AC-Maschinen: Gerät, Wirkungsweise, Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Elektrische Maschinen erfüllen die entscheidende Funktion der Energieumwandlung in Arbeitsmechanismen und Kraftwerken. Solche Geräte finden in unterschiedlichen Bereichen ihren Platz und versorgen die Exekutive mit ausreichendem Leistungspotential. Eines der beliebtesten Systeme dieser Art sind AC-Maschinen (ACMs), die innerhalb ihrer Klasse mehrere Varianten und Unterschiede aufweisen.

Allgemeine Informationen zu MAT

Das Segment der MPT oder elektromechanischen Wandler kann bedingt in einphasige und dreiphasige Systeme unterteilt werden. Auf der Grundebene werden auch asynchrone, synchrone und Kollektorgeräte unterschieden, während das allgemeine Funktionsprinzip und das Design viel gemeinsam haben. Diese Einordnung von Wechselstrommaschinen ist bedingt, da moderne elektromechanische Umwandlungsstationen teilweise Arbeitsabläufe aus jeder Gerätegruppe beinh alten.

In der Regel basiert der MPT auf einem Stator und einem Rotor, zwischen denen ein Luftsp alt vorgesehen ist. Auch hier basiert der Arbeitszyklus unabhängig von der Art der Maschine auf der Drehung des Magnetfelds. Entspricht aber bei einer Synchronanlage die Bewegung des Rotors der Richtung des Kraftfeldes, so kann sich bei einer Asynchronmaschine der Rotor in eine andere Richtung und mit anderen Frequenzen bewegen. Dieser Unterschied bestimmt auch die Merkmale des Maschineneinsatzes. Wenn also Synchronmotoren sowohl als Generator als auch als elektromechanischer Motor fungieren können, werden hauptsächlich Asynchronmotoren als Motoren verwendet.

Bei der Anzahl der Phasen werden Ein- und Mehrphasensysteme unterschieden. Darüber hinaus verdienen Vertreter der zweiten Kategorie unter dem Gesichtspunkt der praktischen Verwendung Aufmerksamkeit. Dabei handelt es sich meist um Drehstrommaschinen, bei denen das Magnetfeld lediglich die Funktion eines Energieträgers übernimmt. Andererseits verschwinden einphasige Geräte aufgrund von Betriebsunpraktikabilität und großen Abmessungen allmählich aus der Anwendungspraxis, obwohl in einigen Bereichen der entscheidende Faktor für ihre Wahl der niedrige Preis ist.

Unterschiede zu Gleichstrommaschinen

Der grundlegende konstruktive Unterschied liegt in der Lage der Wicklung. Bei AC-Systemen bedeckt es den Stator und bei DC-Maschinen den Rotor. In beiden Gruppen unterscheiden sich Elektromotoren in der Art der Stromerregung - gemischt, parallel und in Reihe. Heute werden AC- und DC-Maschinen in der Industrie, der Landwirtschaft und im Haush altsbereich eingesetzt, aber erst rechtOption ist in Bezug auf die Leistung attraktiver. Lichtmaschinen und Wechselstrommotoren profitieren von verbessertem Design, Zuverlässigkeit und hoher Energieeffizienz.

Der Einsatz von Gleichstromgeräten ist in Bereichen weit verbreitet, in denen die Anforderungen an die Genauigkeit der Regelung von Betriebsparametern im Vordergrund stehen. Dies können Transportzugwerke, Werkzeugmaschinen und komplexe Messgeräte sein. Gleich- und Wechselstrommaschinen haben leistungsmäßig einen hohen Wirkungsgrad, jedoch mit unterschiedlichen Möglichkeiten der technischen und konstruktiven Anpassung an spezifische Einsatzbedingungen. Der DC-Betrieb bietet mehr Optionen für die Drehzahlregelung, was bei der Wartung von Servo- und Schrittmotoren wichtig ist.

Asynchrones MPT-Gerät

Für die technische Basis dieser Vorrichtung in Form eines Rotors und eines Stators wird Stahlblech verwendet, das vor dem Zusammenbau beidseitig mit einer isolierenden Öl-Kolophonium-Schicht überzogen wird. Bei leistungsschwachen Maschinen kann der Kern aus Elektroband ohne zusätzliche Beschichtung bestehen, da hier die natürliche Oxidschicht auf der Metalloberfläche als Isolator wirkt. Der Stator ist im Gehäuse befestigt, der Rotor auf der Welle. Bei asynchronen Hochleistungs-Wechselstrommaschinen kann der Rotorkern auch mit einer auf der Welle montierten Hülse auf dem Gehäuserand montiert werden. Die Welle selbst muss sich auf den Lagerschilden drehen, die ebenfalls am Gehäuseboden befestigt sind.

