Machines à courant alternatif : appareil, principe de fonctionnement, application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Les machines électriques remplissent la fonction critique de conversion d'énergie dans les mécanismes de travail et les centrales électriques. De tels dispositifs trouvent leur place dans différents domaines, fournissant aux organes exécutifs un potentiel de puissance suffisant. L'un des systèmes les plus populaires de ce type sont les machines à courant alternatif (ACM), qui ont plusieurs variétés et différences au sein de leur classe.

Informations générales sur MAT

Le segment des convertisseurs MPT ou électromécaniques peut être conditionnellement divisé en systèmes monophasés et triphasés. De plus, au niveau de base, les dispositifs asynchrones, synchrones et collecteurs sont distingués, tandis que le principe général de fonctionnement et la conception ont beaucoup en commun. Cette classification des machines à courant alternatif est conditionnelle, car les stations de conversion électromécaniques modernes impliquent partiellement les flux de travail de chaque groupe d'appareils.

En règle générale, le MPT est basé sur un stator et un rotor, entre lesquels un entrefer est prévu. Là encore, quel que soit le type de machine, le cycle de travail est basé sur la rotation du champ magnétique. Mais si dans une installation synchrone le mouvement du rotor correspond à la direction du champ de force, alors dans une machine asynchrone le rotor peut se déplacer dans une direction différente et avec des fréquences différentes. Cette différence détermine également les caractéristiques de l'utilisation des machines. Ainsi, si les synchrones peuvent agir à la fois comme générateur et comme moteur électromécanique, alors les asynchrones sont principalement utilisés comme moteurs.

En ce qui concerne le nombre de phases, on distingue les systèmes monophasés et multiphasés. De plus, du point de vue de l'utilisation pratique, les représentants de la deuxième catégorie méritent l'attention. Ce sont pour la plupart des machines à courant alternatif triphasé, dans lesquelles le champ magnétique ne remplit que la fonction de vecteur d'énergie. Les appareils monophasés, en revanche, en raison de leur impossibilité opérationnelle et de leurs grandes tailles, disparaissent progressivement de la pratique d'application, bien que dans certaines régions, le facteur décisif dans leur choix soit le faible coût.

Différences avec les machines DC

La différence structurelle fondamentale réside dans l'emplacement de l'enroulement. Dans les systèmes à courant alternatif, il couvre le stator et dans les machines à courant continu, le rotor. Dans les deux groupes, les moteurs électriques diffèrent par le type d'excitation de courant - mixte, parallèle et série. Aujourd'hui, les machines AC et DC sont utilisées dans l'industrie, l'agriculture et le secteur domestique, mais le premieroption est plus intéressante en termes de performances. Les alternateurs et les moteurs à courant alternatif bénéficient d'une conception, d'une fiabilité et d'un rendement énergétique améliorés.

L'utilisation d'appareils à courant continu est répandue dans les domaines où les exigences de précision de la régulation des paramètres de fonctionnement sont primordiales. Il peut s'agir de mécanismes de traction de transport, de machines-outils et d'instruments de mesure complexes. En termes de performances, les machines à courant continu et à courant alternatif ont un rendement élevé, mais avec différentes possibilités d'ajustement technique et structurel aux conditions d'application spécifiques. Le fonctionnement CC offre plus d'options pour le contrôle de la vitesse, ce qui est important lors de l'entretien des servomoteurs et des moteurs pas à pas.

Dispositif MPT asynchrone

Pour la base technique de cet appareil sous la forme d'un rotor et d'un stator, une tôle d'acier est utilisée, qui est recouverte d'une couche isolante d'huile de colophane des deux côtés avant l'assemblage. Dans les machines de faible puissance, le noyau peut être en acier électrique sans revêtement supplémentaire, car dans ce cas, la couche d'oxyde naturelle à la surface du métal agit comme un isolant. Le stator est fixé dans le carter et le rotor sur l'arbre. Dans les machines à courant alternatif asynchrones à haute puissance, le noyau du rotor peut également être monté sur la jante du boîtier avec un manchon monté sur l'arbre. L'arbre lui-même doit tourner sur les flasques de roulement, qui sont également fixés à la base du boîtier.

