Вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя: Трехфазный асинхронный двигатель – Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле

Принцип получения вращающегося магнитного поля. В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи. Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.

Если для обмотки АХ принять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид

Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.

Рис. 3.5                                                      Рис. 3.6

Как видно из рис. 3.6, в момент времени

to ток в фазе А положительный, а в фазах В и С – отрицательный.

Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to (рис. 3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукцией Втрез расположена горизонтально.

Рис. 3.7

На рис. 3.7, б показана картина магнитного поля в момент времени ti, соответствующий изменению фазы тока на угол 

= 60°. В этот момент времени токи в фазах  А и  В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе Сотрицательный, т. е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол = 60°. Если угловая частота тока , то . (Здесь , где – частота тока в сети). В моменты времени
t
2 и t3 ось магнитного поля соответственно повернется на углы  и (рис. 3.6, в и г). Через время, равное периоду Т, ось поля займет первоначальное положение. Следовательно, за период Т поле делает один оборот (рис. 3.7, д) ( ()). В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2 и магнитное поле вращается с частотой
n
1=60f1=60∙50=3000 об / мин  (f1=50 Гцпромышленная частота). Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

где Втмаксимальная индукция одной фазы; Вmрез – максимальная индукция трех фаз; – угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.

Направление вращения поля. В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например B и С, что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е. магнитное поле реверсируется (ср. рис. 3.8).

Формула частоты вращения поля. Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится. Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 3.9, поле за один период повернется в пространстве на 180°.

Рис. 3.8                            Рис. 3.9                        Рис. 3.10

Для получения картины поля возьмем момент времени to, когда ток в фазе А положительный, а токи в фазах В и С отрицательные. Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4 или р = 2 и тогда n1 = 60f1 /p = 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.3.10. Здесь р = 3 и, следовательно, n1 = 1000 об/мин.

Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будет

n1 = 60 f1 /p (3.1)

Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно. Именно при таком соединении частота вращения поля статора для

р =  1, 2  и 3  при f1= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Параллельное соединение катушек. Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.3.11,а и  в развернутом виде на рис. 3.11,6. Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n1 = 3000 об/мин. Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в  в сети  50 Гц частота вращения поля статора определяется из выражения

п1 = 60 f1 / p = 60 ∙50 / p .

Задаваясь различным числом пар полюсов р = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

1

2

3

4

5

6

8

10

3000

1500

1000

750

600

500

375

300

Вращающееся магнитное поле (Лекция №21)

Как было показано ранее, одним из важнейших преимуществ многофазных систем является получение вращающегося магнитного поля с помощью неподвижных катушек, на чем основана работа двигателей переменного тока. Рассмотрение этого вопроса начнем с анализа магнитного поля катушки с синусоидальным током.

Магнитное поле катушки с синусоидальным током

При пропускании по обмотке катушки синусоидального тока она создает

магнитное поле, вектор индукции которого изменяется (пульсирует) вдоль этой катушки также по синусоидальному закону Мгновенная ориентация вектора магнитной индукции в пространстве зависит от намотки катушки и мгновенного направления тока в ней и определяется по правилу правого буравчика. Так для случая, показанного на рис. 1, вектор магнитной индукции направлен по оси катушки вверх. Через полпериода, когда при том же модуле ток изменит свой знак на противоположный, вектор магнитной индукции при той же абсолютной величине поменяет свою ориентацию в пространстве на 1800. С учетом вышесказанного магнитное поле катушки с синусоидальным током называют

пульсирующим.

Круговое вращающееся магнитное поле
двух- и трехфазной обмоток

Круговым вращающимся магнитным полем называется поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается в пространстве с постоянной угловой частотой.

Для создания кругового вращающегося поля необходимо выполнение двух условий:

  1. Оси катушек должны быть сдвинуты в пространстве друг относительно друга на определенный угол (для двухфазной системы – на 900, для трехфазной – на 1200).
  2. Токи, питающие катушки, должны быть сдвинуты по фазе соответственно пространственному смещению катушек.

Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы Тесла (рис. 2,а).

При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы и , характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 90

0 (см. рис. 2,б), то .

Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции на оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:

Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 2,в равен

, (1)

при этом для тангенса угла a , образованного этим вектором с осью абсцисс, можно записать

,

откуда

. (2)

Полученные соотношения (1) и (2) показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой , описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.

