ал қозғалмайтын бөлігі ротор деп аталады. Асинхронды машиналар статорының және роторының жүрекшелері электротехникалық болаттың беттерінен (лист) жиналады (сур. 9-1), олар жиналмас бұрын екі жақтан майлы –канифольді оқшалаушы лактармен жалатылады. Аз қуатты машиналардың жүрекшелері кейде лактанбаған түрдегі беттерден жиналады. Өйткені бұл жағдайда жетерлік оқшалау болып, табиғи немесе жасанды түрде құрылған беттердегі тотықтар қабаты болып табылады.

Сур. 9-1. Аз және орташа қуатты асинхронды машиналардың статор (1) және ротор (2) өзекшелерінің беттері

Статор жүрекшесі тұрқыда (корпус), ал ротор өзекшесі білікте (аз және орташа қуатты машиналар) немесе білікке кигізілген крестовинасы немесе төлкесі (втулка) бар тоғында (обода) бекітіледі. Ротордың білігі мойынтірек қалқаншасында (шит) орналасқан мойынтіректерде айналады, олар статор тұрқысына немесе жеке тұрған мойынтірек тіреулеріне бекітіледі (аз немесе орташа қуатты машиналар

Статордың цилиндрінің ішкі бетінде және ротордың цилиндрінің сыртқы бетінде саңылаулар болады, онда статор мен ротор орамдарының өткізгіштері орналасады. Статор орамы үш фазалы түрде орындалады және үш фазалы тоқтың жүйесіне біріктіріледі, сондықтан да бір ретті орам деп аталады. Ротор орамы статор орамына ұқсас болып үш фазалы түрде орындалады. Осындай орамды ротордың ұшының фазалары әдетте, жұлдызға біріктіріледі, ал басы байланыс сақиналарының және металдағы графит щеткаларының көмегі арқылы сыртқа шығарылады. Осындай асинхронды машина фазалы роторы бар машина деп аталады. Байланыс сақиналарына әдетте, іске қосылатын немесе реттелетін реостат біріктіріледі. Ротордың орамы статордікі сияқты магнит өрісінің сандары түрінде орындалады.

Ротор орамының басқа түрі ол тиін жасушасы түрінде болады. Бұл кезде әр саңылауда мыс немесе алюминилі өзекше орналасқан және өзекшелердің барлық ұштары ротор торцтарының екі жағынан мысты және алюминилі сақиналармен біріктірілген. Олар өзекшелерді қысқа тұйықтайды. Өзекшелер жүрекшелерден әдетте оқшаланбайды. Қуаты 100 кВт машиналарды өзекшелер және сақиналар қанатшалармен бірге желдеткіш үшін роторда алюминиймен құю жолымен дайындалады. Мұндай асинхронды машина қысқа тұйықталатын роторы бар машина деп аталады. Көптеген асинхронды, әсіресе аз немесе орташа қуатты машиналар қысқа тұйықталатын ротормен шығарылады.

Асинхронды машиналарда статор және ротор арасында ауа саңылауы өндірістің мүмкінше шарттарына және жұмыс сенімділігіне байланыстаы минималды мүмкіндікпен дайындалады. Қуаты бірнеше машиналарда саңылау 0,4—0,5 мм құрайды, ал машиналардың қуаттылығы бірнеше милиметрді құрайды

Асинхронды машиналар әдетте, ауамен суытылады. Желдеткіш жүйесі тұрақты машиналардағыдай болады.

Айналатын магнит өрісі.

Әр орамның өткізгіші бір-біріне полюс бөлгіші аралығында орналасқан

(9-1)

мұндағы D_a — статордың жонып өңдеуінің (расточки) ішкі диаметрі, ал р — полюс жұптарының саны.

Тоқтар статор бетінде синусоида заңы бойынша реттелген.

Екі полюсті машинаның статор орамдарының өткізгіштерінің тоғы статор, ротор және олардың арасындағы ауа саңылаулары арқылы өтетін екі полюсті магнит ағынын Ф_ь құрайды. Тоқтар фазасының 30° өзгеруі кезінде тоқтарды реттеуінің қисығы және магнит ағыны фазалар артынан 30° эл.бұрылады.