Die Außenflächen des Rotors und die Innenflächen des Stators werden zunächst mit Nuten zur Aufnahme der Wicklungsleiter versehen. Im Stator von Wechselstrommaschinen ist die Wicklung oft dreiphasig und an das entsprechende 380-V-Netz angeschlossen, auch Primärwicklung genannt. Ähnlich ist die Rotorwicklung ausgeführt, deren Enden üblicherweise eine sternförmige Verbindung bilden. Außerdem sind Schleifringe vorhanden, über die zusätzlich ein Regelwiderstand zur Einstellung oder ein Drehstrom-Anfahrelement angeschlossen werden kann.

Es ist auch wichtig, die Parameter des Luftsp alts zu beachten, der als Dämpferzone wirkt, die Geräusche, Vibrationen und Wärme während des Betriebs des Geräts reduziert. Je größer die Maschine, desto größer sollte der Sp alt sein. Sein Wert kann von einem bis zu mehreren Millimetern variieren. Wenn es baulich nicht möglich ist, genügend Platz für die Luftzone zu lassen, wird ein zusätzliches Kühlsystem für das Gerät vorgesehen.

Das Funktionsprinzip von asynchronem MPT

Die Drehstromwicklung ist dabei an ein symmetrisches Netz mit Drehspannung angeschlossen, wodurch sich im Luftsp alt ein Magnetfeld ausbildet. Bei der Ankerwicklung werden besondere Maßnahmen ergriffen, um eine harmonische räumliche Verteilung des Feldes für den Dämpfungssp alt zu erreichen, der ein System rotierender Magnetpole bildet. Gemäß dem Funktionsprinzip einer Wechselstrommaschine wird an jedem Pol ein magnetischer Fluss gebildet, der die Wicklungskreise kreuzt und dadurch die Erzeugung von Elektromotoren hervorruftStärke. In der Drehstromwicklung wird ein Drehstrom induziert, der das Motordrehmoment bereitstellt. Vor dem Hintergrund der Wechselwirkung des Rotorstroms mit magnetischen Flüssen entsteht an den Leitern eine elektromagnetische Kraft.

Wird der Rotor unter Einwirkung einer äußeren Kraft in Bewegung versetzt, deren Richtung der Flussrichtung des Magnetfeldes der Wechselstrommaschine entspricht, beginnt der Rotor mit dem Überholen Rotationsgeschwindigkeit des Feldes. Dies tritt auf, wenn die Statordrehzahl die Nennsynchronfrequenz überschreitet. Gleichzeitig wird die Bewegungsrichtung elektromagnetischer Kräfte geändert. Auf diese Weise wird ein Bremsmoment mit umgekehrter Wirkung gebildet. Dieses Funktionsprinzip ermöglicht es, die Maschine als Generator zu verwenden, der im Modus der Wirkleistungsabgabe an das Netz arbeitet.

Aufbau und Funktionsprinzip des synchronen MPT

Eine Synchronmaschine gleicht in Bauart und Lage des Stators einer Asynchronmaschine. Die Wicklung wird als Anker bezeichnet und ist mit der gleichen Polzahl wie im vorherigen Fall ausgeführt. Der Rotor ist mit einer Erregerwicklung versehen, deren Energieversorgung durch an eine Gleichstromquelle angeschlossene Schleifringe und Bürsten erfolgt. Eine Quelle ist ein Generator-Erreger mit geringer Leistung, der auf einer einzelnen Welle montiert ist. In einer synchronen Wechselstrommaschine wirkt die Wicklung als Generator des primären Magnetfelds. Während des Designprozesses bemühen sich Designer, Bedingungen zu schaffen, damit die induktive Verteilung des Anregungsfeldesauf den Oberflächen des Stators möglichst sinusförmig war.

Bei erhöhter Belastung erzeugt die Statorwicklung ein Magnetfeld mit Rotation in Richtung des Rotors mit gleicher Frequenz. Somit wird ein einziges Rotationsfeld gebildet, in dem das Statorfeld auf den Rotor wirkt. Diese Vorrichtung von Wechselstrommaschinen ermöglicht deren Verwendung als Elektromotor, wenn der Synchronwicklung zunächst ein Drehstrom zugeführt wird. Solche Systeme schaffen Bedingungen für die koordinierte Rotation des Rotors mit einer dem Statorfeld entsprechenden Frequenz.

