Stroje AC: zařízení, princip činnosti, aplikace

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Elektrické stroje plní kritickou funkci přeměny energie v pracovních mechanismech a generátorech. Taková zařízení nacházejí své místo v různých oblastech a dodávají výkonným orgánům dostatečný energetický potenciál. Jedním z nejpopulárnějších systémů tohoto typu jsou AC stroje (ACM), které mají ve své třídě několik druhů a rozdílů.

Obecné informace o MAT

Segment MPT neboli elektromechanických měničů lze podmíněně rozdělit na jednofázové a třífázové systémy. Také na základní úrovni se rozlišují asynchronní, synchronní a kolektorová zařízení, přičemž obecný princip činnosti a konstrukční řešení mají mnoho společného. Tato klasifikace AC strojů je podmíněná, protože moderní elektromechanické konverzní stanice částečně zahrnují pracovní postupy z každé skupiny zařízení.

Zpravidla je MPT založen na statoru a rotoru, mezi nimiž je vzduchová mezera. Opět bez ohledu na typ stroje je pracovní cyklus založen na rotaci magnetického pole. Pokud ale v synchronní instalaci odpovídá pohyb rotoru směru silového pole, pak se v asynchronním stroji může rotor pohybovat jiným směrem a s různými frekvencemi. Tento rozdíl také určuje vlastnosti použití strojů. Pokud tedy synchronní může fungovat jako generátor i jako elektromechanický motor, pak se asynchronní používají hlavně jako motory.

Podle počtu fází se rozlišují jednofázové a vícefázové systémy. Navíc z hlediska praktického využití si pozornost zaslouží zástupci druhé kategorie. Jedná se z velké části o třífázové stroje na střídavý proud, ve kterých magnetické pole plní pouze funkci nosiče energie. Jednofázová zařízení se naopak z důvodu provozní nepraktičnosti a velkých rozměrů z aplikační praxe postupně vytrácejí, i když v některých oblastech je rozhodujícím faktorem při jejich výběru nízká cena.

Odlišnosti od DC strojů

Základní konstrukční rozdíl spočívá v umístění vinutí. U střídavých systémů pokrývá stator a u stejnosměrných strojů rotor. V obou skupinách se elektromotory liší typem buzení proudem – smíšené, paralelní a sériové. Dnes se stroje na střídavý a stejnosměrný proud používají v průmyslu, zemědělství a domácím sektoru, ale prvnímožnost je atraktivnější z hlediska výkonu. Alternátory a střídavé motory těží z vylepšeného designu, spolehlivosti a vysoké energetické účinnosti.

Použití stejnosměrných zařízení je rozšířené v oblastech, kde vystupují do popředí požadavky na přesnost regulace provozních parametrů. Mohou to být dopravní trakční mechanismy, obráběcí stroje a komplexní měřicí přístroje. Z hlediska výkonu mají stejnosměrné a střídavé stroje vysokou účinnost, avšak s různými možnostmi technického a konstrukčního přizpůsobení konkrétním podmínkám použití. Stejnosměrný provoz poskytuje více možností pro ovládání rychlosti, což je důležité při servisu servomotorů a krokových motorů.

Asynchronní zařízení MPT

Pro technický základ tohoto zařízení v podobě rotoru a statoru je použit ocelový plech, který je před montáží z obou stran potažen izolační olejovo-kalafunovou vrstvou. U strojů s nízkým výkonem může být jádro vyrobeno z elektrooceli bez dodatečného povlaku, protože v tomto případě působí přírodní oxidová vrstva na kovovém povrchu jako izolant. Stator je upevněn ve skříni a rotor na hřídeli. U asynchronních strojů na střídavý proud s vysokým výkonem může být jádro rotoru namontováno také na věnec skříně s objímkou namontovanou na hřídeli. Samotný hřídel se musí otáčet na ložiskových štítech, které jsou také připevněny k základně skříně.

