Айнымалы ток электр машиналары

Айнымалы ток электр машиналары туралы жалпы мәлімет, қолдану аймағы.

Электр машиналары электр станцияларында, өндірісте, транспортта, авиацияда, автоматты басқару және реттеу жүйелерінде тұрмыста кеңінен қолданылады. Олар механикалық энергияны электр энергиясына және керісінше электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіреді.

Механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіретін машина генератор (өндіргіш) деп аталады.

Электр энергиясын  механикалық энергияға қозғалтқыш (двигатель) арқылы түрлендіреді.

Кез келген электр машинасын әрі генератор, әрі қозғалтқыш ретінде пайдалануға болады. Оның .екі жақты энергия түрлендіргіш қасиеті машинаның қайтымдылығы деп аталады. Ол бір текті токтың электр энергиясын (жиілік, айнымалы токтың фазалар саны, тұрақты ток кернеуі) екінші текті токтың энергиясына түрлендіруге .де қолданылады. Мұндай электр машиналарын түрлендіргіштер деп аталады.

Жұмыс жасайтын электр кондырғысының ток тегіне байланысты электр машиналары тұрақты және айнымалы ток машиналары деп екіге бөлінеді. Айнымалы ток машиналары бір фазалы және көп фазалы болып келеді. Үш фазалы синхронды және асинхронды машиналар және айналу жиілігін кең көлемде үнемді реттеуге мүмкіндік беретін коллекторлы айнымалы ток машиналары да  кеңінен қолданылады.

Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс жасау принципі

Электр қозғалтқыштарының ішінде ең көп тарағаны үш фазалы  асинхронды қозғалтқыш болып табылады. Бұл қозғалтқышты бірінші рет белгілі орыс электригі И. О. Доливо-Добровольский құрастырған.

Асинхронды қозғалтқыштың құрылысы қарапайым және оны күтіп-баптау жеңіл. Қез келген айнымалы ток машинасы сияқты асинхронды қозғалтқыш екі негізгі бөліктен: статордан және ротордан тұрады.

Статор деп машинаның қозғалмайтын бөлігін, ал ротор-оның айнымалы белігін атайды.

Асинхронды машинада  қайтымдылық қасиеті болады, яғни машинаны әрі генератор; әрі қозғалтқыш ретінде қолдануға болады.

Айнымалы токтың көп фазалы жүйесі айналмалы магнит өрісін туғызады, оның айналу жиілігі минутына . Егер ротордың айналу жиілігі магнит өрісінің айналу жиілігіне тең болса, онда мұндай жиілікті синхронды жиілік деп атайды.

Егер ротордың айналу жиілігі магнит өрісінің айналу жиілігіне тең болмаса,  онда мұндай жиілікті асинхронды жиілік деп птайды.

Асинхронды қозғалтқышта жұмыс процесі тек асинхронды жиілікте, яғни ротордың айналу жйілігі магнит өрісінің айналу жиілігіне тең емес кезде өтеді.

Асинхронды қозғалтқыштың жұмысы «Араго-Ленц дөңгелегі» (6.1-сурет) деп аталынған құбылысқа негізделген. Бұл құбылысты былай түсіндіруге болады, егер тұрақты магнит полюстерінің алдына осьте еркін отыратын мыстан жасалған деңгелекті (дискіні) 1 орналастырып, магнитті тұтқасы 3 арқылы өз осінің бойымен айналдырсак, онда мыс дөңгелек сол бағытта айналады, өйткені магнитті айналдырғанда оның магнит өрісі дөңгелектен өтіп онда құйынды токтар туғызады.

6.1 – сурет. Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс жасау принципінің мхемасы.

Ленц заңына орай кез келген индукцияланған ток оны тудырған себепке қарсы әрекет жасайтын бағытта ағады. Сондықтан дөңгелек денесіндегі құйынды токтар магниттің айналуын тежеуге тырысады, бірақ магнитті тоқтата алмай онымен бірге айналады. Мұнда дөңгелектің айналу жиілігі магниттің айналуы жиілігінен аз болады. Егерде бұл жиіліктер кейбір себептермен бірдей болса, онда магнит өрісінің дөңгелекпен салыстырғандағы жылжуы болмас еді, демек мұнда құйынды ток пайда болмас еді, яғни дәңгелекті айналдыратын күш пайда болмас еді.

Асинхронды қозғалтқыштарда тұрақты магнит өрісі айнымалы магнит өрісімен ауыстырылған. Бұл магнит өрісі қозғалтқышты айнымалы ток желісіне қосқан кезде үш фазалы жүйе арқылы жасалынады. Статордың айналмалы өрісі ротор орамасының өткізгіш сымдарын кесіп өтіп оларда ЭҚК-терін индукциялайды. Егер ротор орамасын кедергіге тұйықтаса немесе қысқа тұйықтаса, онда тізбекте индукцияланатын ЭҚК-тер әсерімен ток жүреді. Ротор орамасындағы ток пен статор орамасының айналмалы магнит өрісінің өзара әрекеттесуі нәтижесінде айналмалы момент пайда болады. Айналмалы момент роторды магнит өрісінің айналу бағытымен айналдыра бастайды.

