Maszyny AC: urządzenie, zasada działania, zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Maszyny elektryczne pełnią kluczową funkcję konwersji energii w mechanizmach roboczych i elektrowniach. Takie urządzenia znajdują swoje miejsce w różnych obszarach, dostarczając organom wykonawczym wystarczający potencjał mocy. Jednym z najpopularniejszych systemów tego typu są maszyny AC (ACM), które mają kilka odmian i różnic w swojej klasie.

Ogólne informacje o MAT

Segment przekształtników MPT lub elektromechanicznych można warunkowo podzielić na układy jednofazowe i trójfazowe. Również na poziomie podstawowym wyróżnia się urządzenia asynchroniczne, synchroniczne i kolektorowe, natomiast ogólna zasada działania i konstrukcja mają wiele wspólnego. Ta klasyfikacja maszyn prądu przemiennego jest warunkowa, ponieważ nowoczesne stacje konwersji elektromechanicznej częściowo obejmują przepływy pracy z każdej grupy urządzeń.

Z reguły MPT jest oparty na stojanie i wirniku, pomiędzy którymi zapewniona jest szczelina powietrzna. Ponownie, niezależnie od typu maszyny, cykl pracy opiera się na obrocie pola magnetycznego. Ale jeśli w instalacji synchronicznej ruch wirnika odpowiada kierunkowi pola sił, to w maszynie asynchronicznej wirnik może poruszać się w innym kierunku iz różnymi częstotliwościami. Różnica ta determinuje również cechy użytkowania maszyn. Tak więc, jeśli synchroniczny może działać zarówno jako generator, jak i jako silnik elektromechaniczny, to asynchroniczne są głównie używane jako silniki.

Jeśli chodzi o liczbę faz, rozróżnia się systemy jedno- i wielofazowe. Ponadto z punktu widzenia praktycznego zastosowania na uwagę zasługują przedstawiciele drugiej kategorii. Są to w większości maszyny trójfazowe prądu przemiennego, w których pole magnetyczne po prostu pełni funkcję nośnika energii. Z drugiej strony urządzenia jednofazowe, ze względu na niepraktyczność działania i duże rozmiary, stopniowo znikają z praktyki aplikacji, chociaż w niektórych obszarach czynnikiem decydującym o ich wyborze jest niski koszt.

Różnice w stosunku do maszyn prądu stałego

Podstawowa różnica konstrukcyjna polega na umiejscowieniu uzwojenia. W systemach prądu przemiennego obejmuje stojan, aw maszynach prądu stałego wirnik. W obu grupach silniki elektryczne różnią się rodzajem wzbudzenia prądowego – mieszane, równoległe i szeregowe. Dziś maszyny AC i DC są wykorzystywane w przemyśle, rolnictwie i sektorze domowym, ale pierwszeopcja jest bardziej atrakcyjna pod względem wydajności. Alternatory i silniki prądu przemiennego korzystają z ulepszonej konstrukcji, niezawodności i wysokiej wydajności energetycznej.

Zastosowanie urządzeń prądu stałego jest szeroko rozpowszechnione w obszarach, w których na pierwszy plan wysuwają się wymagania dotyczące dokładności regulacji parametrów pracy. Mogą to być mechanizmy trakcji transportowej, obrabiarki i złożone przyrządy pomiarowe. Pod względem wydajności maszyny prądu stałego i przemiennego charakteryzują się wysoką sprawnością, ale z różnymi możliwościami dostosowania technicznego i konstrukcyjnego do konkretnych warunków aplikacji. Praca na prąd stały daje więcej możliwości sterowania prędkością, co jest ważne podczas serwisowania serwonapędów i silników krokowych.

Asynchroniczne urządzenie MPT

Podstawą techniczną tego urządzenia w postaci wirnika i stojana jest blacha stalowa, która przed montażem pokryta jest obustronnie izolacyjną warstwą kalafonii olejowej. W maszynach o małej mocy rdzeń może być wykonany ze stali elektrotechnicznej bez dodatkowej powłoki, ponieważ w tym przypadku naturalna warstwa tlenku na powierzchni metalu działa jak izolator. Stojan jest zamocowany w obudowie, a wirnik na wale. W asynchronicznych maszynach prądu przemiennego dużej mocy rdzeń wirnika można również zamontować na wieńcu obudowy za pomocą tulei zamontowanej na wale. Sam wał musi obracać się na tarczach łożyskowych, które są również przymocowane do podstawy obudowy.