Покажем, что симметричная трехфазная система катушек (см. рис. 3,а) также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле.

Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Векторная диаграмма в пространстве для этих полей представлена на рис. 3,б. Для проекций результирующего вектора магнитной индукции на

оси декартовой системы координат, ось y у которой совмещена с магнитной осью фазы А, можно записать

; (3)
. (4)

Приведенные соотношения учитывают пространственное расположение катушек, но они также питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 1200. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения

; ; .

Подставив эти выражения в (3) и (4), получим:

; (5)
(6)

В соответствии с (5) и (6) и рис. 2,в для модуля вектора магнитной индукции результирующего поля трех катушек с током можно записать:

,

а сам вектор составляет с осью х угол a, для которого

,

откуда

.

Таким образом, и в данном случае имеет место неизменный по модулю вектор магнитной индукции, вращающийся в пространстве с постоянной угловой частотой , что соответствует круговому полю.

Магнитное поле в электрической машине

С целью усиления и концентрации магнитного поля в электрической машине для него создается магнитная цепь. Электрическая машина состоит из двух основных частей (см. рис. 4): неподвижного статора и вращающегося ротора, выполненных соответственно в виде полого и сплошного цилиндров.

На статоре расположены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты по расточке магнитопровода на 2/3 полюсного деления , величина которого определяется выражением

,

где — радиус расточки магнитопровода, а р – число пар полюсов (число эквивалентных вращающихся постоянных магнитов, создающих магнитное поле, — в представленном на рис. 4 случае р=1).

На рис. 4 сплошными линиями (А, В и С) отмечены положительные направления пульсирующих магнитных полей вдоль осей обмоток А, В и С.

Приняв магнитную проницаемость стали бесконечно большой, построим кривую распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины, создаваемой обмоткой фазы А, для некоторого момента времени t (рис. 5). При построении учтем, что кривая изменяется скачком в местах расположения катушечных сторон, а на участках, лишенных тока, имеют место горизонтальные участки.

Заменим данную кривую синусоидой (следует указать, что у реальных машин за счет соответствующего исполнения фазных обмоток для результирующего поля такая замена связана с весьма малыми погрешностями). Приняв амплитуду этой синусоиды для выбранного момента времени t равной ВА, запишем

(7)

и аналогично

; (8)
. (9)

С учетом гармонически изменяющихся фазных токов для мгновенных значений этих величин при сделанном ранее допущении о линейности зависимости индукции от тока можно записать

.

Подставив последние соотношения в (7)…(9), получим

; (10)
; (11)
. (12)

Просуммировав соотношения (10)…(12), с учетом того, что сумма последних членов в их правых частях тождественно равна нулю, получим для результирующего поля вдоль воздушного зазора машины выражение

,

представляющее собой уравнение бегущей волны.

Магнитная индукция постоянна, если . Таким образом, если мысленно выбрать в воздушном зазоре некоторую точку и перемещать ее вдоль расточки магнитопровода со скоростью

,

то магнитная индукция для этой точки будет оставаться неизменной. Это означает, что с течением времени кривая распределения магнитной индукции, не меняя своей формы, перемещается вдоль окружности статора. Следовательно, результирующее магнитное поле вращается с постоянной скоростью. Эту скорость принято определять в оборотах в минуту:

.

Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей

Устройство асинхронного двигателя соответствует изображению на рис. 4. Вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, взаимодействует с токами ротора, приводя его во вращение. Наибольшее распространение в настоящее время получил асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ввиду своей простоты и надежности. В пазах ротора такой машины размещены токонесущие медные или алюминиевые стержни. Концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Отсюда и произошло такое название ротора.

В короткозамкнутой обмотке ротора под действием ЭДС, вызываемой вращающимся полем статора, возникают вихревые токи. Взаимодействуя с полем, они вовлекают ротор во вращение со скоростью , принципиально меньшей скорости вращения поля 0. Отсюда название двигателя — асинхронный.

Величина

называется относительным скольжением. Для двигателей нормального исполнения S=0,02…0,07. Неравенство скоростей магнитного поля и ротора становится очевидным, если учесть, что при вращающееся магнитное поле не будет пересекать токопроводящих стержней ротора и, следовательно, в них не будут наводиться токи, участвующие в создании вращающегося момента.

Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя – синхронный.

В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.

