ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТЕРЛІГІ

 «Алматы энергетика және байланыс университеті»

коммерциялық емес акционерлік қоғамы

 

 

П.И. Сагитов

К.К. Жумагулов

Ж.Ж. Тойгожинова

 

АЙНЫМАЛЫ ТОКТЫҢ ЭЛЕКТР МАШИНАЛАРЫ

 

Оқу құралы 

 

 

 

Алматы 2012

УДК 621.31 (075.8)

ББК 31.26 я 73

С14 Айнымалы токтың электр машиналары:

Оқу құралы/П.И. Сагитов., К.К. Жумагулов., Ж.Ж. Тойгожинова;

АЭжБУ. – Алматы, 2012. – 81 бет.

 

ISBN 978-601-7327-63-7

 

 

“Айнымалы токтың электр машиналары” курсы бойынша оқу құралында айнымалы токты машиналардың жалпы теориялық сұрақтары, құрлысы, әсерету принципі, негізгі сипаттамалары, векторлық диаграммалары және орын басу сұлбалары қарастырылған.   

Оқу құралы 5В071800 – Электр энергетикасы мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған. 

Суреттер 59, әдеб. – 5 атау.

  

ББК 31.26 я 73

 

 

Пікір берушілер: К.Сатпаев атын. КазҰТУ, тех.ғыл. д-ры, проф. А.Б. Бекбаев

                   АЭжБУ, тех. ғыл. д-ры, профессор М.А. Мустафин

 

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министерлігінің 2012 ж. қосымша жоспары бойынша басылады.  

 

ISBN 978-601-7327-63-7

 

 

Ó «Алматы энергетика және байланыс университеті» КЕАҚ, 2012 ж.

 

Мазмұны

 

	Кіріспе	4
1	Электрлік машиналар теориясының жалпы түсініктемесі	5
1.1	Айнымалы токты машиналардың негізгі түрлері және олардың құрлысы	5
1.1.1	Синхронды машиналардың құрлысы және жұмыс істеу принципі	6
1.1.2	Асинхрондық машинаның құрлысы және жұмыс істеу принципі	7
1.2	Айнымалы токты электр машиналарының орамдарындағы электр қозғаушы күштер	8
1.3	Ораманың магнит өрісінің жоғарғы гармоникалары арқылы болатын электр қозғаушы уүштері	13
1.4	Айнымалы токты қозғалтқыштың орамдары	14
2	Асинхронды машиналар. Роторы қозғалмаған кездегі үш фазалы асинхронды қозғалтқыш	19
2.1	Роторы қозғалмаған кездегі асинхронды қозғалтқыштың бос жүрісі	19
2.2	Асинхронды қозғалтқыштардың қысқа тұйықталуы	21
2.3	Ротор айналып тұрған кездегі үш фазалы асинхронды қозғалтқыш	24
2.4	Асинхронды қозғалтқыштың айналу моменттері және қуаттары	28
2.5	Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары	33
2.6	Асинхронды қозғалтқышты іске қосу	35
2.7	Асинхронды қозғалтқыштың айналу жылдамдығын реттеу	42
3	Синхронды машиналар	48
3.1	Білік орамасының магнит өрісі және параметрлері. Бойлық және көлденең білік әсерлері	51
3.2	Біліктің бойлық және көлденең әсеретулерінің параметрлері, магнитті өрісі, ЭҚК	53
3.3	Симметриялық жүктеу кезіндегі синхронды генератордың жұмысы	55
3.4	Синхронды генератордың сипаттамалары	56
3.5	Синхронды машиналардың индуктивтілік кедергісін анықтау	58
3.6	Синхронды машинаның шығындары және пайдалы әсер коэффициенті	62
3.7	Синхронды генератордың параллелді жұмысы	63
3.8	Активті қуатты реттеу	64
3.9	Синхронды генератордың қуаты, электромагниттік моменті және бұрыштық сипаттамалары	66
3.10	Синхронды генератордың U-тәрізді сипаттамалары	70
3.11	Синхронды генераторлардың өтпелі процесстері	72
3.12	Магниттік өрісті өшіру	74
3.13	Синхронды қозғалтқыш	74
3.14	Синхронды қозғалтқыштың U-тәрізді және жұмыс сипаттамалары	76
3.15	Синхронды қозғалтқышты іске қосу	77
3.16	Синхронды компенсатор	79
	Әдебиеттер тізімі	81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

                                                                                              

Электрлік энергия басқа энергияларға қарағанда үлкен артықшылықтардан тұрады: оны үлкен аралықта беруге болады, тұтынушылардың арасында бөлуге болады, өте қарапайым және басқа энергия түрлеріне түрлендіру бойынша пайдалы әсер коэффициенті жоғары болады. Электр энергиясымен түрлендіру поцессімен оңай басқаруға болады және сонымен қатар автоматты түрде қажетті электр энергиясын түрлендіру сипаттамаларын алады.

Энергетиканың дамуы әртүрлі электр техникалық жабдықтардың қолданылуы мен дамуын талап етеді. Бұл жабдықтың негізгі түрі электрлік машиналар болып саналады.

Берілген оқу құралында энергияны түрлендірудің жалпы заңына сәйкес айнымалы токты электрлік машиналардың жұмыс процесстері мен сипаттамалары келтірілген.

Айнымалы токты машинаның жалпы теориялары жеке тарау бойынша көрсетілген, онда машиналардың тағайындалуы, айнымалы токты орамдардың сұлбасы жазылған және электрқозғалтқыш пен магниттеуші күшін анықтау әдістері келтірілген.

Асинхронды машиналардың құрлысы мен электрмагнитті моменттің пайда болуы қарастырылған. Негізгі үш фазалы асинхронды машиналар үшін қозғалтқышының жұмыс режимдері зерттелген және іске қосу жағдайы  қарастырылған.

Синхронды машиналар қарастырылған. Синхронды машиналардың жұмыс режимдеріне және генератор режимдеріне аса көңіл бөлінген. Қозғалтқыш режиміндегі жұмысы және генератордың реактивті энергиясы зерттелген.

Барлық мәліметтердің жазылу тәртібі оқу құралының қарапайым және күрделі негізгі әдістемелік принципіне сәйкес келеді. 

 

1 Электрлік машиналар теориясының жалпы түсініктемесі

 

1.1 Айнымалы токты машиналардың негізгі түрлері және олардың құрлысы

 

Айнымалы токты электр машиналардың қозғалысқа келуі айналмалы магнит өрісінің принципіне негізделген. Сол себептен олардың теориясы барлығына ортақ. Іс жүзінде үш фазалы (т=3)  айнымалы электр машиналары кең қолданылады. Басқа фазалы (т=2;6) машиналар негізгі мақсатта қолданылады. 

Үш фазалы электр машиналар синхронды және асинхронды болып негізгі екі түрге бөлінеді. Сонымен қатар асинхронды машиналар коллекторлы және коллекторсыз болып бөлінеді.

 Синхронды электр машинаның айналатын бөлшегі (роторы) айналмалы магнит өрісінің бағытымен және сол өрістің жылдамдығына тең жылдамдықпен айналады

 

[айн/с],

(1)

 

мұндағы n₂ - ротордың жылдамдығы (айн/мин);

f₁ - ток жиілігі (50 Гц);

p – ротордың жұп полюстер саны.

Синхронды машиналарда басқа электр машиналары сияқты қайтымды. Сол себептен ол генератор ретінде де, қозғалтқыш ретінде де жұмыс істей алады.

Синхронды генератор электр энергиясын өндіру үшін электр станцияларда орнатылған айнымалы токты генератордың негізгі түрі болып саналады.

Синхронды қозғалтқыштың басқа электр қозғалтқыштарға қарағанда біршама артықшылықтары бар. Олардың негізгілері - айналу жиілігінің тұрақтылығы және қуат  коэффициентін реттеу мүмкіншілігі. Сол себептен оларды үлкен қуатты электр жетектерде кең қолданады. Кіші қуатты синхронды қозғалтқыштар автоматтық жүйелерде қолданылады.

Синхронды машиналар электр жүйесінің қуат коээфициентін жақсартатын синхронды компенсатор ретінде де қолданылады.

Асинхронды машина дегеніміз айналу жиілігі желі жиілігіне f₁ және біліктегі жүктемеге тәуелді, роторы статордың айналу магнит өрісіне қатысты синхронды емес айналатын машинаны айтады. Іс жүзінде асинхронды машиналар қозғалтқыш ретінде ғана қолданылады. Басқа электр қозғалтқыштарына қарағанда оның құрылысының қарапайымдылығымен, істеу сенімділігінің жоғарлығына байланысты асинхронды қозғалтқыштарды өнеркәсіпте, ауыл шаруашылығында, т.б. кең қолданылады.

 

1.1.1 Синхронды машиналардың құрлысы және жұмыс істеу принципі.

Синхронды машиналар – айнымалы токтың коллекторсыз машиналары. Құрылысы жағынан синхронды машиналардың негізгі екі түрі бар: айқындалған полюсті және айқындалмаған полюсті.

Тұрақты токпен қоздырылатын полюстер электр машинаның айналмалы бөлігінде (роторда), ал айнымалы ток орамасы машинаның қозғалмайтын бөлігінде (статорда) орналасады.

Желі f₁ жиілігін берген кездегі ең жоғарғы айналу жиілігі р=1 және р=2 (n=3000 айн/мин және n=1500 айн/мин сәйкес) полюстер санынан тұратын машиналарда болады. Мұндай үлкен қуатты электр машиналардың айналу жылдамдығы да өте үлкен болады. Сондықтан ротордың механикалық беріктігін қамтамасыз ету үшін және қоздыру орамасын мықтап бекіту үшін оны ротордың үстінгі бетіне біркелкі етіп бөліп тарату қажет, сол себептен ротордың орамасы айқындалмаған полюсте жасалады.

Синхронды генераторлар булы және гидравликалық турбиналар арқылы айналады. Бірінші жағдайда синхронды генератор турбогенератор, ал екінші жағдайда - гидрогенератор деп аталады.

Бу турбинасы шапшаң жүретін машиналарға жатады, сол себептен турбогенератор айқындалмаған полюсті етіп жасалады. Гидравликалық турбина баяу жүретін машиналарға жатады, сол себептен генератор айқындалған полюсті етіп жасалады.

Гидрогенератормен білік арқылы көмекші машиналар қосылады. Олар генераторды қоздыру машинасы (тұрақты токты генератор) және реттеу генераторы.

Су генератор желіден қауіпті кезде ауытқығанда оның айналу жиілігі жоғарлайды. Себебі турбинаға суды тездетіп жібермеу мүмкін емес (гидравликалық соққының салдарынан), ал желіге энергияны беру тоқтатылады (тежеу электрмагнитті моменті жоғалады). Бұл жағдайда пайда болған максималды айналу жиілігі номиналды мәннен жоғары болады. Сол себепті генератордың механикалық төзімділігі осы айналу жиілігіне байланысты.

Су генераторлары гидравликалық турбинаға жалғану үшін тік ретінде жасалынады.

Айқындалмаған полюсті синхронды машиналар болатты поковкалы цилиндрлік ротордан тұрады.

Турбогенераторлар жылу станцияларында қолданылатын бу турбиналарымен тікелей жалғану үшін арналған, сондықтан олар көлденең жасалынады.

Ротордың активті бөлігінің шекті диаметрі  (п = 3000 айн/мин кезінде) үлкен ортаңғы күштің (из-за больших центробежных сил) салдарынан, механикалық төзімділік шарты бойынша 1,2-1,3 м болады. Осыған байланысты қуаты жоғары машиналардың роторын ұзынетіп жасау қажет. Сонымен қатар ротордың ұзындығын ұзарту ротордың майысу, иілу шегіне және осыған байланысты дірілдің өсуіне байланысты болады. Ротордың ең үлкен активті ұзындығының шегі l = 7,5÷8,5 см. Осыған байланысты турбогенераторлардың шекті өлшемі қазіргі кездегі металлургиялардың мүмкіндігімен шектеледі. Шығарылатын турбогенераторлардың қуаты 1200 МВт.

Шекті қуатты өсіру электр магниттік жүктемені көбейтумен (сызықты жүктеу және орам тоғының тығыздығы) және салқындату тәсілдерін күшейтумен байланысты.

Қазіргі уақытта біздің елімізде зерттеліп пайдалануға криогеилік турбогенератор берілді. Олардың орамдары сұйық гелимен салқындатылған. Сол себептен орамдары аса өткізгіш болып келеді. Келешекте осыған байланысты генератордың шекті қуатын сызықты ток жүктемесін жоғарлату арқылы 10 млн. кВт-қа жеткізуге болады.

Синхронды генератордың жұмыс істеу принципі электрмагниттік индукцияның құбылысына негізделген. Генератор механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді. Қоздыру орамасының тоғы тудыратын магниттеуші күш тұрақты магнит өрісін қоздырады. Бұл өріс ротормен бірге айналады да, статордың орамасын кесіп өтіп, онда үшфазалы электр қозғаушы күшті (ЭҚК-ті) индукциялайды. Статордың орамасын жүктеме арқылы тұйықтағанда ЭҚК-тің әсерімен статор орамдарында және жүктемеден тұратын тізбекте ток жүре бастайды.

 

1.1.2 Асинхронды машинаның құрлысы және жұмыс істеу принципі.

Асинхронды машина негізгі екі бөліктен тұрады: қозғалмайтын бөлік-статордан және айналмалы бөлік-ротордан. Статор мен ротордың арасында ауа саңылауы (0,2-3мм) бар. Ауа саңылауының шамасын үлкейткенде қуат коэффициенті (cos φ) және қозғалтқыштың айналу моменті төмендейді.

Статордың білігі сақина тәрізді жұқа электр техникалық болат табақтармен жиналады. Статордың орамасын орналастыру үшін ішкі аймағындағы ойықтарды мөрлейді. Орам оқшауланған мыс сыммен жасалады. Болатты табақтарды құйынды токтардан болатын шығынды азайту үшін бір-бірінен лак арқылы оқшаулайды.

Статордың білігін ораммен бірге (машинаның қозғалмайтын фундаментке бекітілген табанына) табанына бекітеді. Ротор электр техникалық болат табақтардан жиналады да, машинаның білігіне бекітіледі.

Ротордың түріне қарай асинхронды қозғалтқыштар қысқа тұйықталған роторлы және фаза роторлы болып екі түрге бөлінеді.

Асинхронды қозғалтқыштың жұмысы электромагнитті индукция принципіне негізделген.

Статордың орамына үшфазалы айнымалы токты бергенде айналу магнит өрісі пайда болады. Бұл өріс ротормен статордың арасындағы ауа саңылауында тиісті жиілікпен айналады да ротор орамасының өткізгіштерін кесіп өтеді. Орамада ЭҚК пайда болады. Егер де ротордың орамы  тұйықталған болса, онда ЭҚК салдарынан, ЭҚК бағытымен бағыттас ток пайда болады.

Нәтижесінде ротор ораманың өткізгіштеріндегі токпен статордың айналу магнит өрісінің арасындағы өзара әрекеттесудің салдарынан механикалық күш пайда болады, оның бағыты “сол қол” ережесі бойынша анықталады. Егер механикалық күшті F ротор осі мен өткізгішке дейінгі  ара қашықтыққа көбейтсек, айналдыру моментін табамыз М=FR.

Ротордағы өткізгіштердің саны көп болады, сол себептен әрбір өткізгіштерге әсерететін күш туындысы, осы өткізгіштердің ротор осіне дейінгі арақашықтығы қозғалтқыштың айналу моментімен анықталады.   Айналдыру моменттің әсерімен қозғалтқыш роторы айналу магнит өрісінің  бағытымен айналады.

 

1.2            Айнымалы токты электр машиналарының орамдарындағы электр қозғаушы күштер

 

Орамадағы индукцияланған ЭҚК синусоидалы болу керек, яғни қосымша жылыту және кедергі моментті құратын жоғарғы гармоникалар болмауы керек. ЭҚК айналмалы магнит өрісімен индукцияланатындықтан, онда ауа саңылауы бойымен таралатын магнит индукциясы синусоидалы болу қажет. Ол үшін түрлі құрылымдық әдістер қолданылады. Мысалы, айқындалған синхронды генератордың полюстік ұштарының радиусын ауа саңылауының радиусынан кіші қылады, яғни полюстiк ұштың шетіндегі саңылауды (d_m) ортадағы саңылаудан (d) көбірек жасайды. Жақсы нәтижені δ_m/δ=1,5÷2 арақатынастағы полюстік ұштары береді.

Айқындалмаған полюсті генераторда магнитті индукцияны синусоида заңымен өзгерту үшін ротордың ойығы жоқ аймағы мен ойығы бар аймағының қатынасын 2/3 жасайды. Бірақта осы әдістерді қолданғанда  магнит индукциясы  синусоидаға тек жақындайды, сондықтан статордың орамаларындағы ЭҚК синусоидалы болмайды және негізгі гармоникамен бірге жоғарғы гармоникалардан тұрады.

Статордың орамаларындағы ЭҚК қисығы абцисса білікке симметриялы болғандықтан жұп гармоникалар жоқ болады.

Статордың орамаларындағы айналу магнит өрістің негізгі кеңістік гармоникасымен индукцияланған ЭҚК -ті (к = 1) анықтайық.

а) өткізгіштің электр қозғаушы күші.

v=2τf жылдамдықпен айналып тұрған синусоидалы магнит өрісі өткізгіштің орамдарында ЭҚК индукциялайды

  

	(2)

Оның амплитудасы

(3)

және әсерету мәні

 

,

(4)

мұндағы В_б=В_т1 – саңылаудағы өрістің негізгі гармоника индукциясының амплитудасы;

l₆ - машинаның есептік активтік ұзындығы;

τ - полюстік бөлігі.       

 

1 сурет – Айқын полюсті синхронды машинаның статорының үстіңгі беті бойынша индукцияның таратылуы

 

Кейбір жағдайда статор орамаларының электр қозғаушы күшінің түрін жақсарту үшін жүгірме магнит өрісіне сәйкес саңлауды қиғаш жасайды. Өткізгіштің жеке бөліктерінде синусоидалы таралған магнит өрісін тудыратын ЭҚК фазасы өткізгішті бойлай үнемі өзгеріп отырады да, оның екі ұшында индукцияланған элементар ∆Е электр қозғаушы күштері фаза бойынша 

 

, бұрышқа ығысады,

(5)

 

мұндағы в_Қ – қиғаш шамасы.

Бұл жағдайда, өткізгіштің электр қозғаушы күшін анықтау үшін өткізгіштің әрбір бөліктерінің ЭҚК векторларын ∆Е қосу керек. Шегі ретінде егер де шексіз аз бөліктерді қарастырсақ, ∆Е→0, онда векторлардың геометриялық қосындысы ∆Е доға тәріздес бейнеленеді де, орталық γ_Қ   бұрышқа сүйенген шеңбердің хордасына тең болады.

Хорда ұзындығының доғаға қатынасы ойықтың қиғаштығы бар кездегі Е_ӨТ электр қозғаушы күштің төмендеуін анықтайды да, орауыш ойығының қиғаштық коэффициенті деп аталады

 

.

(6)

 

2 сурет - Ойықтарды қиғаштау кезіндегі өткізгіштің ЭҚК анықтау

 

γ_Қ мәнін қойып мына теңдеуді аламыз

 

.

(7)

 

Қиғаштың шамасы аз болғандықтан . Мысалы кезінде

 

.

(8)

 

Е_ӨТ электр қозғаушы күші 1,1% дейін төмендейді. Өткізгіштің ЭҚК мына формуламен анықталады

.

(9)

 

б) ораманың және орауыштың электр қозғаушы күші.

Айнымалы ток орамасының орамымен орауышының қадамын y полюстің бөлігіне τ қарағанда біршама қысқа жасайды. Сол себептен салыстырмалы қадам β = y/τ бірден аз болады.

Орам өткізгіштерінің ЭҚК шамасы бірдей, бірақ та фаза бойынша βπ бұрышына ығысқан болып келеді, өйткені орамның активтік өткізгіштері магнит өрісінде дәл осы бұрышқа ығысқан.

