Электр машиналар. Асинхрон машиналар. Ўзгармас ток машиналари

Синхрон генераторлар

Синхрон машиналар ҳам двигатель, ҳам генератор режимларида ишлаши мумкин. Бу машиналарнинг афзалликлари шундаки, уларда барча жараёнлар синхрон (n₁=n₂) тезликларда бўлиб ўтади, яъни роторнинг айланишлар сони статор магнит майдони айланишлар сонига тенг, яъни двигатель учун n₁=n₂=60צ/p боғлиқлик бажарилади (¦−таъминот тармоғи частотаси), ташқи айлантириш манбаи орқали айлантириладиган генератор учун чиқиш катталиги эса ишлаб чиқариладиган ЭЮКнинг ¦=p×n/60 (n−роторнинг айланиш тезлиги) частотаси хизмат қилади [1,5,12].

Шундан келиб чиқиб, бундай машиналар синхрон машиналар дейилади. Ҳозирги вақтдаги деярли барча энергия синхрон генераторлардан олинади. Синхрон генераторни айлантирувчи бирламчи двигателнинг турига қараб бир неча турларга бўлинади:
− гидроэлектростанцияларда; бу ерда бирламчи двигатель гидротурбина ҳисобланади, қутблари кўп сонли яққол кўринадиган, кичик тезликли гидрогенераторлар ишлатилади;
− иссиқлик электр станцияларида; бу ерда бирламчи двигатель буғ турбинаси ҳисобланади, қутблари кам сонли ва яққол кўринмайдиган катта тезликли гидрогенераторлар ишлатилади;
− кичик электр станцияларида; масалан алоқа корхоналарининг ўз электр станцияларида; бу ерда бирламчи двигатель дизель ҳисобланади, қутблари кўп сонли ва яққол кўринадиган, катта ва кичик тезликли дизель генераторлари ишлатилади.

4.6−расм. Синхрон генераторнинг ишлаш принципи

Синхрон генератор барча электр машиналар каби статор ва ротордан иборат. Синхрон генераторларнинг бир неча турлари мавжуд. Улардан биринчисида яққол кўринадиган қутблари статорда, уч фазали чўлғамлари эса ротор ариқчаларига жойлаштирилади. У ҳолда статор электротехник пўлат пластиналардан йиғилади, қутбларга эса қўзғатиш чўлғами ўралади, у ўзгармас токдан таъминланади ва машинада доимий магнит оқимини ҳосил қилади (4.6−расм).

Ротор фаза роторли асинхрон машиналардаги каби ясалади, яъни унда ариқчалар ўйилади ва унга ўзаро 120⁰ га сурилган ва кўпинча юлдуз схемада уланадиган учта ғалтакдан иборат уч фазали чўлғам жойлаштирилади. Чўлғамлар охирлари умумий нуқтага, бошлари эса ротор валига маҳкамланган ва бир-бирларидан изоляцияланган учта ҳалқачаларга уланади. Ҳар бир ҳалқача статорга маҳкамланган қўзғалмас чўтка билан сирпанма контакт ҳосил қилади. Бу чўткалар орқали ротор чўлғамларидан юкламага ЭЮК узатилади (4.7−расм).

4.7−расм. Синхрон генераторнинг кучланиш диаграммалари

Электр машиналарда ЭЮК индукцияланадиган қисм якорь дейилади. Бу ҳолда якорь ротор ҳисобланади.