Екі полюсті машина статорының орамы оны үш фазалы тоқпен қоректендірген кезде екі полюсті айналатын магнит өрісін құрайды.

Бұл кезде тоқтың өзгеруінің бір периоды кезінде өріс 2 τ немесе 360° эл айналады.

Айналу өрісінің жылдамдығы

Мұндағы f — статор тоғының жиілігі

Сур. 9-2. 2р = 2 және асинхронды машина статорының қарапайым орамы және оның магнит өрісі.

Магнит өрісі статор орамының А, В, С фазаларының кезектесу бағытында айналады. Өріс айналуының бағытын кері қарай өзгерту үшін қоректену жүйесінен келетін статор орамдарының ұштарының екі өткізгішінің ұштарын өзгерту керек.

Жалпы жағдайда мынандай орамдарды 2р = 6, 8, 10 және т.б. құрауға болады. Бұл кезде тоқты реттеудің қисығы және магнит өрісінің полюстерінің жұптары алынады. Магнит өрісі аналым секунд жылдамдығына айналады

(9-2)

немесе (9-3)

Статор шеңберінің бойымен өріс айналуының сызықты айналмалы жылдамжығы.

(9-4)

ТМД стандарттарында өндіріс тоғының жиілігі f = 50 Гц кездегі айналу өрісінің жылдамдығы алынады.

Айнымалы тоқты орамды құрастырған кезде шеңбер бойында ауа саңылауында айналу өрісінің индукциясын мүмкіндігінше синусоидаға жақын болатындай етіп реттейді.

Асинхронды машинаның әрекет үрдісі.

Статор орамымен құрылатын магнит ағыны Ф₁ өзінің айналуы кезінде ротор орамының өткізгіштерін қиып етеді, оларда э.қ.к. е₁₂ индукцияланады, егер ротор орамы тұйықталған болса, онда i₂ тоғы пайда болады,қозғалмайтын ротор (п = 0) кезінде жиілігі f₂ алғашқы жиілікке f₁ тең.

Егер ротор орамы үш фазалы болса, онда үш фазалы тоқ индукцияланады. Бұл тоқ ротордың айналу өрісін Ф₂ құрайды, өріс сандары 2р оның айналуының бағыты мен жылдамдығы n = 0 кезінде статор ағыны сияқты болады сондай Ф₁ және Ф₂ ағыны синхронды айналады және қозғалтқыштың ортақ ағын Ф айналуының бағытын құрайды. Қысқа тұйықталған ротор кезінде оның өзекшелерінде бұрышқа фазалар бойынша көрші өзекшелерге ығысқан көп фазалы i₂ тоқтар жүйесі индукцияланады

(9-5)

мұндағы Z₃ — ротор өзкшелерінің саны. Бұл тоқтар айналу өрісін құрайды, өріс саны, бағыты және айналу жылдамдығы фазалы ротордың Ф₂ ағыны сияқты болады. Сондықтан берілген жағдайда қозғалтқышта ортақ магнит ағыны Ф құрылады. Ортақ айналатын магнит ағыны болғандықтан, бұл өріспен индукцияланатын э.қ.к. қарастыруға болады. Ротор тоғының өріспен өзара әсерлесу кезінде ротор өткізгішіне әсер ететін механикалық күштер F және айналатын электромагнитті мо­мент М пайда болады. Айналу момент ротор тоғының белсенді құраушысымен құрылады.

Асинхронды қозғалтқыш роторының тізбегінде анықталған белсенді кедергі болады. Сондықтан қозғалтқышты (n=0) қосқан кезде, ылғи да 0 ψ_{2 ъ} болатын өрістің айналу бағытында кейбір кешігумен немесе статор өрісіне қатысты сырғанаумен айналатын болады.

Өрістің және ротордың айналу жылдамдығына қатысты жылдамдықтар

(9-6)

сырғанау деп аталады. Сырғанау пайыз түрінде де көрсетіледі.

s сырғанауымен түрленген ротор жылдамдығы n (9-6) формуласы бойынша мынаған тең

(9-7)

Қозғалтқышты (n = 0) іске қосқан кезде s = 1 болады, ал ротордың статор өрісімен синхронды айналысы кезінде немесе синхронды жылдамдық (n =n₁) кезінде s = 0. n =n₁ кезінде статордың магнит өрісі роторға қатысты қозғалыссыз болады және осындай айналу жылдамдығына қозғалтқыш жете алмайды. Осыдан қозғалтқыш тәртібінде 0 _г және 1 s 0 болады.

Ротордың өріс жағына қарай айналысы кезінде ротордың өткізгіш өрісінің қиылысу жиілігі n₁-n жылдамдықтар айырымына пропорционал және ротор орамында тоқтың жиілігі төмендегідей болады

(9-8)

Егер, асинхронды машинаның роторы сыртқы күштер арқылы статор өрісінің айналу бағытына қарай синхрондыдан жоғары қылып, айналысқа келтірсе (n n₁), онда ротор өрісті қуып жетеді және ротор орамында индукцияланатын тоқтардың бағыты кері қарай өзгереді. Бұл кезде кері бағытта электромагнитті күштердің F және электромагнитті моменттің М бағыттары өзгереді. Момент М бұл кезде тежеуші болады, ал машина генератор тәртібінде жұмыс істейді және белсенді қуатты жүйеге беріп отырады. Генератор тәртібінде s

Егер, роторды статор өрісінің айналу бағытына кері қарай айналдырса (n ₂, i₂ бағыттары және F сақталады. Электромагнитті момент М статор өрісінің айналу бағытына әсер етеді, бірақ ротор айналуын тежейді. Бұл асинхронды машинаның жұмысы кері қосу тәртібі немесе электромагнитті тежеу тәртібі деп аталады. Бұл тәртіпте s 1.

Асинхронды машинаның жұмыс тәртібі кезінде және әртүрлі шамада s, яғни статор өрісі және ротор асинхронды машинаның қандай да болмасын жұмыс тәртібінде синхронды айналады.

Әрекет үрдісі және құрылымы. Машина статорының құрылымы асинхронды машинаның құрылымы сияқты.Үш фазалы немесе орта жағдайдағы m-фазалы синхронды машина статорының орамы ротордың өрісінің саны сияқты орындалады және жәкір орамы деп аталады. Статор жүрекшесі ораммен бірге жәкір деп аталады.Сур. 9-3 –те статор орамына А, В, С шығыңқы ұштары шартты түрде көрсетілген.

Синхронды машинаның роторында сыртқы көзден тұрақты тоқпен щеткалар және екі байланыс сақинасы арқылы қоректенеді. Қорек ретінде жиі түрде қуаты синхронды машинаның қуатына қатысты үлкен емес и (0,3—3,0%) тұрақты тоқты генераторлар қызмет етеді. Ол қоздырушы деп аталады және синхронды машинамен бір білікке орнатылады. Қозу орамының қызметі машинада бірінші ретті магнит өрісін туындату. Ротор өзінің қозу орамымен бірге индуктор деп аталады. Синхронды машинаны дайындаған кезде, статор шеңбері бойында қозу өрісінің индукциясы мүмкіндігінше синусоидалыға жақын етіп реттеледі.

Егер синхронды машинаның роторын (сур. 9-3) айналымға кейбір п жылдамдықпен келтіріп және қоздырса, онда қозу ағыны Ф_f статор орамының өткізгішін қиып өтеді және соңғысының фазасында жиілігі төмендегідей болатын э.қ.к. индукцияланатын болады

(9-3)

Сур.9-3. Полюстері Анық (а) және анық емес (б) синхронды машина құрылымының үрдісі

1 — статор (жәкір); 2 — ротор (индуктор); 3 — қозу орамы.

Анық полюсты синхронды машиналарында (сур. 9-3, а) шығыңқы полюстері бар, олар полюс саны 2р 4 дайындалады.

Анық полюсты машиналардың полюстерінің жүрекшелері (сур. 9-3) қалыңдығы 1—2 мм болатты беттерден алынады және шпилькалардың көмегі арқылы тартылады. Орташа және ірі машиналарда полюстер білік шығыңқысына, білік төлкесіне немесе крестовина тоғынына Т-тәрізді құйрықшаларға бекітіледі. Кіші машиналарда полюстер бұрандалар арқылы бекітіледі. Ірі машиналардың қозу орамы жалаңаш жолақты мыспен оралады және орамның өткізгіштері бір-бірімен оқшалау төсеніштері арқылы оқшаланады. Оларда коллектор жәкір орамынан тоқты алшақтату үшін үш байланыс сақинасымен ауыстырылған.

Сур. 9-4. Синхронды машинаның анық полюсты полюстері:1 — қозу орамы; 2 — Т-тәрізді құйрықшасы бар және полюсты ұшы бар полюс жүрекшесі; 3—катушка аралық байланыстар; 4 –катушка аралық байланысты бекітетін шпилька; 5 — қозу орамын қысатын серіппе; 6 – сыналар (клинья).

Ірі машиналар үшін айналған түрдегі құрылым (конструкция) тиімсіз. Өйткені, үлкен тоқты жәкір орамының алшақтатушы үлкен кернеу кезінде сақиналар және щеткалар арқылы аса күрделенген және жоғарғы кернеулі айналатын жәкір орамын іске асыру қиын болады.

Көлденең білігі бар анық полюсты синхронды машиналар қозғалтқыш және генератор есебінде кең пайдаланылады, жиі түрде іштей жанатын дизельді қозғалтқышпен біріктірілетін дизель- генератор ретінде пайдаланылады. Дизель-генераторында әдетте, бір мойынтірек болады, генератор білігі дизель білігімен тығыз байланысқан және генератор роторының екінші тірегі ретінде дизельдің мойынтірегі пайдаланылады.Дизельдің поршеньді машина тәрізді айналу моментінің біртексіздігінің әсерінен дизель-генераторының жұмысы кезінде қиындықтардың алдын алу үшін дизель-генераторлары маховикпен жабдықталады немесе оның роторы жоғарлатылған маховикті моментпен (моментті инерциямен) орындалады. Бұндай ұқсас құрылым поршеньді компрессорлардың жетектеріне арналған синхронды қозғалтқыштарда болады. Гидравликалық турбиналармен мүшелес синхронды генераторлар гидроэлектр станцияларында жұмыс істейді және гидрогенераторлар деп аталады. Оларда анық полюсты құрылым бар және бірнеше мың киловатт қуаттылық кезінде жиі түрде көлденең білікпен орындалады.

Анық емес полюсты синхронды машиналарда цилиндрлі ротор болады, ол әдетте массивті болатты шыңдалудан (поковки) дайындалған. Роторда қозу орамын орнату үшін саңылаулар фрезерленеді. Бұл машиналар полюс саны 2р = 2 және 2р = 4 етіп шығарылады және осыдан оларда айналу жылдамдығы үлкен болады ( f = 50 Гц болған кезде сәйкес 3000 және 1500 айн/мин). Анық полюсты құрылым кезде, мұндай айналу жылдамдықпен айналатын ірі машиналарды дайындау ротордың механикалық беріктігінің шарттары және оның полюстерінің және қозу орамын бекіту жұмыстары мүмкін емес.

Анық полюсты емес машиналардың негізгі түрлері турбогенераторлар болып табылады, бұл жылулық электростанцияларында жұмыс істейтін бу турбиналарына біріктіру үшін арналған. Қазіргі кезде көптеген турбогенераторлар екі полюсты етіліп дайындалады, өйткені бу турбиналары тез жүрісті машиналар болып табылады және жоғарғы айналу жылдамдықтары кезінде олардың техника-эко­номикалық көрсеткіштері жоғары болады. Алайда, су-реакторлары бар атомды электростанциялар төрт полюсты генераторлармен шығарылады.

Сур. 9-5.Өткізгіштердің ішкі жағын сутекпен суытатын «Электросила» заводының турбогенератор роторының саңылауы

1 — сына; 2 және 7 — шынытекстолитті төсемшелер; 3 — мысты өткізгіш; 4 — желдеткіш канал; 5 — орамды оқшалау (шынытек-столит); 6 — саңылаулы оқшалау гильзасы (стек-лотекстолит); S — статор және ротор арасындағы саңылаудан шығатын сутек қорғаны (забор) үшін арналған тесік.

Турбогенератордың роторының орамы концентрациялық катушкалар түрінде орындалады және магниттелінбеген механикалық беріктікті талап ететін және үлкен қозу орамының центрден тепкіш күштерді қабылдайтын металды емес (дю­ралюминий және т.б.) сыналармен саңылауларда бекітіледі сур.(9-9). Магниттелінбеген сыналар саңылаулар шеңберінде сыналар арқылы тұйықталатын және тісшелердің артық қанығуын тудыратын және статорға ауа саңылауы арқылы өтетін пайдалы ағынды төмендететін үлкен магнит ағынының пайда болуын тоқтатады. Әр ротордың үштен бір полюстік бөліндісі саңылаулардан бос және үлкен тісті құрайды. Ротор орамы меканитті немесе В немесе F оқшалау класының түрінде болады. Ротор орамының алдыңғы бөлігі берік сақина тәрізді болатпен жабылады, олар орамның алдыңғы бөлігінің және бандаждың ортадан (центрден) тепкіш күштерінің әрекетіне есептелген .

Әр кезде бірқатар түрлі айнымалы тоқты үш фазалы коллекторлы машиналар игерілнтін болған. Бірақ, олардың әрқайсысының әрекетінің негізінде жиілікті түрлендіретін коллектордың әрекеті жатыр, оның арқасында коллектор артындағы ротордың сыртқы тізбегіндегі тоқтың жиілігі ротордың айналу жылдамдығына тәуелді емес және әрқашанда статор тоғының жиілігіне тең. Бұл жағдай осы байланыстың түрін өзгерту жолымен және және статор мен ротордың электр байланысының тізбегін іске асыруға мүмкіндік береді . Сонымен қатар айналу жылдамдығының реттеуге қатысты машинаға ерекше қасиеттер береді.

Үш фазалы коллекторлы машиналардың құрылымы мынадан тұрады: 1) асинхронды немесе синхронды машиналардың статорына ұқсас үш фазалы орамы бар статор ; 2) ротор, тұрақты тоқты машинаның жәкіріне ұқсас және сондай ораммен біріктіріледі. Тұрақты тоқты машинадағыдай әр қосты полюсты бөлімде коллекторда екі щеткалы саусақтың орнына үш щеткалы саусақтар орнатылады. Әр фазаның щеткалы саусақтарының щеткасы тұрақты тоқты машинадағыдай қосқыш (перемычка) көмегі арқылы біріктіріледі. Сонымен қатар статор мен роторды қосымша орамдар болуы мүмкін.

Сур. 9-6. Үш фазалы коллекторлы машина роторының орамы .

Коллекторға біріктірілген тұйықталған жәкірлі орам коллекторда үш фазалы бір-бірімен 120° эл. ығысқан щеткалардың жиыны (комплекс) үшбұрыш етіп біріктірілген үш фазалы орамды көрсетеді. А, В, С щеткалар арқылы өтетін тоқтар i_a, i_b, i_c фазалы тоқтардың әр түрлігіне тең. Жәкірдің айналуы кезінде әр орам фазасының орналасуы өзгермейді және орамның секциясы кезекті түрде бір фазадан басқа фазаға өтеді. Бір-бірінен 60° эл. ығысқан алты фазалы щеткалардың жиынын орнатқан кезде, көпбұрышқа біріктірілген алты фазалы орам алынады.