Орауштың электр қозғаушы күші  тең, 3-сурет бойынша

 

,	(10)

мұндағы  k_ҚЫС = sinπβ/2 – ораманың қадамын қысқарту коэффициенті. Е_ОР толық қадам кезінде максималды болып келеді (у=π; β=1), онда k_ҚЫС = 1.

 

3 сурет - ЭҚК тармағы

 

Толық ойық қабырғасының оқшаулануымен орамның тізбектей жалғану тобын орауыш деп атаймыз. Егер орауыш ω_k орамдардан тұратын болса, онда орауыштың ЭҚК мына формуламен анықталады

 

.

(11)

 

Индукция синусоидалы таралған жағдайда бір полюстік ағынды мына түрде анықтаймыз

 

(12)

енді B_δl_δτ мәнін (11) өрнегіне қойсақ, онда

 

.

(13)

 

в) орауыштық топтың электр қозғаушы күші

Фазада орамдар мен өткізгіштердің жеткілікті санын алу үшін және ойықтардың өлшемдері қабылдауға жарамды болу үшін машинаның ойықтар санын бірден көп етіп жасайды. Бұл кезде орам сандары W₀ бірдей және көршілес ойықтарда жатқан орауыштар қатарын (q) тізбектеп қосады. Мұндай бір фазада жататын орауыштар тобы орауыштық топ деп аталады.

 

4 сурет - Магнит өрісіндегі орауыштық топ (q =4)

 

Көршілес орауыштардың ЭҚК мына бұрышқа ығысқан

.

(14)

Бүкіл q орауыштан құрылған топ, білік шеңберінде (электрлік) мына бұрышты құрады

(15)

және фаза аймағының бұрышы деп аталады.

          Орауыштық топтың Е_q ЭҚК жеке орауыштар тобының ЭҚК геометриялық қосындысына тең және бұл орауыштардың ЭҚК-терінің арифметикалық қосындысынан qE_К кем болады.  - ораманың тарату коэффициенті деп аталады.

Сонымен,

.

(16)

5 сурет арқылы орамның тарату коэфициентін мына формуламен табуға болады

және .

(17)

(17) теңдеулері арқылы мына теңдеуді аламыз:

.

(18)

 

5 сурет – Орауыш тобының ЭҚК анықтау

 

Егер q = 1 болса, онда K_ТАР = 1,ал q>1 болған жағдайда, K_ТАР< 1.

(13) және (16) теңдеулері арқылы мына формуланы анықтаймыз:

 

,

(19)

 

мұндағы k_ОР = k_ҚЫС k_p – орамдар коэффициенті.

г) орамдар фазасының электр қозғаушы күші.

Көп полюсті машинаның әрбір орамдар фазасы әртүрлі полюстарда болатын орауыш топтардан тұрады. Егер топтар бірдей орауыштар q санынан тұратын болса, онда олар бір-бірінен бүтін полюстер бөліктеріне ығысып орналасады да, бірдей α бұрышын қамтиды. Бұл жағдайда орауыш топтардың ЭҚК шамасы бойынша бірдей, ал фаза бойынша 360°-қа (топтар τ жұп санға ығысқан жағдайда)  немесе 180°-қа (топтар τ жұп санға ығысқан жағдайда) ығысқан болады. Мұндай орауышты топтарды бір-бірімен тізбектеп жалғағанда, олардың электр қозғаушы күштері арифметикалық түрде қосылатын болады. Оларды параллель қосуға да болады, бұл кезде барлық параллель тармақтардың электр қозғаушы күштері бірдей және фаза бойынша бір-біріне сәйкес келеді.

Егер де әрбір тармаққа тізбектелген n орауыштық топтар жалғанса, онда әрбір тармақтың және орама фазаның ЭҚК-ін мына теңдік арқылы анықтаймыз

немесе

.

(20)

мұндағы , ( - әрбір параллель тармақта тізбектей қосылған орамдардың саны, оны фазаның орамдарының саны деп атайды).

Егер де фазалы орама аймақтан және параллель тармақтардан тұратын болса, онда:

,

(21)

мұндағы S_n-ойықтағы тиімді өткізгіштер саны.

Үшфазалы ораманы құру үшін ЭҚК-тердің барлық фазалар шамасы тең және фазасы 120°-қа ығысқан болу керек. Мұндай ораманы симметриялы деп атайды. Машинаның барлық Z ойықтары орамнан тұрса, онда машинаның кеңістігі жоғары дәрежеде қолданылады. Симметриялық орамдарда Z/m – бүтін сан.

 

1.3  Ораманың магнит өрісінің жоғарғы гармоникалары арқылы болатын электр қозғаушы күштері

 

k -гармониканың полюстік бөлігі негізгі гармониканың k полюстік бөлігінен τ_к есе аз, сол себептен егер ораманың екі өткізгішінің негізгі гармоникамен (k = 1) салыстырғандағы фазалық ығысуы βπ бұрышына тең болса, онда k -гармоникаға қарағанда бұл ығысу β_kπ -ге тең болады.

k -гармоника үшін қысқарту коэффициентін анықтау үшін мына формуланы қолданады:

.

(22)

Токтың көршілес орауыштарындағы ЭҚК-тердің фазалық ығысуы да k  есе көп болады, сол себептен ораманың тарату коэффициентін мына формуламен есептеу қажет:

.

(23)

k -гармоника өрісіне қатысты ойықтың қиғаш бұрышы да k есе жоғары, сондықтан қиғаш коффициентін мына формуламен анықтаймыз:

 

.

(24)

 

-гармониканың орамалық коэффициенті:

.

(25)

Жоғарғы гармоникалардан тұратын фазалық ЭҚК:

 

.

(26)

-гармониканық магнит өрісі:

 

.

(27)

Толық ЭҚК-тің әсерету мәні

.

(28)

 

1.4 Айнымалы токты қозғалтқыштың орамдары

 

а) үш фазалы екі қабатты орамдар.

Айнымалы токтың орамдары статор өзекшесінің саңылауына қойылған  өткізгіштер жүйесін құрады.

Статор орамасының элементтері ретінде активті және көлденең бөліктерден тұрады.  Активті жақтардың арасындағы ұзындық орамдар у қадамы деп аталады.

Қадам егер у=τ полюстік бөлікке тең болса толық деп, ал у ≤ τ полюстік бөлікте аз болса қысқартылған деп аталады.

Қазіргі уақытта қолданылатын айнымалы токты орамдар төмендегідей аталады:

а) фаза саны бойынша – бір фазалы және үш фазалы;

б) орауыштың өлшеміне қарай орамдар толық және қысқа қадамды;

в) саңлауға орауыштарды орналастыру әдісі бойынша – бір қабатты және екі қабатты.

Қазіргі кездегі айнымалы токты машиналарда екі қабатты орамдар қолданылады.

Екі қабатты орамдарда орауыштар ауа саңылауында екі қабатпен орналасады. Әрбір орауыштың бір бөлігі үстінгі қабатта, ал екінші бөлігі төменгі қабатта орналасады. Сонымен барлық катушкалар бірдей пішіннен және мөлшерден тұрады. Екі қабатты орамдардың артықшылығы:

1) орамның қадамын кез-келген тістің бүтін мәніне қысқарту мүмкіншілігі орамның өткізгіштік шығынын төмендету мен орамдардың ЭҚК-ің жоғарғы гармоникасын төмендету үшін тиімді;

2) орамдардың өлшемдері мен пішіні бірдей болғандықтан, орамдарды жасауды оңайлатады;

3) орауыштың көлденең бөлігінің пішіні қарапайым болғандықтан, орамды жасауды оңайлатады.

Айнымалы токты электромагниттік қатынаста бірдей бағалы орамдар толқынды және торлы болып бөлінеді.

Қарапайым үш фазалы орамдар үш катушкалармен орындалады. Олардың осьтері статор аймағы бойынша 1/3 екі полюсті бөлгіш 2т бойынша ығысады. Бұл жағдайда әрбір орауыш фазалық орам ретінде саналады. Әдетте фазалық орамдар бір және бірнеше орауыштардан тұрады. Олар әрбір полюсті бөлгіштің шегі бойынша q пазаларынан құрылады. Сонымен қатар үш фазалы орамдарды құру үшін статор білігіндегі тістерінің қалыңдығын полюсті бөлгіштер шегі бойынша әркайсысын q пазалы үш аймаққа бөлуге болады. Мұндай аймақтың орналасу тәртібі әрбір полюстар үшін бірдей болуы қажет. Бірдей аймақта қойылған орауыштар фазалық орамдарды құрады.

q шамасын анықтау үшін полюстың ойық сандарын және фазаны мына формуламен анықтауға болады

 

,

(29)

мұндағы m – ойық сандары.

Көршілес жатқан ойықтардың арасындағы бұрыш мына формула бойынша анықталады

 

.

(30)

Ойық арқылы көрсетілген көршілес жатқан фазалардың арасындағы ығысу

 

.

(31)

Мысалы. Егер Z=24, 2р=4, =5 мәндері берілген, қысқартылған қадам мен үш фазалы екі қабатты орамдардың таралған сұлбасын орындау қажет.

т, 2р және z берілген мәндері бойынша анықтайтынымыз:

а) полюстің ойық сандары мен фаза q = z/2pm = 6;

б) полютік бөлу τ= z/2p = 6;

в) көршілес ойықтар арасындағы бұрыштың ығысуы  = 360p/z – 30 эл. град;

г) көршілес фазалар арасындығы ығысу = 120/а = 4.

Статордың ашық жоғарғы бетіне ойықтарды (z=24) және  полюстік бөлгішті орналастырамыз, одан кейін орауыштың жоғарғы (тегіс) және төменгі  (үзік сызықты) бөліктеріне орналастырамыз (6, а суретін қараңыз).  Барлық фазалар үшін q = 2 ойықты орналастырамыз (6, б суретке қараңыз), сонымен қатар бір полюсті бөлгіште және басқа полюсті бөлгіште кез - келген фазалар арасындағы аймақ полюсті бөлгішке тең болуы қажет. Ары қарай фазалы орамдардың ( ойықпен) басының арақашықтығын белгілейміз.

Орауыштардың 1 және 2 жоғарғы бөлігін төменгі бөлікпен (6 және 7 ойықтар) жалғаймыз да, бірінші фазаның бірінші орауыш тобын аламыз. Орауыштардың 7 және 8 жоғарғы бөліктерін төменгі (12 және 13 ойықтар) бөліктермен жалғаймыз да, екінші фазаның екінші орауыш тобын аламыз. Орауыштардың  13 және 14 жоғарғы бөліктерін төменгі (18 және 19 ойықтар) бөліктермен жалғаймыз да, үшінші фазаның үшінші орауыш тобын аламыз. Одан кейін орауыштың 19 және 20 жоғарғы бөліктерін төменгі (24 және 1 ойықтар) бөліктермен жалғаймыз да, төртінші фазаның төртінші орауыш тобын аламыз.

Топтағы орауыштар мен орауыш топтарын өзара тізбектей жалғаймыз (6, в суретін қараңыз) және бірінші фазаның фазалық орамдарын аламыз. Бірінші орауыш топтардың ұшын А шығысына жалғаймыз, ал төртінші орауыш тобының басын  X шығысына жалғаймыз. Осы жағдайларды екінші және үшінші орауыштарға жасап, бірінші фазадағыдай орауыш топтарды жалғап, екінші (B-Y) және үшінші (C=Z) фазалардың фазалық орамдарын аламыз (6,в суретін қараңыз).

б) фаза мен полюстардың толық саны бойынша толқынды орамдар.

Жоғарғы қуатты айнымалы токты машиналарда, сонымен қатар ірі турбогенераторларда жоғарғы магнитті ағын мен көп санды орауыштардын салдарынан статордың орамдарына қажетті кернеу тармақтардың саны q=1 болған кезде болады. Бұл жағдайда екі қабатты орамдар әрбір ойықтар үшін екі үлкен көлемді оқтаушадан (стержннен) тұрады.

Оқтаушалы орамдарды торлы және толқынды ретінде орындауға болады. Бірақ көптеген жағдайда оны толқынды ретінде жасайды. Себебі орауыш топтары азайған кезде мысты үнемдеуге болады және орамдарды жасауға кететін жұмыс көлемі азаяды.  

Үш фазалы екі қабатты оқтаушалы толқынды орамдар 6 суреттегі берілген мәндермен 7 суретте де көрсетілген. А фазасының ұшы 2 ойықтың жоғарғы бөлігінен алынған. А фазысының ұшынан екінші ойықта жатқан екінші орамның соңына дейін айнала өтіп, 2 ойық соңында (19 ойықтың төменгі қабаты) статорды толық айналып өту бітеді. Сонымен қатар тармақтарды (бұл жағдайда р=2) айналып шығады. Статор арқылы екінші айналым 1 бастапқы орауыштың ұшын 14 соңғы орауыштың ұшына жалғау арқылы басталады. Екінші айналымда q=2 орауыштар (1 және 13) арқылы өтіп, 18 ойықтың төменгі шығысымен бітеді (7 суретін қараңыз). q=2 кезінде бірінші айналым бітеді.  және 4 тең болғанда 3 және 4 айналымнан тұрады, орамдардың pq тармақтары (орауыштардың) (бұл жағдайда 2·2=4 тармақ) және фазалардың 2pq  тармақтары (орауыштың) жартылай қолданылады.

 А фазасын айналып өтетін екінші айналым 19 орауыштың (24 ойықтың төменгі бөлігі) төменгі бөлігінен басталып (2 бастапқысы), сонымен қатар фазаның барлық тармақтары 1K-2H қысқыштарымен тізбектей жалғанған. Екінші айналым қарама-қарсы бағытта орындалады, сонымен қатар q=2 болғанда, 20, 8, 19,7 орауыштарды айналып өтіп, X фаза шығысында бітеді.

В және С фазалары жалғанады, орамдар полюстар санына тәуелсіз әрбір фазаның айналымын жалғайтын үш қысқыштан тұрады.

Сонымен толқынды орамдардың әрбір фазалары pq орамды екі бөліктен тұрады. Бұл бөліктерді параллель жалғауға болады және параллель жалғанған тармақтардың а=1 орамдарын алуға болады.

8 суретте төрт орауыш топтың тізбектей жалғанған сұлбасы көрсетілген. Екінші және үшінші орауыш топтары жоғарғы шығыстармен жалғанған. Үшінші және төртінші орауыш топтары төменгі шығыстармен жалғанған, ал фазалық орамның шығыстарына бірінші және төртінші жоғарғы шығыстар жалғанады. Орауыша топтарын тізбектей жалғаған кезде полюстер санына тәуелсіз әрбір фазалық орамдар бір параллель жалғанған орамдардан тұрады.

 

а)

 

б)

в)

6 сурет – Қысқа қадаммен үш фазалы екі қабатты торлы орамдарды құру реті

 

7 сурет – Қысқа қадаммен екі қабатты толқынды орамдарды құру реті

 (фаза А)

 

8 сурет – Орауыш топтарын тізбектей жалғау әдісі

 

 

Екі қабатты орамдар әрбір фаза бойынша 2р орауыш топтан тұрады, сондықтан барлық орауыш топтарды параллель жалғап 2р параллель тармақтан тұратын орамды аламыз.

8 суретте төрт орауышты топтың параллель жалғануы көрсетілген. Барлық катушкаларды параллель жалғау үшін А орамының жоғарғы бір шығысына тақ емес орауыштардың тобын (I және III)  жалғап, төменгі шығысына тақ орауыштар (II және IV) тобын жалғау қажет. Орауыш топтарының қалған шығыстарын басқа фазалық орамның X шығысына жалғау қажет. Мұндай топтарды жалғау былай түсіндіріледі: бірге жатқан орауыш топтарының ЭҚК бір-бірінен 180° ығысқан. Сондықтан бір-біріне жақын жатқан фазалық орамның орауыш топтарының ЭҚК фаза бойынша сәйкес келуі үшін олардың шығыстарының орындарын ауыстырып жалғау керек. 

Егер әрбір фазалық орамның орауыш топтарының жартысын бір тармаққа жинасақ, алынған тармақтарды параллель жалғасақ, онда (2а=2) екі параллель жалғанған тармақтардан тұратын орамды аламыз. Параллель жалғанған тармақтардың ЭҚК бірдей болуы үшін әрбір параллельді тармақтарға (біртармақтан кейін) орауыш топтарды жалғау қажет. Сонымен бір параллель тармақта барлық тақ орауыш топтары жиналады. Статор орамының орауыш тобы параллель немесе тізбектей жалғанады, ол орамдағы параллель жалғанған тармақтардың санына әсеретеді.

в) статор орамдарының орауыш топтарын жалғау әдістері.

Орауыш тобы дегеніміз бір-бірімен тізбектей жалғанған орауыштардан тұратын, көршілес ойықтағы және бір фазалық орамдарға жататын топты айтамыз. Әрбір орауыш топтар q тізбектей жалғанған орауыштардан тұрады. Фазалық орамда орауыш топтарының саны полюстар санына тең. Сонымен қатар екі қабатты орамдарда жалпы орауыштар тобының саны А=2рт тең.

 

 

2 Асинхронды машиналар. Роторы қозғалымаған кездегі үш фазалы асинхронды қозғалтқыш

 

2.1 Роторы қозғалмаған кездегі асинхронды қозғалтқыштың бос жүрісі

 

Асинхронды қозғалтқыштың (АҚ) роторы ажыратылған және қозғалмайды, ал статор U₁ кернеуімен f₁ жиілігімен электр желісіне қосылған  делік. Статорға қатысты барлық шамалар бірінші реттік деп аталады да, оларды “1” деп белгілейді, ал роторға қатысты шамаларды-екінші реттік деп атап, оларды “2” деп белгілейді.

U₁ кернеуінің әсерімен статордың орамасында бос жүріс тоғы I₀ ағады. Осы ток құратын магнитті қозғалтқыш күші (МҚК) магнит өрісін тудырады, оның бір бөлігі Ф_m машинаның екі бөлігінің орамаларымен, ал бір бөлігі Ф_m тек статор орамасымен ілініскен. Бірінші магнит ағыны негізгі, ал екеншісі - сейілу магнит ағыны болып табылады.

Егер р - асинхронды қозғалтқыш полюстерінің жұп саны болса, онда МҚК  F₁-дің айналу жиілігі n₁ магнит өрісіне сәйкес мына формуламен анықталады

(32)

 

9 сурет – Ажыратылған ротор кездегі статордың ағымдары

 

Негізгі ағын статор мен ротордың орамаларында Е₁ және Е₂ электр қозғаушы күштерін тудырады:

 

;
;	(33)

мұндағы ω₁, ω₂ – статор мен ротор орамаларының орам сандары;

                k_ОР1, k_ОР2 – орамалардың орамалық коэффициенттері.

 

.

(34)

          (34) формуладағы қатынас асинхронды қозғалтқыштың электр қозғаушы күштерінің тасымалдау коэффициенті деп аталады. Оны тәжірибе жүзінде бос жүріс кезіндегі статор мен ротор орамаларының ЭҚК қатынасы ретінде анықтайды.

Сейілу магнит ағыны Ф_S1 әрбір статордың фазасында Ė_S1=-jX₁İ₀ сейілу ЭҚК-терін индукциялайды, мұндағы X₁ – статор орамдарының индуктивті сейілу кедергісі. Сонымен қатар статор орамасының әрбір фазасы r₁ активті кедергіден тұрады. Бұл кедергіде r₁I₀ кернеуін төмендетеді.

Демек, статордың бір фазасы үшін ЭҚК-тердің тепе-теңдік теңдеуі былай анықталады

.

(35)

Бұл теңдеуге сәйкес келетін орынбасу сұлбасы мен векторлық диаграммасы 10-суретте бейнеленген.

I₀ тоғы реактивтік I_ОР және активтік I_ОА құрама бөліктерден тұрады. Реактивтік ток магнит өрісін қоздыруға, ал активтік ток статор мен ротордың өзекшелерінің болаттарындағы шығындарды өтеуге жұмсалады.

 Орынбасу сұлбасын құру үшін, яғни статор мен ротордың орамалары арасындағы электрлік байланысқа көшу үшін, ротордың орамасын статордың орамасына келтіреді. Ол үшін негізгі ротор орамасын басқа ротор орамасымен ауыстыру қажет. Ауысатын ротор орамасы статор орамасынадағыдай тармақтар санынан, орам қадамынан және фаза мен полюс бойынша ойықтар санынан тұруы қажет.