Zewnętrzne powierzchnie wirnika i wewnętrzne powierzchnie stojana są początkowo wyposażone w rowki, aby pomieścić przewody uzwojenia. W stojanach maszyn prądu przemiennego uzwojenie jest często trójfazowe i podłączone do odpowiedniej sieci 380 V. Nazywane jest również pierwotnym. Podobnie wykonuje się uzwojenie wirnika, którego końce zwykle tworzą połączenie w konfiguracji gwiazdy. Dostępne są również pierścienie ślizgowe, za pomocą których można dodatkowo podłączyć reostat do regulacji lub trójfazowy element rozruchowy.

Należy również zwrócić uwagę na parametry szczeliny powietrznej, która działa jak strefa tłumiąca, redukując hałas, wibracje i ciepło podczas pracy urządzenia. Im większa maszyna, tym większa powinna być szczelina. Jego wartość może wahać się od jednego do kilku milimetrów. Jeśli konstrukcyjnie niemożliwe jest pozostawienie wystarczającej ilości miejsca na strefę powietrzną, zapewniony jest dodatkowy system chłodzenia jednostki.

Zasada działania asynchronicznego MPT

Uzwojenie trójfazowe w tym przypadku jest podłączone do symetrycznej sieci z napięciem trójfazowym, w wyniku czego w szczelinie powietrznej powstaje pole magnetyczne. W odniesieniu do uzwojenia twornika podejmowane są specjalne środki w celu uzyskania harmonijnego przestrzennego rozkładu pola dla szczeliny tłumiącej, która tworzy układ wirujących biegunów magnetycznych. Zgodnie z zasadą działania maszyny prądu przemiennego na każdym biegunie powstaje strumień magnetyczny, który przecina obwody uzwojenia, prowokując w ten sposób generację elektromotorycznąsiła. W uzwojeniu trójfazowym indukowany jest prąd trójfazowy, który zapewnia moment obrotowy silnika. Na tle oddziaływania prądu wirnika ze strumieniami magnetycznymi na przewodnikach powstaje siła elektromagnetyczna.

Jeżeli wirnik pod działaniem siły zewnętrznej zostanie wprawiony w ruch, którego kierunek odpowiada kierunkowi strumieni pola magnetycznego maszyny prądu przemiennego, wówczas wirnik zacznie wyprzedzać szybkość rotacji pola. Dzieje się tak, gdy prędkość stojana przekracza znamionową częstotliwość synchroniczną. Jednocześnie zmieni się kierunek ruchu sił elektromagnetycznych. W ten sposób powstaje moment hamowania o działaniu odwrotnym. Ta zasada działania pozwala na wykorzystanie maszyny jako generatora pracującego w trybie oddawania mocy czynnej do sieci.

Budowa i zasada działania synchronicznego MPT

Pod względem konstrukcji i lokalizacji stojana maszyna synchroniczna jest podobna do maszyny asynchronicznej. Uzwojenie nazywa się twornikiem i jest wykonywane z taką samą liczbą biegunów, jak w poprzednim przypadku. Wirnik wyposażony jest w uzwojenie wzbudzenia, którego zasilanie w energię zapewniają pierścienie ślizgowe i szczotki podłączone do źródła prądu stałego. Źródłem jest generator-wzbudnica małej mocy zamontowana na pojedynczym wale. W synchronicznej maszynie prądu przemiennego uzwojenie działa jak generator pierwotnego pola magnetycznego. Podczas procesu projektowania projektanci dążą do stworzenia warunków, aby indukcyjny rozkład pola wzbudzeniana powierzchniach stojana był jak najbardziej zbliżony do sinusoidalnego.

Przy zwiększonym obciążeniu uzwojenie stojana wytwarza pole magnetyczne, które obraca się w kierunku wirnika z tą samą częstotliwością. W ten sposób powstaje pojedyncze pole wirowania, w którym pole stojana będzie oddziaływać na wirnik. To urządzenie maszyn prądu przemiennego pozwala na ich stosowanie jako silników elektrycznych, jeśli początkowo do uzwojenia synchronicznego doprowadzany jest prąd trójfazowy. Takie układy stwarzają warunki do skoordynowanego obrotu wirnika z częstotliwością odpowiadającą polu stojana.