Les surfaces extérieures du rotor et les surfaces intérieures du stator sont initialement pourvues de rainures pour recevoir les conducteurs de bobinage. Dans le stator des machines à courant alternatif, l'enroulement est souvent triphasé et connecté au réseau approprié de 380 V. Il est également appelé primaire. L'enroulement du rotor est réalisé de manière similaire, dont les extrémités forment généralement une connexion dans une configuration en étoile. Des bagues collectrices sont également fournies, à travers lesquelles un rhéostat pour le réglage ou un élément de démarrage triphasé peut être connecté en plus.

Il est également important de noter les paramètres de l'entrefer, qui agit comme une zone d'amortissement qui réduit le bruit, les vibrations et la chaleur pendant le fonctionnement de l'appareil. Plus la machine est grande, plus l'écart doit être grand. Sa valeur peut varier de un à plusieurs millimètres. S'il est structurellement impossible de laisser suffisamment d'espace pour la zone d'air, un système de refroidissement supplémentaire pour l'unité est fourni.

Le principe de fonctionnement du MPT asynchrone

Dans ce cas, l'enroulement triphasé est connecté à un réseau symétrique avec une tension triphasée, à la suite de quoi un champ magnétique se forme dans l'entrefer. En ce qui concerne l'enroulement d'induit, des mesures spéciales sont prises pour obtenir une répartition spatiale harmonique du champ pour l'entrefer d'amortissement, qui forme un système de pôles magnétiques rotatifs. Selon le principe de fonctionnement d'une machine à courant alternatif, un flux magnétique se forme à chaque pôle, qui traverse les circuits de bobinage, provoquant ainsi la génération de courant électromoteur.force. Un courant triphasé est induit dans l'enroulement triphasé, qui fournit le couple moteur. Dans le contexte de l'interaction du courant du rotor avec les flux magnétiques, une force électromagnétique se forme sur les conducteurs.

Si le rotor, sous l'action d'une force externe, est mis en mouvement, dont la direction correspond à la direction des flux du champ magnétique de la machine à courant alternatif, alors le rotor commencera à dépasser le vitesse de rotation du champ. Cela se produit lorsque la vitesse du stator dépasse la fréquence synchrone nominale. Dans le même temps, la direction du mouvement des forces électromagnétiques sera modifiée. De cette manière, un couple de freinage avec une action inverse est formé. Ce principe de fonctionnement permet d'utiliser la machine comme générateur fonctionnant en mode de sortie de puissance active sur le réseau.

Conception et principe de fonctionnement du MPT synchrone

En termes de conception et d'emplacement du stator, une machine synchrone est similaire à une machine asynchrone. L'enroulement s'appelle une armature et s'effectue avec le même nombre de pôles que dans le cas précédent. Le rotor est muni d'un bobinage d'excitation dont l'alimentation en énergie est assurée par des bagues collectrices et des balais reliés à une source de courant continu. Une source est un générateur-excitateur de faible puissance monté sur un seul arbre. Dans une machine à courant alternatif synchrone, l'enroulement agit comme un générateur du champ magnétique primaire. Au cours du processus de conception, les concepteurs s'efforcent de créer des conditions pour que la distribution inductive du champ d'excitationsur les surfaces du stator était aussi sinusoïdale que possible.

À des charges accrues, l'enroulement du stator génère un champ magnétique avec rotation dans le sens du rotor avec la même fréquence. Ainsi, un seul champ de rotation est formé, dans lequel le champ statorique affectera le rotor. Ce dispositif de machines à courant alternatif leur permet d'être utilisées comme moteurs électriques, si un courant triphasé est initialement fourni à l'enroulement synchrone. De tels systèmes créent des conditions pour la rotation coordonnée du rotor avec une fréquence correspondant au champ du stator.