Сонымен қатар машинадағы энергетикалық қатынасты сақтау үшін екінші реттік ораманың параметрлері қайта есептелуі қажет.

Келтірген екінші реттік орамдардың ЭҚК

 

.

(36)

Асинхронды қозғалтқыштың роторы ажыратылған кезде статор орамасында m₁I²_oR₁, статор мен ротордың (p_C1 мен p_C2) өзекшелерінде шығындар болады. Қозғалтқыш желі арқылы пайдаланатын қуат осы қуат шығындарын өтеу үшін әсеретеді, ол қуат мына формуламен анықталады

.

(37)

 

2.2 Асинхронды қозғалтқыштардың қысқа тұйықталуы

 

 Асинхронды қозғалтқыштың қысқа тұйықталу режимі ротор тежелген  кезде болады. Статор мен ротор орамдары қысқа тұйықалған кездегі токтарын шектеу үшін қозғалтқышқа келтірілген кернеудің номиналды мәндерін U_Қ мәніне дейін төмендету керек, яғни номиналды U_1НОМ кернеуден 15-20%- дейін төмендеуі керек.

İ₁ және İ₂ токтары қозғалыссыз статор мен роторға қарағанда бір бағытта бірдей жылдамдықпен  айналып тұратын F₁ және F₂ МҚК-терін тудырады, яғни олар бір-біріне қарағанда қозғалыссыз болады да n₁ жылдамдықпен айналатын F_Қ МҚК-ін құрады. Бұл МҚК статор мен ротор орамаларымен ілініскен негізгі айналдырушы ағынды Ф_Қ тудырады. МҚК-і F₁ ток статор орамасымен ілініскен бірінші реттік сейілу ағынын Ф_S1, ал F'₂ МҚК-тері бір-біріне қарсы әрекеттеседі. Сол себептен, İ₁ және İ'₂ токтардан тұратын F₁ және F'₂ МҚК-тердің шамалары біршама үлкен болса да қорытынды МҚК F аз болады, сондықтан магнит ағыны Ф_Қ да аз, демек, бұл кезде магнит тізбегі қанықпаған болады (11 және 12 суреттерге қараңыз).

 

                       

          11 сурет - Қысқа тұйықталу                    12 сурет - Қысқа тұйықталу                         АҚ  режиміндегі магнит                           режиміндегі АҚ-тың                        ағындары                                                 векторлық     диаграммасы                                                                          

Бірінші реттік токты İ₁ екі токтың қосындысы деп көрсетуге болады, оның біріншісі (İ_Қ) МҚК-ін F_Қ құрады, ал екіншісі (-İ'₂) екінші реттік токтың İ'₂ орнын басу МҚК F'₂  құрады. Сонымен алатынымыз:

 

немесе .

(38)

Оған сәйкес

немесе .

(39)

Статор мен ротор ЭҚК теңдік шарты мына формуламен анықталады:

 

,

(40)

мұндағы m₁, m₂-статор мен ротордың фазалар саны.

Токтардың тасмалдау коэффициенті мынаған тең болады:

 

.

(41)

Сонымен, ротордың келтірілген тоғы

 

.

(42)

Электр қозғаушы күштер мен токтардың трансформация коэффициенттерін пайдалана отырып ротордың келтірілген r₂^’активтік және x₂^’ индуктивтік кедергілерін  анықтаймыз.

r₂ ^’ активтік кедергіні келтірген кезде ротор орамасындағы қуат шығыны өзгермеуі қажет, яғни

 

,

мұндағы

,

(43)

 

мұндағы  - кедергіні келтіру коэффициенті.  

Индуктивтік сейілу кедергісін келтіру үшін ЭҚК E₂  мен ток I₂ арасындағы бұрыш Ψ₂ өзгермеуі керек.

Демек,

,

бұдан

.

(44)

 

Қысқа тұйықталу кезіндегі бірінші және екінші реттік электр қозғаушы күштердің теңдеуі

,	(45)

мұндағы Z₁=R₁+jX₁ және Z₂=R₂^'+jX₂^' - статор мен ротор орамаларының толық кедергілері.

Ė'_2Қ=Ė'_1Қ және İ'₂≈-İ₁ теңдіктері арқылы (45) теңдеуді токқа қатысты шешкен кезде мына формуланы аламыз:

 

.

(46)

 

Осыған сәйкес асинхронды қозғалтқыштың қысқа тұйықталу кезіндегі орынбасу сұлбасын аламыз (13 суретке караңыз).

Қысқа тұйықталу сұлбасының параметрлері:

 

,              .

(47)

13 сурет – Асинхронды қозғалтқыштың қысқа тұйықталу режиміндегі орынбасу сұлбасы

 

2.3 Ротор айналып тұрған кездегі үшфазалы асинхронды қозғалтқыш

 

а) сырғанау, электр қозғаушы күштің жиілігі және ротор орамаларының кедергілері.Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс істеу принципінен ротордың айналу жиілігі n₂ статор өрісінің айналу жиілігінен n₁ кем екендігін көреміз. Егер n₂=n₁ болса, онда ротордың орамдары статордың айналу магнит өрісі арқылы қиып өтпеген болар еді, демек, ротордың орамасында ЭҚК индукцияланбайды. Сол себептен ротордың орамасында I₂ тоғы және айналдыру моменті болмайды.

Статордың айналу магнитті өрісінен ротордың артта қалу дәрежесі сырғанау S арқылы сипатталады. Сырғанау S шамасы n₁ мен n₂ айырымының статор өріс жиілігіне қарағанда сылыстырмалы мәнімен анықталады

,	(48)
мұндағы           .

Ротордың орамасында индукцияланған E электр қозғаушы күшінің жиілігі төмендегідей анықталады:

,

(49)

яғни берілген желінің жиілігі  f₁ кезінде ротордың ЭҚК сырғуға пропорционалды өзгереді (f₂ сырғанау жиілігі деп аталады).

Жалпы (33) формула бойынша ротордың ЭҚК  үшін алатынымыз:

,

(50)

мұндағы Е_2Қ – қозғалмай тұрған ротордың ЭҚК.

немесе, егер ротордың орамасы статордың орамасына келтірілген болса, онда

.

(51)

Сонымен негізгі магнит ағыны Ф_m берілген кезде айналып тұрған ротор орамасында индукцияланған ЭҚК қозғалмай тұрған ротордың ЭҚК Е_2Қ сырғанау S көбейтіндісіне тең. Қозғалмай тұрған ротордың индуктивтілік сейілу кедергісі мына теңдеумен анықталады

x_2H=2nf₁L₂ ,

мұндағы L₂-сейілу ағынымен анықталатын индуктивтік.

Сейілу магнит ағыны негізінде ауамен өтетін болғандықтан L₂ тұрақты болады.

Демек, айналып тұрған ротордың индуктивтілік кедергісі мына формуламен анықталады

 

,

(52)

немесе ротордың орамасы статордың орамасына келтірілген болса, онда

.

(53)

яғни, айналып тұрған ротор орамасының индуктивті кедергісі қозғалмай тұрған ротордың индуктивті кедергісі X_2Қ мен сырғанау S көбейтіндісіне тең.    

б) ротордың электр қозғаушы күші мен тоғының теңдеулері.

Ротордың тізбегі тұйықталған болса, онда I₂ тоғы ағады да ол Ф_S2 сейілу магнит ағынын тудырады. Осыған сәйкес, ротордың орамасында Ф_т негізгі магнит ағыны арқылы пайда болған Е₂ ЭҚК және сейілу магнит ағынын тудыратын ЭҚК пайда болады E_s2= -jx₂I₂. Кирхгофтың екінші заңы бойынша

 

немесе ,

(54)

мұндағы –ротордың толық кедергісі.

Демек,

және .

(55)

Егер ротордың орамасы статордың орамасына келтірілген болса, онда

 

және .

(56)

 

Ротордың орамасымен аққан I₂ ток ротор жиілігіне f₂ сәйкес келетін, роторға қарағанда n жылдамдықпен айналатын F₂ магниттеуші күшін тудырады. Ротордың өзі n₂ жылдамдықпен айналады. Ротордың F₂ МҚК статорға қарағанда n+n₂ жылдамдықпен айналады.

 

.

(57)

 

Сонымен,  ротордың F₂ магниттеу күші статордың магниттеу күшіне F₁ ұқсас (жұмыс режиміне тәуелсіз) бір бағытта бірдей айналу жиілігімен айналады.

в) асинхронды қозғалтқыштың алмастыру сұлбасы және векторлық диаграммасы.

Ротор тоғының теңдеуінің (55) алымы мен бөлімін сырғуға бөлу арқылы мына түрге келтіруге болады

.

(58)

 

Жаңа теңдеудің жаңа физикалық мағынасы бар. Екінші реттік тізбекте f₂ жиілігімен айналып тұрған ротордың Е₂ электр қозғаушы күшінің орнына  f₁ жиілікпен қозғалып тұрған ротордың ЭҚК Е_2Қ пайда болды. X_2Қ роторы айналған кездегі индуктивті кедергінің орнына қозғалмай тұрған ротордың индуктивті кедергісі әсеретеді. Екінші тізбек арқылы Е₂ -ге қатысты фаза бойынша бірдей ток I₂ өту үшін R₂ кедергісінің орнына төменгі мәнге тең кедергіні шығару қажет

.

(59)

 

Екі жағдайда да электр қозғаушы күшін құратын токтың ығысу фазасы бірдей болады.

Бірінші жағдайда , екінші жағдайда .

(60)

 

Шамасы өзгермейтін X_2Қ индуктивті кедергіні Х₂ арқылы, ал шамасы тұрақты Е_2Қ ЭҚК Е₂ арқылы белгілейміз. Статор тоғы I₁ шамасымен фазасы бойынша бұрынғы қалпында қалатындығы белгілі, демек, желі арқылы алынатын куаттың шамасы да өзгермейді. Орамалардағы электр шығындары өзгермейтіндіктен қозғалтқыштың білігі арқылы пайда болған қуат, білік айналған кезде r₂(1-S)/S қосымша кедергі қолданатын қуатқа тең болады. Көрсетілген жағдай айналып тұрған қозғалтқыш пен орнынан қозғалмай тұрған қозғалтқышта көрсетілген қосымша кедергімен бірге талдау жасауға мүмкіндік береді.

Асинхронды қозғалтқыштың физикалық орынбасу сұлбасы 14-суретте көрсетілген.

14 сурет - Асинхронды қозғалтқыштың қозғалыссыз роторға келтірілген физикалық орынбасу сұлбасы

Екінші реттік тізбек үшін келтірілген шамаларды қолдана отырып бірінші және екінші реттік тізбектер үшін теңдеуді былай жазуға болады:

.

(61)

және тең екендігін ескере отырып (61) теңдеуін шешіп, мынаны аламыз:

.

(62)

(62) тендеулерді шеше отырып, табатынымыз

.

(63)

 

(61) және (62) тендеулердің негізінде жүктелген асинхронды қозғалтқыштың алмастыру сұлбасын және векторлық диаграммасын тұрғызамыз (15 және 16-суреттерді қараңыз).

15 сурет – Жүктелген                                16 сурет - Жүктелген

асинхронды қозғалтқыштың                                асинхронды қозғалтқыштың   

балама орынбасу сұлбасы                          векторлық диаграммасы                                                      

Жүктеме азайған кезде қысқыштағы кернеу өзгермейді, ал өзара индукция ағыны және оған сәйкес келетін 15-суреттің магниттеуші тізбегінің қысқыштарындағы ЭҚК Е₁=Е'₂ кернеудің төмендеуінің Z₁I₁ салдарынан жүктеме өзгерген кезде (R₁+jX₁) тізбегі өзгереді.

Сондықтан асинхронды қозғалтқыштың жұмыс процесстерін оқып үйрену үшін  алмастыру сұлбасы қолайлы (17 суретті қараңыз) болып келеді. Бұл сұлбада магниттеуші тізбек бірінші реттік қысқыштарға шығарылады да ондағы ток жүктеменің барлық өзгерістерінде,  S сырғанау өзгергенде тұрақты және синхронды бос жүрістің I₀ тоғына тең болады. Түзетуші коэффициент сырғуға S тәуелсіз және σ₁= 1 ,04 - 1 ,08 тең. Түзету коэффициенті  негізгі магниттеуші тізбектердің параметрлерін және токтарды шамалары мен фазасы бойынша өзгертеді.

 

17 сурет - Бірінші реттік қысқыштарға магниттеуші тізбекті шығарған дәлдік алмастыру сұлбасы

 

2.4 Асинхронды қозғалтқыштың айналу моменттері және қуаттары

 

а) асинхронды қозғалтқыштың энергетикалық диаграммасы.

Асинхронды қозғалтқыштың желіден алатын активтік қуаты, мынаған тең

.

(64)

Векторлы диаграммадан (16-суретке караңыз) алатынымыз:

, .

(65)

Статорға берілетін активтік куаттың түпкілікті өрнегі

,

(66)

мұндағы р_Э1-статор орамасындағы электр шығындары;

                 р_М1-статор өзекшесіндегі магниттік шығындар;

                        р_ЭМ-айналу магнит өрісі арқылы ротор тізбегіне берілетін электрмагниттік куат.

Қозғалтқыш пайдаланатын реактивтік қуаты, мынаған тең

.

(67)

Жоғарыда көрсетілген теңдеулерді түрлендіріп мына формуланы аламыз:

.

(68)

Қозғалтқыштың электр желісінен алатын реактивті қуат статор орамаларында магнит өрісін құруға, статордың және ротордың өзекшелерін магниттеуге және ротор орамаларында магниттік сейілу өрісін құруға жұмсалады.

Асинхронды қозғалтқышта энергияны және шығындарды түрлендіру  энергетикалық диаграммамен көрсетілген (18 суретке қараңыз).

 

 

 

 

 

р_мех - ротордағы механикалық шығындар;

р_м2 – ротор орамасындағы электр шығындары;

р_қос  - басқа қосымша шығындар.

 

18 сурет - Асинхронды қозғалтқыштың энергетикалық диаграммасы

 

Айналмалы магнит өрісінің электрмагниттік қуаты

 

.

(69)

Статордан ротордың білігіне берілетін қуат

.

(70)

Ротордың білігіндегі пайдалы механикалық қуат

 

.

(71)

Ω₁ статор өрісінің бұрыштық жылдамдығын ротор өрісінің бұрыштық жылдамдығы Ω₂ арқылы белгілесек, онда

 

, .

(72)

Сонымен Р_ЭМ=Р_ЭМ-Р'₂=(Ω₁-Ω₂)М тең, сырғанау төмендегі теңдеумен анықталатындықтан

 

,
онда	(73)

 

Сонымен, ротор тізбегінің орамдарындағы шығындар сырғанауға көбейтілген айналу магнит өрісінің қуатына тең болғандықтан, сырғанау жоғары болған сайын (айналу жиілігі төмен), ротор тізбегіндегі шығындар жоғары болады.

(72)-теңдеуден асинхронды қозғалтқыш моментінің теңдеуін аламыз.

Толық айналу моменті:

.

(74)

б) асинхронды қозғалтқыштың айналу моменті  (73) теңдеу арқылы мына теңдеуді аламыз

.

(75)

Алмастыру сұлбасы бойынша (17 суретке қараңыз):

 

,	(76)
сәйкесінше,          .	(77)

 

(75)-теңдеуге I'₂²  мәнін қойсақ, асинхронды қозғалтқыштың айналу моментінің жалпы теңдеуін табамыз

 

,

(78)

мұндағы  – қысқа тұйықтаудың индуктівтік кедергісі.

Момент М кернеудің квадратына U₁² пропорционалды екендігі (78) теңдеуінен көрініп тұр, яғни кернеу төмендегенде асинхронды қозғалтқыштың жүктемелік қабілеті төмендейді. Электр желесінің кернеуін тұрақты деп есептесек, онда момент сырғанау функциясы болып саналады, яғни М=f(S).

Қозғалтқыштың параметрлері R₁, X₁, X₂' және R₂' белгілі болған жағдайда сырғанау мәнін S=1- ден S=0 дейін өзгерте отырып қозғалтқыштың механикалық сипаттамасын M=f(S) тұрғызуға болады, 19 суретте көрсетілген. 

 

19 сурет –  Асинхронды қозғалтқыштың механикалық сипаттамасы

 

Қозғалтқышты іске қосқан кезде S=1 болады, іске қосу моменті М_К пайда болады (а нүктесі), ал S=S_M болғанда, максималды момент арқылы өтеді (в нүктесі). Қозғалтқыштың айналу моменті және жетек механизімінің аймағындағы білік кедергісіндегі айналу моменттердің арасындағы тепе-теңдік қозғалтқыш моменті кедергі моментіне М=М_К тең болғанда болады (с нүктесі).

в) асинхронды қозғалтқыштың іске қосу, максимал және номиналді моменттері.

1) іске қосу моменті М_К асинхронды қозғалтқыштың негізгі пайдалану сипаттамасы болып табылады. Іске қосу моменттің мәні (78) теңдеуінен сырғанау S=1 болған кезде анықталады,

 

.

(79)

 

(79) теңдеуге байланысты іске қосу моментінің анықтамасы:

- жиілік f₁ тберілген кезде іске қосу моменті U²₁ статор кернеуінің дәрежесіне тура пропорционалды болады;

- ротордың активтік кедергісі индуктивтік сейілу кедергісіне тең болғанда максималды мәнге жетеді, индуктивті сейілу кедергісі мына формуламен анықталады

 

.

(80)

Іске қосу моменті, әдетте  қатынасымен өрнектеледі. Бұл қатынасты іске қосу моменттің еселігі деп атайды.

2) максималды немесе аударғыш моментін М_МАКС dM/dS туындысын алып, оны нөлге теңеп табамыз.

Табылған  теңдеуден максимал моментке сәйкес келетін S_m сырғанауды анықтаймыз

 

.

(81)

(81) теңдеуді (78) айналу моментінің жалпы көрсеткішіне қойып, максимал моменттің теңдеуін аламыз

 

.

(82)

Асинхронды қозғалтқышта  r₁ мәні х_к мәнінен алде қайда кіші болады, сондықтан r₁=0 деп аламыз. Онда максималды моменттің көрсеткіші мына түрде болады:

.

(83)

(80) формула бойынша максималды моменттің анықтамасы:

- f₁ жиілік және қозғалтқыштың көрсеткіштері берілген жағдайда максималды момент статор кернеуінің дәрежесіне тура пропорционалды;

- максималды момент ротор тізбегінің активтік кедергісіне тәуелді болмайды;

- ротор тізбегінің активтік кедергісі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым үлкен сырғанауда (айналу жиілігі аз кезінде) максималды момент пайда болады.

г) бірінші және екінші тізбектердің индуктивтілік кедергілері өскен сайын момент төмен болады.

Сонымен, ротор тізбегінің активтік кедергісін өсірген кезде максималды момент шамасын өзгертпей, сырғуы үлкен мәнді аймаққа қарай жоғарлайды (20 суретке қараңыз).

 

20 сурет - r_Қ  әртүрлі мән кезіндегі М=( S) сипаттамасы

 

20 -суреттегі моменттің төрт қисығы ротор тізбегіндегі қосымша активті кедергілердің R_ҚОС  әртүрлі төрт мәніне сәйкес келеді. Бірінші қисық R_ҚОС=0 болған кезде алынады (табиғи сипаттама). R_ҚОС шамасы электр жетегінің талаптарына сәйкес қажетті іске қосу моменттің шамасымен таңдап алынады. Іске қосу моменттің шекті шамасы максимал моментке (4 қисық) тең. Сонымен қатар , осыдан М_К=М_МАКС шарты үшін  анықтауға болады. Ротор тізбегіне реостатты енгізгенде, іске қосу тоғы төмендейді.

Асинхронды қозғалтқыштың жұмысы сырғанау s>s_m болған кезде тұрақты емес. Егер қозғалтқыш моменті максималды моментке тең болса, ал сырғанау s~s_m, онда жүктемелік М_Ж  моменті өскенде s сырғанауы да өседі, осыған сәйкес айналу моменті төмендейді. Бұл жағдай қозғалтқыштың роторы тоқтағанша (қозғалтқыштың аударлылуы), яғни s сырғанау жоғарлап бірге тең болғанша өседі.