Vnější povrchy rotoru a vnitřní povrchy statoru jsou zpočátku opatřeny drážkami pro uložení vodičů vinutí. U statoru střídavých strojů je vinutí často třífázové a připojené k příslušné síti 380 V. Říká se mu také primární. Podobně se provádí vinutí rotoru, jehož konce tvoří obvykle spojení v hvězdicovém uspořádání. K dispozici jsou také sběrací kroužky, přes které lze dodatečně připojit reostat pro nastavení nebo třífázový startovací prvek.

Důležité je také povšimnout si parametrů vzduchové mezery, která funguje jako tlumicí zóna snižující hluk, vibrace a teplo při provozu zařízení. Čím větší stroj, tím větší by měla být mezera. Jeho hodnota se může pohybovat od jednoho do několika milimetrů. Pokud je konstrukčně nemožné ponechat dostatek místa pro vzduchovou zónu, je k dispozici přídavný chladicí systém pro jednotku.

Princip fungování asynchronního MPT

Třífázové vinutí je v tomto případě připojeno k symetrické síti s třífázovým napětím, v důsledku čehož se ve vzduchové mezeře vytváří magnetické pole. U vinutí kotvy jsou provedena speciální opatření k dosažení harmonického prostorového rozložení pole pro tlumicí mezeru, která tvoří systém rotujících magnetických pólů. Podle principu činnosti stroje na střídavý proud se na každém pólu vytváří magnetický tok, který protíná obvody vinutí, čímž vyvolává generování elektromotorusíla. V třífázovém vinutí se indukuje třífázový proud, který zajišťuje krouticí moment motoru. Na pozadí interakce rotorového proudu s magnetickými toky se na vodičích vytváří elektromagnetická síla.

Pokud se rotor působením vnější síly uvede do pohybu, jehož směr odpovídá směru toků magnetického pole střídavého stroje, pak rotor začne předjíždět rychlost rotace pole. K tomu dochází, když otáčky statoru překročí jmenovitou synchronní frekvenci. Zároveň dojde ke změně směru pohybu elektromagnetických sil. Tímto způsobem se vytvoří brzdný moment s reverzním působením. Tento princip činnosti umožňuje použití stroje jako generátoru pracujícího v režimu výstupu činného výkonu do sítě.

Konstrukce a princip činnosti synchronního MPT

Z hlediska konstrukce a umístění statoru je synchronní stroj podobný asynchronnímu. Vinutí se nazývá kotva a provádí se se stejným počtem pólů jako v předchozím případě. Rotor je opatřen budicím vinutím, jehož přívod energie zajišťují sběrací kroužky a kartáče napojené na zdroj stejnosměrného proudu. Zdroj je nízkoenergetický generátor-budič namontovaný na jedné hřídeli. U synchronního stroje na střídavý proud působí vinutí jako generátor primárního magnetického pole. Během procesu návrhu se konstruktéři snaží vytvořit podmínky pro to, aby byla induktivní distribuce budícího polena površích statoru byla co nejblíže sinusovému tvaru.

Při zvýšeném zatížení generuje vinutí statoru magnetické pole s rotací ve směru rotoru se stejnou frekvencí. Vznikne tak jediné rotační pole, ve kterém bude pole statoru ovlivňovat rotor. Toto zařízení střídavých strojů umožňuje jejich použití jako elektromotory, pokud je do synchronního vinutí zpočátku přiváděn třífázový proud. Takové systémy vytvářejí podmínky pro koordinované otáčení rotoru s frekvencí odpovídající poli statoru.