Machines synchrones saillantes et non saillantes

La principale différence entre les systèmes de poteaux saillants est la présence de poteaux saillants dans la conception, qui sont attachés à des saillies spéciales de l'arbre. Dans les mécanismes typiques, la fixation est réalisée à l'aide de fixations de queue en forme de T sur le bord de la croix ou de l'arbre à travers la douille. Dans le dispositif des machines à courant alternatif de faible puissance, le même problème peut être résolu par des connexions boulonnées. En tant que matériau d'enroulement, on utilise du cuivre en bande, qui est enroulé sur un bord, isolant avec des joints spéciaux. Dans les pattes avec des pôles dans les rainures, les tiges d'enroulement pour le démarrage sont placées. Dans ce cas, un matériau à haute résistivité comme le laiton est utilisé. Les contours d'enroulement aux extrémités sont soudés aux éléments de court-circuit, formant des anneaux communs pour un court-circuit. Les machines à pôles saillants avec un potentiel de puissance de 10 à 12 kW peuvent être réalisées dans la conception dite inversée, lorsque l'armature tourne et que les pôles de l'inducteur restent fixescondition.

Dans les machines à pôles non saillants, la conception est basée sur un rotor cylindrique en acier forgé. Il y a des rainures dans le rotor pour former l'enroulement d'excitation, dont les pôles sont calculés pour des vitesses élevées. Cependant, l'utilisation d'un tel bobinage dans des machines électriques à courant alternatif de forte puissance est impossible en raison du degré élevé d'usure du rotor dans des conditions de fonctionnement difficiles. Pour cette raison, même dans les installations de moyenne puissance, des composants à haute résistance constitués de pièces forgées solides à base d'aciers au chrome-nickel-molybdène ou au chrome-nickel sont utilisés pour les rotors. Conformément aux exigences techniques de résistance, le diamètre maximal de la partie travaillante du rotor d'un rotor de machine synchrone non saillant ne peut excéder 125 cm d'éléments. La longueur maximale du rotor est de 8,5 m. Les unités à pôles non saillants utilisées dans l'industrie comprennent divers turbogénérateurs. Avec leur aide, en particulier, ils relient les moments de fonctionnement des turbines à vapeur aux centrales thermiques.

Caractéristiques des générateurs hydroélectriques verticaux

Une classe distincte de MPT synchrones à pôles saillants équipés d'un arbre vertical. De telles installations sont reliées à des turbines hydrauliques et sont sélectionnées en fonction de la puissance des débits desservis en termes de fréquence de rotation. La plupart des machines à courant alternatif de ce type sont à basse vitesse, mais en même temps, elles ontun grand nombre de pôles. Parmi les composants de travail critiques d'un hydrogénérateur vertical, on peut noter un palier de butée et un palier de butée, qui supporte la charge des pièces rotatives du moteur. La butée, en particulier, est également soumise à la pression du flux d'eau, qui agit sur les aubes de turbine. De plus, un frein est prévu pour arrêter la rotation, et des paliers de guidage sont également présents dans la structure de travail qui perçoivent les forces radiales.

Dans la partie supérieure de la machine, avec l'hydrogénérateur, des unités auxiliaires peuvent être placées - par exemple, une excitatrice de générateur et un régulateur. Soit dit en passant, ce dernier est une machine à courant alternatif indépendante avec un enroulement et des pôles pour les aimants permanents. Ce réglage alimente le moteur pour la fonction de régulateur automatique. Dans les grands générateurs hydroélectriques verticaux, l'excitateur peut être remplacé par un générateur synchrone qui, avec les unités d'excitation et les redresseurs au mercure, alimente les dispositifs de puissance servant au processus de travail du générateur hydroélectrique principal. La configuration de la machine à arbre vertical est également utilisée comme mécanisme d'entraînement pour les pompes hydrauliques à usage intensif.

Collecteur MPT

La présence d'un collecteur dans la conception du MPT est souvent déterminée par la nécessité d'effectuer la fonction de conversion de la vitesse de rotation dans la connexion électrique de circuits à différentes fréquences sur les enroulements du rotor et du stator. Cette solution vous permet d'équiper l'appareil depropriétés opérationnelles, y compris la régulation automatique des paramètres de fonctionnement. Les machines à courant alternatif connectées à des réseaux triphasés reçoivent trois doigts de brosse dans chaque segment de la division bipolaire. Les balais sont connectés les uns aux autres dans un circuit parallèle avec des cavaliers. En ce sens, les MPT à collecteur sont similaires aux moteurs à courant continu, mais en diffèrent par le nombre de balais utilisés sur les pôles. De plus, le stator de ce système peut avoir plusieurs enroulements supplémentaires.