          Айналу моменті максималды мәнге жеткен кезде, қозғалтқыштың жұмыс режимі тұрақты шегіне жетеді. Сол себептен, қозғалтқыш тұрақты жұмыс істеуі үшін айналу моменті максималды мәннен төмен болуы керек. Бұл жағдайда қозғалтқыш номиналды жүктеме кезінде жұмыс жасайды. Сонымен қатар электр жетегінде аса жүктеуге төзімді болып келеді, осыған байланысты жұмыс істеу сенімділігі артады. Қозғалтқыш асқын жүктеме қаблеттілігінен тұруы қажет, ол максималды моменттің номиналды моменке қатынасымен анықталады (асқын жүктеме коэффициенті):

.

(84)

3) Асинхронды қоғалтқыштың номиналды моменті S_Н номиналды сырғу кезінде және біліктегі жүктеменің номиналды мәніне тең болғанда пайда болады. Қозғалтқыштың номиналды моменті мына формуламен табылады:

 

, [Н·м],

(85)

 

мұндағы Р_Н-қозғалтқыштың номиналды қуаты, Вт;

                n_2Н -ротордың номиналды айналу жиілігі, айн/мин.

, [айн/мин].

(86)

 

2.5 Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары

 

Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары деп n₂ айналу жиілігінің, М айналу моменттің, cosφ қуат коэффициентінің, және η пайдалы әсер коэффициенттің қозғалтқыштың білігіндегі Р₂ пайдалы активті қуатқа тәуелдігін айтады.

а) ротордың айналу жиілігі .

Сырғанау формуласы бойынша . Екінші жағынан , яғни сырғанау Р_эм электр магниттік қуатпен қозғалтқыш арқылы пайда болған ротор орамасындағы Р_М2 шығын қатынасына тең.

Бос жүріс режимінде ротор орамасындағы қуат шығыны Р_Э2 электр магниттік қуат Р_ЭМ салыстарғанда өте аз болады, сол себептен S=0, ал n₂≈n₁. Жүктеме өскен сайын  қатынасы да өседі, бірақ пайдалы әсер коэффициенттің мәнін жоғарлату үшін бұл қатынас номиналды жүктеме кезінде 2-3% -дан аспауы қажет.

n₂=f(P₂) тәуелділігі абсцисса білігіне шамалы көлбеу орналасқан қисық түрінде болады (21 суретке қараңыз). Асинхрнды қозғалтқыш тұрақты токты параллельді қозумен жылдамдақ сипаттамасынан тұрады.

21 сурет - Асинхронды қозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары

 

б) айналу моменті.

Қалыптасқан жұмыс режимінде М=М₂ + М₀ ,

мұндағы М₂ – қозғалтқыштың пайдалы тежеу моменті;

М₀ – бос жүріс моменті.

Жүктеме Р₂ бос жүріс режимінен ротордың n айналу жиілігіне дейін айтарлықтай өзгермейді, сондықтан  тәуелділігі түзу сызықты болады.

в) қозғалтқыштың пайдалы әсері коэффициентін (ПӘК) анықтау .

Асинхронды қозғалтқышта мынандай шығын түрлері болады: механикалық шығын, статор және ротор орамдарындағы шығындар, статор білігіндегі және қосымша шығындар.

Қосымша шығындар магниттеу күшінің жоғарғы гармоникаларымен пайда болады және жуықтап есептелінеді. МЕМСТ 183-55 бойынша номиналды жүктеме кезінде Р_ҚОС қосымша шығын келтірілген қуаттың 0,5% құрады.

Қозғалтқыштағы толық шығындар мына формуламен анықталады:

 

,

(87)

 

мұндағы Р_М1 + Рм₂ – айнымалы шығындар, жүктеме тоғының дәрежесне пропорционалды;

Р_С +Р_МЕХ + Р_ҚОС – тұрақты шығындар.

Тұрақты және айнымалы шығындардың теңдігі кезінде ПӘК максималды мәнге жетеді. 21 суретте асинхронды қозғалтқыштың номиналды жүктеме кезіндегі  ПӘК 75%-да максимумға жеткен қисығы көрсетілген.

г)қуат коэффициенті.

Асинхронды қозғалтқыш жүктеме арқылы трансформаторға ұқсас жүктемеге тәуелсіз қалған ток арқылы қоректенеді. Сондықтан оның қуат коэффициенті бірден төмен болады. Бос жүріс кезінде 0,2 аспайды, ал жүктеме өскен кезде, номиналды жоғарғы мәнге жетеді. Жүктеме жоғарлаған сайын ротордың айналу жиілігі төмендейді. Осыған сәйкес  бұрышы өседі және оларды  және  белгілейді.

 

2.6 Асинхронды қозғалқышты іске қосу

 

Асинхронды қозғалтқыштың іске қосылу сипаттамалары оның құрлысымен тікелей байланысты. Роторы фазалы орамнан тұратын қозғалтқыш роторы қысқа тұйықталған орамнан тұратын қозғалтқыштан қарағанда жақсы іске қосу сипаттамаларынан тұрады. Ротор тізбегіне іске қосу реастатын қосқан кезде, I_Қ іске қосу тоғын төмендетіп және М_Қ іске қосу моментін жоғарлатуға болады. Бірақ роторы қысқа тұйықталған қозғалтқыш жұмыс істеу кезінде сенімдірек, арзан және жақсы жұмыс сипаттамасынан тұрады. Роторы қысқа тұйықталған қозғалтқыш көп қолданылады. Тарату жүйесінің енгізу қабілеттілігі өскендіктен мұндай қозғалтқыштар қазіргі уақытта мың килловаттық қуатпен орындалады.

Асинхронды қозғалтқыштың негізгі іске қосу әдісі мыналар: а) реастаттың көмегімен іске қосу, қозғалтқыш роторын тізбекке фаза орамды ротормен енгізу; б) U_Қ = U_M (тікелей қосу) кезінде қысқа тұйықталған орамды ротормен қозғалтқышты тізбекке қосу; в) U_Қ < U_H қысқа тұйықталған орамды ротормен қозғалтқышты тізбекке қосу.

а) фаза орамды ротормен қозғалтқышты іске қосу.

Іске қосу реостаттың r_Қ кедергісі (22 суретті қараңыз) іске қосу тоғын шектеу арқылы таңдалады. Іске қосу моментінің М_Қ бастапқы мәні М_т максималды мәнге тең болған кездегі r_Қ кедергінің мәнінде іске қосу тоғының шамасына рұқсат беріледі. Онда S_M = 1 және формула бойынша

 

,	(88)
.	(89)

 

22 сурет – Симметриялық іске қосу реостатының қосылуы

 

Қозғалтқышты баяу екпінмен іске қосу үшін реостатың бірнеше қатар қосылған кедергілері қолданылады. 23 а суретінде r_Қ кедергісінің бес мәні үшін қозғалтқыштың механикалық сипаттамасы келтірілген, ал 23 б суретінде токтың ротордың айналу жиілігіне тәуелділігі келтірілген.

Кедергілердің қатарын бір-бірлеп іске қосу уақытын төмендету үшін қозғалтқыштың ең үлкен М_т айналу моментіне сәйкес келетін айналу жиілігі  арқылы орындалады. Бұл жағдай 23 суретте көрсетілген.

 

                       а – моменттің өзгеруі;

                          б – реостат тоғының өзгеруі.

23 сурет – Ротор тізбегіндегі реостатпен қозғалтқыштың іске қосылуы

                           

Бір уақытта I_Қ іске қосу тоғының төмендеуі мен М _Қ моменттің жоғарлауын былай түсіндіруге болады: тізбектегі роторға қосымша кедергіні r'_Қ < х_к - r'₂  қосқан кезде  ток пен  э.қ.к. (ротор тоғының активті құрамы жоғарлайды) арасындағы  бұрыш азаяды және М_Қ айналу моменті жоғарлайды. Тізбектегі ротор кедергісі r'_С + r'₂ > х_к болғанда токтың активті құрамы және айналу моменті төмендетеді.

Роторы ажыратылған орамдардан тұратын қозғалтқышты желіге қосу кезінде жүктелмеген трансформаторды қосқанға ұқсас ток жоғарлауы мүмкін. Сондықтан реостаттың үш фазалы кедергісінің бірінші қадамының ұшы жалпы нүктеге жалғанады. Қозғалтқышты қосқан кезде екінші тұйықталған тізбек болғандықтан, статор және ротор орамдарын асқын кернеуден сақтайды.

Төменгі және орташа қуатты қозғалтқыштарды іске қосу үшін металды реостат (көбінде салқындатылған маймен) қолданылады. Жоғарғы қуатты қозғалтқыштар үшін қозғалмалы электродты сулы реостат қолданылады.  

Түйіспелердің санын азайту мен іске қосу реостатын арзандату үшін кей кездері қосымша кедергіні ротор орамдарының екі фазасына енгізеді (24 суретке қараңыз). Бұл жағдайда ротор тоғының асимметриясы пайда болады. Токтардың асимметрия жүйесін жалпы жағдайда әртүрлі қатарлы фазамен үш симметриялық жүйеге орналастыруға болады. Бірақ бұл жағдайда токтардың нөлдік қатарлы жүйесі болмайды, себебі реостаттың және ротор орамдарының ортаңғы нүктесі жалғанбайды. Фаза тура тізбектелген жүйе және фаза керсінше тізбектелген жүйе роторға қатысты бірдей жылдамдықпен айналады (қарама - қарсы бағытта)

 

,

(90)

 

24 сурет – Симметриялы емес реостаттың қосылуы

 

Ротор  жылдамдықпен айналады. Осыған сәйкес статорға байланысты айналу өрісінің жылдамдығы былай анықталады

 

(91)

Қарама - қарсы айналу өрісінің жылдамдығы

 

(92)

 

Сонымен тура айналу өрісі статор өрісіне синхронды болып келеді. Олардың өзара әрекеттесуі машина білігінде айналу моментін тудырады (26 суреттегі 1 қисық).

Ротордың қарама - қарсы өрісі кеңістікте айнымалы жылдамдықпен айналады, ал сырғанау s = 1-ден s = 0,5-ке дейін өзгереді. Қарама - қарсы өріс ротордың қарама - қарсы айналуына қарсы айналады; сырғанау s = 0,5 кезінде қарама - қарсы өрістің жылдамдығы n₁(l-2s)=0, ал сырғанау s = 0,5-тен нөлге дейін өзгергенде қарама - қарсы  өрістің айналу бағыты ротордың айналу бағытымен сәйкес келеді.

а)                       б)

         

 

а - r_Қ тізбектей;                                            26 сурет – Ротор тоғының

б - r_Қ параллель.                                         симметриялы емес кезіндегі

25 сурет - Индуктивті кедергімен            механикалық сипаттамасы

          ротордың тізбекке қосылуы

 

Ротордың керсінше айналу өрісі үшін статор орамын қысқа тұйықталған деп қарастыруға болады. Сондықтан ротордың айналу жылдамдығы  n<n₁/2 болғанда, ротордың керсінше айналу өрісі статордың қысқа тұйықталған орамымен әсерлескен кезде қозғалтқыштың айналу моменті өседі, ал n>n₁/2 кезінде қарама - қарсы өріспен пайда болған момент тежегіш болып саналады (26 суреттегі 2-қисық сызық). Нәтижелік момент 3 сызық арқылы көрсетілген. п ≈ 0,5n₁ болғанда айналу моментінің төмендеуі байқалады, егер жүктемелік момент М_Ж айналу моментінен М_мин жоғары болатын болса, онда қозғалтқыш өзінің қалыпты айналу жылдамдығына жетпейді, яғни механикалық сипаттамадағыдай а нүктесінде тұрақты жұмыс жасайды.

Мұндай жағдай ротор тізбегінде қосқыштардың бұзылуы кезінде ротор орамдарының токтары асимметриялы болғанда байқалады.

Ротордың тізбегінде кейбір жағдайда іске қосуды автоматтандыру үшін r_Қ активті кедергісін х_Қ индуктивті кедергімен тізбектей немесе параллель қосады. 

Сұлба бойынша (25, а суретін қараңыз) бірінші іске қосу моменті кезінде, s = 1 және f₂=f кезде, индуктивті кедергі жоғары және негізі іске қосу тоғын шектейді. Ротордың айналу жылдамдығын жоғарлатқан кезде f₂ = f_s жиілігі төмендейді, сонымен қатар ротордың E₂s э.қ.к. және X_dS =X_d индуктивтік кедергісі төмендейді. Нәтижесінде r_Қ болғандықтан ротор тізбегінің тоғы баяу төмендейді, яғни іске қосу жағдайы баяу жүреді.

Сұлба бойынша ( 25, б суретін қараңыз) іске қосар алдында f₂ жиілігі және х_Қ индуктивтік кедергісі жоғары болған кезде ротордың негізгі бөлігінің тоғы активті кедегі арқылы өтеді. Осыған байланысты іске қосу тоғын және айналу моментін анықтайды. Ротордың айналу жылдамдығы өскен сайын индуктивті кедергі f₂=f_s жиілігіне пропорционалды төмендейді және іске қосудің соңында ротордың барлық тоғы индуктивті кедергі арқылы өтеді. Ротор тізбегінде токтардың бұлай таралуы іске қосудың уақытында айналу моменті мен тоғының тұрақты мәнін алауға көмектеседі.

б) асинхронды қозғалтқыштың желіге тура қосылуы.

Бұл тәсіл бойынша қысқа тұйықталған орамды ротордан тұратын қозғалтқышты қосу, қысқа тұйықталған трансформаторды қосуға ұқсас болады. Қысқа тұйықталудың аса жоғары тоғы екі құрамнан тұрады: қысқа тұйықталудың келтірілген тоғына сәйкес келетін  периодтық және бірінші құрамға байланысты уақыт бойынша өшетін апериодтық. Асинхрондық қозғалтқышта қысқа тұйықталу тоғының екінші құрамының өшуі тез орындалады. Сондықтан қозғалтқыштың I_Қ іске қосу тоғы дегеніміз қысқа тұйықталудың келтірілген тоғын айтады.

Іске қосу тоғының шамасы оның номиналды тоғының қатынасы арқылы көрсетіледі және іске қосу тоғының қысқалығы деп атайды. Қазіргі кездегі қозғалтқыштарды іске қосу тоғы  I_ІҚ/I_H = 4÷7 арқылығында болғандықтан сақтандырғыштар және жылу релесі қысқа уақыттық токқа төзе алуы керек.

Электр қозғалтқышын желіге тура қосу қабілеттігін кернеудің төмендеуімен анықтайды. Ол трансформатор және тізбектегі толық кедергіге тәуелді болады. Қазіргі кезде тарату жүйесінде қуаттың өсуіне байланысты желіде қозғалтқышты бірнеше мың киловаттық қуатпен тура қосуға рұқсат беріледі.   

в) U_Қ < U_H  кезінде қозғалтқышты желіге қосу.

Индуктивті кедергіні қоу арқылы кернеуді төмендету.

27, а суретінде қозғалтқышты 1 және индуктивті кедергіні 2 қосу сұлбасы көрсетілген. Іске қосу кезінде алдымен 3 рубильникті тұйықтайды, одан кейін ротор айналған кезде 4 рубильникті тұйықтайды. Индуктивті кедергінің шамасын таңдау үшін іске қосу тоғының ұзақтығы I_Қ /I_H = 2 ÷2,5 керек, ол үшін қозғалтқыштағы кедергіні 2-3 есе төмендету қажет. Реттелетін индуктивтік кедергіні қосу қозғалтқыштың баяу қосылуына көмектеседі. Іске қосу моментінің бастапқы мәні (U_Қ / U_H )² қатынасына байланысты пропорционалды 4-9 есе төмендейді.

Автотрансформатор арқылы кернеуді төмендету.

Индуктивті кедергінің орнына автотрансформаторды қолдануға болады (27, б суретке қараңыз). Автотрансформаторды қолдану іске қосу моментінің жоғарғы мәнін алуға көмектеседі. Егер I_Қ/I_H = 2÷2,5 бастапқы мәнін сақтасақ, онда автотрансформатор арқылы кернеуді 1,5-2 есе төмендетуге болады. Бұл жағдай іске қосу моментін 2-4 есе төмендетеді.

Екі іске қосу әдістерінің кемшілігі іске қосу аспаптарының қымбат болуында.

 

 

а – индуктивті кедергімен;

б – автотрансформатормен.

27 сурет – Іске қосу кезіндегі

кернеудің төмендеуі

 

Үшбұрыш – жұлдызша жалғау.

Бұл жағдайда іск қосу мына жағдай бойынша орындалады (28 суретке қараңыз). Қайта қосқыш «қосу» жағдайына қойылады және статор орамы желіге қосылады. Айналу жылдамдығы номиналды мәнге дейін жеткенде қайта қосқышты «жұмыс» жағдайына қосады, осымен іске қосу жағдайы аяқталады.

Іске қосу жағдайында статор орамдарының қосқышары жұлдызша жалғанады, жұмыс жағдайы кезінде – үш бұрыш ретінде жалғанады.

U_Ж – желідегі кернеу; U_Y және U_Δ- статор орамдарын жұлдызша және үш бұрышша жалғаған кезіндегі фаза кернеуі; I_қ.с.Y, I_қ._фY, I_қ._сΔ, I_қ._фΔ - статор орамдарын жұлдызша және үш бұрыш жалғаған кезіндегі желінің іске қосу токтары. Орамдарды жұлдызша жалғаған кезде

 

.

(93)

Егер статор орамдарын үш бұрыш ретінде жалғап, қозғалтқышы желіге қоссақ, онда

 

,	(94)
.	(95)

 

Осы формула арқылы мынаны табуға болады .

Сонымен статорды жұлдызша жалғаған кезде, үш бұрышша жалғауға қарағанда желінің іске қосу тоғы үш есе аз болады. Бұл қарастырылып отырған іске қосу әдісінің ең бағалы артықшылығы. Бірақ статор орамдарын жұлдызша жалғағанда үш бұрыш түрінде жалғауға қарағанда фазалық кернеу  есе аз болады, ал іске қосу моменті М_Қ үш есе төмендейді

 

.

(96)

 

Cондықтан қарастырылып отырған іске қосу әдісі, іске қосу кезінде жүктемелік моменті номиналды мәннен төмен жерлерде қолданылады.

Бұл әдістердің кемшілігі тек екі іске қосу қадамынан тұратындығы және іске қосудың ұзақтығы.

Үш бұрышша – жұлдызша жалғау әдісі қозғалтқышты іске қосу үшін және аз жүктеме (0,4 номиналды мәннен аспайтын) кезінде қозғалтқыштың п.ә.к. және  cosφ қуат коэффициентін жақсарту үшін қолданылады. Статор орамдарын үш бұрыштан жұлдызшаға қосып, желі кернеуі кезінде фазалық кернеуді есе азайтады. Сонымен қатар  және n₁, кезінде, Е_г э.қ.к. және  өрісі төмендейді. Бұл жағдайда қозғалтқыштың магниттік тізбегі қысыңғы болатындықтан және болаттағы шығын 3 есе төмендейтіндіктен, сонмен қатар олар М_ЭМ магнит өрісіне екінші дәрежелі тәуелді болып келетіндіктен магниттеу тоғын төмендетеді I₀.

 

Формула бойынша

.

(97)

 

Егер момент М_т берілген болса (М_т = const), онда өрістің төмендеуі  үлкен s сырғанаудың салдарынан  ротордың ₂ тоғын жоғарлатады:

 

.

(98)

 

Бұл ротор орамындағы шығынның шамамен 3 есе өсуіне әкеледі.

Статор орамында ток  келтірілген екінші токқа және магниттеуші токтың геометриялық қосындысына тең. Жұлдызша жалғаған кезде біріншісі төмендейді, ал екіншісі жоғарлайды.

Сол себепті төменгі жүктемеде негізгі I₀ магниттеуші ток және I₁ статордағы ток төмендейді; бірақ үлкен жүктеме кезінде келтірілген ₂ екінші ток және ₁ ток жұлдызша жалғанған кезде үш бұрыш түрінде жалғауға қарағанда жоғары болуы мүмкін (29 суретке қараңыз).

