Асинхронды қозғалтқыштың жұмысшы сипаттамасы.

Асинхронды қозғалтқыштың жұмысшы сипаттамасы дегенде желідегі кернеу U₁ және оның жиілігі тұрақты болғанда оның білігінде тұтынатын тоқтың активті қуаттың Ð₁ моментінің М шарықтауын, ротор білігінің айналу жылдамдығы n₂, сырғуды S мен ПӘК (), жұмысшы дипазонда жүктеменің өзгеруін Ð₂ (2.19-сурет) айтады:

I₁,Ð₁, Ì,n₂,S,ŋ,Cosφ=ƒ(Ð₂),U₁=Cosφ ìåí ƒ₁=Ñînst (2.132) болғанда.

Асинхронды қозғалтқыштың жұмысшы сипаттамасын, инженерлік тәжірибеде жеткілікті дәлдікпен, эквивалентті алмастырма электр сұлбасы арқылы (1.17 – сурет) олардың өлшемдері белгілі болса, (2.7.1 – сурет) айтылған әдістеме бойынша, есептеу жолымен анықтауға болады. Сырғанаудың мына шектегі S=(0,2…1,2)S_í бірнеше мәндерін алып, тең аралық ∆S арқылы есептеу мына ретпен жүргізіледі. Асинхронды қозғалтқыштың орнын басудың эквивалентті электр сұлбасынан Ом заңы бойынша желіден тұтынатын тоқты I₁ анықтайды:

 

,

 

мұндағы U ₁=U₁l^j0 — асинхронды қозғалтқыштың қалып сызықтық кернеуінің кешені (бастапқы фазалық бұрышы шартты түрде нөлге тең φ₁=0 деп алынған I₁ мен φ₁дің алынған) мәнінен қозғалтқыштың желіден тұтынған активті электр қуаты Ð₁есептеп шығарылады.

 

 

Қозғалтқыш білігінде дамитын қуат Ð₂=P₁- P_òì анықтау үшін, барлық шығын қосындысын P анықтау қажет. Ол үшін асинхронды қозғалтқыштың синхронды жүктеусіз жұмыс кезінде тұтынған магниттену тоғын I₀ және ротор орамасының келтірілген тоғын I₂ алдын ала есептеп алу керек:

 

,

 

 

мұндағы Z₀ =Z₁+Z_µ = (R₁ +R_ñm) + j (õ₁ +õ_ì) =Z₀å^-jφ0 орамасына келтірілген ротордағы тоқ 2.17 – суреттен алып анықталады.

 

 

содан кейін қозғалтқыштағы электр шығынын есептейді статор орамасының мысындағы электр шығыны (2.110): ротор орамасының мысындағы алюминий электр шығындары:

 

=

 

статор болаттарындағы электр шығындары

 

 

Асинхронды қозғалтқыш роторының айналу жылдамдығы айн/мин n₂ =n₁(1-S)немесе рад/с

 

ω₂= .

 

Асинхронды қозғалтқыштың білігіндегі айналдыру моменті

 

 

Алынған мағлұматтар бойынша жұмыс сипаттамасы тұрғызылады

I₁/I_1í,Ð₁/Ð_1í,Ì₂/Ì_2í, η және Ñîsφ біліктегі қуаттың Р₂ функциясында, қатынастық бірлікте:

жұмысшы сипаттамасын талдауға ыңғайлы болу үшін η пен Ñîsφ деп басқа барлық өлшемдері қалыпты мәндеріне тең базистік шамада салыстырмалы бірлікпен алады.

2.20 – суретте қысқа тұйықталған шығын қуатты асинхронды қозғалтқыштың жинақта жұмысшы сипаттамасы көрсетілген. Жұмысшы сипаттамасын талдау мынадай жинақтағыш қорытынды жасауға мүмкіндік береді. Асинхронды қозғалтқыштың білігіндегі жүктеме жүктемесіз жұмыстан қалыпты жұмысқа дейінгі аралыққа өзгерсе:

— айналу жылдамдығы n₂ тұрақты дерлік шамада қалады;

— моменттің М ұлғаюы түзу сызыққа жуық;

- — білікке жүктеме түспеген кезде (жүктемесіз жұмыс) қозғалтқыш тұтынатын тоқ І₁ бір қалыпты мәнінің (35...40)пайызын құрайды: I_1õõ=(0,35..0,4)I_í;

 

— ПӘК η, біліктегі жүктеме 50 пайызға жеткенде, шырқау шегіне дейін жетіп тез өседі және ісжүзінде одан ары өзгермейді;

— қуат коэффициенті Ñîsφ өсуі Ñîsφ_õõ =0,1 бастап, қалыпты жүктеленген кезде қалыпты мәніне жетеді, асыра жүктелген кезде аздап өзгереді;

— сырғанау S жүзінде түзу сызықпен өседі;

— қалыпты сырғанау S шамасы қозғалтқыштың қуатына тәуелді өзгереді және S 0,05....0,01 шегінде ауытқиды.

