Mașini de curent alternativ: proiectare, principiu de funcționare, aplicații

Mașinile electrice îndeplinesc funcția responsabilă de conversie a energiei în mașini de lucru și stații generatoare. Aceste dispozitive își găsesc locul în diverse domenii, alimentând actuatoarele cu un potențial energetic suficient. Unul dintre cele mai frecvent utilizate sisteme de acest tip este reprezentat de mașinile de curent alternativ (ACM), care au mai multe variante și diferențe în cadrul clasei lor.

Informații generale despre NRMM

Segmentul convertoarelor MPT sau electro-mecanice poate fi împărțit în mod convențional în sisteme monofazate și trifazate. De asemenea, se face o distincție la un nivel de bază între mașinile asincrone, sincrone și cu colector, chiar dacă există multe asemănări în principiul general și în concepția lor. Această clasificare a mașinilor de curent alternativ este arbitrară, deoarece stațiile de conversie electromecanică de astăzi implică parțial procese de lucru din fiecare grup de dispozitive.

Un MPT se bazează în general pe un stator și un rotor cu un întrefier între ele. Din nou, indiferent de tipul de mașină, ciclul de funcționare se bazează pe rotația câmpului magnetic. Dar, în timp ce la mașinile sincrone mișcarea rotorului urmează direcția câmpului de forțe, la mașinile asincrone rotorul se poate mișca într-o direcție diferită și cu frecvențe diferite. Această distincție este, de asemenea, motivul pentru care mașinile sunt utilizate în moduri diferite. În timp ce mașinile sincrone pot funcționa atât ca generator, cât și ca motor electromecanic, mașinile asincrone sunt utilizate în principal ca motoare.

în ceea ce privește numărul de faze, se face o distincție între sistemele monofazate și cele multifazate. Din punct de vedere al aplicațiilor practice, cea de-a doua categorie este cea care merită atenție. În cea mai mare parte, acestea sunt mașini trifazate de curent alternativ în care câmpul magnetic este purtătorul principal de energie. Dispozitivele monofazate, pe de altă parte, sunt treptat eliminate din cauza lipsei de practicitate și a dimensiunilor mari, deși în unele zone costurile reduse sunt un factor decisiv în alegerea lor.

Diferențe între mașinile de curent continuu și cele de curent continuu

Principala diferență structurală constă în aranjamentul de înfășurare. La sistemele de curent alternativ, acesta înconjoară statorul, în timp ce la mașinile de curent continuu înconjoară rotorul. În ambele grupe, motoarele diferă în ceea ce privește tipul de excitație a curentului - mixt, paralel și în serie. Mașinile de curent alternativ și cele de curent continuu sunt utilizate astăzi în industrie, agricultură și gospodării, dar primele sunt mai atractive din punct de vedere al performanțelor. Alternatoarele și motoarele de curent alternativ beneficiază de un design mai avansat din punct de vedere tehnologic, de fiabilitate și de o putere de ieșire ridicată.

Utilizarea mașinilor de curent continuu este larg răspândită în aplicațiile în care se pune accentul pe controlul de precizie. Acestea pot fi mecanisme de tracțiune în transporturi, mașini de prelucrare și instrumente de măsurare complexe. Mașinile de curent continuu și cele de curent alternativ au o eficiență ridicată din punct de vedere al performanței, dar cu posibilități diferite de adaptare tehnică și structurală la condițiile specifice ale aplicației. Funcționarea cu curent constant oferă o capacitate mai mare de control al vitezei, importantă atunci când se utilizează motoare servo și pas cu pas.

Proiectarea unui motor asincron

Pentru baza tehnică a acestei unități, foaia de oțel este utilizată ca rotor și stator și ambele părți sunt acoperite cu ulei și colofoniu înainte de asamblare. Pentru mașinile mici, miezul poate fi realizat din oțel electric, fără nici un strat suplimentar de acoperire, deoarece în acest caz izolatorul este stratul de oxid natural de pe suprafața metalului. Statorul este fixat în carcasă, iar rotorul pe arbore. La mașinile asincrone de curent alternativ cu puteri mari, miezul rotorului poate fi, de asemenea, montat pe janta carcasei cu un manșon pe arbore. Arborele direct trebuie să se rotească pe plăci de rulmenți care sunt, de asemenea, fixate pe baza carcasei.