Литература

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
  3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

Контрольные вопросы

  1. Какое поле называется пульсирующим?
  2. Какое поле называется вращающимся круговым?
  3. Какие условия необходимы для создания кругового вращающегося магнитного поля?
  4. Какой принцип действия у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?
  5. Какой принцип действия у синхронного двигателя?
  6. На какие синхронные скорости выпускаются в нашей стране двигатели переменного тока общепромышленного исполнения?

Получение вращающегося магнитного поля

Условия получения:

1) наличие не менее двух обмоток;

2) токи в обмотках должны отличаться по фазе

3) оси обмоток должны быть смещены в пространстве.

В трёхфазной машине при одной паре полюсов (р=1) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 120°, при двух парах полюсов (р=2) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 60° и т.д.

Рассмотрим магнитное поле, которое создаётся с помощью трёхфазной обмотки, имеющей одну пару полюсов (р=1). Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120° и создаваемые ими магнитные индукции отдельных фаз (BA, BB, BC) смещены в пространстве тоже на угол 120°.

Магнитные индукции полей, создаваемые каждой фазой, как и напряжения, подведённые к этим фазам, являются синусоидальными и отличаются по фазе на угол 120°.

Принцип действия

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции наводит в них ЭДС. В стержнях ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности, создает вращающийся электромагнитный момент ротора.

Приняв начальную фазу индукции в фазе А (φA) равной нулю, можно записать:

Магнитная индукция результирующего магнитного поля определяется векторной суммой этих трёх магнитных индукций.

Найдём результирующую магнитную индукцию с помощью векторных диаграмм, построив их для нескольких моментов времени.

а) При

б) При

в) При

Нарисовать векторные диаграммы

Как следует из диаграмм, магнитная индукция B результирующего магнитного поля машины вращается, оставаясь неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое вращающееся магнитное поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования фаз. Величина результирующей магнитной индукции.

Частота вращения магнитного поля зависит от частоты сетии числа пар полюсов магнитного поля.

, [об/мин].

При этом частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и её нагрузки.

При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω0, которая определяется соотношением:

, [рад/сек].

Для сравнения частоты вращения магнитного поля и ротораввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

или

Процессы в асинхронной машине Цепь статора

а) ЭДС статора.

Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, вращается относительно неподвижного статора с частотой и будет наводить в обмотке статора ЭДС. Действующее значение ЭДС, наводимой этим полем в одной фазе обмотки статора определяется выражением:

где: =0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент;

–частота сети;

–число витков одной фазы обмотки статора;

–результирующее магнитное поле в машине.

б) Уравнение электрического равновесия фазы обмотки статора.

Это уравнение составлено по аналогии с катушкой с сердечником, работающей на переменном токе.

==-+()= —+

Здесь и– напряжение сети и напряжение, подведённое к обмотке статора.

–активное сопротивление обмотки статора, связанное с потерями на нагрев обмотки.

–индуктивное сопротивление обмотки статора, связанное с потоком рассеяния.

–полное сопротивление обмотки статора.

–ток в обмотке статора.

При анализе работы асинхронных машин часто принимают. Тогда можно записать:

Из этого выражения следует, что магнитный поток в асинхронной машине не зависит от её режима работы, а при заданной частоте сетизависит только от действующего значения приложенного напряжения. Аналогичное соотношение имеет место и в другой машине переменного тока – в трансформаторе.

33. Вращающееся магнитное поле ротора асинхронного двигателя

Обмотка короткозамкнутого провода состоит из m-частей. Сдвиг фаз между ЭДС индуктивного вращающего магнитным полем статора в двух соседних стержнях, равен

р – число пар полюсов двигателя;

N – число стержней;

Можно считать, что число фаз короткозамкнутого ротора равно числу стержней m2=N. Цепь фазного ротора представляет трехфазную систему m2=3.

2 – число витков в каждой фазе.

Пусть цепь ротора разомкнута, т.е. ток в ней отсутствует, на ротор не действуют электромагнитные силы и он неподвижен. При неподвижности ротора, частота ЭДС индуктированной в его обмотке, равна частоте токов в цепи обмоток статора.

f – частота сети, 50 Гц;

Если ротор вращать с частотой n2, вслед за вращающимся магнитным полем статора, то частота ЭДС индуктированной обмотки уменьшится и станет равной

Если цепь ротора замкнуть, то токи в ней образуют:

1) Многофазную систему, с числом фаз m2=N, в случае короткозамкнутого ротора.