Генераторнинг ишлаш принципи қуйидагича. Доимий магнит (ёки қўзғатиш чўлғами ҳосил қиладиган электромагнит) қутблари орасига уч фазали ғалтаклар тизими жойлаштирилади ва ташқи айлантириш манбаи ёрдамида айлантирилади. Ғалтаклар доимий магнит майдонида ҳаракатланганида уларда фазаси 2/3π га, яъни даврнинг 1/3 қисмига сурилган ЭЮК вужудга келади. Бу ЭЮК нинг частотаси ¦=p×n/60, бу ерда n=const бўлганида, частота ҳам f=const бўлади. Саноат частотасини f=50 Гц олиш учун n=3000 айл/мин. тезликни ушлаб туриш керак бўлади.
Агар машинани р=1 жуфт қутбли қилиб ясалса, n=3000 айлмин. тезликни, агар машинани р>1 жуфт қутбли қилиб ясалса, n<3000 айлмин. тезликни таъминлаши керак бўлади. Бундай тузилишдаги машинани фақат кичик қувватларда (15 кВт гача) ва кичик кучланишларда (380220 В) ишлаб чиқариш мумкин, чунки юқори кучланишларни ва токларни ҳаракатланадиган контактлардан олиш қийин.
Қўзғалмас доимий магнит майдонида уч фазали чўлғамни айлантириш ёки бу майдонни қўзғалмас уч фазали чўлғамга нисбатан айлантириш принципиал фарқ қилмайди. Шунинг учун синхрон машинанинг иккинчи тузилиши мавжуд бўлиб, бунда уч фазали якорь чўлғами статор ариқчаларига жойлаштирилади, яъни статор асинхрон машинадаги каби бўлади, ротор эса қутблари яққол кўринадиган бўлади ва унинг қутбларига ташқи ўзгармас ток манбаидан таъминланадиган қўзғатиш чўлғами ўралади (4.8–расм).

4.8–расм. Синхрон генераторнинг роторининг чизмаси

Роторнинг валига чўткалар орқали ташқи таъминот манбаларидан ўзгармас ток бериладиган иккита изоляцияланган ҳалқалар маҳкамланади. Ротор айланади ва мос равишда статорнинг магнит майдони ҳаракатланади. Магнит майдони уч фазали чўлғамларга нисбатан n тезликда айланади ва f=p×n/60 частотали ЭЮК индукцияланади. Энди эса юқори кучланишлар ва токлар қўзғалмас чўлғамлардан олинади. Одатда бундай роторлар p>3 жуфт қутбли қилиб ясалади, машинанинг тезлигини унча катта бўлмаган (n=1000 айл/мин.) тезликли қилиш мумкин. Агар юқори тезликни таъминлаш керак бўлса (яъни p<3 жуфт қутблар сонини), у ҳолда роторнинг механик пухталигини ошириш учун ротор қутблари яққол кўринмайдиган тарзда ишлаб чиқарилади. У цилиндр шаклида бўлиб, сиртига ариқчалар ўйилади. Бу ариқчаларга ўзгармас токни ўтказадиган ва айланувчан доимий магнит майдони ҳосил қиладиган қўзғатиш чўлғами жойлаштирилади. Одатда қутблари яққол кўринмайдиган роторлар p=1 жуфт қутбли, яъни юқори тезликли тарзда ишлаб чиқарилади. Ҳар қандай тузилишдаги синхрон машиналарнинг ишлаш принциплари бир хил.
Синхрон генераторларнинг асосий тавсифлари қуйидагилар ҳисобланади:

1. 
   салт ишлаш тавсифи E=f(I_қ), I_ю=const бўлганида;
   
2. 
   юклама тавсифи U=f(I_қ), I_ю=const бўлганида;
   
3. 
   ташқи тавсифи U=f(I_ю), I_қ=const бўлганида;
   
4. 
   ростлаш тавсифи I_қ =f(I_ю), U_ю=const бўлганида.
   

Барча тавсифлар n=const бўлганида олинади. Агар синхрон генератор салт ишлаётган бўлса, яъни юклама уланмаган бўлса, у ҳолда қўзғатиш чўлғами Ф_қ магнит оқимини вужудга келтирадиган F_қ=I _қ×W_қ (W_қ–қўзғатиш чўлғами ўрамлари сони) магнитловчи кучни ҳосил қилади. Ротор айланганида бу оқим статорнинг уч фазали чўлғамларини кесиб ўтади ва уларда магнит оқимидан p/2 бурчакка орқада қоладиган ЭЮКни индукциялайди. Бу ЭЮКнинг таъсир этувчи қиймати трансформатордаги каби E₀=4,44×f×K_r×W×Ф_m бўлади (W–биринчи фаза ўрамлари сони, K_r–уч фазали чўлғамнинг чўлғам коэффициенти). Е₀ ЭЮК Ф_m магнит оқимга тўғри пропорционал бўлганлиги учун қўзғатиш токига ҳам боғлиқ бўлади.
Салт ишлаш тавсифи машина магнит занжирининг магнитланиш эгри чизиғи шаклини такрорлайди. У 0 дан эмас, машинадаги қолдиқ магнит оқими туфайли Е₀=Е_қол қийматдан бошланади (4.9-расм). Е₀=f(I_қ) тавсиф эгри чизиқли характерга эга бўлади.

