Электродвигатели переменного и постоянного тока

Электродвигатели предназначены для того, чтобы привести в движение некоторый механизм: насос, вентилятор, мельницу, конвейер, лифт и т. д. Полезную механическую работу электродвигатель совершает за счёт потребляемой из сети электроэнергии.

Принцип действия любого электродвигателя основан на законе, согласно которому на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера. В зависимости от способа создания магнитного поля и рода тока электродвигатели можно разделить на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока, которые в свою очередь делятся на синхронные и асинхронные.

Двигатели постоянного тока работают следующим образом. Электроэнергия подаётся в обмотку ротора от неподвижного источника постоянного тока через коллекторно-щёточные контакты. В обмотку статора также подаётся постоянный ток для создания магнитного поля. На обмотку ротора, помещенную в магнитное поле, действует сила Ампера. Ротор вращается. Как уже было сказано, двигатели постоянного тока на электростанциях имеют ограниченное применение.

Принцип действия синхронного электродвигателя переменного тока следующий. В обмотку статора подаётся трёхфазный переменный ток, за счёт которого внутри двигателя создаётся вращающееся магнитное поле. В обмотку ротора подаётся постоянный ток от возбудителя. Возникшая сила Ампера действует на обмотку и вращает ротор с той же частотой, с какой вращается магнитное поле статора. Синхронные электродвигатели переменного тока также не получили значительного распространения на электростанциях. В виде исключения они используются для привода мельниц, где не требуется особой надежности электроснабжения и допускаются большие перерывы питания. Синхронные электродвигатели имеют следующие недостатки:

сложная конструкция, необходим возбудитель;

сложные условия эксплуатации;

сложные условия пуска и самозапуска;

трудности регулирования частоты вращения;

дороговизна.

Асинхронные электродвигатели получили настолько большое распространения в схемах собственных нужд электростанций, что на них следует остановиться особо.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором

Рассмотрим принцип действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Как и в случае синхронного двигателя, в обмотку статора асинхронного двигателя подаётся трёхфазный переменный ток, за счёт которого внутри двигателя создаётся вращающееся магнитное поле. Но в отличие от синхронного, в данном типе двигателя в обмотку ротора не подаётся постоянный ток. Обмотка ротора замкнута накоротко и представляет собой так называемую «беличью клетку». В этой обмотке за счёт вращающегося поля статора по закону Фарадея индуцируются переменные токи. Механизм возникновения этих токов – такой же, как и во вторичной обмотке трансформатора с той лишь разницей, что здесь вторичная обмотка вращается.

Вращающееся магнитное поле статора и переменные токи в роторе обусловливают возникновение силы Ампера. Обмотка ротора и сам рот приходят во вращение. При этом ротор несколько запаздывает относительно скорости вращения поля статора. По этой причине двигатель назван асинхронным. Степень этого запаздывания называется скольжением и рассчитывается по формуле:

s = (n_сх – n)/n_сх,

где n_сх – синхронная частота вращения магнитного поля статора;

n – частота вращения ротора.

Синхронная частота вращения магнитного поля статора в свою очередь определяется по той же формуле, что и для синхронного генератора:

n_сх = 60f/p,

где р – число пар полюсов ротора.

Причина запаздывания ротора относительно поля статора объясняется законом электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому индукционный ток возникнет только в том случае, если будет изменяться магнитный поток. Если же, чисто гипотетически, ротор догонит поле статора и их скорости сравняются, то обмотка ротора относительно вектора магнитной индукции статора окажется неподвижной, а значит и магнитный поток перестанет изменяться во времени. При этом ток в обмотке ротора исчезнет, следовательно, станет равной нулю сила Ампера и ротор замедлит своё вращение. И наоборот – небольшое проскальзывание ротора относительно поля статора – важнейшее условие для существования вращающей силы.

Основные преимущества использования асинхронных электродвигателей (АЭД) с короткозамкнутым ротором заключаются в следующем.

1. АЭД допускают прямой пуск от полного напряжения питающей сети безо всякой пускорегулирующей аппаратуры, которую приходится применять в случае синхронных двигателей.

2. Группа АЭД одной или нескольких секций успешно самозапускаются после кратковременного обесточивания и последующего восстановления питания в результате действия станционной автоматики.

3. Для АЭД не требуется возбудителя. Поэтому они дешевле и относительно просты в эксплуатации.

4. Регулировать скорость вращения АЭД можно не только со стороны статора, но и со стороны ротора. Для сравнения, в отличие от АЭД, скорость вращения синхронных двигателей жёстко связана с электрической частотой сети.

При этом АЭД имеют недостатки, перечисленные ниже.

1. Вследствие больших пусковых токов в элементах системы электроснабжения возникают значительные падения напряжения, и групповой пуск и самозапуск происходит при пониженных напряжениях на секциях.

2. Синхронная частота вращения АЭД не может превышать 3000 об/мин. Для получения более высоких скоростей необходимо использовать повышающий редуктор или турбопривод.

3. Максимальная номинальная мощность асинхронных электродвигателей составляет 8 МВт. При необходимости создания более мощного привода приходится использовать синхронный двигатель или турбопривод.

4. Регулирование скорости вращения АЭД имеет дорогостоящую и сложную реализацию по сравнению с регулированием с помощью двигателя постоянного тока или турбопривода.

5. При возникновении короткого замыкания вблизи шин с работающими двигателями, появляется значительная подпитка тока от АЭД.

6. АЭД чувствительны к провалам напряжения из-за того, что их электромагнитный момент обладает квадратичной зависимостью от напряжения М_е ~ U² . Для синхронного двигателя эта зависимость линейна: М_е ~ U.

7. Изменение электромагнитных моментов асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором происходит при изменении не только напряжения, но и частоты.

С точки зрения использования электропривода механизмов собственных нужд электростанций основные недостатки АЭД проявляются в наибольшей степени для питательных и бустерных насосов. Поэтому на мощных блоках для этой цели применяют турбопривод.