 

29 сурет – Статор орамдарын жұлдызша және үш бұрыш ретінде жалғау кезіндегі асинхронды қозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары

 

Жоғарыда айтылғандар бойынша жұлдызша жалғаған кездегі қозғалтқыштың п.ә.к. үш бұрышша жалғаған кездегіге қарағанда онша ерекшелігі болмайды. Жүктемесі 40% төмен болғанда, п.ә.к. бастапқыда жоғарлап, соңында төмендейді.

Төменгі жүктемеде үш бұрыштан жұлдызшаға жалғанғанда қозғалтқыштың cosφ үлкен әсер етеді (29 суретіне қараңыз).

 

2.7 Асинхронды қозғалтқыштың айналу жылдамдығын реттеу

 

Асинхронды қозғалтқыш тұрақты айналу жылдамдығымен электржетегінде қолданылады, бірақ бұл жылдамдықты жиі реттеп отыру қажет. 

 формула бойынша асинхронды қозғалтқыш роторының айналу жылдамдығы мына формуламен анықталады

 

.	(99)

Сонымен ротордың айналу жылдамдығын өзгерту үшін s сырғанауды немесе статор n₁ өрісінің айналу жылдамдығын өзгерту қажет. Соңында статор орамдарының полюстер санын немесе статор орамындағы ток жиілігін өзгерту арқылы жүзеге асады.

Айтылып өткен әдістер кемшіліктерден тұрады, сондықтан қажетті жылдамдық сипаттамасын алу үшін асинхронды қозғалтқыштарды басқа электрлік машиналармен жалғау керектігі ұсынылды.  

а) сырғанаудың өзгеруі.

Сырғанауды реттеудің оңай түрі қосымша активті кедергі енгізілген фаза орамды ротордан тұратын қозғалтқыш арқылы жүзеге асады (22 суретке қараңыз). Ротордың айналу жылдамдығының ретттеу процесі осы әдіспен қарастырылады. Бұл кезде қозғалтқышқа келтірілген U₁ кернеу, f жиілігі және М₂ момент тұрақты болу керек.

Ротор тізбегінде қосымша кедергі болмаған кезде қалыптасқан жағдайда қозғалтқыштың сырғуы n' айналу жылдамдығына сәйкес келетін жүктемелік моменті (М_Ж) мен жылдамдық сипаттамасын (1 қыйсық) қыйып өтетін А нүктесі арқылы анықталады (30 суретке қараңыз). Егер кедергіні ротор тізбегіне шығарса, онда шарт бойынша U₁ тұрақты болып қалады. Сондықтан Е₁ э.қ.к. және магнит өрісі тұрақты болып қалады. Ротор инерциядан тұратындықтан, жақын арада реостатты енгізгеннен кейін ротордың айналу жылдамдығы бұрынғы қалпында қалады, осыған сәйкес ротордың э.қ.к.  шамасы тұрақты болып қалады. Ротор тоғын мына формуламен анықтаймыз

 

,

(100)

 

Ротор тоғы тізбектегі кедергі  өскен сайын төмендейді, осыған байланысты айналу моменті де төмендейді

 

.

(101)

 

30 сурет – Ротор тізбегінің кедергісі әртүрлі болған кездегі айналу жылдамдығы

 

Сонымен жүктеме моменті М_Ж тұрақты болғандықтан, ол айналу моментінен жоғары болады. Қозғалтқыштың білігінде кері динамикалық момент M_Д = М₂ + М_т пайда болады және ротордың айналу жылдамдығы төмендейді. Жоғарлайтын s сырғанауға сәйкес э.қ.к. және ток жоғарлайды. Айналу жылдамдағының төмендеу және токтың өсу процесстері токтың активті құрамы бұрынғы мәнге жеткенге дейін болады. Айналу моменті М₂ жүктеме моментіне тең болады (- М_Ж), және ротор реостатты (сипаттамадағы В нүктесі) енгізгенге дейінгі төменгі қалыптасқан n" жылдамдықпен айналады.

Айналу жылдамдығы төмендеген кезде ротордың тоғы, магнит өрісі, статор тоғы және тұрақты болып қалады, сондықтан қозғалтқыш қолданатын қуат өзгермейді. Пайдалы қуат айналу жылдамдығы төмендеген кезде және М₂ тұрақты момент кезінде төмендейді. Сәйкесінше қозғалтқыштың п.ә.к.

 

(102)

 

айналу жылдамдығына пропорционалды төмендейді.

Айналу жылдамдығы төмендеген сайын қозғалтқыштың желдеткіші нашарлайды, сондықтан бір уақытта М_Ж жүктемелік моментті төмендетуге болады.

Ротор тізбегіндегі кедергі жоғарлағанда жылдамдық сипаттамасының қисығы жоғарлайды, осыған байланысты қозғалтқыш жұмысының тұрақтылығы төмендейді. Жүктемелік моменттің аз өзгеруі айналу жылдамдығының үлкен толқынын тудырады.

Жетектің айналатын бөлігінде жиналған  жалпы инерция моментімен  кинетикалық энергияны қолдану үшін жүктеме тез жоғарлағанда жылдамдықтың сипаттамасы жоғарлауы қажет. Жүктемені жоғарлатқанда  қозғалтқыштың айналу жылдамдығы төмендейді, ал  динамикалық момент М_Қ жүктемелік моментті басып озып қозғалтқыштың М₂ айналу моментін төмендетеді. Бұл төменгі қуатты қозғалтқышты таңдауға көмектеседі және статордың жоғарғы тоғын төмендетеді.

 

 

а – ротордың аз активті кедергісі кезінде; б – үлкен кедергі кезінде.

31 сурет – Кернеуді өзгерту арқылы асинхронды қозғалтқыштың жылдамдығын реттеу

 

Сырғанаудың өзгеруін қозғалтқышқа U_КЕЛ келтірілген кенеуі арқылы алуға болады. Бірақ ротор тізбегінің кедергісі аз болғанда сырғанау қысқа аралықта өзгереді, механикалық сипаттамадағы үлкен бұрыштық қисық пайда болады (31,а суретін қараңыз). Бірінші механикалық сипаттама U_1H номиналды кернеу үшін тұрғызылған, қауіпті сырғанау S_M=0,2 (орташа және үлкен S_м қуаттық қозғалтқыштарда аз болады). Кернеуді төмендеткен кезде механикалық сипаттамалардың ординаты (U₁/U_IH)² пропорционалды төмендейді. Екінші сипаттама U_IH кернеудің 0,3 дейін төмендеуіне сәйкес келеді. Берілген жүктемелік моментте сырғанау а және в нүктелерінің аралығында өзгереді, айналу жылдамдығы 15% дейін өзгереді. Бірақ М_Қ іске қосу моменті (М_Ж) моментінен төмен болады, осының салдарынан қозғалтқыштың аса жүктеу қаблеттігі төмендейді.

31, б суретінде 30% төмендеген кернеу үшін (4 сызық) және номиналды кернеу үшін (3 сызық) S_M=1 кезіндегі қозғалтқыштың механикалық сипаттамалары келтірілген. М_Ж берілген мәні бойынша айналу жылдамдығын реттеу c-d аралығында жатыр.

Сырғанауды реттеу шегі айналу жылдамдығы мен жүктеме моментінің өзгеру сипаттамасына тәуелді. Бұл шектер айналу жылдамдығы өскен сайын М_Ж моменті өсетін болса төмендейді.

Кернеуді реттеу автотрансформаторлармен, айнымалы индуктивтік кедергілермен немесе басқа әдістер арқылы орындалады.

б) полюстар санын өзгерту.

Статор орамдарының полюстар саны өзгерген кезде статор өрісінің айналу жылдамдығы өзгереді, сондықтан ротордың айналу жылдамдығы да өзгереді. Полюстар саны тұтас болуы тиіс, сондықтан айналу жылдамдығының өзгеруі қадам тәрізді болады. Үлкен қадам полюстер саны аз болған кезде болады.

Полюстер санының өзгеруі екі әдіспен орындалады: статорда екі орамды қоюға болады, әрқайсысы қажетті полюстер санынан тұрады немесе әртүрлі полюстер санына қосуға болатын бір орамды қолданады.

Қозғалтқышта ротордың полюстер санын қосу қысқа тұйықталған орамдармен орындалады. Себебі фазалық орамдарды полюстер санына қосу роторды жасауды күрделендіре түседі.

Орамдардың полюстер санына қосудың қарапайым сұлбасы айналу жылдамдығы 1:2 қатынаста болған кезде орындалады.

Екі қабатты орамдар көп қолданылады, себебі саңылауды магниттік өрістің жақсы формасымен қамтамасыздандырады. Орамдардың қадамы үлкен полюстер саны кезінде полюсті бөлікке жақын етып таңдалады. 32 суретте фазасы АВ және CD екі орауыштардан тұратын орамдардың сұлбасы көрсетілген. В орауыштың соңын С орауыш  басына жалғаған кездегі токтың бағыты төрт полюсті құрады. CD орауышта токтың бағытын өзгерткенде екі полюс пайда болады (32, б суретін қараңыз). CD орауыштағы ток бағытының өзгеруі орауышты параллель жалғағанда болады (32, в суретін қараңыз). Сонымен қатар сұлба бойынша (32, б суретін қараңыз) төрт шығыстың орнына үш шығысты енгізу қажет, ішінде үш фазалы орамдарды жұлдызша немесе үш бұрыш түрінде жалғау кезінде тек алты шығыс қажет. Полюстер санын өзгерткен кезде ауа саңлауындағы индукция да өзгеруі мүмкін және оған қозғалтқыштың айналу моменті тура пропорционалды.

Ауа саңлауындағы индукция полюсті бөлікке және айналу магнит өрісінің шамасына тәуелді болады. Магнитті өріс тізбектей жалғанған орамдар  санымен, орамдар коэффициентімен және орамға келтірілген кернеу арқылы анықталады.

Бірдей фазалық кернеу кезінде магнитті ағын тізбектей жалғануға қарағанда параллель жалғанғанда 2,5 есе көп болады (орамдардың жартылай тізбектей жалғануы кезінде және 1,25 есе орам коэффициентінің аз болуынан). Екі еселенген полюстер санынан төменгі полюсті бөлікке өткенде екі есе өседі. Сонымен қатар ауа саңлауында индукция В_б және айналу моменті үлкен айналу жылдамдығына өткенде 1,25 есе өседі. Жоғарғы айналу жылдамдығы кезінде жалғанған фазалық орамдар бұл жағдайда (YY) екі параллельді ораммен, ал төменгі айналу жылдамдығында (Y) жұлдызшамен орындалады.

 

а)                                             б)                                   в)

   

                       

32 сурет – Қозғалтқыштың полюстар санын өзгерту арқылы жылдамдықты реттеу

 

Бұл орамдарды жалғау сұлбасы желдеткіш жетегінің қозғалтқышы үшін арналған.

Бірдей айналу моментін алу үшін екі айналу жылдамдығы кезінде, мысалы компрессор жетегі үшін қозғалтқышта орамдардың YY/∆ жалғанған сұлбасы қолданылады. Бұл жағдайда фазалық кернеу жоғарғы айналу жылдамдығына өткен кезде  есе төмендейді, сондықтан магнит ағыны 1,45 есе өседі. Полюсті бөлік екі есе өскенде ауа саңлауындағы индукция және жоғарғы айналу жылдамдығында айналу моменті 0,7 индукциядан тұрады. Айналу моменттің жоғарлауы орамдардың қадамын таңдау мен жоғарғы айналу жылдамдығында токтың тығыздығын жоғарлату кезінде болады.

Айналу жылдамдығының екі қадамында бірдей қуатты қажетінше сақтау кезінде (металды кесу жетегінің станоктары үшін) орамдарды ∆/YY жалғау сұлбасы қолданылады.

в) қоректендіру желісінің жиілігін өзгерту.

Бұл әдіс бір уақытта немесе айналу жиілігін 3000 айн/мин дейін алу үшін бір немесе бірнеше қозғалтқыштардың айналу жылдамдығын реттеу үшін қолданылады.

Мысал ретінде мыналарды айтуға болады: 12000 айн/мин дейінгі айналу жылдамдығымен ағаш өңдеу өнеркәсібіндегі қозғалтқыш жетегі, 150 000 айн/мин дейінгі айналу жылдамдығымен өңдеу үшін электршпиндель жетегі.    

Қозғалтқышты синхронды генератор арқылы қоректендіру кезінде жиіліктің өзгеруі жетекті қозғалтқыштың айналу жылдамдығының өзгеруіне дейін жетеді. Бұл жағдай қысқа аралықта орындалады. Жетекті қозғалтқыштың жылдамдығын өзгертпей-ақ, ток жиілігін реттейтін арнайы сұлбалар болады.

Токтың жиілігі өзгерген кезде қозғалтқыштың жұмысын сипаттайтын барлық шамалар өзгереді: қысқыштағы кернеу, өріс, бос жүріс тоғы, айналу моменті, қуат, жүктеу қабылеттігі, айналу жылдамдығы. Бұл реттеу жылдамдығы әдісінің талдауы күрделілігімен ерекшеленеді. Сондықтан қортындылаусыз соңғы нәтижені келтіреді.

Қозғалтқыш айнымалы жиілік кезінде және  п.ә.к. тұрақты мәнімен, cos<р, жүктемелік қабілеттілігімен М_Ж және тұрақты абсолютті сырғанаумен s жұмыс жасасын деген шарт қойылсын. Егер қозғалтқыш қанықпаған болса, онда қойылған шарт төмендегі кернеу, жиілік және айналу моменті арасындағы қатынаспен орындалады 

 

,

(103)

 

мұндағы  және  -  жиілік кезіндегі кернеу және айналу моменті;

 және  -  жиілік кезіндегі шама.

Егер , онда қозғалтқышқа берілген кернеу жиілікке пропорционалды өзгерту керек .

Синхронды генератор электр энергияны қоректендіру көзі ретінде қолданылғанда жиіліктің және кернеудің өзгеруі жиі қоздыру мен айналу жиілігінің өзгеруімен орындалады.

Егер қозғалтқыш центробеждік желдеткіш немесе есу орамында жұмыс жасаса, онда . Бұл жағдайда , қысқыштағы кернеу екінші дәрежелі жиілікпен пропорционалды өзгеруі қажет. Бұл режим айналу жылдамдығымен пропорционалды өзгеретін қоздыру тоғымен синхронды генератордың жұмысына сәйкес келеді.

Кей кездері мұндай жиілікті реттеу ірі асинхронды қозғалтқышты іске қосу үшін қолданылады.

 

 

3 Синхронды машиналар

 

Синхронды машиналар – бұл айнымалы токтың коллекторсыз машиналары. Асинхронды машиналардан ротор құрлысымен ерекшеленеді. Ротордың құрлысы айқындалған полюсті және айқындалмаған полюсті болып келеді. Құрамы кез – келген жүктемеде роторы синхронды жиілікпен айнатындығымен (n₂=n₁=const) және қуат коэффициентін реттей алу қаблеттігі арқылы ерекшеленеді. Қуат коэффициентінің мәні синхронды машинаның жұмысы аса үнемді болатындай етіп алынады. Синхронды машиналар қайтымды, генератор мен қозғалтқыш режимдерінде жұмыс жасай алады. Синхронды генераторлар электр станциялардың электр техникалық жабдықтарының негізін құрады. Барлық электр энергиялар синхронды генератор арқылы өңделеді. Қазіргі кездегі синхронды генераторлардың бірлік қуаты миллион килловатты және оданда жоғары болады. Синхронды қозғалтқыштар негізі жоғарғы қуатты жетек құрылғылары үшін қолданылады. Мұндай қозғалтқыштар техникалық тиімділік көрсеткіштері бойынша басқа түрдегі қозғалтқыштардан жоғары болады. Ірі электр энергетикалық қондырғыларда синхронды машиналар барлық қондырғылардың қуат коэффициентін жоғарлату үшін реактивті қуаттың компенсаторлары мен генераторлары ретінде қолданылады.

Синхронды машиналар қозғалмайтын бөлік статордан және қозғалатын бөлік ротордан тұрады. Синхронды машиналардың статоры асинхронды қозғалтқыштың статорынан өзгешелігі жоқ (корпустан, орамдардан және өзекшелерден тұрады).

Синхронды машиналардың статор құрлысы тағайындалуы мен көлемі бойынша әртүрлі болады. Жоғарғы қуатты, көп полюсті машинаның статор өзекшесінің сыртқы диаметрі 900 мм болғанда, өзекшелердің тілімшелерін жинаған кезде статор өзекшесі цилиндр тәрізді болатын бөлек сегменттерден жасалады. Ірі көлемді машиналардың статор денесін машинаны тасмалдауға және құрастыруға оңай болу үшін тіркеуіш ретінде жасалады.

Синхронды машинаның қоздыру орамы білік орамында (статор) Е ЭҚК индукциалайтын магнит ағынын тудырады.

 

33 сурет - Айқындалған полюсті машинаның қоздыру

орамасының магнит өрісі

Статордың бетіндегі қоздыру өрістің индукциясының таратылғаны 33 -суретте 1 көрсетеді. В_d қисығын негізгі (қисық 2) және жоғары гармоникаларға (қисық 3) бөлді де, олар статор орамасында негізгі және жоғары ЭҚК-тердің гармоникаларын индукциялайды. Білік орамын тарату мен қадамын таңдау ЭҚК жоғарғы гармоникасын төмендету арқылы болатындықтан және өрістің жоғарғы гармоникасы аз болғандықтан, ЭҚК гармоникасы төмен болады. Сондықтан біліктің негізгі ЭҚК гармоникасы есепке алынады, сәйкесінше индикатор (ротормен) және білік арасындағы өзара индукция ағымы қоздыру өрісінің негізгі гармоникасы ретінде саналады. Қисық өріс коэффициенті мына теңдеумен анықталады

 

.

(104)

Бір полюске қоздыру ораманың магниттеуші күші (МҚК)

,

(105)

мұндағы W_Қ – қоздыру ораманың орамдар саны;

     I_Қ – қоздыру ток.

Қоздыру өрістің негізгі гармоникасының амплитудасы

 

,

(106)

мұндағы К_d  – ауа саңылауының коэффициенті;

                   К_μd – полюстер осі бойынша қанығу коэффициенті.

ауа саңылауы өзгеріп тұратындықтан К_d  шамасын орташа есептеу ауа саңылауы үшін былай анықталады

.

(107)

Қоздыру өрісінің негізгі гармоникасының магниттік ағыны

 

.

(108)

Біліктің орам фазасының осі синхронды машинаның полюс осімен сәйкес келгендегі, білік фазалы орамасымен ағынның ілесуі мына теңдеумен анықталады

.

(109)

Ротор айналған кезде ағынның ілесуінің негізгі гармоникасы мына заң бойынша өзгереді

,

(110)

мұндағы өзара индуктивтігі

.

(111)

Біліктегі идукцияланған ЭҚК

 

.

(112)

 

Бұл ЭҚК-тің амплитудасы және әсертету мәні

 

; ,

(113)

 

мұндағы  - білік орамымен қоздыру орамының өзара индукция кедергісі.

Қоздыру орамамен ауа саңылауындағы магнит ағыны  толық жалғасады. Ол абсцисса осімен І-ші қисық шектелген көлеммен анықталады (33,б суретіне қараңыз). Бұл магнит ағынының мәні мына теңдеумен анықталады

 

,

(114)

мұндағы - қоздыру магнит өрісінің коэффициенті.

Қоздыру ораманың өзіндік меншікті индуктивтілгі мына теңдеумен анықталады

 

.

(115)

 

Қоздыру орамы ауа саңылауындағы магниттік өрістерден басқа полюстер Ф_ҚП арасында және көлденең аймақтағы магнит ағындарын Ф_ҚМ құрады.

Қоздыру ораманың толық индуктивтілігі

 

.

(116)

 

Тұрақты жұмыс режимінде I_К=const және қоздыру орамының өзіндік индукциясының ЭҚК . Өтпелі режимде . Қоздыру ораманың активтік кедергісі белгілі орамдардың берілгендері (орамдардың сандары, ұзындығы, кесіндісі және өткізгіш қандай материалдан жасалған) арқылы есептелінеді.