Synchronmaschinen mit und ohne Schenkel

Der Hauptunterschied zwischen ausgeprägten Stangensystemen ist das Vorhandensein von vorstehenden Stangen im Design, die an speziellen Vorsprüngen des Schafts befestigt sind. Bei typischen Mechanismen erfolgt die Befestigung mit Hilfe von T-förmigen Endbefestigungen am Rand des Kreuzes oder am Schaft durch die Buchse. Bei der Einrichtung von Kleinleistungs-Wechselstrommaschinen kann das gleiche Problem durch Schraubverbindungen gelöst werden. Als Wickelmaterial wird Kupferband verwendet, das mit speziellen Dichtungen isolierend an einer Kante gewickelt wird. In Laschen mit Stangen in den Nuten werden die Wicklungsstangen zum Starten eingelegt. In diesem Fall wird ein hochohmiges Material wie Messing verwendet. Die Wicklungskonturen an den Enden sind mit den Kurzschlusselementen verschweißt und bilden gemeinsame Ringe für einen Kurzschluss. Schenkelpolmaschinen mit einem Leistungspotential von 10-12 kW können in sogenannter invertierter Ausführung ausgeführt werden, bei der sich der Anker dreht und die Induktorpole stationär bleibenZustand.

Bei Vollpolmaschinen basiert die Konstruktion auf einem zylindrischen Rotor aus Schmiedestahl. Im Rotor befinden sich Nuten zur Bildung der Erregerwicklung, deren Pole für hohe Drehzahlen berechnet sind. Der Einsatz einer solchen Wicklung in elektrischen Maschinen mit Wechselstrom hoher Leistung ist jedoch aufgrund des hohen Rotorverschleißes bei rauen Betriebsbedingungen nicht möglich. Aus diesem Grund werden auch in mittleren Leistungsanlagen für Rotoren hochfeste Bauteile aus Massivschmiedestücken auf Basis von Chrom-Nickel-Molybdän oder Chrom-Nickel-Stählen eingesetzt. In Übereinstimmung mit den technischen Festigkeitsanforderungen darf der maximale Durchmesser des Arbeitsteils des Rotors eines vollflächigen Synchronmaschinenrotors 125 cm Elemente nicht überschreiten. Die maximale Länge des Rotors beträgt 8,5 m. Zu den Vollpoleinheiten, die in der Industrie eingesetzt werden, gehören verschiedene Turbogeneratoren. Mit ihrer Hilfe verbinden sie insbesondere die Betriebsmomente von Dampfturbinen mit thermischen Kraftwerken.

Eigenschaften vertikaler Hydrogeneratoren

Eine separate Klasse von synchronen MPTs mit ausgeprägtem Pol, die mit einer vertikalen Welle ausgestattet sind. Solche Anlagen sind mit hydraulischen Turbinen verbunden und werden nach der Leistung der versorgten Strömungen in Bezug auf die Rotationsfrequenz ausgewählt. Die meisten AC-Maschinen dieses Typs sind langsam, aber gleichzeitig haben sieeine große Anzahl von Polen. Unter den kritischen Arbeitskomponenten eines vertikalen Hydrogenerators kann man ein Axiallager und ein Axiallager feststellen, das die Last von den rotierenden Teilen des Motors trägt. Insbesondere das Axiallager wird auch durch die Wasserströmung, die auf die Turbinenschaufeln einwirkt, mit Druck beaufschlagt. Darüber hinaus ist eine Bremse vorgesehen, um die Drehung zu stoppen, und es sind auch Führungslager in der Arbeitsstruktur vorhanden, die radiale Kräfte aufnehmen.

Im oberen Teil der Maschine können neben dem Hydrogenerator auch Nebenaggregate platziert werden - zum Beispiel ein Generatorerreger und ein Regler. Letzteres ist übrigens eine unabhängige Wechselstrommaschine mit Wicklung und Polen für Permanentmagnete. Diese Einstellung versorgt den Motor mit Strom für die automatische Reglerfunktion. In großen vertikalen Hydrogeneratoren kann der Erreger durch einen Synchrongenerator ersetzt werden, der zusammen mit den Erregereinheiten und Quecksilbergleichrichtern die Energie für die Leistungsgeräte liefert, die dem Arbeitsprozess des Haupthydrogenerators dienen. Die Maschinenkonfiguration mit vertikaler Welle wird auch als Antriebsmechanismus für Hochleistungs-Hydraulikpumpen verwendet.

Collector MPT

Das Vorhandensein einer Kollektoreinheit in der Konstruktion des MPT wird häufig durch die Notwendigkeit bestimmt, die Funktion der Drehzahlumwandlung in der elektrischen Verbindung von Sch altungen mit unterschiedlicher Frequenz an den Rotor- und Statorwicklungen auszuführen. Mit dieser Lösung können Sie das Gerät mit zusätzlichen ausstattenBetriebseigenschaften, einschließlich automatischer Regelung von Betriebsparametern. Wechselstrom-Kollektormaschinen, die an Drehstromnetze angeschlossen sind, erh alten in jedem Segment der Doppelpolteilung drei Bürstenfinger. Die Bürsten sind in einer Parallelsch altung mit Steckbrücken miteinander verbunden. In diesem Sinne ähneln Kollektor-MPTs Gleichstrommotoren, unterscheiden sich jedoch von ihnen in der Anzahl der an den Polen verwendeten Bürsten. Außerdem kann der Stator in diesem System mehrere zusätzliche Wicklungen haben.