Ротордың айналу бағытын өзгерту үшін, яғни қозғалтқышты реверстеу үшін, статор орамасы тудырған магнит өрісінің айналу бағытын өзгерту керек. Мұны статор оралма фазаларын алмастыру арқылы жасайды. Ол үшін статор орамасын желіге қосатын үш сымның кез келген екеуінің орнын ауыстырып желіге қосса болғаны.

Реверсті қозғалтқыштар ауыстырып косқыштармен қамтамасыз етіледі. Олардың көмегімен статор орамалары фазаларының кезектесуін өзгертуге, демек, ротордың айналу бағытын өзгертуге болады.

Бір уақыт мезгілінде ротордың айналу жиілігі статор өрісінің айналу жиілігімен теңесті дейік, онда ротор орамасының өткізгіш сымдары статордың магнит өрісін кесіп өтпейді, сондықтан роторда ток болмайды. Бұл жағдайда айнымалы момент нольге тең. Ротордың айналу жиілігі статор өрісінің айналу жиілігіне қарағанда, біліктегі жүктеме моменті мен машинадағы үйкеліс күштері моментінің косындысынан тұратын, тежеу моментін теңдестіретін, айналдырушы момент пайда болғанша төмендейді.

Асинхронды қозғалтқыштың құрылысы

Статордың өзекшесі (6.2-сурет) қалындығы 0,35 немесе 0,5 мм болат тіліктерден (пластиналардан) жиналады. Тіліктерді штамптау арқылы алады, олардың ішкі жағында ойықтар (паздар) жасалынған. Құйынды токтан болатын шығынды азайту үшін тіліктерді лакпен немесе тотықтырылған қабыршақпен оқшауламайды, одан әрі жеке дестеге жинайды да қозғалтқыштың станинасының 3 табанының ішіне бекітеді. Станинаның екі жақ бүйіріне қалкандар бекітіледі. Қалқан ішінде ротор білігіне тірек болатын подшипниктер орналасады. Станинаны фундаментке орналастырады.

Статорды бойлай орналасқан, ойықтардан құралған науашаларына (паздарына) оның орамасының өткізгіштері 2 салынады. Орама өткізгіштерін үш фазалы жүйе құратын етіп жалғайды. Машинаның қалқаншасында 4 алты қысқыштар болады, оларға әр фазаның басы мен соңы жалғанады. Статор орамасы үш фазалы желіге жұлдызша және үшбұрыштан қосылуы мүмкін. Бұл жағдай қозғалтқышты екі түрлі желілік кернеуге қосуға мүмкіндік береді.

Қалқаншада керсетілген төмен кернеулер үшін статор орамасы үшбұрыштап ал жоғары кернеу үшін — жұлдызша қосылады.

Статор орамасын үшбұрыштап қосу үшін машина қалқаншасында жоғары қатарда орналасқан қысқыштарды темендегілерімен ұстатқыш (өткізгіштен жасалған тізбектің екі нүктесін қос- қыш) арқылы қосады (6.3 а-сурет), ал әрбір бірге қосылған қысқыштарды үш фазалы желінің желілік өткізгіштеріне қосады. Жұлдызша қосу үшін қалқаншадағы теменгі үш қысқыштарды (фазалардың соңы) ортақ нүктегс ұстатқыш арқылы қосылады, ал жоғарғы катардағы қысқыштарды үш фазалы жүйенің желілік өткізгіштеріне қосады (6.3, б-сурет).

6.2-сурет. Асинхронды қозғалтқыш          6.3-сурет. Статор орамасын үш бұрыштап

       статордың құрылысы                                         (а) және жұлдызша (б) қос кезінде        қозғалтқыш қолқамаласында қыскыштарды қосу