Suprafețele exterioare ale rotorului și suprafețe interne Inițial, în stator sunt prevăzute fante pentru a găzdui conductorii înfășurării. La mașinile de curent alternativ, înfășurarea statorului este în general trifazată și este conectată la un circuit adecvat de 380 V. Acesta se mai numește și întrefierul primar. Înfășurarea rotorului este proiectată într-un mod similar, cu capetele formând de obicei o conexiune în stea. Sunt prevăzute fante pentru inelele contactorului, prin care se poate conecta suplimentar un reostat de reglare sau un element de pornire trifazat.

Este important să se țină cont de parametrii distanței de aer, care au funcția de zonă de amortizare pentru a reduce zgomotul, vibrațiile și încălzirea în timpul funcționării mașinii. Cu cât mașina este mai mare, cu atât mai mare trebuie să fie distanța. Dimensiunea sa poate varia de la unu la câțiva milimetri. În cazul în care, din punct de vedere structural, nu este posibil să se lase un spațiu suficient de spațiu pentru de aer, se va asigura un sistem de răcire suplimentar pentru unitate.

Principiul de funcționare a mașinilor asincrone

În acest caz, înfășurarea trifazată este conectată la o rețea simetrică cu tensiune trifazată, care generează un câmp magnetic în întrefierul de aer. În ceea ce privește înfășurarea de armătură, se iau măsuri speciale pentru a obține o distribuție spațială armonică a câmpului pentru întrefierul de amortizare, care formează un sistem de poli magnetici rotativi. Conform principiului unei mașini cu motor de curent alternativ, un flux magnetic este indus la fiecare pol și traversează buclele de înfășurare pentru a genera o forță electromotoare. O înfășurare trifazată induce un curent trifazat care furnizează motorului un cuplu. Pe măsură ce curentul rotoric interacționează cu fluxurile magnetice, se generează o forță electromagnetică asupra conductorilor.

Dacă rotorul este acționat de o forță exterioară, a cărei direcție corespunde cu direcția câmpului magnetic al mașinii de curent alternativ, rotorul va începe să depășească câmpul de rotație. Acest lucru apare atunci când viteza statorului depășește frecvența sincronă nominală. În același timp, direcția forțelor electromagnetice va fi inversată. Rezultă un cuplu de frânare cu efect invers. Acest principiul de funcționare permite, de asemenea, ca mașina să fie utilizată ca generator, alimentând rețeaua electrică.

Structura și principiul de funcționare a mașinilor sincrone

O mașină sincronă este similară cu o mașină asincronă în ceea ce privește proiectarea și aranjamentul statorului. Înfășurarea se numește armătură și se realizează cu același număr de poli ca în cazul anterior. Rotorul include o înfășurare de excitație care este alimentată de arcurile de alunecare și perii conectate la o sursă de curent continuu. Sursa este un mic generator de excitație montat pe un singur arbore. Înfășurarea unei mașini sincrone de curent alternativ acționează ca un generator al câmpului magnetic primar. La proiectare, proiectanții se străduiesc să se asigure că distribuția câmpului de inducție pe suprafețele statorului este cât mai apropiată de o sinusoidă.

La sarcini mai mari, înfășurarea statorică produce un câmp magnetic cu o mișcare de rotație în direcția rotorului cu o frecvență similară. Aceasta produce un câmp rotativ uniform, prin care câmpul statoric va acționa asupra rotorului. Această dispunere a mașinilor de curent alternativ permite utilizarea lor ca motoare dacă alimentarea cu curent trifazat a înfășurării sincrone este prevăzută inițial. Aceste sisteme permit rotorului să se rotească în mod coordonat și cu o frecvență care se potrivește cu cea a câmpului statoric.