4.9–расм. Синхрон генераторнинг салт ишлаш тавсифи

Бошқа тавсифларни аниқлаш учун якор реакцияси нима эканлигини тушуниб олиш зарур. Генераторга юклама уланганида якорь чўлғамидан ток оқиб ўтади. Агар юклама симметрик бўлса, у ҳолда фазалардаги ток ўзаро даврнинг 1/3 қисмига сурилган бўлади. Бу токлар n=60×f/p тезликда айланувчан ўзгарувчан магнит майдони ҳосил қилади (яъни ротор айланаётган тезликдаги). Шундай қилиб, доимий ва ўзгарувчан майдонлар бир хил синхрон тезликларда айланади, яъни улар қатъий боғланган бўлади. Бунда айланаётган якорь майдони магнит куч чизиқларининг катта қисми машинанинг магнит занжири бўйича, яъни Ф_я якорь оқимини вужудга келтирган ҳолда статор ва ротор бўйича туташади. Майдоннинг магнит куч чизиқлари кам бўлган қисми эса Ф_ся тарқалиш оқимини вужудга келтирган ҳолда якорь чўлғамлари атрофида туташади. Бу оқимнинг мавжудлиги якорь чўлғамининг индуктив қаршилиги орқали асосланади. Якорнинг Ф_я оқими машинанинг магнит занжири бўйича туташиб, қутблар магнит оқимга таъсир қилади ва унинг катталигини ҳамда бўшлиқда тарқалишини ўзгартиради. Якорь майдонининг қутблар майдонига бундай таъсири якорь реакцияси дейилади. Якорь реакцияси туфайли юклама улангандаги магнит оқими салт ишлашдаги магнит оқимига тенг бўлмайди, бу эса ЭЮКка ва якорь қисқичларидаги кучланишга таъсир қилади. Якорь майдонининг қутблар майдонига таъсири генератор юкламаси характерига боғлиқ, чунки Ф₁ якорь реакцияси магнит оқими йўналиши юклама характерига боғлиқ равишда ўзгаради. Бу ҳолда машинанинг йиғинди ишчи оқими Ф_қ (қутблар) ва Ф₁ (якорь реакцияси) оқимлар вектор йиғиндисига тенг бўлади, яъни Ф_р=Ф_қ=Ф_я.
Актив юкламада Е₀ ЭЮК ва якорь чўлғамидаги I_я ток орасидаги бурчак 0 га тенг, Ф_қ ва Ф_я оқимлар векторлари эса ўзаро 90⁰ бурчак остида жойлашади, яъни машинанинг Ф_р йиғинди ишчи оқими салт ишлашдаги оқимдан кичик бўлади. Индуктив юкламада I_я ток Е₀ ЭЮКдан 90⁰ га орқада қолади, Ф_қ ва Ф_я оқимлар йўналишлари эса қарама-қарши бўлади, яъни улар орасидаги бурчак 180⁰ га тенг бўлади, ишчи оқим актив юкламадагига нисбатан янада камроқ бўлади. Сиғим юкламада I_я ток Е₀ ЭЮК ни 90⁰ га орқада қолдиради, Ф_қ ва Ф_я оқимлар эса бир томонга йўналади, яъни ишчи оқим бу оқимларнинг алгебраик йиғиндисига тенг бўлади ва актив юкламадагига нисбатан катта бўлади.
Генераторнинг юклама тавсифи U=f(I_қ) боғлиқлик бўлиб, юклама токи I_ю ва қувват коэффициенти cosφ ўзгармас бўлганда олинади (4.10–расм).