2.22-сурет. Қысқа тұйықталған роторлы асинхронды қозғалтқыштың қорытынды ортақ жұмысшы сипаттамасы.

2.23-сурет. Қысқа тұйықталған роторлы асинхронды қозғалтқыштың қуаттылығына қалыпты сырғанаудың (S) тәуелділігінің қорытынды қисықтары.

 

Сырғанау шамасы қозғалтқыштың қуаттылығының өсу ретіне қарай көрсетілген. Эксплуатациялаушылардың назарын аударуы керек ететін өзіндік ерекшеліктерге жүктеме болмағанның өзінде анық тұтыну тоғының үлкен болуы. Қуаты аз қозғалтқыштардағы бос жүріс тоғы қалыпты тоқтың (40...45)жетуі I_õõ=(0,4…0,5)I_í, ал қуат коэффициенті өте төмен. Сондықтан асинхронды қозғалтқыш қалыпты жүктемемен пайдалануы керек, сонда Ñîsφ η –ге көбейтіндісі шырқау шегінде болады. Үш фазалы асинхронды қозғалтқыштардың айналу бағытын өзгерту статор орамасының кез – келген екі фазасын желіге ауыстырып қосу арқылы атқаруға болады (екі фазаны ауыстыру).

3.7. Тақырып 7. Синхронды машинаның құрлым мен типін белгілеу. Анық полюсті және анық емес подюсті Синхронды машина.Синхронды генератордың сипаттамасы..

Ұсынылатын әдебиет:

- Брускин Д.Э.,Зохорович А.Е.,Хвостов В:С. Электрические машины ч.1,2.М.:Высшая школа 1987.

- Костенко М.П,Пиотровский Л.М., Электрические машины, ч.1,2. М.: Энергия 1978.

- Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа,1990.

- Капылов И.П. Электрические машины. М. Высшая школа, 2000

Синхронды машиналар өзара қайтымды электр машиналары болып табылады. Олар құрылыстық өзгеріске түспей – ақ механикалық энергияны электр энергиясына айналдыратын генератордың немесе электр энергиясын механикалық энергияға айналдыратын қозғалтқыштардың орнына да қолданылады.

Синхронды машинаны қолдану аймағы. Синхронды машиналар электр энергиясының генераторы ретінде де, қозғалтқыштар ретінде де қолданылады. Дегенмен, ол ЭҚК үшфазалы жүйесінің электромеханикалық көзі ретінде кеңірек тараған. Дүниежүзінде электр энергиясын өндіруді айнымалы тоқтың синхронды машинасы – үшфазалы синхронды генератор атқарады. Синхронды айналысқа түсетін алғашқы қозғалтқыштың түріне қарай, турбогенераторлар (механикалық энергия көзі бу трибунасы), гидрогенераторлар (механикалық энергия көзі гидравликалық турбиналар) және дизельгенераторлар (механикалық энергия көзі – іштен жанатын қозғалтқыш – дизель). Жылу электр станцияларында (ЖЭС) және атом электр станцияларында (АЭС) турбогенераторлар, ал гидростанцияларда (ГЭС) – гидрогенераторлар орнатылады. Дизель генераторлар негізінде жұмысында электр энергиясы апатты жағдайда да, болмай қалуы тиіс нысандарда қосалқы энергия көзі (банктер, әскери нысандар және т.б.) ретінде қолданылады. Аз және орташа ауқымды электр энергияларын тұтынатын жерлерде, оларды пайдалану, асинхронды қозғалтқыштарды пайдалануға қарағанда экономикалық жағынан тиімділігіне қарамастан, синхронды машиналар қозғалтқыш ретінде сиректеу қолданылады. Сондықтан қозғалтқыштар, арнайы жасалатындарынан басқа, қуаттылығы 100 кВт және одан жоғары етіп конструкцияланады. Қуаттылығы жоғары синхронды қозғалтқыштар (СҚ) қуат коэффициенті Ñîsφ және пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) сондай – ақ, олардың тұтыну кезіндегі (желідегі) кернеудің төмендеуіне аса сезімтал еместігінен, асинхронды қозғалтқыштармен бәсекелесе алады. Синхронды қозғалтқыштардың айналдыру моменттері бірінші дәрежелі кернеуге (Ì Ξ U),, ал АҚ-екінші дәрежелі кернеуге пропорционал (Ì Ξ U²) ал технологиялық жұмыс тәртібінің сапасына әсер етеді.