L'enroulement à armature fermée lors de l'utilisation d'un collecteur avec des balais triphasés sera un enroulement complexe triphasé avec une connexion en triangle. Lors de la rotation de l'induit, chaque phase de l'enroulement conserve une position inchangée, cependant, les tronçons passent alternativement d'une phase à l'autre. Si un ensemble de balais à six phases avec un décalage de 60 ° les uns par rapport aux autres est utilisé dans une machine à collecteur à courant alternatif, un enroulement à six phases est alors formé avec une connexion polygonale. Sur les balais d'une machine polyphasée à groupe collecteur, la fréquence du courant est déterminée par la rotation du flux magnétique par rapport aux balais fixes. Le sens de rotation du rotor peut être opposé ou adapté.

Utilisation de MAT

Aujourd'hui, les MPT sont utilisés partout où, sous une forme ou une autre, la génération d'énergie mécanique ou électrique est nécessaire. Les grandes unités de production sont utilisées dans la maintenance des systèmes d'ingénierie, des centrales électriques et des unités de levage et de transport, et les unités de faible puissance sont utilisées dans les ménages ordinaireséquipements allant des ventilateurs aux pompes. Mais dans les deux cas, la vocation des machines à courant alternatif se réduit à la valorisation d'un potentiel énergétique en volume suffisant. Une autre chose est que les différences structurelles, la mise en œuvre de la configuration interne du stator et du rotor, ainsi que l'infrastructure de contrôle sont d'une importance fondamentale.

Bien que le dispositif MPT général conserve le même ensemble de composants fonctionnels pendant longtemps, les exigences croissantes pour le fonctionnement de ces systèmes obligent les développeurs à introduire des contrôles et des contrôles supplémentaires. Au stade actuel de l'évolution technologique, notamment dans le cadre de l'utilisation des machines à courant alternatif dans le domaine industriel, il est difficile d'imaginer le fonctionnement de tels moteurs et générateurs sans moyens de régulation des paramètres de fonctionnement de haute précision. Pour cela, diverses méthodes de contrôle sont utilisées - impulsion, fréquence, rhéostat, etc. L'introduction de l'automatisation dans l'infrastructure réglementaire est également une caractéristique de l'exploitation moderne des MPT. L'électronique de commande est connectée d'une part à la centrale électrique et d'autre part aux contrôleurs logiciels qui, selon un algorithme donné, donnent des commandes pour définir des paramètres spécifiques du mécanisme.

Conclusion

Les groupes électrogènes et les moteurs électriques sont des composants de puissance indispensables dans l'industrie d'aujourd'hui. En raison de leur fonction, les machines-outils, les installations de transport, de communication et autres unités et appareils électriques qui nécessitent une alimentation électrique fonctionnent. ÀDans ce cas, il existe une vaste gamme de types et de sous-espèces de machines électriques à courant alternatif et à courant continu, dont les caractéristiques et les caractéristiques déterminent en fin de compte le créneau de leur fonctionnement. Les caractéristiques techniques et opérationnelles du MPT comprennent un dispositif structurel plus simple et des exigences de maintenance relativement faibles. D'autre part, les machines à courant continu s'avèrent être une solution plus attrayante aux problèmes d'alimentation électrique dans les systèmes électriques critiques complexes. Le segment de la production nationale d'équipements industriels de puissance possède une vaste expérience dans la conception et la production des deux types de machines électriques. Les grandes entreprises se concentrent de plus en plus sur le développement de solutions individuelles avec des caractéristiques structurelles et opérationnelles. Les écarts par rapport aux conceptions standard sont souvent associés à la nécessité de connecter des unités fonctionnelles auxiliaires et des équipements tels que des systèmes de refroidissement, des équipements de protection contre la surchauffe et les fluctuations du secteur, une alimentation supplémentaire et de secours. De plus, l'environnement d'exploitation externe a une influence considérable sur certaines propriétés structurelles des machines électriques, ce qui est également pris en compte lors des étapes de conception et de réalisation des équipements.