Mașini sincrone cu poli expliciți și mașini sincrone cu poli impliciți

Principala diferență față de sistemele de stâlpi expliciți este prezența stâlpilor proeminenți care sunt fixați pe bolțurile speciale ale arborelui. În cazul angrenajelor tipice, fixarea se face prin intermediul unor cozi în T pe marginea crucii sau a arborelui prin intermediul unui manșon. Pentru mașinile de curent alternativ de putere mică, acest lucru poate fi realizat și cu conexiuni cu șuruburi. Materialul de înfășurare este o bandă de cupru, care este înfășurată pe o nervură și izolată cu distanțiere speciale. Capsele montate complet la pol conțin tijele de înfășurare pentru pornire. În acest caz, se utilizează un material cu o rezistență specifică ridicată, similară cu alama. Capetele înfășurării sunt sudate pe elementele de scurtcircuit, formând o buclă comună de scurtcircuit. Mașinile autopolare cu un potențial de putere de 10 - 12 kW pot fi proiectate în așa-numitul concept inversat, în care armătura se rotește, iar polii inductorului rămân staționari.

Mașinile cu poli impliciți se bazează pe un rotor cilindric din oțel forjat. Rotorul include caneluri pentru a forma o înfășurare de excitație ai cărei poli sunt proiectați pentru viteze mari. Dar această înfășurare nu poate fi utilizată pentru mașinile de curent alternativ cu puteri mari din cauza uzurii ridicate a rotorului în condiții de funcționare severe. Din acest motiv, pentru rotoare, chiar și în cazul mașinilor de dimensiuni medii, se folosesc componente de înaltă rezistență realizate din piese forjate dintr-o singură bucată pe bază de oțeluri cu crom-nichel-molibden sau crom-nichel. Din cauza cerinței de rezistență, diametrul maxim al rotorului unei mașini sincrone cu poli impliciți nu trebuie să depășească 125 cm (2 in.). Acest lucru explică factorul de formă neobișnuit al rotorului cu carcasă extinsă, deși există și restricții în această privință din cauza vibrațiilor crescute în cazul elementelor excesiv de lungi. Lungimea maximă a rotorului este de 8,5 m. Mașinile cu polii impliciți, care sunt utilizate în industrie, includ diverse turbogeneratoare. Acestea sunt utilizate, în special, pentru a corela cuplurile de funcționare ale turbinelor cu abur cu cele ale centralelor termice.

Caracteristici ale hidrogeneratoarelor cu arbore vertical

O clasă separată de MPT sincrone cu poli expliciți, prevăzute cu un arbore vertical. Acestea sunt conectate la turbine hidraulice și sunt adaptate la debitele de serviciu ale turbinelor. Majoritatea mașinilor de curent alternativ de acest tip sunt mașini cu viteză mică, dar au un număr mare de poli. Componentele critice de funcționare ale unui generator cu arbore vertical includ rulmentul axial și piedestalul de rulment axial, care suportă sarcina părților rotative ale motorului. Rulmentul axial, în special, este supus presiunii exercitate de fluxurile de apă care acționează asupra paletelor turbinei. În plus, este prevăzută o frână pentru a opri rotația, iar structura de operare include, de asemenea, rulmenți de ghidare care absorb forțele radiale.

În plus față de alternatorul hidraulic, partea superioară a mașinii poate găzdui unități auxiliare, cum ar fi excitatorul alternatorului și regulatorul. Apropo, acesta din urmă este o mașină independentă de curent alternativ cu înfășurări și poli cu magnet permanent. Acest ansamblu furnizează motorul pentru funcția de reglare automată. La mașinile mari cu arbore vertical, excitatorul poate fi înlocuit cu un generator sincron care, împreună cu unitățile de excitație și redresoarele cu mercur, alimentează dispozitivele de putere care deservesc procesul de lucru al generatorului hidraulic principal. Configurația mașinii cu arbore vertical este, de asemenea, utilizată ca mecanism de acționare pentru pompele hidraulice de mare capacitate.

Colector MPT

Prezența unui colector în proiectarea unui MPT este adesea condiționată de necesitatea de a realiza funcția de conversie a vitezei în cuplarea electrică a circuitelor multifrecvență din înfășurările rotorului și statorului. Această soluție face posibilă adăugarea unei a doua înfășurări la stator performanță, Acestea au o reglare automată a parametrilor de funcționare. Motoarele cu colector de curent alternativ, care sunt conectate la rețeaua trifazată, au trei degete de perie în fiecare segment bipolar. Periile sunt conectate în paralel prin intermediul unor jumperi. În acest sens, MPT-urile cu colector sunt similare cu motoarele de curent continuu, dar diferă de acestea prin numărul de perii utilizate pe poli. În plus, statorul din acest sistem poate avea mai multe înfășurări suplimentare.