Синхронды машиналардың құрылысы. Синхронды генератор мен синхронды қозғалтқыштар құрылысы жағынан бірдей болғандықтан, олардың құрылыстарын бірге қарастырамыз. Синхронды машина (генератор мен қозғалтқыш) үшфазалы орамалы статордан және тұрақты қоздырғыш орамасы бар ротордан тұрады.

Синхронды машинаның статоры. Синхронды машинаның статоры конструкциялық құрылымы жағынан үшфазалы асинхронды қозғалтқыштарының статоры мен бірдей (2.2.1).

Синхронды машина статорының орамасы. Синхронды машинаның статорының орамасы үшфазалы ЭҚК жүйесін индукциялауға (үшфазалы синхронды генератор) немесе тұрақты айнымалы магнит өрісін туғызуға арналған (үшфазалы синхронды қозғалтқыш). Ол үшфазалы асинхронды қозғалтқыш статорының орамасымен бірдей (2.2.3) дегенмен, синхронды генераторлардың раторы орамасы тек «жұлдызша» сұлбасымен жалғасады. Синхронды генератордың орамасы «үшбұрыш» сұлбасымен қосылуы ісжүзінде қолданылмайды. Себебі, статор орамасын «үшбұрыштап» қосқанда онда сызықтық кернеу болады, ал «жұлдызшалап» қосқанда фазалық кернеуде болады, ол сызықты кернеуден есе аз. Демек, орамаға оқшаулатқышы жұқа өткізгішті қолдануға болады. Ол қуаттылығы бірдей машиналардың тұрқына әсер етеді. Одан басқа, егер синхронды генератордың статоры орамасын «үшбұрыш» сұлбасы бойынша жалғаса, мұндай жағдайда статор орамасында ЭҚКке индукцияланатын магнит ағынының сәл ғана симметрясыздығынан өз – өзіне тұйықталған орамада, генератордың бос жүріс жұмысы кезінің өзінде шамасы 3 есе гармоникалық құраушы пайда болып, теңестіруші тоқ өтетін болады, ол қосымша шығынға соқтырып генератордың қуаты төмендейді. Статор орамасын «жұлдызша» сұлбасы бойынша жалғағанда фазалардың орамалары ажыратулы болғандықтан, жүктемесіз жұмыс кезінде теңестіргіш тоқ болмайды. Синхронды генератордың үшфазалы орамасын «жұлдызша» сұлбасымен жалғағанда, одан бірмезгілде, шамасы жағынан екі түрлі кернеу алуға болады: сызықтық және фазалық().. Синхронды генератордың үшфазалы орамасын «үшбұрыш» сұлбасы бойынша жалғағанда, синхронды генератор бір шамадағы кернеулі электр энергиясының көзі болады: сызықтық кернеу фазалық кернеуге тең болады (U^∆_c =U^∆_ô).

Синхронды машинаның роторы. Статорды машинаның роторы құрылысы бойынша екі нұсқада орындалады: айқынполюсті және айқындалмаған полюсті.

Айқынполюсті машинада ротор полюстері айқын көрінетін, болат цилиндр (3.1 – сурет).

Ротордың мұндай конструкциясы оны полюсінің саны көп етіп конструкциялауға мүмкіндік береді, олардың саны бірнеше ондыққа жетуі ықтимал. Айқын полюсті ротор гидрогенераторларға орнатылады. Гидрогенераторлар роторының полюс сандары, стандартты жиіліктегі f=50, ЭҚКтен электр энергиясын алудың технологиялық процессіне негізделеді. Қазіргі кездегі диаметірі үлкен қуаты гидро-трубиналардың дөңгелектерінің айналу жылдамдығы 100 ай/мин-тан артпайды. Статор орамасында индукцияланатын ЭҚКтің жиілігі, ротор айналымының жылдамдығына және полюсті жұбының санына байланысты. Бұл байланыс (тәуелділік) мына теңдеумен көрсетіледі:

 

Pn=60ƒf

 

 

3.1-сурет. Айқынполюсті синхронды мәшиненің роторы: а – полюс; в – қоздырғыш орама.

3.2-сурет. Айқынсыз полюсті синхронды мәшиненің роторы: а – полюс; в – қоздырғыш орама.