3.1 Білік орамасының магнит өрісі және параметрлері. Бойлық және көлденең білік әсерлері

 

Генератор жүктелгенде статор орамасы арқылы ток өткен кезде орам өзінің магнит өрісін құрады. Бұл магнит өрісі білік әсерінің (реакция) өрісі деп аталады. Синхронды машиналардың білік әсері қалыптасқан және өтпелі жұмыс режимдерінде машиналардың жұмысына және сипаттамаларына үлкен әсер етеді.

Айқындалған полюсті синхронды машинаның роторы симметриясыз болғандықтан білік әсерін бойлық және көлденең остермен бөліп қарау қажет. Мұндай әдіс баптау әдісі немесе екі әсердің теориясы деп аталады. Екі әсердің әдісі баптау принципіне негізделген, яғни  көлденең жатқан ось бойынша әсерететін магнитті өрісі бойлық оске әсерететін өрістер шамасына әсер етпейді.

Білік орамдарының МҚК векторлық диаграммалары.

Активті жүктеме (). Екі полюсті генератордың статоры мен роторы 34, а-суретте көрсетілген.  бұрышты жиілікпен ротор сағат тіліне қарсы айналады, бұл жағдайында А фазасының ЭҚК-і максималды болады. Активтік жүктеу кезінде ток ЭҚК-пен бір фазалы болғандықтан, олда максималды і_А=І_m, .

Білік орамының және қоздыру орамының магнитті индукция өрістері тұрғызылған сызықтар бойынша білік орамдарының МҚК-і қоздыру ораманың  МҚК перпендикуляр бағытталған. Бұл қорытынды осы жағдайға салынған векторлық диаграммадан да көрініп тұр (34 cуретті қараңыз). Білік орамында қоздыру өрісімен келтірілген ЭҚК векторы МҚК –тен 90^О-қа артта қалады, ал активті жүктемені қосқан кезде білік орамындағы İ₁ ток фаза бойынша Е ЭҚК-не сәйкес келеді. Сондықтан осы токпен пайда болған МҚК векторы  векторына қатысты кеңістікте 90^О-қа ығысады.

Мұндай білік әсерінің өріс сипаттамасы ( кезінде) ротор қандай жағдайда болса да сақталады, өйткені ротор және білік әсерінің өрісі синхронды жылдамдықпен айналады.

Біліктің көлденең әсері ауа саңылауындағы өрістің қисығын бұрмалайды және білік әсерінің айналу өрісі білік орамындағы ЭҚК индукциялайды.

Индуктивтік жүктеу (y=90^О). Индуктивтік жүктеу кезінде статор İ₁ тоғы  Ė₁ электр қозғаушы күшінен фаза бойынша 90^О-қа артта қалады. Сондықтан ол ротор бұрынғы жағдайға  қарағанда 90^О -қа бұрылғанда  (ЭҚК максималды мәніне сәйкес) максималды болады. Бұл жағдайда білік әсерінің МҚК ротор полюстерінің осі арқылы әсерлесіп, қоздыру ораманың МҚК қарсы әсер етеді (34, б суретке қараңыз). Мұндай білік әсерінің МҚК әрекеті машинаның магнит өрісін азайтады. Сондықтан, таза индуктивтік жүктеу кезінде синхронды генератордың білік әсері бойлық магнитсіздендіру әрекетін жасайды.

Сыйымдылықты жүктеу(y=-90^О). Сыйымдылықты жүктеу кезінде  İ₁ тоғы Ė ЭҚК фаза бойынша  90^О-қа озатындықтан, ол электр қозғаушы күшінен  бұрын максимумға жетеді. Білік әсерінің  МҚК қоздыру ораманың  МҚК арқылы полюстердің осімен әрекеттеседі. Мұндай статор реакцияның МҚК әрекеті машинаның магнит өрісін үлкейтеді. Сондықтан таза сыйымдылықты жүктеу кезінде синхронды генератордың білік әсері бойлық магниттендіру әрекетін жасайды.

Аралас жүктеу (-90^О <y<90^О). Аралас жүктеу кезінде синхронды генератордың статор тоғы İ₁  Ė ЭҚК-не қатысты фаза бойынша y бұрышқа ығысқан. Ол бұрыш (-90^О <y<90^О) аралықта жатады.

Активтік-индуктивтік жүктеу кезінде  векторы Ė ЭҚК векторынан 0<y<90^О бұрышта артта қалады. векторын қосындыларға бөлеміз: білік әсерінің бойлық қосынды  және көлденең қосынды  (35, а суретке қараңыз). Мұндай қосындыларға активтік сыйымдылықтық жүктеу болғанда да бөлуге болады (35, б суретке қараңыз).

МҚК F_aq көлденең қосынды токтың активтік қосындысына  пропорционалды, ал бойлық қосынды F_ad токтың реактивтік қосындысына  пропорционалды.

Егер токтың реактивтік қосындысы Ė электр қозғаушы күшінен (>0)фаза бойынша қалатын болса, онда МҚК F_ad генераторды магнитсіздендіреді, ал егер I_d реактивтік қосындысы  Е электр қозғаушы күшінен фаза бойынша озатын болса (Ψ<0), онда МҚК F_ad генераторды магниттендіреді.

Айқындалған полюсті машинада полюстар арасындағы магнитті кедергі көп болады. Себебі полюстер арасындағы ауа саңылауы көп болады. Сондықтан, бойлайлық ось бойынша білік әсерінің магнит ағыны айқындалмаған полюсті машинаға қарағанда аз болады. Айқындалған полюсті машинаның білік әсерінің МҚК көлденең қосындысын анықтаған кезде бұл өрістің төмендеуі k_q коэффициенті арқылы есептелінеді:

,

(117)

мұндағы Кq – айқындалған полюсті машинаның көлденең білік әсерінің магнит өрісінің қатынасын көрсететін, білік әсерінің көлденең  түріндегі коэффициенті (әдетте ).

Айқындалған полюсті машинаның білік әсерінің МҚК-тің бойлық қосындысы мынаған тең:

,

мұндағы К_d - полюстің үстіңгі ауа саңлауы тегіс болмағандықтан бойлық осі бойынша білік әсерінің магнит өрісінің төмендеуін есептейтін, білік әсерінің бойлық түрдегі коэффициенті (әдетте ).

 

3.2 Біліктің бойлық және көлденең әсеретулерінің параметрлері,  магнитті өрісі, ЭҚК

 

Білік әсерінің МҚК бойлық қосындысы

.

(118)

Білік әсерінің МҚК бойлық қосындысы

.

(119)

Біліктің бойлайлық және көлденең магниттік ағындарының әсеретуінің негізгі гармоникалары білік өрісінің ағымын тудырады

.

(120)

(115) және (116) тендеулерді қолдана отырып мына теңдеуді аламыз

,
.	(121)

Ротормен синхронды айналатын магниттік ағындар Ф_ad және Ф_aq біліктің орамасында өзіндік ЭҚК-терді индукциялайды  

,
,	(122)

бұл ЭҚК біліктің бойлық және көлденең әсерлерінің ЭҚК-тері деп аталады.  ЭҚК мына түрде анықтаймыз

;,

(123)

мұндағы X_ad  мен X_aq - біліктің бойлық және көлденең әсерлерінің индуктивтік кедергілері. (121), (122) және (123) көрсеткіштері арқылы анықтайтынымыз

,
.	(124)

Білік орамасының  сейілеу ағынілінісуін d және q остері арқылы бөлуге болады:

 

.

(125)

ЭҚК-тер E_ad  және E_σad, E_aq және E_σaq фаза бойынша бір-біріне сәйкес келетіндіктен мына теңдеулермен анықтаймыз

 

(126)

немесе

,

(127)

мұндағы  және   - білік орамасының бойлық және көлденең синхрондық индуктивтік кедергілері.

Білік орамасының R_a активтік кедергісі ораманың белгілі берілген мәндерімен (орамдардың саны, ұзындығы, кесіндісі және өткізгіш қандай материалдан жасалған) анықтаймыз.

 

3.3 Симметриялық жүктеу кезіндегі синхронды генератордың жұмысы

 

Синхронды генератор кернеуінің векторлық диаграммалары

а) айқындалған полюсті генератор.

Генератор орамдарындағы кернеу фазасы, білік фазасы орамдарының активті кедергісіндегі кернеудің төмендеуімен және орамның ЭҚК индукцияланған қосындысына тең.

.

(128)

Біліктің ЭҚК-теріне сәйкес әсердің сейілуін токтар мен индуктивтік кедергілер арқылы көрсетуге болады.

 Онда (128) теңдеудің орнына мына теңдеуді аламыз:

.

(129)

 және R_a аз болғандықтан,  болғанда ЭҚК және өріс шамаларының сипаттамасы өзгергенде жүктеу шамасы айтарлықтай өзгермейді. U₁ және Е векторлар арасындағы  бұрыш жүктеме бұрышы деп аталады, себебі  бұрыштың шамасы генератордың жүктемесіне тәуелді болады. 36 суреттегі диаграмма Блонделдің диаграммасы деп аталады.

 

                 а)                                       б)

а) активтік-индуктивті жүктеу; б) активтік-сыйымдылықты жүктеу.

36 сурет - Айқындалған полюсті генератор кернеуінің векторлық диаграммалары

б) айқындалмаған полюсті генератор.

Синхронды машина айқындалмаған полюсті болғанда бойлық және көлденең остер бойынша білік әсерінің индуктивтік кедергісі (), сондықтан синхронды индуктивті кедергі . Осы жағдайға байланысты I₁ тоғын I_d және I_q қосындыларға бөлудің қажеті жоқ. Векторлық диаграммада кернеудің төмендеуі jX_аdİ₁ және jX_dİ₁ арқылы көрсетілген (37-суретке қараңыз).

 

37сурет - Айқындалмаған синхронды генератордың

 векторлық диаграммалары

 

3.4 Синхронды генератордың сипаттамалары

 

Синхронды генератордың әртүрлі сипаттамаларының ішінде бөлек топтың сипаттамаларын мыналар құрады: қалыптасқан жұмыс режиміндегі  қуат коэффициенті, айналу жиілігі  болғанда I_Қ қоздыру тоғы мен  білік тоғы білік қысқышындағы  кернеу арасындағы тәуелділікті анықтайтын сипаттамалар. Бұл сипаттамалар синхронды генераторлардың негізгі құрлысын көрсетеді.

Олар есептеулер бойынша, векторлық диаграммалар мен тәжирбиелік берілген мәндер арқылы анықталады.

Біліктің орамасы ауыспалы симметриялық кедергілер Z_Ж арқылы жүктеледі.

Генератордың активтік қуаты генераторды айналдырып тұрған қозғалтқыш Қ моментін өзгерту арқылы өзгертіледі. Қоздыру орамы ҚО тұрақты ток көзінен қоректенеді де, оның I_Қ тоғы R_Р реостат арқылы өзгертіледі.

кернеудің қоздыру тоғы I_Қ өзгермеген кездегі  жүктеме тоғына,  бұрышына және  жиілігіне тәуелділігін генератордың ішкі сипаттамасы деп аталады. Барлық сипаттамаларды бірлік қатынаста тұрғызу қажет.

Ішкі сипаттамалардың пішіні жүктеменің сипаттамасына, яғни  кернеумен  токтың арасындағы  бұрыштың ығысуына тәуелді болады (U₁=U_lHОМ  берілген мәндерде). Осы тәуелдікке байланысты векторы өзгереді.

Активтік және активті индуктивтік жүктеу кезінде ЭҚК E>U₁, ал активті сыйымдылықты жүктеуде E<U₁, яғни бірінші екі жағдайда жүктеу өскенде генератор қысқыштарындағы кернеу төмендейді, ал екінші жағдайда жоғарлайды. Себебі активті сыйымдылықты жүктеуде білік бойлық магниттеу әсерінің құрамынан тұрады, ал активті индуктивтік жүктеуде бойлық магнитсіздену әсерінің құрамынан тұрады (активті жүктеуде сейілу индуктивті кедергіде кернеу төмендейді).

Бұл активті сыйымдылықты жүктемеде біліктің көлденең магниттеу құрамы өзгеретіндігімен, ал активті-индуктивті жүктемеде көлденең магниттеуден ажырайтын құрамының өзгеретіндігімен түсіндіріледі.

38 суретте әртүрлі жүктеме кезіндегі және U_lHOM мәні барлық сипаттамалар үшін бірдей алынған генератордың ішкі сипаттамасы көрсетілген.

Бос жүріс режимінен номиналды жүктеу режиміне өткенде кернеудің өзгергені мына көрсеткішпен анықталады (%)

 

.

(130)

 

Негізінде генераторлар болғанда жұмыс істейді де, бұл жағдайда .

Генератор қосылғанда тұтынушылар номиналды мәнге жуық кернеуде жұмыс жасауы үшін U₁ шығыс кернеуін тұрақтандыратын арнайы құрылғыларды қолданады (тез әсерететін қоздыру реттегіштері). U₁ кернеуі өзгермеген кездегі I₁ қоздыру тоғының жүктеме тоғына,  бұрышына және  жиілігіне тәуелділігі генератордың реттеу сипаттамасы деп аталады. Бұл сипаттама жүктеме тоғы өзгергенде ток тұрақты болу үшін генератордың қоздыру тоғын қалай өзгертуге болатындығын көрсетеді.

 

38 сурет - Синхронды генератордың сыртқы сипаттамалары

 

39 сурет – Әртүрлі жүктеме кезіндегі синхронды генератордың реттеу сипаттамалары

 

Активтік жүктеу кезінде жүктеу тоғы I₁ жоғарлағанда U₁ кернеу төмендейді, ал кернеуді тұрақты сақтау үшін қоздыру тоғын жоғарлату керек (39 суретке қараңыз, 2 кисық).

Активті индуктивтік жүктеуде U₁ кернеуі лезде төмендейді, сондықтан U₁=U_lHOМ тең болу үшін I_Қ тоғын жоғарлату қажет (39 суретке қараңыз, 1қисық). Активті сыйымдылықты жүктеуде U₁ кернеу жоғарлайды, сондықтан U₁=U_lHOМ  тең болу үшін I_Қ тоғын төмендету қажет (39 суретке қараңыз, 3 қисық).

 

3.5 Синхронды машиналардың индуктивтік кедергісін анықтау

 

Бос жүріс және қысқа тұйықталу режимдері.

Синхронды генератордың бос жүріс сипаттамаларын алу үшін сұлба 40,а суретінде көрсетілген. Бос жүріс сипаттамасы дегеніміз бос жүріс режиміндегі генератордың  шығысындағы кернеудің жиілігі болғанда I_Қ қоздыру тоғына тәуелділігі. 

 

 

  

40 сурет - Тәжірибенің сұлбасы (а) және бос жүрістің сипаттамаcы (б)

 

Егер әртүрлі синхронды генераторлардың бос жүріс сипаттамалары бірлік дәрежеде  көрсетсек, онда бұл сипаттамалардың бір – бірінен айтарлықтай өзгешелігі болмайды (40,б суретке қараңыз), ол синхронды машинаның есептеулерінде қолданылады.

Қысқа тұйықталу сипаттамаларын алу кезінде статор орамдарының шығысын қысқа тұйықтайды (41, а суретті қараңыз) және ротор n_1ном айналу жиілігімен айналғанда I_Қ қоздыру тоғы жоғарлайды. Сонымен статор орамдарының ЭҚК генератордың жұмыс режиміне қарағанда төменгі мәннен тұрады, сондықтан негізгі магнит өрісі аз және машинаның магнитті тізбегі қаныққан болады. Нәтижесінде қысқа тұйықталу сипаттамасында статор тоғының  қоздыру тоғына тәуелділігі түзу сызық түрде болады (41, б суретін қараңыз).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41 сурет - Тәжірибенің жалғау сұлбасы, қысқа тұйықталудың  сипаттамасы және векторлық диаграммалары

 

Статор орамдарының активті кедергісі индуктивтілікке қарағанда айтарлықтай жоғары емес, сондықтан ол R_a=0, синхронды генератордың жүктемесі қысқа тұйықталу кезінде таза индуктивті болып келеді, біліктің әсері көлденең магниттеуден ажыратқыш болып келеді.

Векторлық диаграммада  (41,в суретін қараңыз) статор орамасында индукцияланатын  Е_к ЭҚК көлденең әсерідің ЭҚК-мен толық теңесетіндігі көретілген.

.

(131)

Қысқа тұйықталу және бос жүріс сипаттамалары МҚК қоздыру құрамына сәйкес қоздыру тоғының мәнін анықтауға көмектеседі. Осы мақсатпен бос жүріс және қысқа тұйықталу сипаттамалары бірлік қатынаста бір осьта тұрғызылады (42 суретке қараңыз).

Ординат осінде ОВ кесіндісін бөліп қоямыз. Бұл кесінді кернеу масштабында сейілу ЭҚК мәніне  тең. В нүктесін бос жүріс сипаттамасына (нүкте С) қарай жүргізеді де, абсисса осіне СD нүктесіне  перпендикуляр түсіреді. Алынған D нүктесі I_ҚН қоздыру тоғын екі бөлшекке бөледі: X_σa кернеуді төмендету үшін орнын алмастыруға кететін токқа I_ҚБЖ және білік әсерінің бойлық магнитсіздендіру құрамының орнын алмастыруға кететін токқа I_ҚА.

 

 

 

42 сурет – Бос жүріс және қысқа тұйықталудың біріккен сипаттамалары

 

(131) формула арқылы  көлденең ось бойынша синхронды индуктивті кедергіні анықтауға болады, мұндағы Е_к ЭҚК және I_Қ қоздыру тоғы бір мәнде болғанда алынуы қажет (42 суретке қараңыз). Қанығуды есепке алғанда X_d кедергісі төмендейді. Қаныққан машина үшін X_d  мәні қолданылады. Егер біліктің әсерету k_d және k_q коэффициенттері белгілі болса, алынған X_d мәні бойынша  айқындалмаған машинаның  көлденең осі бойынша синхронды индуктивті кедергіні анықтауға болады. 

Индуктивті кедергі бірлік қатынас бойынша мынаған тең

,   .

(132)

Қазіргі кездегі айқындалған полюсті синхронды машиналар үшін  және ; айқындалмаған полюсті синхронды машиналар үшін тең.

Синхронды машинаның ең бір маңызды параметрі - қысқа тұйықталудың қатынасы (ҚТҚ), ол мына формуламен анықталады

 

.

(133)

Бұл қатынас I_1ном қоздыру ток номиналды мәнге тең болғанда, қысқа тұйықталу токтың қалыптасу шамасын I_К=ҚТҚ сипаттайды.

Жоғарыда көрсетілген Х_д және Х_q мәндерде айқындалмаған полюсті машиналар үшін ҚТҚ = 0,4-1,1, ал айқындалған полюстар үшін 0,6-1,6. Осыған байланысты синхронды машинаның келтірілген қысқа тұйықталу тоғы айтарлықтай жоғары емес (кейбір машиналарда номиналды мәннен төмен болады), себебі біліктің өріс әсері машинаны магнитсіздендіреді. Синхронды машиналар параллель жұмыс жасғанда аз ҚТҚ кезінде тұрақты және жүктемені өзгерткенде кернеу толқынды болады. Мұндай машиналардың көлемі аз болады, сондықтан үлкен  ҚТҚ қарағанда арзан.  

Индуктивті кедергінің  таралуын анықтау үшін генератордың индуктивті жүктемелік сипаттамаларын қолданады, оның  жүктеме тоғы өзгермеген кездегі оның U₁ кернеуінің I_Қ қоздыру тоғына қатынасы,  жиілігі мен  (таза индукивті жүктеме) (43,а суретін қараңыз) жүктемелік сипаттама болып саналады. Индуктивті жүктемелік сипаттамасын алу үшін машинада білік әсерінің көлденең құрамды МҚК F_ad болады. Векторлық диаграммада (43,б суретін қараңыз) нәтижелік МҚК F_pe3=F_e-F_ad машинаның кернеуі .  I_k=I_hom кезінде U₁=0 болғандықтан А нүктесінің 2 қисығы (43, а суретке қараңыз) қысқа тұйықталу режиміне сәйкес болады. ABC үш бұрышы әсерлі үш бұрыш деп аталады.

 

43 сурет – Синхронды генератордың идукциялы жүктемелік сипаттамалары (а) және индуктивті жүктеменің векторлық диаграммасы (б)

 

Біліктің F_act магнитсіздендіру әдісінің орнын толтырушы СА көлденең катеті I_Қ қоздыру тоғына сәйкес болады, ал  ВС көлденең катет – ЭҚК, ол кернеу төмендеуінің орнын толтыру үшін қажет.