Înfășurarea închisă a armăturii cu un colector de perii trifazat va fi o înfășurare complexă trifazată cu o conexiune în triunghi. În timp ce armătura se rotește, fiecare fază a înfășurării își menține o poziție constantă, dar secțiunile trec pe rând de la o fază la alta. Dacă o mașină cu colector de curent alternativ utilizează un set de șase faze de perii decalate cu 60° una față de cealaltă, atunci o înfășurare cu șase faze este formată cu o conexiune poligonală. La periile unei mașini multifazate cu un grup colector, frecvența curentului este determinată de rotația fluxului magnetic în raport cu periile staționare. Direcția de rotație a rotorului poate fi fie contra-rotativă, fie coordonată.

Cereri pentru NRMM

În prezent, NRMM-urile sunt utilizate peste tot unde trebuie generată o anumită formă de energie mecanică sau electrică. Unitățile de capacitate mare sunt utilizate pentru instalații, centrale electrice și sisteme de transport, în timp ce unitățile de capacitate mică sunt utilizate pentru toate aparatele casnice normale, de la ventilatoare la pompe. Dar, în ambele cazuri, scopul mașinilor de curent alternativ este de a genera suficientă energie. Cu toate acestea, diferențele de construcție, implementarea configurației interne a statorului și a rotorului, precum și infrastructura de control, sunt de mare importanță.

Deși designul general al unui MPT a păstrat pentru mult timp același set de componente funcționale, cerințele tot mai mari privind funcționarea acestor sisteme îi obligă pe proiectanți să introducă elemente suplimentare de monitorizare și control. Mai ales în contextul aplicării mașinilor de curent alternativ în industria prelucrătoare, este greu de imaginat funcționarea unor astfel de motoare și generatoare fără un control de mare precizie a parametrilor de funcționare a. În acest scop, se utilizează următoarele diverse moduri de control, cum ar fi impulsuri, frecvență, reostat etc.д. Introducerea automatizării în infrastructura de control este de asemenea trăsătură caracteristică Funcționarea modernă a MPT. Electronica de comandă este conectată la unitatea de putere cu pe de o parte, și, pe de altă parte, controlerelor software care, în conformitate cu un algoritm prestabilit, dau comenzi pentru a stabili parametrii specifici pentru funcționarea mașinii.

Concluzie

Generatoarele de curent și motoarele electrice sunt componente de putere indispensabile în industria modernă. Funcția lor este de a alimenta mașinile, vehiculele, sistemele de comunicații și alte echipamente și aparate electrice care necesită o sursă de energie electrică. Există o gamă imensă de tipuri și subspecii de mașini electrice de curent alternativ și continuu, ale căror trăsături și caracteristici care determină în cele din urmă nișa de funcționare a acestora. Caracteristicile tehnico-operaționale ale MPT-urilor sunt construcția mai simplă și cerințele relativ scăzute de întreținere. Pe de altă parte, mașinile de curent continuu se dovedesc a fi o soluție mai atractivă pentru problemele de alimentare cu energie electrică în sistemele de alimentare complexe și solicitante. Segmentul de producție internă de echipamente industriale de putere are o experiență uriașă în proiectarea și producția de mașini electrice de ambele tipuri. Companiile mai mari se concentrează din ce în ce mai mult pe soluții personalizate cu caracteristici speciale de proiectare și funcționare. Variațiile față de modelele standard implică adesea conectarea de unități funcționale și echipamente auxiliare, cum ar fi sistemele de răcire, protecția împotriva supraîncălzirii și a rețelei, energia auxiliară și de rezervă. În plus, unele dintre proprietățile de proiectare ale mașinilor electrice sunt puternic influențate de mediul extern de funcționare, care este, de asemenea, luat în considerare în fazele de proiectare și construcție a tehnologiei.