 

Гидротрубина дөңгелегінің айналу жылдамдығы төмен кезде және ЭҚК өнеркәсіптік жиілікте өндірілгенде синхронды генератордың айқынполюстері роторының жұп полюстері ðn= 60ł50=300 саны болатындай болуы тиіс. Егер, гидротурбинаның айналу жылдамдығын 100 ай/мин-ке деп алсақ, синхронды генератордың айқынполюсті ротордың жұп полюстері саны ð=3000/100=30, ал полюстер саны 2ð=60 қа тең болуы тиіс.

Айқындалмаған полюсті ротор. Айқындалмаған полюсті ротор (3.2-сурет) өте жоғары сапалы. Оның бетінің 2/3 бөлігіне бойлық ойықтар фрезделіп тілінеді, олар баржоғы екі полюс түзіледі. Оның бу трубиналарымен айналатын турбогенераторларға орнатады, олар 3000 ай/мин жылдамдықпен жұмыс жасайды. Стандартты өнеркәсіптік жиілік 50 Гц алу үшін, ротордың бір жұп полюсы болуы тиіс: Ð=60ƒ/n=60ł50/3000=1,0,, демек екі полюс(2ð=2).. Егер турбогенераторға екі полюсі бар айқынполюсті ротор орнатса, онда, сәл симметриясыздық кезінде, ол технологиялық жағынан болмай қоймайды, осындай жылдамдықта, роторда қауіпті шамада діріл пайда болуы мүмкін. Сондықтан қазіргі кездегі турбогенераторлардың роторлары айқындалмаған полюсті, болаттан тұтас соғылған 200 м/с жететін үлкен айнымалы сызықтық жылдамдыққа төтеп бере алатын механикалық бекемдікті қамтамасыз ете алатындай етіп жасалады.

Синхронды машинаның қоздыру орамасы. Синхронды машинаның қоздыру орамасы тұрақты тоқтың магнит өрісін тудыруға арналған. Айқынполюсті ротордың қыздыру орамасы, цилиндр, шарғы түрінде жасалып полюстер өзектеріне орналасады. Шарғы арнайы түрдегі полюстік ұштықтармен бекітіледі.

Айқындалмаған полюсті роторларда қоздыру орамасы, ротор бетінің 2/3 фрезделіп жасалған бойлық ойықтарында жанасу шеңбері бар асинхронды қозғалтқыш раторы орамасы сияқты орналасады. Айқындалмаған полюсті ротордың қоздыру орамасының орамдары, ойықтарда мықты металл сыналарымен бекітілді. Қоздыру орамасының алдыңғы бөлігі ротордың қазіргі қуатты турбогенераторларда, секундына 200 м және одан жоғары жылдамдықпен айналуы кезінде олардың жарылып кетпеуі үшін, аса бекем болатын сымдардан даярланған шеңбер белбеулермен бекітіледі.

Үшфазалы асинхронды генератормен, механикалық энергиясына айналдырудың электрофизикалық процесстері. Үшфазалы синхронды генератормен механикалық энергияны электр энергиясына айналдырудың электрофизикалық процестері, генератордың жүктемемен немесе бос жүріс кезіндегі тәртіппен істелгендіктен нақты ерекшеліктері бар. Сондықтан олар жеке қаралады.

Синхронды генератордың бос жүріс жұмысы. Синхронды генератордың роторы сырттай механикалық энергия көздерінен айналады (бу – гидротурбина немесе іштен жанатын қозғалтқыш). Ротордың магнит полюстері туғызған магнит өрісі (немесе қоздыру орамасы, осы тұрақты ЭҚК көзіне қосқанда) ротормен бірге айналып, статор орамаларына еніп, косинусойда заңы бойынша өзгертуді: (Ô=Ô_mCosωt) және оның әр орамасында синусойда тәрізді айнымалы å_â индукциялайды, ол электромагниттік индукция заңына сәйкес келеді:

 

å_â=dô/dt=-d(Ô_mCosωt)/dt=ωÔ_mSinωt

 

мұндағы ωÔ_m=Å_ì(â) статор орамында индукцияланған ЭҚК – інің тербелмелі шарықтау (амплитуда) мәні. Синхронды генератор статоры орамасының орамасында индукцияланған ЭҚК – інің әсеретуші мәні Å=Å_m/ 2 тең екенін ескере отырып, мына теңдеумен өрнектеледі:

 

 

Синхронды генератор статорының бір шарғысы үшін фазалық ораманың орам саны w_ê онда индукцияланатын ЭҚК мәндерінің қосындысы былай анықталады:

 

(

 

3.3-сурет. Синхронды мәшиненің статор орамасының р=1 және q=3 кезіндегі сызба көрінісі.