Бірінші жағдайдағы АВС үш бұрышы бойынша, екінші қысқа тұйықталу (I₁=0) сипаттамасының А´В´С´ бұрышын оған параллель орналастыру арқылы жүктемелік сыйпаттаманы алуға болады. u_1hom  кернеуіне сәйкес 2 қисығы арқылы  А' нүктесін тауып,сол нүкте арқылы солға О´А' = ОА қиығын алады (I_Қ = I_1ном тоғы үшін оны қысқа тұйықталу сипаттамасымен анықтайды (41,б суретке қараңыз).

0´ нүктесі арқылы бастапқы I  бөлігімен түзу, параллельді сызықты В' нүктесіне дейін түйіскенше жүргізеді. В' нүктесі арқылы сызықты О' А' дейін перпендикуляр түсіріп  қыйықты алады. Осыдан анықтайтынымыз .

3.6 Синхронды машинаның шығындары және пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК)

 

Синхронды машинадағы энергияның түрленуі энергия шығындарына байланысты. Синхронды машинада шығындардың барлық түрлері негізгі және қосымша шығындарға бөлінеді.

Негізгі шығындар статор орамындағы электрлік шығынға, магниттік, механикалық және қоздырудың шығынына байланысты.

Статор өзекшесіндегі магнит шығындары (Вт):

 

.

(134)

Қозудың шығыны (Вт):

,

(135)

мұндағы  - қоздырудың ПӘК.

Статор білігіндегі магнитті шығын (Вт):

 

.

(136)

Токтің жиілігі 50 Гц болғандағы статордың иығындағы магнитті шығындар

 

,

(137)

мұндағы Р 1,0/so – статор білігіндегі болаттың меншікті магнитті өрісі, Вт/кг;

G_Z1 – статор иығындағы есептеу салмағы, кг. Токтің жиілігі 50 Гц болғандағы статор білігіндегі тістердің магнитті шығындары

 

,

(138)

мұндағы В_С1 және B_Z – статор білігіндегі тістердің және иығындағы магнитті индукцияның мәндері, Тл.

Механикалық шығындар түйістіру сақиналарындағы, желдету шығындарының және подшипниктардың үйкеліс шығындарының қосындысына тең.

,

(139)

мұндағы  - ротордың полюсті ұшының үстіндегі жылдамдық, м/с;

ι_I – статор білігінің ұзындығы, мм.

Синхронды машинаның қосымша шығыны ротор полюстерінің ұшындағы шығындар және жүктеме кезіндегі шығындар болып бөлінеді. Қуатқа келтірілген және синхронды машиналардың қосымша шығындары 0,5% тең, (кВт)

 

.

(140)

Синхронды генератор үшін пайдалы әсер коэффициенті

 

,

(141)

мұндағы , синхронды қозғалтқыш үшін

 

.

(142)

Синхронды машинаның ПӘК жүктемеге (I₁) және оның сипаттамасына  тәуелді. 44 суретте синхронды машиналардың жүктемеге, Р_н, соsφ₁ тәуелді графиктері көрсетілген.

 

44 сурет – Синхронды машиналардың  тәуелділігі

 

Қуат коэффициенті  төмендегенде машиналардың бақа өзгермейтін параметрлерде п.ә.к. төмендейді. Синхронды машиналарда орташа және үлкен қуатты .

 

3.7 Синхронды генераторлардың параллелді жұмысы

 

Генераторларды параллелді жұмысқа қосу.

Электр станцияларда желіге бірнеше генераторды параллелді қосады. Бұл тұтынушыларды энергиямен қамтамасыздандыру сенімділігін көтереді және электр жабдықтарын жақсы таратуға көмектеседі. Электр станциялар жұмыс істеу үшін қуатты энергия жүйелерге біріктіріледі. Желінің қуаты генератордың қуатына қарағанда көп болады. Осы себептен желінің кернеуі U_Ж және f_Ж тұрақты, генератордың жүктемесіне тәуелсіз болады.

Генератордың жұмысын параллель қосқанда ток аз болу керек, себебі релелік қорғаныс жұмысы қосылуы мүмкін және генератор немесе бірлік қозғалтқыш сынып қалуы мүмкін.

Егер желінің және генератордың кернеулерінің лездік мәндері тең болса, онда генераторды желіге қосқандағы статор тоғы нөлге тең болады:

 

.

(143)

Теңдік (143) орындалу үшін келесі жағдайлар орындалуы керек:

а) желіге қосқан кезде генератордың кернеуі сол желінің кернеуіне тең болуы керек (U_Г=U_Ж);

б) генератордың жиілігі желінің жиілігіне тең болу керек (f_Г = f_Ж);

в) генератордың фазаларының тізбектілігі желінің фазаларының тізбектілігіндей болуы керек.

Генераторды желіге қосқандағы істі тындыру жиынтықты синхронизация деп аталады. Синхронизация кезінде алдымен ротордың номиналды айналу жиілігін орнатуы, яғни  теңдікті орындайды, одан кейін қоздыру тоғын реттеп U_Г=U_Ж теңдікті орындайды. Желі және генератор () кернеу векторларының фаза бойынша бір-бірімен тең келуі арнайы аспаптар-лампалық және тілдік синхроноскоптар арқылы  бақыланады.

Айналу магнит өрісі принципі бойынша жұмыс жасайтын жоғарғы қуатты генератор тілшелік синхроноскоптардың көмегімен синхрондалады. болғанда тілше нөлді көрсетуі тиіс. Осы кезде генераторды жұмысқа қосу қажет. Электрлік станцияларда генераторларды автоматты түрде синхрондау жүйесі қолданылады.

Жиі қолданылатыны өзіндік синхрондау әдісі (ірі синхрондау). Бұл жағдайда роторда қоздыру болмағанда (аса жүктеу болмас үшін қоздыру орамын активті кедергіге тұйықтайды) генераторды желіге қосады. Бірінші қозғалтқыштың көмегімен синхрондылықтан 2-3% дейін ерекшеленетін айналу жиілігінде ротор айналады. Одан кейін желіге статор орамасын қосады.

Қоздыру орамын қосқаннан кейін роторды синхрондауға айналдыру үшін тұрақты токты береді. Сондықтан генераторды қосу кезінде ЭҚК нөлге тең (генератор қозбаған), яғни желі кернеуінің әсерінен статор орамында лезде жоғарлайтын ток байқалады және ротор орамында механикалық күш пайда болады. Лезде жоғарлау  тоғы 3,5 аспау керек.

Өзіндік синхрондау әдісі генераторды жиі қосқанда өте тиімді, себебі аз уақытты қажет етеді және автоматтау өте оңай.

 

3.8 Активтік қуатты реттеу

 

Синхронизацияның барлық шарттары орындалғанда генераторды желіге қосқанда, оның кернеуі U_Г желінің кернеуіне U_Ж тең фаза бойынша сәйкес келеді, ал ішкі жүктеуде фазасы қарама-қарсы (U_Г = -U_Ж) болады. Генератордың тоғы бұл кезде нөлге тең, яғни генератор жүктемесіз жұмыс істейді

 

.

(144)

 

Жетек қозғалтқышының (дизель қозғалтқышының турбиналары т.б) Р₁ механикалық қуаты бұл жағдайда бос жүрістің шығындыларын жабуға кетеді:

. (145)

145

 

Жетекті қозғалтқыш роторының айналу моментін жоғарлатқан ротор үдейді және айналу бағыты бойынша бірінші жағдайға қатысты  бұрышқа ығысады. Осындай бұрышқа  генератордың  ЭҚК векторы бос жүріс режиміне қатысты ығысады (45,а суретке қараңыз). Нәтижесінде ротор тізбегі статор орамының тізбегінде токты тудыратын нәтижелік ЭҚК пайда болады (45,б суретке қараңыз)

 

.

(146)

 

Ротордың магниттелген полюустарының арасында және статордың айналу өрісінің анық айқындалмаған полюстарының арасында магниттік тарту F_M және F_n тангенстік күштер пайда болады. Ротордың барлық полюстарында тангестік құрамдар болатындықтан жетек қозғалтқышының моментіне қарсы бағытталған электрмагнитті моментті тудырады, ол мына формула арқылы анықталады 

 

,

(147)

 

мұндағы D - ротор диаметрі.

Генератор қарастырылған режимде жұмыс жасағанда желіге активті қуатты  береді. Генератор білігіне келтірілген айналу моменті жоғары болған сайын,  бұрышы жоғары болады, ал генератор арқылы желіге берілетін ток және қуат жоғары болады.

 

                             а) жүктемесіз жұмыс кезінде;

                             б) генератор режимі кезіндегі жұмыста;

                             в) қозғалтқыш режимі кезіндегі жұмыста.

45 сурет – Синхронды машинадардың диаграммалары

 

Егер ротор білігіне ішкі тежеу моментін келтірсек, онда вектор  кернеу   векторынан  бұрышы бойыша қалады (45 суретке қараңыз). Сонымен қатар  векторынан 90° қалатын нәтижелік ЭҚК  және ток пайда болады.

Сонымен бұрыш >0 болғандықтан  активті құрамы генератор кернеуімен фазаға қарама – қарсы орналасады. Сондықтан қарастырылып отырған режимде активті қуат  желіден алынады. Ішкі тежеу моментін теңестіріп, элекрмагнитті айналу моментін құра отырып машина қозғалтқышпен жұмыс жасайды, бұл жағдайда ротордың айналу жиілігі өзгеріссіз қалады.

 

3.9 Синхронды генератордың қуаты, электромагниттік моменті және бұрыштық сипаттамалары

 

Синхронды генератордың активті қуатының жүктеу бұрышына тәуелділігін R_a=0 кезінде тұрғызылған векторлық диаграммадан табамыз. Айқындалмаған полюсты синхронды машинаның векторлық диаграммасынан (46 суретке қараңыз) ОАВ үшбұрышының аймағы  арқылы немесе векторлардың модульдері арқылы орналастырылады.

Сондықтан синхронды генератордың активтік қуаты

 

.

(148)

 

φ₁=ψ–θ кезіндегі айқындалған полюсті машина үшін активті қуат мына формуламен анықталады

 

(149)

I_d және I_q токтарды табу үшін координаттық остер бойынша U₁ кернеудің және –jХ_dİ_d  мен –jХ_qİ_q кернеулердің төмендеу векторларының модулін аламыз (46, б суретке қараңыз).

 

46 сурет - Синхронды машиналардың қысқартылған векторлық диаграммалары (а) айқындалмаған және (б) айқындалған полюсті

 

Онда ,

 

мұндағы , .

(150)

 

I_d  және I_q токтардың мәндерін (146) теңдікке қойсақ

.

(151)

немесе, мына формуланы қолданады

.

(152)

 

Егер статор орамдарындағы шығындарды есептесек, онда машинаның электромагнитті қуаты  Р_ЭМ активті қуатқа Р тең болады.

Сондықтан айқындалған және айқындалмаған полюсты машиналардың электрмагниттік моменттері мына формулалармен анықталады

,	(153)
(71) .	(154)

Айқындалмаған полюсті машинаның электрмагнитті моменті екі бөлімнен тұрады: біріншісі – моменттің негізгі бөлімі

 

,

(155)

екіншісі – моменттің реактивтік бөлімі

.

(156)

Моменттің негізгі М_НЕГ бөлімі кернеу U₁-ден ғана емес Е ЭҚК де тәуелді болады, яғни ротордың магнит өрісінен және бұрыш -дан (47 – сурет, 1 қисығына қараңыз). Осыған байланысты машинаның роторы қоздырылмаған болса (Ф=0), онда моменттің негізгі бөлімшесі М_НЕГ=0.

Электромагнитті моменттің реактивті М_реак бөлімі магнит өрісіне тәуелсіз, яғни қоздыру тоғы болмаған кезде пайда болады; ол  пропорционалды (47 сурет, 2 қисығына қараңыз). Бұл бөлім пайда болу үшін екі жағдай жеткілікті: ротор айқындалған полюстан тұру қажет (x_d ≠ х_д) және статордың орамына желінің U₁ кернеуі берілуі керек.

Синхронды машинаның жүктемесі өскен сайын бұрыш -да өседі, яғни электрмагнитті момент және электромагнитті қуаты өзгереді. Р_ЭМ және М_ЭМ бұрыш -дан тәуелділігі синхронды машинаның бұрыштық сипаттамалары деп аталады.

Синхронды генераторлардың (U_Ж=const) желі кернеуі және (Е = const) қоздыру магнит өрісі  тұрақты болғандағы бұрыштық сипаттамалары (47 суретке қараңыз) көрсетілген.

Нәтижелі момент (3 қисық) М_НАТ=М_НЕГ+М_РЕАК негізгі моменттің М_НЕГ және реактивті моменттің М_РЕАК ординаттарының қосындысына тең болады. Электромагнитті М_МАКС моменттің максималды мәні _КР  бұрыштың мәніне сәйкес болады.

 

 

 

 

 

 

 

47 сурет – Қоздыру тоғының әртүрлі мәндеріндегі тұрақтылық аймағы және бұрыштық сипаттамалары

 

Айқындалған полюсты синхронды машиналардың  эл.град. Айқындалмаған полюсты машиналарда М_реак=0, сондықтан бұрыштық сипаттамасы синусоида болып келеді, ал эл.град.

Синхронды машинаның статистикалық тұрақтылығын және жүктеу қабілеттері үшін сипаттамалар маңызды мәнді береді. Желімен параллель жұмыс жасайтын синхронды машинаның статистикалық тұрақтылығы дегеніміз оның білігіне келтірілген тежеу немесе ішкі айналу моментінің өзгеруі кезіндегі синхронды айналу жиілігін сақтап қалу қабілеттігін айтамыз.

Статикалық тұрақтылық тек М<М_МАКС сәйкес  бұрыштар кезінде қамсыздандырылады.

Синхронды генератор ротордан бірінші қозғалтқышқа берілетін М_І ішкі моментпен жұмыс жасайды. Сонымен қатар Ф магнитті өріс осінің қосындысына қатысты полюстердің осі  бұрышқа ығысқанда генератор M электрмагнитті моментті тудырады, оны М_І тең деп есепеуге болады (47,а суретіндегі А және С нүктелері).

Егер момент М_ЖК жоғарласа, онда генератордың роторы үдейді және  бұрыш  мәніне дейін өседі. Машина А нүктесінен  бұрышына дейін өскенде моменттің мәні М+∆M дейін (В нүктесі) өседі, нәтижесінде ротор білігіндегі моменттердің теңдігі қалыптасады. Машина бірнеше өзеру толқын процестерінен кейін синхронды айналу жиілігімен жұмыс жасай бастайды.

Еегер машина  бұршы кезінде жұмыс жасаса (С нүктесі), онда  бұрышының өсуі моменттің мәні М = ∆М (Д нүкте) дейін төмендеуіне әкеледі. Нәтижесінде моменттердің теңдігі бұзылады, ротор үдей түседі,  бұрышы өседі. Сонымен қатар артық моменттің болуына байланысты ротордың айналу жиілігі жоғарлайды да, синхронизмнен өтеді. Синхрондаудан өту құбылысы қауіпті режим болып саналады, сондықтан ол ротор орамындағы тоқтың өсуіне әкеледі.

Жоғарыда айтылғандар бойынша егер  болса синхронды машина тұрақты жұмыс жасайды, ал егер  болса тұрақты емес.  бұрышы аз болған сайын машина тұрақтылық бойынша үлкен қордан тұрады.

Егер машина бұрышпен тұрақты режимде жұмыс жасаса, онда  осы бұрыш ауытқығында шыққан  бұрышты қалпына келтіруге тырысытын  момент пайда болады. Бұл момент синхрондау моменті деп аталады. Оған синхрондаушы қуат сәйкес келеді .

 және  туындылары үдеу синхрондаушы момент және үдеу синхрондаушы қуат деп аталады. Айқындалмаған машинада

 

,       .

(157)

 

Үдеу синхрондаушы момент кезінде максималды мәннен тұрады.   өскенде максималды мәні төмендейді және  кезінде нөлге тең. Сондықтан синхронды машина бұрышпен жұмыс жасайды, момент бойынша екі немесе бірнеше үлкен қорға сәйкес келеді.

Синхронды машинаның статикалық жүктелуі статистикалық жүктелген коэффициентпен бағаланады

 

.

(158)

 

МЕМСТ бойынша үлкен қуаттық генераторлар үшін бұл коэффициент   кем болмау керек, ал синхронды қозғалтқыштар үшін - 1,65 аспау керек.

Активті қуаттың мәнін берген кездегі синхронды машинаның тұрақтылығы қоздыру тоғына тәуелді. Қоздыру тоғын жоғарлатқанда ЭҚК және момент М_макс жоғарлайды, сонымен қатар машинаның тұрақтылығы жоғарлайды.

47, б суретінде әртүрлі қоздыру тоғындағы бұрыштық сипаттамалары көрсетілген (ЭҚК әртүрлі болғанда). Сондықтан қоздыру тоғы жоғарлаған сайын берілген жүктемеде  бұрышы аз болады, ал осыған сәйкес  қатынасы жоғары болады.

Әдетте синхронды генератор жұмыс жасайтын электр желісі активті-индуктивті жүктеме болып саналады (генератор желіге активті Р және реактивті қуаттарды береді). Сонымен қатар синхронды генератор жүктеу қабілеттігін жоғарлату үшін кейбір аса қоздырумен жұмыс жасауы тиіс.

МЕМСТ бойынша синхронды генераторда номиналды режимде  ток желі  кернеуінен жоғары ( кернеуінен төмен болу керек) және  болуы керек.

 

3.10 Синхронды генератордың U – тәрізді сипаттамалары

 

Желі арқылы генератор қосылғаннан кейін жүктемесіз жұмыс жасайды және оның ЭҚК  желінің кернеуін  теңестіреді. Егер генераторды аса қоздырса және қоздыру тоғын жоғарлатса, онда  ЭҚК  мәніне дейін жоғарлайды да, генератор тізбегінде векторы  ЭҚК вектор фазасына сәйкес келетін артық ЭҚК пайда болады (48,а суретін қараңыз). ЭҚК тудыратын I_d ток одан 90° (R_a = 0 болғанда) фаза бойынша қалады.  ЭҚК қатысты бұл ток та (индуктивті) артта қалады.

 

                                 а)                                б)

 

 

48 сурет – Параллель жұмыс кезіндегі синхронды генератордың ЭҚК векторлық диаграммалары

 

Егер желіге генераторды қосқаннан кейін қоздыру тоғы азайатын болса,  машинаны толық қоздырылмайды, онда  ЭҚК  мәніне дейін төмендейді және генератор тізбегінде артық ЭҚК пайда болады. Бұл ЭҚК векторы фаза бойынша  желі кернеуінің вектрымен бағыттас болады (48, б суретке қараңыз), сондықтан осы ЭҚК-мен пайда болған  ток одан 90° фаза бойынша қалатын генератордың ЭҚК қатысты озады. Егер барлық қоздыру токтары өзергенде жетек қозғалтқышының айналу моменті өзгермеген қалпында қалса, онда генератордың активті қуаты да өзгеріссіз қалады:

 

.

(159)

Осы көрсеткіштен  кезінде статордың активті ток құрамы . Сонымен қоздыру тоғының өзгеруі статор құрамындағы токтың әсеріне байланысты болады. Генератордың өзгермеген активті жүктемесі кезіндегі статор тоғының  қоздыру тоғына  тәуелділігі U-тәрізді сипаттама деп аталады. 49 суретте активті жүктемедегі U-тәрізді сипаттамасы көрсетілген: Р₂ =0; Р₂ =0,5 Р_НОМ және Р₂ =Р_НОМ. U-тәрізді сипаттама арқылы генератордың кез - келген жүктемесінде I₁ статор тоғы аз және активті құрамға тең  қоздыру тоғы сәйес келетіндігін көруге болады: . Бұл жағдайда генератор қуат коэффициентінде жұмыс жасайды.