4.10–расм. Синхрон генераторнинг юклама тавсифи

Генератор юкламада ишлагандаги унинг чиқишларидаги кучланиш юклама токига боғлиқ бўлади. Бу тавсифларни турли юклама турларида кўриб чиқамиз. Актив юкламада φ=0, кучланиш эса салт ишлашдаги ЭЮКдан кичик бўлади, чунки ишчи оқим салт ишлашдаги ишчи оқимдан якорнинг кўндаланг реакцияси ҳисобига кичик бўлади, яъни бу тавсиф салт ишлаш тавсифидан пастроқдан ўтади. Индуктив юкламада φ>0, ишчи оқим янада камроқ бўлади, яъни тавсиф ҳам оқимнинг камайиши, ҳам якорь чўлғамидаги кучланишнинг пасайиши ҳисобига янада пастроқдан ўтади. Сиғим юкламада φ<0, ишчи оқим ортади, яъни кучланиш ортади ва якорь чўлғамларида кучланиш пасайишига қарамасдан тавсиф салт ишлаш тавсифидан юқорироқдан ўтиши мумкин.
Генераторнинг ташқи тавсифи U=f(I_ю) (I_қ=const ва cosj=const бўлганида) олинади (4.11–расм). У ҳам юклама характерига боғлиқ бўлади.

4.11–расм. Синхрон генераторнинг ташқи тавсифси

Якорь реакцияси оқимини якорь чўлғамидан оқиб ўтадиган юклама токи келтириб чиқаради ва шунинг учун бу ток қанча катта бўлса у шунча катта бўлади ва ишчи оқимга, яъни кучланиш қийматига шунча катта таъсир қилади. Актив юкламада φ=0, у машинанинг ишчи оқимини камайтиради, яъни юклама токининг ортиши билан чўлғамдаги кучланишнинг тушиши ва Ф_р магнит оқимининг камайиши ҳисобига чиқиш кучланиши камаяди. Индуктив юкламада φ>0, Ф_р магнит оқими янада камая боради, шунинг учун чиқиш кучланиши ҳам актив юкламадагидан кўпроқ камаяди. Сиғим юкламада φ<0, Ф_р магнит оқими ортиб боради, шунинг учун, яъни юклама токининг ортиши билан чиқиш кучланиши ортади, яъни тавсиф актив юкламадагидан юқорироқда жойлашади. Генераторнинг ростлаш тавсифи I_қ=f(I_ю), U=const ва cosj=const бўлганида олинади (4.12–расм).

4.12-расм. Синхрон генераторнинг ростлаш тавсифи

Генератор чиқишидаги кучланиш ҳам ўзгаришсиз бўлиши учун ишчи оқим ҳам ўзгармаслиги керак. Ф_р оқим Ф_m ва Ф_а оқимлар йиғиндисидан иборат. Ф_m оқим юкламага боғлиқ, у ҳолда юклама ва Ф_а оқим ўзгарганида Ф_р оқимни ўзгаришсиз сақлаш учун Ф_m оқимни ўзгартириш, яъни қўзғатиш токини ўзгартириш керак бўлади. Бу тавсифлар ҳам юклама характерига боғлиқ бўлади. Актив юкламада (φ=0) Ф_а оқим Ф_р оқимни камайтиради, шунинг учун Ф_р=const бўлиши учун Ф_m оқимни, яъни яъни қўзғатиш токини орттириш керак бўлади. Бунда ростлаш тавсифи юқоридан ўтади.
Индуктив юкламада (φ>0) Ф_а оқим Ф_р оқимни янада камайтиради, шунинг учун Ф_р=const бўлиши учун Ф_m оқимни янада орттириш керак бўлади, яъни ростлаш тавсифи янада юқоридан ўтади. Сиғим юкламада (φ<0) Ф_а оқим Ф_р оқимни орттиради, шунинг учун Ф_р=const бўлиши учун Ф_m оқимни, яъни машинанинг қўзғатиш токини камайтириш керак бўлади, демак ростлаш тавсифи актив юкламадагидан пастдан ўтади, яъни I_ю токнинг ортиши билан қўзғатиш токини камайтириш керак бўлади.