 

 

Іс жүзінде статор фазасының орамалары бірнеше шарғыдан тұрады, олардың жақтары статордың ішкі беттерінде өздерінің аумағындағы ойықтарда, бірқалыпты таралып орналасады (3.3-сурет). Онда индукцияланатын ЭҚКтер фаза бойынша, бір – біріне қарағанда, а, бұрышына ығысады да, мынаған теңеледі:

 

 

мұндағы t_ñ – ойықтық бөліну (көрші ойықтар арасының қашықтығы) (3.3-сурет); α – ойықтық ЭҚК – тің векторлық диаграммасындағы көрші шарғылар жақтарындағы ЭҚК – тің векторлар арасындағы, электрлік градуспен алынған ығысу бұрышы (3.4а-сурет); р – синхронды генератордың роторының жұп полюстер саны; Z_nñ – синхронды генератор статорының ойықтар саны; – синхронды генератор статорының полюстік бөлінуі:

 

 

мұндағы D_ñ – статордың ішкі диамметрі.

Мұндай ораманың фазалық ЭҚК шамасы ойықтық ЭҚК – і векторлық диаграммасындағы векторлар жиынтығы ретінде анықталады, ол 3.4а – суретте көрсетілген.

Ойықтың ЭҚК жұлдызшасы және синхронды генератордың статор орамдарының фазалық ЭҚК – нің жинақталған мәндерінің векторлық диаграммасы орамалардың орналасуына және қарама – қарсы бағытта индукцияланған аттас шарғы жақындағы ЭҚК-не байланысты 3.3 – суретке сәйкес тұрғызылған, 3.4в – суретте келтірілген векторлық диаграммадан көрінгеніндей ойықтық ЭҚК – тің геометриялық қосындысымен анықталған фазалық ораманың ЭҚК-і; ойықтық ЭҚКтің арифметикалық қосындысымен анықталған сондай ЭҚК – тен, демек шарғының (3.3) бір орамдағы ЭҚК – тің олардағы орамаға көбейтіндісінен (3.4) аз болады.

3.4-сурет. 3.3-суретте көрсетілген орамасы бар синхронды генератордың фазалық ЭҚК туғызуының векторлық диаграммасы.

 

Фазалық ЭҚК шамасының азаюы (3.4) теңдеуіне ораманың таралу коэффициентін К_р енгізу арқылы ескеріледі (2.3.3 тармақшасы). Әдетте статор орамалары толық емес қысқартылған ó< қадаммен орындалады, ол да шарғыда индукцияланған ЭҚК-тің азаюына әкеледі (3.5б, в – сурет), ол (3.4) теңдеуіне қысқар коэффициентін К_к енгізумен ескеріледі (2.3.3). Онда ісжүзінде синхронды генератор статорының орамасында индукцияланып бірінен кейін бірі орналасып жалғанған орамдардан w тұратын ЭҚК – тің әсер етуші мәні, былай анықталады:

 

 

мұндағы Ê₀=Ê_ðÊ_ó индукцияланған ЭҚК – тің шамасын азайтқанмен, оның синусойдалық болу шарттарын қамтамасыз ететін орамалық коэффициент (2.3.2). Орамалық коэффициент сан жағынан синхронды генератор статоры орамасында индукцияланатын ЭҚКтің геометриялық қосындысының (3.5г-сурет), оның арифметикалық қосындысының (3.5в) шамасының қатынасына тең.

3.5-сурет. Синхронды генератор статоры орамасының орамында индукцияланған ЭҚК-і (а) толық (b, c) және қысқарған (b, d) қадамда.

 

Егер айналым n тұрақтылығы есебінен өзінің тұрақтылығын сақтайтын ЭҚК – нің жиілігінің теңдеудегі орнына f=pn/60 мәнін қойса, онда, статор орамасында индукцияланатын ЭҚК Е тек асинхронды генератор роторындағы магнит ағынының шамасына ғана тәуелді болады:

 

Å=ÊÔ

 

мұндағы

 

Ê=4,44ðnKw/60

 

(3.8) бен (3.9) – өрнектерден көрінгендей, индукцияланған ЭҚК ротордың магниттік полюстері тұрғызған ораманың орамдарының санына w₁ магнит ағынының мөлшеріне Ф және оның өзгеру жылдамдығына, демек синхронды қозғалтқыш роторының айналу жылдамдығына тәуелді. Статор орамасы орамының саны ротор айналымы жылдамдығының конструкциялық элементі индукцияланған ЭҚК жиілігінің мемлекеттік стандарттық мәндерін демеуші шартты ретінде, айнымайтын параметр саналады. Демек, индукцияланған ЭҚК тек қана ротор полюстеріндегі туындаған қоздыру орамасы бойымен өтетіні магнит ағынына тәуелді (3.8).