 

 

49 cурет – синхронды генератордың U – тәрізді сипаттамасы

 

Фазалық жүктеме кезіндегі  сәйкес қоздыру тоғының мәні үзік сызықпен көрсетілген. Генератордың шығынын төмендеткенде статордың аз тоғына сәйкес келетін және қоздыру тиімді болып келеді. Бірақ көптеген жағдайда генератор жүктемесі активті индуктивтік сипаттамадан тұратындықтан, онда білік әсерін өтеу үшін желі U_Ж кернеу фазасы бойынша озатын, I₁ статор тоғы құрамының әсерін құру үшін генераторды аса қоздыру қажет болады.

3.11 Синхронды генератордың өтпелі процесстері

 

Генератордың кездейсоқ қысқа тұйықталуы.

Өтпелі режимдердегі синхронды машиналардың әсері тәжирбиелік мәннен тұрады. Себебі өтпелі процесстерде үлкен токтардың салдарынан машина бұзылуы мүмкін. Сол себепті өтпелі процесстерде болатын физикалық процесстерді білген жөн. Сонымен қатар генератор қысқыштарында пайда болатын кездейсоқ үш фазалы қысқа тұйықталуда пайда болатын қауіпті токтардың мәнін жуықтау етіп қою қажет.  

Генератор бос жүріс режимінде жұмыс жасады және оған I_Қ қоздыру тоғы арқылы пайда болған Ф_Қ қоздыру өрісі әсеретті дейік. Қысқа тұйықталу кезінде статор орамында қысқа тұйықталу токтардың әсерінен статор орамдарында ротормен синхронды айналатын статордың магнит өрісі пайда болады. Ол Ф_аd бойлық осі арқылы Ф_Қ ағымына қарсы бағытталады (50, а суретін қараңыз). Қоздыру орамында нәтижелік өріс  уақыт бойынша өзгергенде тыныштандырғыш орамында индукцияланады. Бұл орамдардағы  және  ЭҚК-тер қосымша i_Кd қоздыру тоғын және орамдарды тыныштандыратын i_Т токты құрады. Бұл токтар Ф_ҚҚ және Ф_ТҚ  өз өрістерін құрады, олар ротор өзекшесіне  өрістің кіруіне қарсы әсеретеді, оны полюстар арсындағы ауа саңлауына ығыстырады. Нәтижесінде статор өрісі  мәніне дейін айтарлықтай төмендейді. Сәйкесінше бойлық ось бойынша  статор орамдарының индуктивті кедергісі төмендейді. Сондықтан өтпелі процестің бастапқы жағдайында (аса өтпелі деп аталатын) кездейсоқ қысқа тұйықталу тоғының әсерету мәні былай анықталады

,

(160)

мұндағы - аса өтпелі жағдай кезіндегі индуктивті кедергі.

 

а)                                      б)

 

 

50 сурет – Кездейсоқ қысқа тұйықтау кезіндегі магнитті өріс

Сонымен қоздыру тоғы және тыныштандыру тоғы активті кедергіден тұратындықтан, оларда пайда болатын қосымша токтар біртіндеп өшеді. Бірақ бұл өшу процесі бірдей өтпейді. Тыныштандыру орамдар тарамдақтарының санына қарағанда қоздыру орамдар тармақтарының саны жоғары болады, сондықтан тұрақты уақыт Т_Қ>Т_Т. Осыған байланысты i_Т тыштандыру тоғы нөлге тең болғанда, қосымша тоғы I_ҚҚ бірнеше мәннен тұрады. Сонымен білік әсерінің магнит өрісі ротор арқылы жартылай өтеді, оның мәні өседі . Сәйкесінше бойлық ось бойынша индуктивті кедергісі X_d^´>X_d" мәнге дейін өседі, бұл өтпелі индуктивті кедергі деп аталады. Сонымен қатар кездейсоқ қысқа тұйықталу тоғы төмендегі мәнге дейін азаяды

 

.

(161)

Бірнеше уақыттан кейін I_ҚҚ қоздыру тоғындағы қосымша ток нолге тең болады және статор өрісі ротор арқылы тұйықталады; оның мәні Ф_ad>Ф_ad´. Сәйкесінше, статордың индуктивтік кедергісі  мәніне дейін өседі, қысқа тұйықталу тоғы төмендегі мәнде өзгереді

 

.

(162)

 

Генераторда өзгермейтін нәтижелік өріс  келтіріледі (50,б суретіне қараңыз).

Статор орамдарындағы магнит өрісі төмендегенде ЭҚК мәні E_k<Е_т  және келтірілген мәнге дейін қысқа тұйықталу тоғының мәні төмендейді

 

.

(163)

 

Қысқа тұйықталу тоғының аса үлкен мәні үдеу тоғы деп аталады. МЕМСТ бойынша үдеу тоғының мәні төмендегідей анықталады

 

,

(164)

мұндағы 1,05 және 1,8 коэффициенттерімен жоғарғы және өшу кернеуі кезіндегі жұмыс істеу мүмкіндігі есептелінеді.

Сонымен кездейсоқ үш фазалы қысқа тұйықталу кезінде қысқа тұйықталу тоғы біртіндеп өшеді. Егер үдеу тоғы 15 мәнге жетсе, онда келтірілген қысқа тұйықталу тоғы номиналды 1,5 мәнге (турбогенераторлар үшін) немесе 2,5 мәнге (гидрогенераторлар үшін) жетеді. Кейбір жағдайларда келтірілген қысқа тұйықталу тоғы номиналды мәннен төмен болуы да мүмкін, мұның себебі біліктің магнитсіздендіру әсеріне байланысты.

Қысқа тұйықталудың үдеу тоғы статор орамдарына әсерететін  электрмагнитті күшті құрады.

Генераторды қысқа тұйықтағанда ротор орамдарында айнымалы момент пайда болады, ол қолайсыз жағдайда номиналды мәнмен салыстырғанда 10 мәнге жетеді. Бұл мәнді машиналардың бөліктерін және оны фундаментке құру сенімділігін механикалық есептеу кезінде есепке алу қажет. 

 

3.12 Магниттік өрісті өшіру

 

Қысқа тұйықтау кезінде ішкі тізбекте релелік қорғаныс қосылады, ол генераторды желіден өшіреді. Бірақ генератордың ішкі тізбектен өшірілуі қысқа тұйықтау режимін жоймайды, себебі статор орамасында ЭҚК индукцияланады және ол арқылы үлкен ток өтеді. Қысқа тұйықтау режимін жоғалту үшін қоздыру өрісін төмендету қажет және қоздыру тоғы арқылы ток өткізбеу керек. Қауіпті режимде қоздыру орамдарына токты өткізбеу әдісі өрісті өшіру деп аталады. Қоздыру тізбегін тез тұйықтаған кезде қоздыру орамында өзіндік индукцияның  ЭҚК индукцияланады. Ол  L_e үлкен индукция мәні кезінде орамдарды оқшаулауға қауіпті үлкен аса кернеулікті тудырады. Сол себепті қоздыру тоғын төмендету үшін магнитті өрісті өшіру әдісі қолданылады.

Қоздыру орамы автоматты қоздырған кезде ажыратылады және өшу резисторында тұйықталады, оның кедергісі қоздыру орамының кедергісіне қарағанда 4-5 есе жоғары. Резистор кедергісінің мұндай мәнінде қысқа тұйықталу тоғы генераторда ішкі зақымдандыруды тудырмайды, ал пайда болған аса кернеу жіберілген шекте жатады.

Өрістің өшуі қысқа тұйықталу тоғының өсетін өтпелі процесс сипаттамасына аз әсеретеді, ал максималды мәнге (50 Гц жиілігі кезінде 0,01с сайын) жартылай қадамда жететіндіктен, бұл уақыт аралығында қорғағыш іске қосылып үлгермейді. Ол статор орамы арқылы өтетін қысқа тұйықталу тоғының,  өту аралығының уақытын және осы ток арқылы машинаның зақымдалу ықтималдығын төмендетеді.

 

3.13 Синхронды қозғалтқыш

 

Синхронды машиналар генератор режимінде және қозғалтқыш режимынде де жұмыс жасай алады. Бұл машиналар желіден электр энергиясын  қолданады және оны механикалық түрлендіреді. Егер де, синхронды машинаны электр желісіне қосқаннан кейін оның білігіне ротордың айналуына қарама- қарсы бағытталған тежеу моментін, жүктеу моментін қосақ, онда ЭҚК-тің Ė векторы бос жүріс режимдегі  бұрыштың қалу жағына ығысады. Сонымен қатар статор тізбегінде нәтижелі ЭҚК  пайда болады, ол статордың орамасында DĖ ЭҚК-нен фаза бойынша 90° қалатын İ₁токты құрады. İ₁ ток ротормен синхронды айналатын магнит өрісін тудырады. Оның білігі d^/-d^/ ротор полюстарының d-d бойлық білігіне қарай θ бұрышқа ығысады. Осы кезде пайда болатын магнитті әрекеттесу күштердің тангенстік құрамы  (51 суретке қараңыз) роторды айналдыратын электрмагниттік моментті (М_ЭМ) құрады. Бұл момент статордың айналу магнит өрісімен бір жаққа бағыттылған және ол роторды синхронды  айналу жиілігімен айналады. Айналатын электрмагниттік момент бос жүріс моменті (М_БЖ) болып саналады, ол өндірістік механизмді айландыратын пайдалы моментті (М_П) құрады:

.

(165)

 

Полюсті синхронды қозғалтқыштың электр магнитті моменті (165) формуламен, ал айқындалмаған полюсті қозғалтқыштың электр магнитті моменті (166) формула арқылы анықталады.

Синхронды қозғалтқыштың бұрыштық сипаттамаларының генератордың бұрыштық сипаттамаларынан  айырмашылығы: бұл сипаттамалар координат осі бойынша үшінші дәрежеде жатады және θ бұрыштары мен М моменттердің теріс мәндерімен анықталады (53- суретке қараңыз).

 

 

 

 

 

 

 

53 сурет - Синхронды қозғалтқыштың бұрыштық сипаттамалары

Максималды моменттің номиналды моментке қатынасы синхронды қозғалтқыштың аса жүктеме қабілеттігін анықтайды

 

.

(166)

 

Әдетте аса жүктеу қабілеттілігі  болады.

 

3.14 Синхронды қозғалтқыштардың U-тәрізді және жұмыс сипаттамалары

Желідегі кернеу өзгермеген кезде синхронды қозғалтқыштың нәтижелік магнитті өрісі тұрақты болады. Сондықтан қоздыру F_Қ МҚК өзгергенде (I_Қ қоздыру тоғы өзгергенде) статордың F_a МҚК  синхронды қозғалтқыштың магнит өрісі өзгермейтіндей болу керек. Бұл F_a МҚК өзгеруі статор  тоғы мәнінің және I_d статор тоғының реактивті құрамының өзгеруінен болуы мүмкін. 

Мысалы, I_Қ=0 қозу тоғы жоғарлағанда ротор МҚК жоғарлайды және статордың МҚК төмендейді, статор I_d тоғы құрамының индуктивтілігі төмендегенде (желі кернеуінің қатынасы бойынша) магнитті жүйеге магниттеуші әсерін береді. Осы кезде статордың толық тоғы I₁ =I_а +I_d төмендейді, ал қозғалқыштың қуат коэффициенті  жоғарлайды. Қозыру тоғының I_Қ кейбір мәндерінде статордың индуктивті құрамы нөлге дейін төмендейді. Статор тоғы таза активті болады, ал қуат коэффициенті .

Қоздыру тоғы ең жоғарғы мәнге дейін I_Қ жоғарлағанда, аса қоздыру I_d тоғы өседі, бірақ бұл жағдайда I₁ токтың сиымдылық құрамы жоғарлайды. Сонымен синхронды қозғалтқыш толық қозбаған кезде (I_Қ< I_Қ^/) қалатын токпен, ал аса қозған кезде (I_Қ> I_Қ^/) асатын токпен жұмыс жасайды. Синхронды қозғалтқыштар үшін статор тоғының қоздыру тоғына тәуелдігі U – тәрізді сипаттамамен көрсетілген (54 суретке қараңыз). Синхронды қозғалтқыш реактивті токтың генераторы болып саналады: желіге қатысты толық қозбағанда индуктивті және аса қозғанда сиымдылықты. Синхронды қозғалтқыштың көрсетілген қаблеттілігі электрлік қондырғылардың қуат коэффициентін жоғарлату үшін қолданылатын сапалы бағасы болып саналады.

Синхронды қозғалтқыштың жұмыс сипаттамасы дегеніміз п₂ айналу жиілігінің, P₁ пайдаланылатын қуаттың, М₂ пайдалы моменттің,  қуат коэффициентінің және I₁ статор тоғының Р₂ пайдалы қуатқа (55 суретке қараңыз) тәуелділігі.

  

            55 сурет – Синхронды

             қалтқыштың

             жұмыс сипаттамасы

 

Ротордың айналу жиілігі п₂ = const, сондықтан сипаттамасы  ось абсциссасына түзу параллелді. Синхронды қозғалтқыш білігінің пайдалы моменті . Жұмыс сипаттамасын f₁ = const шарты арқылы алатындықтан, онда  графигі бастапқы координаттан шығып түзу болып келеді.

Желі арқылы қолданылатын қуат Р₁= Р₂+∆Р, жүктеме өскен сайын біліктегі ∆Р қуат шығыны да өседі, онда сипаттама P₁=f(P₂) қисық сызықты болып келеді.

 сипаттамасы бос жүріс кезіндегі қозғалтқыштың қоздыру сипаттамасына сәйкес келеді. Егер =1, онда жүктеме жоғарлағанда ол төмендейді.

Статор орамының ток  қозғалтқыш білігіндегі жүктеме өскен сайын Р₁ қолданылатын қуатқа қарағанда тез өседі, сондықтан cosφ₁ төмендейді.

 

3.15 Синхронды қозғалтқышты іске қосу

 

Синхронды қозғалтқышты іске қосу үшін роторды синхронды айналу жиілігіне жақын айналдыру әдісін қолданады. Бұл жағдайда статор мен ротор арасында тұрақты магнитті байланыс болады.

Қазіргі уақытта синхронды қозғалтқышты іске қосу үшін асинхронды әдісі қолданылады. Бұл әдісте синхронды қозғалтқышты асинхронды ретінде іске қосады. Ол үшін іске қосу қысқа тұйықтау орамын (беличьей клетки) қолданады. Асинхронды іске қосу сұлбасы 56 суретте көрсетілген.

  

 

56 сурет - Синхронды қозғалтқышты     57 сурет - Синхронды қозғалтқышты

асинхронды іске қосу                             іске қосқан кездегі

                                                                 механикалық сипаттамалар

 

Статордың үш фазалы орамдарын желіге қосқанда айналу магнит өрісі пайда болады, ол іске қосу орамдарының оқтаушасында (стержнях) ЭҚК тудырады да, I_ІҚ токтарын құрады. Осы токтардың айналу өрісімен әселесуі электр магнитті күштерді құрады, осының салдарынан ротор айналады. Роторды синхронды айналу жиілігіне жақын () айналдырғаннан кейін қоздыру орамын тұрақты токты қоректендіру көзіне қосады. Осы кезде пайда болған синхронды момент қозғалтқыштың роторын синхронизмге енгізеді. Неғұрлым қозғалтқыштың білігіндегі жүктеу аз болса, соғұрлым оны синхронизмге кіргізу жеңіл болады.

Қозғалтқыштың синхронизмге кіретін жағдайдағы жүктеу моменті қозғалтқыштың синхронизмге кіру моменті М_К деп аталады.

Қоздыру ораманың орамдылар саны көп болғандықтан, ЭҚК-тің мөлшері оқшауламаға және жұмыс атқаратын қызметшілерге де қауіпті болады. Мұндай жағдайды келтірмеу үшін іске қосу кезінде қоздыру ораманы өзінің кедергісінің шамасынан 10 есе көп активтік R кедергіде бекітеді. Іске қосуда қоздыру орамын қысқа тұйықтамау керек, себебі бұл жағдайда ротордың орамасы статордың айналмалы өрісімен әрекеттесіп, қосымша момент М құрады. Синхронды айналу жиілігінің жартысынан асқаннан кейін бұл момент тежелу болады да, іск қосу механикалық сипаттамада «ойық» (57 суретке қараңыз) құрады. Бұл жағдай синхронды қозғалтқыштың іске қосу қасиеттерін едәуір нашарлатады.

Асинхронды іске қосуда қоздыру орамын ажыратылған күйде қалдыруға болмайды, себебі ротор айналған кезде айналу магниттік өрісімен Е_Қ ЭҚК индукцияланады

 

(167)

 

Синхронды қозғалтқышты асинхронды іске қосқанда үлкен іске қосу тоғы пайда болады. Сол себептен синхронды қозғалтқышты тікелей желіге қосу арқылы іске қосу тек желінің қуаты жеткілікті болған кезде ғана қолданады. Бұл жағдайда іске қосу тоғы 6÷7 есе жоғарлайды және кернеу төмендейді.

 

3.16 Синхронды компенсатор

 

Синхронды компенсатор (СК) дегенеміз - жүктемесіз жұмыс жасайтын және реактивті қуатты шығаратын синхронды қозғалтқыш. Синхронды компенсаторды электрлік жүйеге оның қуат коэффициентін жоғарлату немесе кернеуді тұрақтандыру үшін қосады. Жұмыста активті қуатты қажет ететін айнымалы токты асинхронды қозғалтқыш қолданылады.

58-суретте синхронды генератордан (СГ), жоғарылатқыш (Тр-рI) және төмендеткіш (Тр-р II) трансформаторлардан, электрді беру тізбегінен ЭБТ, тұтынушы (Z_m ) мен синхронды компенсатордан (СК) құрылған электр сұлбасы көрсетілген. Синхронды компенсаторды электр жүйесіне қосуды түсіндіру үшін 59 суретті қарастырамыз. Желіге II (асинхронды қозғалтқыштың тобы) тұтынушыны қосқан кезде   желі кернеуінен фаза бойынша бұрышқа ығысқан ток İ_m пайда болады (59, а суретке қараңыз).

a)   
                                                 б)

Синхронды компенсаторды (СК) Z_m тұтынушыға параллель қосқанда және аса қоздыру режимін құрғанда  желі кернеуден фаза бойынша 90° ығысқан ток I_СК пайда болады (59, б суретке қараңыз). Желідегі нәтижелі ток:

 

.

(168)

 

Осы токтың фазалық ығысуы (φ_Ж) U_Ж кернеуге қатысты төмендейді, сонымен қатар  тоғы төмендейді. СК қосылмай тұрғандағы, желідегі активтік қуаты мына формуламен анықталады

.

СК қосылғаннан кейінгі желінің активтік қуатына теңестіруге болады.

.

;  болғандықтан I_Ж < I_m.

Синхронды компенсатор желідегі кернеуді тұрақтандыру үшін және өте ұзын электр желілері арқылы энергияны беру үшін қолданады. Үлкен жүктемеде желінің соңындағы кернеу бастапқыға қарағанда (тұтынушыларда) төмен болады, ал аз жүктемеде соңғы кернеу электрді беру желісінің сыйымдылығына қарай бастапқыдан қарағанда жоғары болуы мүмкін. Егер де желінің соңында үлкен жүктемеде асқын қоздырылған және төменгі жүктемеде толық қоздырылмаған кезде жұмыс істейтін синхронды компенсаторды қоссақ, онда жүктеменің соңында кернеуді тұрақты ұстап тұруға болады.

Компенсатордың негізгі параметрлері: статор орамасындағы және қоздыру орамадағы токтар. Сол себептен СК-ның негізгі сипаттамалары – U–тәрізді сипаттамалар, негізінде синхронды қозғалтқыштың сипаттамаларына ұқсас болады.

Синхронды компенсатор активтік жүктеу алып жүрмегендіктен ол бұрыш θ=0° кезде жұмыс істейді, де оның салыстырмалы синхрондау моменті максималді болады, яғни оның тұрақтылық қоры көп болады.

 

Әдебиеттер тізімі

 

1.        Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Высшая школа, Логос, 2000.

2.        Проектирование электрических машин./Под общей редакцией И.П. Копылова. – М.: Энергия, 2002.

3.        Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. – М., 1987.

4.        Вольдек А.И. «Электрические машины»: Учебник для студентов выс. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е. – М.: «Энергия», 1974.

5.        Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Высшая школа., 1990. – 463с.