Die geschlossene Ankerwicklung bei Verwendung eines Kollektors mit Drehstrombürsten ist eine komplexe Drehstromwicklung mit Dreiecksch altung. Während der Drehung des Ankers behält jede Phase der Wicklung eine unveränderte Position bei, die Abschnitte gehen jedoch abwechselnd von einer Phase zur anderen über. Wird in einer Wechselstrom-Kollektormaschine ein sechsphasiger Bürstensatz mit einer Verschiebung von 60 ° zueinander verwendet, so wird eine sechsphasige Wicklung mit einer Polygonverbindung gebildet. An den Bürsten einer mehrphasigen Maschine mit Kollektorgruppe wird die Stromfrequenz durch die Drehung des magnetischen Flusses relativ zu den feststehenden Bürsten bestimmt. Die Drehrichtung des Rotors kann entweder gegenläufig oder angepasst sein.

Verwendung von MAT

MPT werden heute überall dort eingesetzt, wo in der einen oder anderen Form mechanische oder elektrische Energie erzeugt werden muss. Große Produktionseinheiten werden bei der Wartung von technischen Systemen, Kraftwerken und Hebe- und Transporteinheiten verwendet, und Einheiten mit geringer Leistung werden im normalen Haush alt verwendetAusrüstung von Ventilatoren bis zu Pumpen. Aber in beiden Fällen reduziert sich der Zweck von Wechselstrommaschinen auf die Erschließung von Energiepotential in ausreichendem Umfang. Zum anderen sind strukturelle Unterschiede, die Umsetzung der internen Konfiguration von Stator und Rotor sowie die Steuerungsinfrastruktur von grundlegender Bedeutung.

Obwohl das allgemeine MPT-Gerät für lange Zeit denselben Satz von Funktionskomponenten beibehält, zwingen die steigenden Anforderungen für den Betrieb solcher Systeme Entwickler, zusätzliche Steuerungen und Kontrollen einzuführen. Beim derzeitigen Stand der technologischen Entwicklung, insbesondere im Zusammenhang mit dem Einsatz von Wechselstrommaschinen im industriellen Bereich, ist der Betrieb solcher Motoren und Generatoren ohne hochpräzise Mittel zur Regelung von Betriebsparametern kaum vorstellbar. Dazu werden verschiedene Steuermethoden verwendet - Impuls, Frequenz, Rheostat usw. Auch die Einführung der Automatisierung in die regulatorische Infrastruktur ist ein charakteristisches Merkmal des modernen MPT-Betriebs. Die Steuerelektronik ist einerseits mit dem Kraftwerk und andererseits mit den Software-Controllern verbunden, die nach einem bestimmten Algorithmus Befehle zum Einstellen bestimmter Parameter des Mechanismus geben.

Schlussfolgerung

Stromgeneratoren und Elektromotoren sind in der heutigen Industrie unverzichtbare Leistungskomponenten. Aufgrund ihrer Funktion arbeiten Werkzeugmaschinen, Transportmittel, Kommunikationsanlagen und andere elektrische Einheiten und Geräte, die eine Stromversorgung benötigen. BeiIn diesem Fall gibt es eine Vielzahl von Typen und Unterarten von AC- und DC-Elektromaschinen, deren Merkmale und Eigenschaften letztendlich die Nische für ihren Betrieb bestimmen. Zu den technischen und betrieblichen Merkmalen des MPT gehören eine einfachere strukturelle Vorrichtung und relativ geringe Wartungsanforderungen. Andererseits erweisen sich DC-Maschinen als attraktivere Lösung für Stromversorgungsprobleme in komplexen kritischen Stromversorgungssystemen. Das inländische Produktionssegment der Energieindustrieausrüstung verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Konstruktion und Produktion beider Arten von elektrischen Maschinen. Große Unternehmen setzen zunehmend auf die Entwicklung individueller Lösungen mit strukturellen und betrieblichen Besonderheiten. Abweichungen von Standardausführungen sind oft mit der Notwendigkeit verbunden, zusätzliche Funktionseinheiten und Ausrüstungen wie Kühlsysteme, Schutzeinrichtungen gegen Überhitzung und Netzschwankungen, Zusatz- und Notstromversorgung anzuschließen. Darüber hinaus hat die äußere Betriebsumgebung einen erheblichen Einfluss auf einige der strukturellen Eigenschaften elektrischer Maschinen, was auch in den Phasen des Entwurfs und der Erstellung von Geräten berücksichtigt wird.