Maszyny synchroniczne wyraźne i niewidoczne

Główną różnicą między systemami słupów wystających jest obecność w projekcie wystających słupów, które są przymocowane do specjalnych występów wału. W typowych mechanizmach mocowanie odbywa się za pomocą łączników ogonowych w kształcie litery T do obrzeża krzyża lub wału przez tuleję. W urządzeniu maszyn prądu przemiennego małej mocy ten sam problem można rozwiązać za pomocą połączeń śrubowych. Jako materiał uzwojenia stosuje się taśmę miedzianą, która jest nawinięta na krawędzi, izolując specjalnymi uszczelkami. W uchach z biegunami w rowkach umieszcza się pręty nawojowe do rozruchu. W tym przypadku stosuje się materiał o wysokiej rezystywności, taki jak mosiądz. Kontury uzwojenia na końcach są przyspawane do elementów zwierających, tworząc wspólne pierścienie na zwarcie. Maszyny jawnobiegunowe o potencjale mocy 10-12 kW mogą być wykonane w tzw. konstrukcji odwróconej, gdy zwora obraca się, a bieguny wzbudników pozostają nieruchomewarunek.

W maszynach z niewystającym biegunem konstrukcja oparta jest na cylindrycznym wirniku wykonanym z kutej stali. W wirniku znajdują się rowki tworzące uzwojenie wzbudzenia, którego bieguny są obliczone na duże prędkości. Jednak zastosowanie takiego uzwojenia w maszynach elektrycznych o dużej mocy prądu przemiennego jest niemożliwe ze względu na wysoki stopień zużycia wirnika w trudnych warunkach pracy. Z tego powodu, nawet w instalacjach średniej mocy, na wirniki stosowane są elementy o dużej wytrzymałości wykonane z litych odkuwek na bazie stali chromowo-niklowo-molibdenowych lub chromowo-niklowych. Zgodnie z technicznymi wymaganiami wytrzymałościowymi, maksymalna średnica części roboczej wirnika niewychylającego się wirnika maszyny synchronicznej nie może przekraczać 125 cm elementów. Maksymalna długość wirnika wynosi 8,5 m. Jednostki biegunów niewystających, które są stosowane w przemyśle, obejmują różne turbogeneratory. Z ich pomocą w szczególności łączą momenty pracy turbin parowych z elektrociepłowniami.

Cechy pionowych generatorów wodnych

Oddzielna klasa synchronicznych wielobiegunowych MPT wyposażonych w pionowy wał. Instalacje takie są połączone z turbinami hydraulicznymi i dobierane są w zależności od mocy obsługiwanych przepływów pod względem częstotliwości obrotów. Większość maszyn AC tego typu jest wolnoobrotowych, ale jednocześnie mająduża liczba biegunów. Wśród krytycznych elementów roboczych pionowego hydrogeneratora można zauważyć łożysko oporowe i łożysko oporowe, które przenoszą obciążenie obracających się części silnika. W szczególności łożysko oporowe jest również poddawane ciśnieniu strumienia wody, który działa na łopatki turbiny. Ponadto przewidziano hamulec zatrzymujący obrót, a w konstrukcji roboczej znajdują się również łożyska prowadzące, które odbierają siły promieniowe.

W górnej części maszyny, wraz z hydrogeneratorem, można umieścić jednostki pomocnicze - na przykład wzbudnicę generatora i regulator. Nawiasem mówiąc, ta ostatnia jest samodzielną maszyną prądu przemiennego z uzwojeniem i biegunami na magnesy trwałe. To ustawienie zapewnia zasilanie silnika dla funkcji automatycznego regulatora. W dużych hydrogeneratorach pionowych wzbudnicę można zastąpić generatorem synchronicznym, który wraz z zespołami wzbudzenia i prostownikami rtęciowymi zasila urządzenia energetyczne obsługujące proces pracy głównego hydrogeneratora. Konfiguracja maszyny z wałem pionowym jest również wykorzystywana jako mechanizm napędowy pomp hydraulicznych do dużych obciążeń.

Kolektor MPT

Obecność zespołu kolektora w konstrukcji MPT jest często zdeterminowana potrzebą realizacji funkcji przetwarzania prędkości obrotowej w połączeniu elektrycznym obwodów różnej częstotliwości na uzwojeniach wirnika i stojana. Takie rozwiązanie pozwala wyposażyć urządzenie w dodatkowewłaściwości eksploatacyjne, w tym automatyczna regulacja parametrów eksploatacyjnych. Maszyny zbierające prąd przemienny, które są podłączone do sieci trójfazowych, otrzymują po trzy palce szczotkowe w każdym segmencie podziału dwubiegunowego. Szczotki są połączone ze sobą w obwodzie równoległym za pomocą zworek. W tym sensie kolektory MPT są podobne do silników prądu stałego, ale różnią się od nich liczbą szczotek zastosowanych na biegunach. Ponadto stojan w tym układzie może mieć kilka dodatkowych uzwojeń.