2) Трехфазную систему, с числом фаз m2=3, в случае фазного ротора => токи в обмотке ротора аналогичны токам в обмотках статора, должны возбуждать вращающееся магнитное поле.

34. Рабочее вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя

nотн. – частота вращения этого поля, относительно ротора.

Т.к. сам ротор вращается в том же направлении с частотой n2, то его поле вращается в пространстве с частотой, равной

Т.е. поле ротора вращается синхронно с полем статора, это является характерным условием полной передачи энергии от статора к ротору.

Складываясь, вращающееся магнитное поле статора и ротора, образуют рабочее вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя, которое служит таким же связующим звеном, между обмотками статора и ротора, как и переменное магнитное поле в сердечнике трансформатора, передающее энергию от первичной обмотки ко вторичной обмотке. Именно это, рабочее поле, необходимо знать для анализа процессов в цепях статора и ротора.

35. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Для устойчивой работы двигателя, важно, чтобы автоматически установилось равновесие вращающего и тормозного моментов, с увеличением нагрузки на валу двигателя, увеличится тормозной момент, соответственно должен возрастать и вращающий момент

Рмех – механическая мощность на вал двигателя;

2 – угловая скорость ротора

Это уравновешивание моментов у работающего двигателя, осуществляется следующим образом, при увеличении нагрузки на валу, тормозной момент оказывается больше вращающего момента, в следствии чего, частота вращения ротора уменьшается , скольжение вырастает. Повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента. Равновесие моментов восстанавливается при возрастании скольжения.

R2 – активное сопротивление;

Xрас.2 – индуктивное рассеянное сопротивление.

–коэффициент мощности.

36) Устройство и принцип действия, области применения электрических машин постоянного тока(мпт)

МПТ состоит из неподвижной части, в которой возбуждается главное магнитное поле, и вращающейся части, в которой индуктируется э.д.с. Токи от этой э.д.с., взаимодействуя с главным магнитным полем, создают момент (в двигательном режиме он является вращающим, в генераторном – тормозным).

Неподвижная часть состоит из станины и полюсов, которые к ней крепятся. Полюса подразделяются на главные, в которых возбуждаются основной магнитный поток, и добавочные, которые устанавливаются в целях улучшения коммутации машины.

Принцип действия

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило, предназначены заводом изготовителем для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.

Область применения

Электрические Машины постоянного тока используют как в качестве генератора, так и вкачестве двигателя. Наибольшее применение получили двигатели постоянного тока:

— Они широко используются для привода подъёмных средств в качестве крановых двигателей.

— Приводом транспортных средств в качестве тяговых двигателей.

— Для привода устройств автоматики.

— Для привода прокатных станов.

— Для привода штатных подъёмников.

Получение вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле. Принцип работы асинхронного двигателя

Особенностью многофазных систем является возможность создать в механически неподвижном устройстве вращающееся магнитное поле.
Катушка, подключенная к источнику переменного тока, образует пульсирующее магнитное поле, т.е. магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению.

Возьмем цилиндр с внутренним диаметром D. На поверхности цилиндра разместим три катушки, пространственно смещенные относительно друг друга на 120 o . Катушки подключим к источнику трехфазного напряжения (рис. 12.1). На рис. 12.2 показан график изменения мгновенных токов, образующих трехфазную систему.


Каждая из катушек создает пульсирующее магнитное поле. Магнитные поля катушек, взаимодействуя друг с другом, образуют результирующее вращающееся магнитное поле, характеризующееся вектором результирующей магнитной индукции
На рис. 12.3 изображены векторы магнитной индукции каждой фазы и результирующий вектор построенные для трех моментов времени t1, t2, t3. Положительные направления осей катушек обозначены +1, +2, +3.

В момент t = t 1 ток и магнитная индукция в катушке А-Х положительны и максимальны, в катушках В-Y и C-Z — одинаковы и отрицательны. Вектор результирующей магнитной индукции равен геометрической сумме векторов магнитных индукций катушек и совпадает с осью катушки А-Х. В момент t = t 2 токи в катушках А-Х и С-Z одинаковы по величине и противоположны по направлению. Ток в фазе В равен нулю. Результирующий вектор магнитной индукции повернулся по часовой стрелке на 30 o . В момент t = t 3 токи в катушках А-Х и В-Y одинаковы по величине и положительны, ток в фазе C-Z максимален и отрицателен, вектор результирующего магнитного поля размещается в отрицательном направлении оси катушки С-Z. За период переменного тока вектор результирующего магнитного поля повернется на 360 o .