Ротор өзекшесін 1 (6.4, а-сурет) қалыңдығы 0,5 мм болат тіліктерден жиналады. Тіліктерді құйынды ток шығынын азайту үшін лакпен немесе тотыққан қабыршақпен оқшауламалайды. Тіліктерді ойықты етіп штамптайды, оларды дестелеп жинайды да, машинаның білігіне бекітеді. Дестелерден науашалары бойлай орналасқан цилиндр құралады, оның ішіне ротор орамасының өткізгіштерін 2 салады. Орама түріне байланысты асинхронды машиналар фазалық және кысқа тұйықталған роторлы болып екіге бөлінеді. Ротордың қысқа тұйықталған орамасы тиын дөңгелегі тәрізді етіп жасалынады (6.4, б-сурет). Ротор науашаларына шомбал стерженьдер салып оның екі жақ ұштарын мыстан жасаған сақинамен қосады (6.4, а-сурет). Қысқа тұйықталған ораманы көбінесе алюминийден жасайды. Алюминийді ыстық күйінде ротор науашасына кысыммен құяды. Мұндай орам әр уакытта қыска тұйықталынған және оған кедергі қосу мүмкін емес. Ротордың  фазалық орамасы статордың орамасындай етіп жасалынады, яғни өткізгіштер бір- бірімен үш фазалы жүйе жасайтындай етіп жалғанады. Үш фазаның орамалары жұлдызша қосылады. Орама бастары ротор білігінде бекітілген үш түйіспелік мыс сақинасына косылған. Сақиналар бір-бірінен және біліктен оқшауламаланған және ротормен бірге айналады. Сақиналар айналғанда олардың беті сакиналар үстінде қозғалмайтындай етіп бекітілген көмір немесе мыс шеткалары арқылы сырғанайды. Ротор орамасы кедергіге немесе жоғарыда көрстілген щеткалар арқылы қысқа тұйықталуы да мүмкін.

Қысқа тұйықталған роторы бар қозғалтқыштар карапайым және пайдалануда сенімді, фазалық  роторы бар қозғалтқыштарға қарағанда бағасы арзан. Бірақ, төменде көрсетілгендей, фазалық роторлы қозғалтқыштардың жұмысқа қосу және реттеу сипаттамалары жөнінен артықшылықтары бар.

Қазіргі кезде асинхронды козғалтқыштардың көпшілігін қысқа тұйықталған ротормен жасайды, тек үлкен қуат немесе арнайы жағдайларда роторды фазалық орамалы етіп жасайды. Совет Одағында қуаты ондаған ваттан 15 000 кВт-қа дейін, ал статор орамасының кернеуі 6 кВ-қа дейінгі асинхронды қозғалтқыштар шығарылады.

                   

6.4 – сурет. Қысқа тұйықталған асинхронды қозғалтқыштың роторы:

а-құрылысы, б-орама

Бір фазалы асинхронды электрлі қозғалтқыш.

Бір фазалы асинхронды қозғалтқыштар шағын қуаттарда 1—2 кВт-қа дейінгі кеңінен қолданылады. Мұндай қозғалтқыштың кәдімгі үш фазалы қозғалтқыштан айырмашылығы—оның статорында бір фазалы орама орналасады. Бір фазалық асинхронды қозғалтқыштың роторында фазалық немесе қысқа тұйықталған орама болады. Бір фазалық асинхронды қозғалтқыштың ерекшелігі — онда бастапқы немесе жүргізіп жіберу моментінің болмауында, яғни мұндай қозғалтқышты желіге қосқанда оның роторы қозғалмаған күйінде қала береді.

Егер роторды әйтеуір бір сыртқы күшпен қимылсыз күйінен шығарса, онда қозғалтқыш айналдырушы момент дамытады. Бастапқы моменттің болмауы бір фазалы асинхронды қозғалтқыштардың елеулі кемістігі болып табылады. Сондықтан олар әрқашанда жүргізіп жіберу құрылғысымен жабдықталады.

Ең қарапайым жүргізіп жіберу құрылғысына статорға ораластырған, бір-бірінен полюс бөлімінің жартысына (90 эл. град.-)  ығыстырылған, екі орама жатады. Бұл орамалар симметриялы екі фазалық желіден қоректенеді, яғни орамаларға берілген кернеу бір-бірімен тең және фаза бойынша ширек периодқа ығысқан. Мұндай кернеулерде орамалар бойынша жүретін токтар да фаза бойынша ширек  периодқа ығысады. Ол орамдардың кеңістіктік ығысуына қосылып айналмалы магнит өрісін алуға мүмкіндік береді.

Бір фазалы қозғалтқышты жүргізіп жіберу үшін екі ораманы оларға ортақ бір фазалы желіге қосады. Орамалардағы токтар арасында, шамамен ±/2-ға тең (ширек периодқа тең) фазалар ығысу бұрышын, алу үшін орамалардың бірін (жұмыстық ораманы) желіге тікелей немесе жүргізіп жіберу активтік кедергісі арқылы қосады, екінші ораманы (жүргізіп жіберу орамасын)—орауышпен (6.5, а-сурет) немесе конденсатормен (6.5, б-сурет) тізбектеп қосады.

Конденсаторлы (екі фазалы) қозғалтқыш — статорда екі орамасы бар бір фазалы асинхронды қозғалтқыш болып табылады.

Синхронды машиналар құрылысы.

Синхронды машиналарда ротордың айналу жиілігі статордың магнит өрісінің айналу жиілігіне тең, сондықтан ол желі тогының жиілігімен және полюстер жұбының санымен анықталады, яғни п =60f/p; f=pn/60.