Zamknięte uzwojenie twornika podczas używania kolektora ze szczotkami trójfazowymi będzie złożonym uzwojeniem trójfazowym z połączeniem w trójkąt. Podczas obrotu twornika każda faza uzwojenia utrzymuje niezmienioną pozycję, jednak sekcje przechodzą naprzemiennie z jednej fazy do drugiej. Jeżeli w maszynie z komutatorem prądu przemiennego stosuje się sześciofazowy zestaw szczotek z przesunięciem względem siebie o 60 °, wówczas powstaje uzwojenie sześciofazowe z połączeniem wielokątnym. Na szczotkach maszyny wielofazowej z grupą kolektorów częstotliwość prądu jest określana przez obrót strumienia magnetycznego względem szczotek stałych. Kierunek obrotu wirnika może być przeciwny lub dopasowany.

Użycie MAT

Dzisiaj MPT są używane wszędzie tam, gdzie w takiej czy innej formie wymagane jest wytwarzanie energii mechanicznej lub elektrycznej. Duże jednostki produkcyjne są używane do konserwacji systemów inżynieryjnych, elektrowni oraz jednostek podnoszących i transportowych, a jednostki małej mocy są używane w zwykłym gospodarstwie domowymsprzęt od wentylatorów po pompy. Ale w obu przypadkach cel maszyn prądu przemiennego sprowadza się do rozwoju potencjału energetycznego w wystarczającej objętości. Inna sprawa, że różnice konstrukcyjne, wykonanie wewnętrznej konfiguracji stojana i wirnika oraz infrastruktura sterowania mają fundamentalne znaczenie.

Chociaż ogólne urządzenie MPT przez długi czas zachowuje ten sam zestaw funkcjonalnych komponentów, rosnące wymagania dotyczące działania takich systemów zmuszają programistów do wprowadzenia dodatkowych kontroli i kontroli. Na obecnym etapie rozwoju technologicznego, zwłaszcza w kontekście wykorzystania maszyn prądu przemiennego w sektorze przemysłowym, trudno wyobrazić sobie pracę takich silników i generatorów bez wysoce precyzyjnych środków regulacji parametrów pracy. W tym celu stosuje się różne metody sterowania - impuls, częstotliwość, reostat itp. Wprowadzenie automatyzacji do infrastruktury regulacyjnej jest również charakterystyczną cechą nowoczesnej pracy MPT. Elektronika sterująca jest połączona z jednej strony z elektrownią, a z drugiej - ze sterownikami programowymi, które zgodnie z zadanym algorytmem wydają polecenia ustawienia określonych parametrów mechanizmu.

Wniosek

Generatory prądu i silniki elektryczne są nieodzownym elementem zasilania w dzisiejszym przemyśle. Ze względu na swoją funkcję pracują obrabiarki, instalacje transportowe, komunikacyjne oraz inne urządzenia i urządzenia elektryczne wymagające zasilania. Na W tym przypadku istnieje ogromna gama typów i podgatunków maszyn elektrycznych prądu przemiennego i stałego, których cechy i cechy ostatecznie określają niszę dla ich działania. Cechy techniczne i eksploatacyjne MPT to prostsze urządzenie konstrukcyjne i stosunkowo niskie wymagania konserwacyjne. Z drugiej strony maszyny prądu stałego okazują się atrakcyjniejszym rozwiązaniem problemów z zasilaniem w złożonych krytycznych systemach zasilania. Krajowy segment produkcji urządzeń energetycznych posiada duże doświadczenie w projektowaniu i produkcji obu typów maszyn elektrycznych. Duże przedsiębiorstwa coraz częściej stawiają na rozwój indywidualnych rozwiązań o cechach konstrukcyjnych i operacyjnych. Odstępstwa od standardowych konstrukcji często wiążą się z koniecznością podłączenia pomocniczych jednostek funkcjonalnych i urządzeń takich jak systemy chłodzenia, urządzenia zabezpieczające przed przegrzaniem i wahaniami sieci, zasilanie dodatkowe i rezerwowe. Ponadto zewnętrzne środowisko pracy ma istotny wpływ na niektóre właściwości konstrukcyjne maszyn elektrycznych, co jest również brane pod uwagę na etapach projektowania i tworzenia urządzeń.