Частота вращения магнитного поля или синхронная частота вращения

(12.1)

где P- число пар полюсов.

Катушки, изображенные на рис. 12.1, создают двухполюсное магнитное поле, с числом полюсов 2Р = 2. Частота вращения поля равна 3000 об/мин.
Чтобы получить четырехполюсное магнитное поле, необходимо внутри цилиндра поместить шесть катушек, по две на каждую фазу. Тогда, согласно формуле (12.1), магнитное поле будет вращаться в два раза медленней, с n 1 = 1500 об/мин.
Чтобы получить вращающееся магнитное поле, необходимо выполнить два условия.

1. Иметь хотя бы две пространственно смещенные катушки.

2. Подключить к катушкам несовпадающие по фазе токи.

12.2. Асинхронные двигатели.
Конструкция, принцип действия

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором , и вращающуюся часть, называемую ротором . В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 12.4.

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n 1 .
В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке.
Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки.
Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 12.4.


Рис. 12.4

Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n 2 в направлении вращения поля статора.
Ротор вращается асинхронно т.е частота вращения его n 2 меньше частоты вращения поля статора n 1 .
Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением.

Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом М эм = М 2 .
С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.
Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n 2 приблизительно равна синхронной частоте n 1 . Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n 2 > n 1 . Скольжение асинхронного генератора.
Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f 1 и числом пар полюсов статора. При частоте f 1 = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.

Асинхронная машина с заторможенным ротором работает как трансформатор. Основной магнитный поток индуктирует в статорной и в неподвижной роторной обмотках ЭДС Е 1 и Е 2к.

где Ф m — максимальное значение основного магнитного потока, сцепленного со
статорной и роторной обмотками;
W 1 и W 2 — числа витков статорной и роторной обмоток;
f 1 — частота напряжения в сети;
K 01 и K 02 — обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.

Чтобы получить более благоприятное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, статорные и роторные обмотки не сосредоточивают в пределах одного полюса, а распределяют по окружностям статора и ротора. ЭДС распределенной обмотки меньше ЭДС сосредоточенной обмотки

Обмотка короткозамкнутого провода состоит из m-частей. Сдвиг фаз между ЭДС индуктивного вращающего магнитным полем статора в двух соседних стержнях, равен

р – число пар полюсов двигателя;

2 – число витков в каждой фазе.

Пусть цепь ротора разомкнута, т.е. ток в ней отсутствует, на ротор не действуют электромагнитные силы и он неподвижен. При неподвижности ротора, частота ЭДС индуктированной в его обмотке, равна частоте токов в цепи обмоток статора.

f – частота сети, 50 Гц;

Если ротор вращать с

11.3. Получение вращающегося магнитного поля

Основой действия асинхронного двигателя является вращающееся магнит­ное поле. Принцип получения вращающегося магнитного поля заключа­ется в том, что если по системе проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве созда­ется вращающееся поле.

Рассмотрим получение вращающегося поля в трехфазном двигателе. На рис. 11.3 показаны три фазные обмотки A X, BY, CZ, каждая в виде од­ного витка. От источника питания к обмоткам подводится трехфазная система токов

;;. (11.1)

Положительные направления токов приняты от начала обмотки к концу, а соответствующие им пульсирующие магнитные потоки образуют трехфазную звезду .

Рассмотрим результирующий магнитный поток для нескольких моментов времени.

В начальный момент времени при = 0

а) б)

Рис. 11.3

Им соответствуют магнитные потоки

; ;,

где – максимальное значение потока фазы.

Результирующий магнитный поток в 1,5 раза больше фазного и направлен по вертикали вниз (рис. 11.4 а).

В момент времени токи в обмотках

.

Этим токам соответствуют магнитные потоки

;.

На рис. 11.4 б показаны векторы результирующего магнитного потока и его составляющие. Направление потока отличается от предыдущего на 90°, а его значение не изменилось

.

В момент времени , соответствующий, токи в обмотках:

Этим токам соответствуют магнитные потоки

.

На рис. 11.4 в показаны результирующий магнитный поток и его состав­ляющие. По сравнению с начальным моментом времени результирующий маг­нитный поток изменил направление на 180°, а его значение осталось неизмен­ным и равным

.;.