Барлық электр машиналары сияқты синхронды машина да қайтымды, яғнн ол әрі генератор, әрі қозғалтқыш ретінде жұмыс істей алады.

Электр энергиясы синхрондьі генератормен (өндіргішпен) өндіріледі. Оның бастапқы қозғалтқышы су (гидравликалық), не бу трубинасы, не іштен жану қозғалтқышы т. с. с. бола алады.

Өткізгіштегі ЭҚК осы өткізгішті тұрақты магнит ерісінде орнын ауыстыру арқылы да және керісінше, магнит өрісін жылжымайтын өткізгішке қарағанда қозғалту арқылы да алуға болады, Бірінші жағдайда, магнит өрісін қоздыратын полюстер, яғни машинаның индукцияланатын бөлігі машинаның қозғалмайтын бөлігінде (статорда) орналасады, ал индукцияланатын белігі (якорь), яғни ЭҚК пайда болатын өткізгіштер машинаның айналмалы бөлігінде (роторда) орналасады. Екінші жағдайда полюстар , роторда, ал якорь статорда орналасады.

Полюстері роторда, ол якорі статорда орналасқан синхронды генераторлар кеңінен қолданылып отыр. Қоздыру тогы қоздыру орамасымен жүреді. Қоздыру орамасы ротор полюстерінде орналасқан, тізбектеп қосылған орауыштардан тұрады. Қоздыру орамасының ұштары машина білігіне бекітілген түйіспелік сақиналармен жалғанған. Сақиналарға қозғалмайтын щеткалар орнатылған. ІЦеткалар арқылы қоздыру орамына басқа энергия көзінен — қоздырғыш деп аталатын тұрақты ток генераторынан тұрақты ток беріледі.

Қоздырғышты синхронды генератордың жалпы көрінісі 6.6-суретте көрсетілген. Синхронды генератордың статорының құрылысы асинхронды машинаның статорының құрылысына ұқсас. Синхронды генераторлардың роторы полюстері айқын кескінделген, не айқын кескінделмеген, яғни полюстері шығып тұрмайтын түрінде жасалынады.

6.6-сурет. Синхронды генератордың құрылысы:

1-синхронды генератор, 2-қоздырғыш.

Полюстері айқын кескінделген генераторлардың алғашқы қозғалтқыштары ретінде, әдетте, шапшаң жүретін машиналар қатарына жататын, бу турбиналарын қолданады.

6.7-сурет. Синхронды машинаның роторы: а — айқын кескінделген полюстармен, б — айкңн кескінделмеген полюстермен

Синхронды қозғалтқыштар

Синхронды қозғалтқыштың синхрондық генераторлардан құрылысы жағынан айтарлықтай айырмашылығы жоқ. Генератордағы сияқты синхронды қозғалтқыштың статорында үш. фазады орама орналасқан. Оны үш фазалы айнымалы ток желісіне қосқанда минутына  жиілігімен айналатын айналмалы магнит өрісін Ф_р  туады. Қозғалтқыш роторында тұрақты ток кезіне қосылатын қоздыру орамасы орналасқан. Қоздыру тогы полюстердің магнит ерісін Ф_т туғызады. Синхронды қозғалтқыштың айналу жиілігі, қоректендіруші желі тогының жилігі өзгермесе., қатаң түрде тұрақты болады.

Синхронды қозғалтыштардың негізгі артықшылығына олардың озық ток тұтынып жұмыс жасау мүмкіндіктері жатады, яғни қозғалтқыш желі үшін сиымдылықтық жүктеме болып табылады.

Синхронды қозғалтқыштың асинхрондық қозғалтқыштарға қарағанда артықшылығына желі кернеуінің өзгеруіне сезімтал еместігі де жатады.

Син)фонды қозғалтқыштарда айналдырушы момент желі кернеуіне бірінші дәрежеде пропорционал болса, ал асинхронды қозғалтқыштарында ол кернеудің квадратына пропорңионал.

Синхронды қозғалтқышты желіге тікелей қосу арқылы жүргізіп жіберу мүмкін емес, өйткені статор орамасын желіге қосқанда  айналмалы магнит өрісі пайда болады, ал  ротор қосу сәтінде де қозғалыссыз, соның салдарынан статор мен ротордың магнит өрістері өзара әрекеттеспейді, яғни қозғалтқыш айналдырушы моментін дамыта алмайды. Сондықтан қоздырғышты  ісқе қосу күшін ротордың айналу жиілігін алдын ала синхронды не болмаса соған жақын жиілікке жеткізу керек.

Қазіргі уақытта көбінесе синхронды қозғалтқыштарды асинхронды жүргізіп жіберу деп аталатын тәсіл қолданылады.