Význačné a nevýrazné synchronní stroje

Hlavním rozdílem mezi systémy vyčnívajících tyčí je přítomnost vyčnívajících tyčí v konstrukci, které jsou připevněny ke speciálním výstupkům hřídele. U typických mechanismů se fixace provádí pomocí spojovacích prvků ve tvaru T k okraji kříže nebo hřídele skrz pouzdro. U zařízení střídavých strojů s nízkým výkonem lze stejný problém vyřešit šroubovými spoji. Jako materiál vinutí se používá pásová měď, která je navinutá na okraji, izoluje se speciálními těsněními. V očkách s póly v drážkách jsou umístěny navíjecí tyče pro spouštění. V tomto případě je použit materiál s vysokým měrným odporem, jako je mosaz. Obrysy vinutí na koncích jsou přivařeny ke zkratovacím prvkům a tvoří společné kroužky pro zkrat. Stroje s vyvýšenými póly o výkonovém potenciálu 10-12 kW lze provádět v tzv. inverzním provedení, kdy se kotva otáčí a póly induktoru zůstávají nehybné.stav.

U strojů bez vyčnívajících pólů je konstrukce založena na válcovém rotoru vyrobeném z ocelového výkovku. V rotoru jsou drážky pro vytvoření budícího vinutí, jehož póly jsou počítány pro vysoké otáčky. Použití takového vinutí v elektrických strojích s vysokým výkonem střídavého proudu je však nemožné kvůli vysokému stupni opotřebení rotoru v náročných provozních podmínkách. Z tohoto důvodu se i ve středně výkonových instalacích pro rotory používají vysokopevnostní komponenty z masivních výkovků na bázi chrom-nikl-molybdenových nebo chrom-niklových ocelí. V souladu s technickými požadavky na pevnost nesmí maximální průměr pracovní části rotoru rotoru nevyčnívajícího synchronního stroje překročit 125 cm prvků. Maximální délka rotoru je 8,5 m. Mezi nevýrazné pólové jednotky, které se používají v průmyslu, patří různé turbogenerátory. S jejich pomocí propojují zejména provozní momenty parních turbín s tepelnými elektrárnami.

Vlastnosti vertikálních hydrogenerátorů

Samostatná třída synchronních MPT s vyčnívajícími póly opatřená vertikální hřídelí. Taková zařízení jsou napojena na hydraulické turbíny a jsou vybírána podle výkonu obsluhovaných toků z hlediska frekvence otáčení. Většina AC strojů tohoto typu je nízkootáčkových, ale zároveň majívelké množství pólů. Mezi kritické pracovní součásti vertikálního hydrogenerátoru patří axiální ložisko a axiální ložisko, které nese zatížení od rotujících částí motoru. Zejména axiální ložisko je také vystaveno tlaku z proudu vody, který působí na lopatky turbíny. Kromě toho je k dispozici brzda pro zastavení rotace a v pracovní struktuře jsou také přítomna vodicí ložiska, která vnímají radiální síly.

V horní části stroje lze spolu s hydrogenerátorem umístit pomocné jednotky - např. budič generátoru a regulátor. Mimochodem, poslední jmenovaný je nezávislý střídavý stroj s vinutím a póly pro permanentní magnety. Toto nastavení zajišťuje napájení motoru pro funkci automatického regulátoru. U velkých vertikálních hydrogenerátorů může být budič nahrazen synchronním generátorem, který spolu s budicími jednotkami a rtuťovými usměrňovači napájí výkonová zařízení obsluhující pracovní proces hlavního hydrogenerátoru. Konfigurace stroje s vertikální hřídelí se také používá jako hnací mechanismus pro vysoce výkonná hydraulická čerpadla.

Sběratel MPT

Přítomnost kolektorové jednotky v konstrukci MPT je často určována potřebou vykonávat funkci převodu rychlosti otáčení v elektrickém zapojení různofrekvenčních obvodů na vinutí rotoru a statoru. Toto řešení umožňuje vybavit zařízení přídavnýmiprovozní vlastnosti včetně automatické regulace provozních parametrů. Střídavé kolektorové stroje, které jsou připojeny k třífázovým sítím, přijímají tři kartáčové prsty v každém segmentu dvoupólového rozdělení. Kartáče jsou vzájemně propojeny v paralelním obvodu s propojkami. V tomto smyslu jsou kolektorové MPT podobné stejnosměrným motorům, ale liší se od nich počtem kartáčů použitých na pólech. Kromě toho může mít stator v tomto systému několik dalších vinutí.

Vinutí uzavřené kotvy při použití kolektoru s třífázovými kartáči bude třífázové komplexní vinutí s trojúhelníkovým zapojením. Při rotaci kotvy si každá fáze vinutí zachovává nezměněnou polohu, sekce však střídavě přecházejí z jedné fáze do druhé. Pokud se ve střídavém komutátorovém stroji použije šestifázová sada kartáčů s vzájemným posunem o 60 °, vytvoří se šestifázové vinutí s polygonovým spojením. Na kartáčích vícefázového stroje se skupinou kolektorů je aktuální frekvence určena rotací magnetického toku vzhledem k pevným kartáčům. Směr otáčení rotoru může být protiběžný nebo přizpůsobený.

Použití MAT

Dnes se MPT používají všude tam, kde je v té či oné formě vyžadována výroba mechanické nebo elektrické energie. Velké výrobní jednotky se používají při údržbě inženýrských systémů, elektráren a zvedacích a přepravních jednotek a nízkoenergetické jednotky se používají v běžné domácnostizařízení od ventilátorů po čerpadla. Ale v obou případech je účel střídavých strojů redukován na rozvoj energetického potenciálu v dostatečném objemu. Další věc je, že zásadní význam mají strukturální rozdíly, implementace vnitřní konfigurace statoru a rotoru a také řídicí infrastruktura.

Přestože si obecné zařízení MPT zachovává stejnou sadu funkčních součástí po dlouhou dobu, zvyšující se požadavky na provoz takových systémů nutí vývojáře zavádět další ovládací prvky a ovládací prvky. V současné fázi technologického vývoje, zejména v souvislosti s využitím střídavých strojů v průmyslovém sektoru, je obtížné si představit provoz takových motorů a generátorů bez vysoce přesných prostředků pro regulaci provozních parametrů. K tomu se používají různé způsoby ovládání - puls, frekvence, reostat atd. Charakteristickým rysem moderního provozu MPT je také zavádění automatizace do regulační infrastruktury. Řídicí elektronika je na jedné straně připojena k elektrárně a na druhé straně k softwarovým ovladačům, které podle daného algoritmu dávají příkazy k nastavení konkrétních parametrů mechanismu.

Závěr

Elektrogenerátory a elektromotory jsou v dnešním průmyslu nepostradatelnou součástí energie. Díky své funkci pracují obráběcí stroje, dopravní, komunikační zařízení a další elektrické jednotky a zařízení vyžadující napájení. VV tomto případě existuje obrovské množství typů a poddruhů střídavých a stejnosměrných elektrických strojů, jejichž vlastnosti a vlastnosti nakonec určují místo pro jejich provoz. Mezi technické a provozní vlastnosti MPT patří jednodušší konstrukční zařízení a relativně nízké nároky na údržbu. Na druhou stranu se stejnosměrné stroje ukazují jako atraktivnější řešení problémů s napájením v komplexních kritických energetických systémech. Segment tuzemské výroby energetických průmyslových zařízení má bohaté zkušenosti s konstrukcí a výrobou obou typů elektrických strojů. Velké podniky se stále více zaměřují na vývoj individuálních řešení se strukturálními a provozními vlastnostmi. Odchylky od standardních provedení jsou často spojeny s nutností připojení pomocných funkčních celků a zařízení jako jsou chladicí systémy, ochranná zařízení proti přehřátí a kolísání sítě, přídavné a záložní napájení. Kromě toho má vnější provozní prostředí značný vliv na některé konstrukční vlastnosti elektrických strojů, což je také zohledněno ve fázích navrhování a vytváření zařízení.