Таким образом, трехфазная обмотка, питаемая сдвинутыми на 120° токами, создает вращающееся магнитное поле. Результирующий поток остается неизмен­ным и равным 1,5 от максимального потока фазы. Направление этого потока все­гда совпадает с направлением магнитного потока той фазы, ток в которой в данный момент максимален. Поэтому для изменения направления вращения необходимо поменять местами любые две фазы.

Рассмотренные примеры относятся к двухполюсному исполнению об­мотки () при частоте вращения поля. В общем случае частота вращения поля

, (11.2)

где – число пар полюсов машины;– частота тока статора.

11.4. Принцип действия асинхронной машины и режимы ее работы

Трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со ско­ростью

.

Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора и скорости вращения ротора.

Отношение

(11.3)

Рис. 11.5

или

(11.4)

называется скольжением асинхронной машины.

В зависимости от соотношения иразли­чают три режима работы: в режиме двигателя; в ре­жиме генератора; в режиме электромагнитного тор­моза.

Работа в режиме двигателя. На рис. 11.5 пока­зано магнитное поле статора, вращающееся по часо­вой стрелке. При линии поля статора перемещаются относительно ротора также по часовой стрелке со скоростью. Согласно правилу правой руки ЭДС в проводниках ротора под северным полюсом направлены к нам, в проводниках под южным полюсом – от нас. То же направление имеют и активные составляю­щие токов в проводниках. Электромагнитные силы взаимодействия магнитных полей статора и ротора создают вращающий момент в направлении вращения поля статора. Скорость, с которой вращается двигатель, зависит от его нагрузки. При холостом ходе скоростьстановится почти равной, так как при= 0 ЭДС и токи в роторе равны нулю и электромагнитное взаимодействие исчезает. Таким образом, асинхронная машина работает в режиме двигателя в преде­лах от= 0 до, т.е. при скольжении от+1 до0. При этом электрическая энергия, подводимая к статору из сети, преобразовывается в ме­ханическую энергию на валу.

Работа в режиме генератора. Предположим, что подключенный к сети статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью . В этом случае скольжение будет отрицательным, а ЭДС и токи ротора изменяют направление по сравнению с ра­ботой в режиме двигателя. Момент на валу становится тормозящим по отноше­нию к вращающему моменту первичного двигателя. Асинхронная машина ра­ботает генератором. Механическая энергия, подведенная к валу, преобразовы­вается в электрическую энергию и отдается в сеть. Таким образом, асинхронная машина может работать в режиме генера­тора параллельно с сетью в пределах отдо, т.е. при скольжении отдо.

Работа в режиме электромагнитного тормоза. Допустим, что ротор при­водится во вращение против направления вращения магнитного потока статора. В этом случае к асинхронной машине подводится энергия с двух сторон – элек­трическая из сети и механическая от первичного двигателя. Такой режим ра­боты называется режимом электромагнитного тормоза. Он возникает при скольжении от до. Примером практического применения режима электромагнитного тор­моза является опускание груза в подъемно-транспортных устройствах.

34 Вращающееся магнитное поле

Принцип получения вращающегося магнитного поля.В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи.Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.

Если для обмотки АХпринять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид

Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.

Рис. 3.5                                                      Рис. 3.6

Как видно из рис. 3.6, в момент времени toток в фазеАположительный, а в фазахВиС– отрицательный.

Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to(рис. 3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукциейВтрезрасположена горизонтально.

Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

где Вт  максимальная индукция одной фазы; Вmрез – максимальная индукция трех фаз; – угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.

35. Принцип действия асинхронной машины.

В электромеханическом преобразовании энергии в АД участвуют трехфазная обмотка 1, расположенная на неподвижном статоре 2 и создающая круговое вращающееся магнитное поле, и обмотка 3 вращающегося ротора 4, вал 5 которого соединен с исполнительным механизмом. Между статором и ротором предусматривается воздушный зазор 6.

Рис. 1 —  Принцип действия асинхронного двигателя

При вращении магнитного поля со скоростью:

линии магнитной индукции:

пересекают проводники обмотки ротора и в них индуктируется ЭДС Е2 и протекает ток . Направление ЭДС определяется по правилу «правой руки», а ее величина равна:

где – активная длина проводника обмотки ротора;

ν1 — линейная скорость движения магнитного поля статора:

D – диаметр расточки статора.

Направление тока I2 совпадает с направлением ЭДС Е2пр. В результате взаимодействия проводников с током и магнитного поля на каждый проводник действует электромагнитная сила:

направление, которой определяется по правилу «левой руки».

Совокупность этих сил создает на роторе результирующую силу Fрез и электромагнитный момент Мэм, приводящий ротор во вращение со скоростью n2  в ту же сторону, что и вращение поля статора. Вращение ротора через вал передается исполнительному механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую энергию. С началом движения ротора ЭДС в проводниках ротора определяются разностью скоростей ν1 и ν2

где ν

  Это линейная  скорость движения проводника ротора.

Чем выше скорость вращения ротора n2, тем меньшая ЭДС в нем индуктируется, тем меньше ток Ι2, тем меньше сила  fпр и Fрез. При достижении ротором скорости вращения  n2 = n1, E= 0, действие электромагнитных сил прекращается и вращение ротора замедляется под действием сил трения (на холостом ходу) или под действием момента сопротивления исполнительного механизма (при работе под нагрузкой). Но когда n2 станет меньше n1, опять начнет действовать электромагнитная сила.

Следовательно, в рассматриваемой системе возможно только асинхронное (несинхронное) вращение ротора относительно вращающегося магнитного поля статора.

Электромагнитный момент Мэм уравновешивается моментом сопротивления Мс исполнительного механизма. Чем больше Мс, тем больше должен быть вращающий момент Мэм, который может возрасти в первую очередь за счет тока в проводниках ротора. Ток при постоянстве сопротивления проводника пропорционален ЭДС, которая зависит от скорости пересечения проводников ротора вращающимся магнитным полем.

Следовательно, чем больше момент сопротивления, тем меньше скорость вращения ротора и наоборот.

Отношение:

При неподвижном роторе (n= 0) скольжение равно 1,0. Это для АД режим короткого замыкания. При холостом ходе, когда скорость ротора максимально приближается к синхронной (n2 = n1) скольжение минимально и очень близко к нулю. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке АД, называется номинальным скольжением Sн и составляет единицы процента, в зависимости от типа и назначения двигателя.

С учетом отношения, скорость вращения ротора может быть выражена через n1  и скольжение s:

В рабочем режиме АД вращающееся магнитное поле статора пересекает обмотку ротора со скоростью:

Частота ЭДС и токов, наводимых этим полем в обмотке ротора, равна:

Таким образом, частота ЭДС и токов в роторе зависит от сколь- жения. Так, при S=1 (при пуске) f= f1, при номинальном режиме нагрузки Sн = (0,02…0,04), f2= 1…2Гц.

Протекающие в обмотке ротора токи создают МДС и магнитное поле ротора, которые вращаются относительно ротора со скоростью:

С учетом:

cкорость вращения этого поля относительно неподвижного статора составляет:

т.е. магнитное поле ротора вращается в расточке статора с той же скоростью и в ту же сторону, что и поле статора. Стало быть, они неподвижны друг относительно друга, образуют единое магнитное поле, созданное совместным действием МДС статора и ротора.

Таким образом, вектор:

на рис.1 необходимо рассматривать как вектор результирующего магнитного поля.

Условие неподвижности друг относительно друга магнитных полей статора и ротора означает, что число пар полюсов обмоток статора и ротора должно быть обязательно одинаково, p= p= p. В короткозамкнутом роторе это действие выполняется автоматически, в двигателе с фазным ротором оно должно быть обеспечено при проектировании. В то же время соотношение между числом фаз обмоток статора и ротора может быть произвольным.

Асинхронная машина обратима, т.е. может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Если ротор с помощью постороннего двигателя разогнать до скорости вращения n2 >n1, то изменится направление ЭДС и тока в проводниках ротора, изменит свое направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. Асинхронная машина механическую энергию, получаемую от приводного двигателя, преобразует в электрическую и отдает в сеть, т.е. переходит в генераторный режим.

В процессе эксплуатации асинхронного двигателя возможен режим работы при S >1,0, когда ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения поля статора. В этом режиме, называемом режимом электромагнитного торможения (или режимом противовключения ), ЭДС и ток в роторе направлены также как в двигательном режиме, однако электромагнитный момент направлен против движения ротора, т.е. является тормозящим. В машине происходит преобразование как электрической энергии, поступающей из сети, так и механической энергии, передаваемой с вала.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *