Угловая скорость вращения магнитного поля статора. Что такое синхронное вращение

В индуктивных электрических машинах обмотки статора и ротора связаны магнитным полем. Чтобы осуществлялась связь вращающейся части машины с неподвижной в воздушном зазоре машины посредством системы обмоток статора, создают вращающееся магнитное поле.

Под вращающимся будем понимать такое магнитное поле, вектор индукции которого перемещается в пространстве (в плоскости, перпендикулярной оси ротора) с определенной угловой скоростью. Если амплитуда вектора индукции постоянна, то такое поле называют круговым. Вращающееся магнитное поле может быть создано:

• переменным током в двухфазной системе обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°;
• трехфазным переменным током в трехфазной системе обмоток, сдвинутых в пространстве на 120°;
• постоянным током, переключаемым последовательно по обмоткам, распределенным по расточке статора двигателя;
• постоянным током, переключаемым с помощью коммутатора по веткам обмотки, расположенным вдоль поверхности ротора (якоря). Формирование вращающегося магнитного поля в двухфазной машине
• (рис. 1.2). В такой машине оси обмоток сдвинуты геометрически на 90° (рассматривается машина с одной парой полюсов, р п = 1). Обмотки статора питаются от двухфазного напряжения, как показано на рис. 1.2,я. Полагая машину симметричной и ненасыщенной считаем, что токи в обмотках также сдвинуты на 90 электрических градусов (90° эл.) и магнитодвижущая сила обмоток пропорциональна току (рис. 1 .2,6). В момент времени, = 0 ток в обмотке а равен нулю, а ток в обмотке b имеет наибольшее отрицательное значение.

Рис. 1.2. Формирование вращающегося магнитного поля в двухфазной электрической машине: а - схема включения обмоток: б - система двухфазных токов в обмотках статора: в - пространственная векторная диаграмма магнитнодвижущихся сил, создаваемых обмотками статора

Следовательно, суммарный вектор магнитнодвижущихся сил (МДС) обмоток в момент времени, равен t и расположен в пространстве, как показано на рис. 1.2,в. В момент времени со 2 = 7с/ токи в обмотках будут составлять Tl m / и, следовательно, суммарный вектор МДС повернется на угол к/ и_займет в пространстве положение, обозначенное на рис. 12,в, как 2 = 2 + 2 . В момент

времени со 2 = я/2 суммарный вектор МДС будет равен. Аналогично можно проследить, как изменяется положение суммарного вектора МДС в моменты времени, и т.д. Видно, что вектор вращается в пространстве со скоростью со = 2тс, сохраняя свою амплитуду постоянной. Направление вращения поля - по часовой стрелке. Предлагаем убедиться, что если подать на фазу а напряжение = (со -), а на фазу b напряжение = со, то направление

вращения изменится на противоположное.

Рис. 1.3. Схемы включения обмоток трехфазного двигателя: а - расположение обмоток двигателя при р п =1; б - соединение обмоток в звезду; в - эпюры трехфазных токов в обмотках двигателя

Таким образом, сочетание пространственного сдвига осей обмоток на 90 геометрических градусов (90°) и фазового сдвига переменного тока в обмотках на (90° эл.) электрических градусов позволяет сформировать магнитное поле, вращающееся вдоль окружности статора в воздушном зазоре машины.

Механизм формирования вращающегося магнитного поля в трехфазной машине переменного тока. Обмотки машины сдвинуты в пространстве на 120° (рис. 1.3,а) и питаются от системы трехфазных напряжений. Токи в обмотке машины сдвинуты на 120°эл. (рис. 1.3,в):

Результирующий вектор МДС обмоток статора равен:

Где w - число витков обмоток.

Рассмотрим положение в пространстве вектора в момент времени, (рис. 1.4,о). Вектор МДС обмотки о t направлен по оси о в положительном направлении и равен 0, w, т.е. О, . Вектор МДС обмотки с , направлен по оси с и равен 0, . Сумма векторов j и j направлена по оси b в отрицательном направлении и с этой суммой складывается вектор МДС обмотки Ь, равный Сумма трех векторов образует вектор х = 3 /2, занимающий в момент времени, положение, которое показано на рис. 1.4,о. По прошествии времени = л/Зсо (при частоте 50 Гц через 1/300 с) наступит момент времени 2 , при котором вектор МДС обмотки о равен, а векторы МДС обмоток b и с равны - 0,5 . Результирующий вектор МДС 2 в момент времени 2 займет положение, указанное на рис. 1.4,5, т.е. переместится по отношению к предыдущему положению у на угол 60° по часовой стрелке. Нетрудно убедиться, что в момент времени 3 результирующий вектор МДС обмоток статора займет положение 3 , т.е. будет продолжать перемещаться по часовой стрелке. За время периода питающего напряжения = 2л/со = 1/ результирующий вектор МДС совершит полный оборот, т.е. скорость вращения поля статора прямо пропорциональна частоте тока в его обмотках и обратно пропорциональна числу пар полюсов:

где п - число пар полюсов машины.

Если число пар полюсов двигателя больше единицы, то увеличивается число секций обмоток, располагаемых по окружности статора. Так, если число пар полюсов п = 2, то три фазные обмотки будут расположены на одной половине окружности статора и три на другой. В этом случае за один период питающего напряжения результирующий вектор МДС совершит полоборота и скорость вращения магнитного поля статора будет вдвое меньше, чем в машинах с „=1-

Рис. 1.4. а - со = 7с/ б - со = л/ в - со = 7с/

В основе работы практически всех двигателей переменного тока: синхронных с электромагнитным возбуждением (СД), с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), синхронных реактивных двигателей (СРД), и асинхронных двигателей (АД) - лежит принцип создания вращающегося магнитного поля.

Согласно принципам электродинамики во всех электрических двигателях (кроме реактивных) развиваемый электромагнитный момент является результатом взаимодействия магнитных потоков (по- токосцеплений), создаваемых в подвижной и неподвижной частях электродвигателя. Момент равен произведению векторов этих потоков, что показано на рис. 1.5, а значение момента равно произведению модулей векторов потоков на синус пространственного угла 0 между векторами потоков:

где к - конструктивный коэффициент.

Рис. 1.5.

Синхронные (СД, СДПМ, СРД) и асинхронные двигатели имеют практически одинаковые конструкции статоров, а роторы - разные. Распределенные обмотки статора этих электродвигателей укладываются в сравнительно большое число полузакрытых пазов статора. Если не учитывать влияние зубцовых гармоник, то обмотки статора формируют постоянный по амплитуде магнитный поток, вращающийся с постоянной скоростью, определяемой частотой тока. В реальных конструкциях наличие пазов и зубцов магнитопровода статора приводит к появлению высших гармоник намагничивающих сил, что приводит к пульсациям электромагнитного момента.

На роторе СД расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независимого источника напряжения - возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле, неподвижное относительно ротора и вращающееся в воздушном зазоре вместе с ротором со скоростью со [см. (1.7)]. Для синхронных двигателей мощностью до 100 кВт применяют возбуждение от постоянных магнитов, которые устанавливают на роторе.

Магнитные силовые линии поля ротора, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами, «сцепляются» с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора х и ротора 0 создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

При отсутствии нагрузки на валу векторы полей статора, и ротора 0 совпадают в пространстве и совместно вращаются со скоростью со 0 (рис. 1.6,я).

При приложении к валу двигателя момента сопротивления векторы [ и 0 расходятся (растягиваются подобно пружине) на угол 0, причем оба вектора продолжают вращаться с одинаковой скоростью со 0 (рис. 1.6,6). Если угол 0 положителен, то синхронная машина работает в двигательном режиме. Изменению нагрузки на валу двигателя соответствует изменение угла 0 Максимальный момент М будет при 0 = л;/ (0 - электрические градусы). Если

нагрузка на валу двигателя превышает М то синхронный режим нарушается, и двигатель выпадает из синхронизма. При отрицательном значении угла 0 синхронная машина будет работать генератором.

Рис. 1.6. а - при идеальном холостом ходе; б - при нагрузке на валу

Реактивный синхронный двигатель - это двигатель с явно выраженными полюсами ротора без обмотки возбуждения, где вращающий момент обусловлен стремлением ротора занять такое положение, при котором магнитное сопротивление между возбужденной обмоткой статора и ротором принимает минимальное значение.

В СРД ротор явнополюсный (рис. 1.7). Он имеет по осям разную магнитную проводимость. По продольной оси d, проходящей через середину полюса, проводимость максимальная, а по поперечной оси q - минимальная. Если ось намагничивающих сил статора совпадает с продольной осью ротора, искривления силовых линий магнитного потока нет и момент равен нулю. При смещении потока оси статора относительно продольной оси d при вращении магнитного поля (МП) происходит искривление силовых линий потока и возникает электромагнитный момент. Наибольший момент при одном и том же токе статора получается при угле 0 =45°эл.

Основным отличием асинхронного двигателя от синхронного является то, что скорость вращения ротора двигателя не равна скорости магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. Разность скоростей поля статора и ротора называют скольжением = со - со. Благодаря скольжению магнитные силовые линии вращающегося поля статора пересекают проводники обмотки ротора и наводят в ней ЭДС и ток ротора. Взаимодействие поля статора и тока ротора определяет электромагнитный момент асинхронного двигателя.

Рис. 1.7.

В зависимости от конструкции ротора различают асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на роторе располагается трехфазная обмотка, концы которой соединены с контактными кольцами, через которые цепь ротора выводится из машины для подключения к пусковым резисторам с последующим закорачиванием обмоток.

В асинхронном двигателе при отсутствии нагрузки на валу по обмоткам статора протекают только токи намагничивания, создающие главный магнитный поток, причем амплитуда потока определяется амплитудой и частотой питающего напряжения. При этом ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора. В обмотках ротора ЭДС не наводится, отсутствует ток ротора и, следовательно, момент равен нулю.

При приложении нагрузки ротор вращается медленнее, чем поле, возникает скольжение, в обмотках ротора наводится ЭДС, пропорциональная скольжению, и возникают токи ротора. Ток статора, как в трансформаторе, увеличивается на соответствующее значение. Произведение активной составляющей тока ротора на модуль потока статора определяет момент двигателя.

Объединяет все двигатели [кроме вентильно-индукторных двигателей (ВИД)] то, что главный магнитный поток в воздушном зазоре вращается относительно неподвижного статора с задаваемой частотой угловой скоростью со. Этот магнитный поток увлекает за собой ротор, который вращается для синхронных машин с той же угловой скоростью со = со, либо для асинхронных машин с некоторым отставанием - скольжением 5. Образующие главный поток силовые линии имеют минимальную длину при работе двигателя вхолостую (=). При этом оси вектора намагничивающих сил статора и ротора совпадают. При появлении нагрузки на валу двигателя оси расходятся, а силовые линии искривляются и удлиняются. Так как силовые линии всегда стремятся сократиться по длине, то появляются тангенциальные силы, создающие вращающий момент .

В последние годы начинают получать применение вентильно-индукторные двигатели. Такой двигатель имеет явнополюсный статор с катушечными обмотками на каждом полюсе. Ротор также явнополюсный, но с другим числом полюсов без обмоток. В обмотки статора поочередно подается однополярный ток от специального преобразователя - коммутатора, и к этим возбужденным полюсам притягивается близлежащий зубец ротора. Затем возбуждается поочередно следующий полюс статора. Переключение обмоток полюсов статора производится в соответствии с сигналами датчика положения ротора. В этом, а также в том, что ток в обмотках статора регулируется в зависимости от момента нагрузки, состоит основное отличие ВИД от шагового двигателя.

В ВИД (рис. 1.8) вращающий момент пропорционален амплитуде главного потока и степени искривления магнитных силовых линий. В начале, когда полюс (зубец) ротора начинает перекрывать полюс статора, искривление силовых линий максимальное, а поток минимален. Когда перекрытие полюсов максимально, искривление силовых линий минимально, а амплитуда потока возрастает, при этом момент остается примерно постоянным. По мере насыщения магнитной системы ВИД нарастание потока ограничивается, даже при увеличении тока в обмотках ВИД. Изменение момента при прохождении полюсов ротора относительно полюсов статора вызывает неравномерность вращения вала ВИД.

Рис. 1.8.

В двигателе постоянного тока обмотка возбуждения расположена на статоре и поле, создаваемое этой обмоткой, неподвижно. В якоре создается вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого равна скорости вращения якоря, но направлена встречно. Это достигается тем, что по виткам обмотки якоря протекает переменный ток, коммутируемый механическим преобразователем частоты - коллекторным аппаратом.

Электромагнитный момент двигателя постоянного тока определяет взаимодействие главного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, и тока в витках обмотки якоря: М = к / я

Если заменить щеточно-коллекторный аппарат двигателя постоянного тока полупроводниковым коммутатором, то получим бесщеточный двигатель постоянного тока. Практической реализацией таких двигателей является вентильный двигатель. Конструктивно вентильный двигатель представляет собой трехфазную синхронную машину с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов. Обмотки статора переключают с помощью полупроводникового управляемого преобразователя - коммутатора в зависимости от положения ротора двигателя.

Важным преимуществом трехфазного тока является возможность получения вращающегося магнитного поля, лежащего в основе принципа действия электрических машин – асинхронных и синхронных двигателей трехфазного тока.

Рис. 7.2. Схема расположения катушек при получении вращающегося магнитного поля (а) и волновая диаграмма трехфазной симметричной системы токов, текущих по катушкам (б)

Вращающееся магнитное поле получают, пропуская трехфазную систему токов (рис. 7.2,б) по трем одинаковым катушкам А, В, С (рис. 7.2,а), оси которых расположены под углом 120° относительно друг друга.

На рисунке 7.2,а показаны положительные направления токов в катушках и направления индукций магнитных полей В А , В В , В С , создаваемых каждой из катушек в отдельности.

На рисунке 7.3 показаны действительные направления токов для моментов времени
и направления индукцииВ рез результирующего магнитного поля, создаваемого тремя катушками.

Анализ рисунка 7.3 позволяет сделать выводы:

а) индукция В рез результирующего магнитного поля с течением времени меняет свое направление (вращается);

б) частота вращения магнитного поля такая же, как и частота изменения тока. Так, при f = 50 Гц вращающееся магнитное поле совершает пять- десять оборотов в секунду или три тысячи оборотов в минуту.

Значение индукции результирующего В рез = 1,5B m магнитного поля постоянно,

где B m – амплитуда индукции одной катушки.

в различные моменты времени

7.3 Асинхронные машины

7.3.1 Принцип действия асинхронного двигателя (АД) . Поместим между неподвижными катушками (рис.7.4) в области вращающегося магнитного поля укрепленный на оси подвижный металлический цилиндр – ротор.

Пусть магнитное поле вращается «по часовой стрелке», тогда цилиндр относительно вращающегося магнитного поля вращается в обратном направлении.

Учитывая это, по правилу правой руки найдем направление наведенных в цилиндре токов.

На рисунке 7.4 направления наведенных токов (вдоль образующих цилиндра) показаны крестиками («от нас») и точками («к нам»).

Применяя правило левой руки (рис. 7.1,б), получаем, что взаимодействие наведенных токов с магнитным полем порождает силы F , приводящие во вращательное движение ротор в том же направлении, в каком вращается магнитное поле.

Частота вращения ротора
меньше частоты вращения магнитного поля , т.к. при одинаковых угловых скоростях относительная скорость ротора и вращающегося магнитного поля была бы равна нулю и в роторе не было бы наведенных ЭДС и токов. Следовательно, не было бы сил F , создающих вращающий момент. Рассмотренное простейшее устройство поясняет принцип действия асинхронных двигателей. Слово «асинхронный» (греч.) означает неодновременный. Этим словом подчеркивается различие в частотах вращающегося магнитного поля и ротора – подвижной части двигателя.

Рис. 7.4. К принципу действия асинхронного двигателя

Вращающееся магнитное поле, создаваемое тремя катушками, имеет два полюса и называется двухполюсным вращающимся магнитным полем (одна фаза полюсов).

За один период синусоидального тока двухполюсное магнитное поле делает один оборот. Следовательно, при стандартной частоте f 1 = 50 Гц это поле делает три тысячи оборотов в минуту. Скорость вращения ротора немногим меньше этой синхронной скорости.

В тех случаях, когда требуется асинхронный двигатель с меньшей скоростью, применяется многополюсная обмотка статора, состоящая из шести, девяти и т.д. катушек. Соответственно вращающееся магнитное поле будет иметь две, три и т.д. пары полюсов.

В общем случае, если поле имеет р пар полюсов, то его скорость вращения будет

.

7.3.2 Устройство асинхронного двигателя . Магнитная система (магнитопровод) асинхронного двигателя состоит из двух частей: наружной неподвижной, имеющей форму полого цилиндра (рис. 8.5), и внутренней – вращающегося цилиндра.

Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака.

Неподвижная часть машины называется статором, а вращающаяся – ротором (от латинского stare – стоять и rotate – вращаться).

Рис. 7.5. Схема устройства асинхронного двигателя: поперечный разрез (а);

обмотка ротора(б): 1 – статор; 2 – ротор; 3 – вал; 4 – витки обмотки статора;

5 – витки обмотки ротора

В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вращающимся магнитным полем.

Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.

Роторы асинхронных двигателей изготавливаются двух видов: короткозамкнутые и с контактными кольцами. Первые из них проще по устройству и чаще применяются.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рис.7.5,б). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.

Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец.

7.3.3 Характеристики асинхронного двигателя . Скорость вращения вращающегося магнитного поля определяется либо угловой частотой , n , либо числом оборотов п в минуту. Эти две величины связаны формулой

. (7.3)

Характерной величиной является относительная скорость вращающегося магнитного поля, называемая скольжением S :

или

где
– угловая частота ротора, рад/с;

– число оборотов в минуту, об/мин.

Чем ближе скорость ротора к скорости вращающегося магнитного поля , тем меньше ЭДС, индуктируемые полем в роторе, а следовательно, и токи в роторе.

Убывание токов уменьшает вращающий момент, воздействующий на ротор, поэтому ротор двигателя должен вращаться медленнее вращающегося магнитного поля – асинхронно.

Можно показать, что вращающий момент АД определяется следующим выражением:

, (7.4)

где , , x 1 , – параметры электрической схемы замещения, которые приводятся в справочниках по АД;

–действующее фазное напряжение на обмотке статора.

У современных асинхронных двигателей скольжение даже при полной нагрузке невелико – около 0,04 (четыре процента) у малых и около 0,015.. .0,02 (полтора – два процента) у крупных двигателей.

Характерная кривая зависимости М от скольжения S показана на рисунке 7.6,а.

Максимум вращающегося момента разделяет кривую
на устойчивую часть от S = 0 до и неустойчивую часть от до S = 1, в пределах которой вращающий момент уменьшается с ростом скольжения.

На участке от S = 0 до при уменьшении тормозящего момента
на валу асинхронного двигателя увеличивается скорость вращения, скольжение уменьшается, так что на этом участке работа асинхронного двигателя устойчива.

На участке от до S = 1 с уменьшением
скорость вращенияувеличивается, скольжение уменьшается и вращающий момент увеличивается, что приводит к еще большему возрастанию скорости вращения, так что работа двигателя неустойчива.

Таким образом, пока тормозящий момент
, динамическоеравновесие моментов автоматически восстанавливается. Когда же
, при дальнейшем увеличении нагрузки возрастание скольжения приводит к уменьшению вращающегося моментаМ и двигатель останавливается вследствие преобладания тормозящего момента над вращающим.

Значение М к можно рассчитать по формуле

.

Для практики большое значение имеет зависимость скорости двигателя от нагрузки на валу
. Эта зависимость носит название механической характеристики (рис. 7.6,б).

Как показывает кривая рисунка 7.6,б, скорость асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении вращающего момента в пределах от нуля до максимального значения
.Пусковой момент соответствующий S = 1, можно получить из (7.4), принимая S = 1. Обычно пусковой момент М пуск = (0,81,2)М ном, М ном – номинальный момент. Такую зависимость называют жесткой .

Рис. 7.6. Зависимость вращающего момента на валу асинхронного двигателя

от скольжения (а); механическая характеристика (б)

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря следующим достоинствам: простоте устройства; высокой надежности в эксплуатации; низкой стоимости.

С помощью асинхронных двигателей приводятся в движение подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

Асинхронные двигатели имеют следующие недостатки:

регулирование скорости вращения ротора затруднено.

Простота технической реализации кругового движения для вращения магнитного поля заложена в основу работы всех 3-х фазных машин, включая электрические генераторы и двигатели.

Условия создания вращающегося магнитного поля . Его создание достигается одновременным выполнением двух условий:

1. Размещением трех обмоток с одинаковыми электрическими параметрами в одной плоскости вращения с равным угловым смещением (Δα=360°/3=120°) ;

2. Пропусканием по этим обмоткам равных по величине и форме синусоидальных гармоник токов, которые сдвинуты по времени на треть периода (по угловой частоте на 120°).

Сформированное круговое магнитное поле станет вращаться. Постоянная индукция созданного поля имеет максимальную амплитуду с величиной Bmax, направленной по оси поля со скоростью постоянного углового вращения ωп.

Расположение трех обмоток катушек в одной плоскости вращения показано на рисунке и соответствует требованиям первого условия.

По обмоткам катушек А-Х , В-Y , С-Z от их начала (входа) А , В , С к окончанию (выходу) X , Y , Z пропускается электрический симметричный 3-х фазный ток, значение которого для любого мгновения времени вычисляется по выражениям:

iA=Im∙sin(ωt+0);
iВ=Im∙sin(ωt-120°);
iС=Im∙sin(ωt+120°) .

Каждый виток обмотки катушек формирует свое индивидуальное магнитное поле, у которого индукция пропорциональна току, проходящему по витку (В=k*i) . Суммирование полей всех витков в каждой катушке формирует симметричную относительно центра вращения (начала отсчета координат) систему из трех индукций:

ВА=Вm∙sin(ωt+0);
ВB=Вm∙sin(ωt+0);
ВC=Вm∙sin(ωt+0) .

Магнитные поля в виде векторов индукции ВА , ВB , ВC имеют в пространстве строго выраженное ориентирование, определяемое известным правилом буравчика по отношению к положительному направлению тока в обмотке катушки.

Общий (результирующий) вектор магнитной индукции В от создаваемого магнитного поля в электрической машине рассчитывается геометрическим сложением фазных векторов ВA , ВB , ВC от всех катушек.

В частном случае для временной оценки вектора магнитной индукции выбирается несколько точек периода, например те, которые соответствуют 0, 30 и 60 градусам его поворота относительно начальной ординаты.

Пространственное расположение векторов индукции каждой фазы и полученного от их геометрического сложения результирующего вектора для каждого случая на комплексной плоскости демонстрируют графики.

Результаты графического сложения удобно анализировать после их представления отдельной таблицей:

Результаты проведенного анализа указывают, что полный вектор индукции В всех магнитных полей фаз машины имеет одно постоянное значение во всех рассматриваемых точках. Аналогичные выводы получатся при математическом решении аналогичной задачи для любых других временных моментов.

Свойства вектора магнитной индукции В :

Направление его вращения в пространстве соответствует движению по ближайшему направлению от катушки А в сторону катушки В ;

Известно, что вокруг проводника с током всегда образуется магнитное поле. Направление его определяется правилом правоходового винта ("буравчика").

Проведем силовую магнитную линию вокруг проводников С и У и, соответственно, В и Z (см. штриховые линии на рис. 5.2.2 a).

Рассмотрим теперь момент времени t 2 . В это время тока в фазе В не будет. В проводнике А фазы А-Х он будет иметь знак (+), а в проводнике С фазы C-Z он будет иметь знак (·). Теперь проставим знаки: в проводнике Х - (·), а в проводнике Z - (+).

представляет собой полную механическую мощность, развиваемую двигателем.

5.8. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Уравнениям ЭДС и токов соответствует эквивалентная схема замещения (рис. 5.8.1.). Таким образом, сложную магнитную цепь электрической машины можно заменить электрической схемой . Сопротивление r 2 "(1 - S)/S можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку ротора. Оно является единственным переменным параметром схемы. Изменение этого сопротивления эквивалентно изменению нагрузки на валу двигателя, а следовательно, изменению скольжения S.

5.9. ПОТЕРИ И КПД АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В обмотку статора из сети поступает мощность P 1 . Часть этой мощности идет на потери в стали P сl , а также потери в обмотке статора Р э1:

Оставшаяся мощность посредством магнитного потока передается на ротор и называется электромагнитной мощностью:

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора:

Оставшаяся мощность преобразуется в механическую, получившую название полной механической мощности:

Р 2 "=Р эм -Р э2

Воспользовавшись ранее полученной формулой

запишем выражение полной механической мощности:

Р э2 =SР эм,

т.е. мощность электрических потерь пропорциональна скольжению.

Мощность на валу двигателя P 2 меньше полной механической мощности Р 2 ’ на величину механических Р мех и добавочных Р доб потерь:

Р 2 =Р 2 ’-(Р мех. +Р доб.).

Таким образом:

SP=P сl +Р э1 +Р э2 +Р мех. +Р доб.

Коэффициент полезного действия есть отношение мощности на валу P 2 к потребляемой мощности P 1:

5.10. УРАВНЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА

Вращающий момент в асинхронном двигателе создается взаимодействием тока ротора с магнитным полем машины. Вращающий момент математически можно выразить через электромагнитную мощность машины:

где w 1 =2pn 1 /60 - угловая частота вращения поля.

В свою очередь, n 1 =f 1 60/Р, тогда

Подставим в формулу M 1 выражение Р эм =Р э2 /S и, разделив на 9,81, получим:

Отсюда следует, что момент двигателя пропорционален электрическим потерям в роторе. Подставим в последнюю формулу значение тока I 2 ’:

Однако широкое развитие технологии, технического творчества учащихся требует знания ряда дополнительных возможностей использования этих материалов. Рассмотрим лишь некоторые из них.

5.18.2 Индукционные регуляторы и фазорегуляторы

Индукционные регуляторы напряжения представляют собой заторможенный асинхронный двигатель с фазовым ротором. Им можно регулировать напряжение в широких пределах. Статорная и роторная обмотки в регуляторе соединены электрически, но так, чтобы они могли быть смещены относительно друг друга поворотом ротора. При подключении индукционного регулятора к сети вращающийся магнитный поток наводит в обмотках статора и ротора ЭДС E 1 и E 2 . При совпадении осей в обмотках ЭДС E 1 и E 2 совпадают по фазе, а на выходных зажимах регулятора устанавливается максимальное значение напряжения.

При повороте ротора оси обмоток поворачиваются на некоторый угол a . На такой же угол смещается и вектор E 2 . При этом напряжение на выходе уменьшается. Поворотом ротора на угол 180° мы устанавливаем на выходе минимальное напряжение.

Фазорегулятор предназначен для изменения фазы вторичного напряжения относительно первичного. При этом величина вторичного напряжения остается неизменной.

Фазорегулятор представляет собой асинхронную машину, заторможенную специальным поворотным устройством. Напряжение подводится к статорной обмотке, а снимается с роторной. В отличие от индукционного регулятора здесь обмотки статора и ротора электрически не соединены. Изменение фазы вторичного напряжения осуществляется поворотом ротора относительно статора.

Применяется в автоматике и измерительной технике.

5.18.3 Асинхронный преобразователь частоты

Как известно, частота тока в цепи ротора асинхронного двигателя зависит от скольжения, т.е. определяется разностью частот вращения ротора и поля статора.

Указанное свойство позволяет использовать двигатель в качестве преобразователя частоты (рис. 5.18.3.1). Если обмотку статора подключить к сети промышленной частоты f 1 , а ротор посредством постороннего двигателя приводится во вращение против поля статора, то скольжение возрастает, а частота тока ротора f 2 соответственно увеличивается по сравнению с частотой сети f 1 в несколько раз. Если требуется уменьшить частоту тока, то ротор преобразователя надо вращать в направлении вращающегося поля статора.

5.18.4 Электромагнитная асинхронная муфта

Электромагнитная асинхронная муфта (рис. 5.18.4.1) устроена по принципу асинхронного двигателя и служит для соединения двух частей вала. На ведущей части вала 1 помещается полюсная система 2, представляющая собой систему явно выраженных полюсов с катушками возбуждения. Постоянный ток в катушке возбуждения подводится через контактные кольца 4. Ведомая часть муфты 3 исполняется по типу роторной обмотки двигателя.

Принцип работы муфты аналогичен работе асинхронного двигателя, только вращающийся магнитный поток здесь создается механическим вращением полюсной системы. Вращающий момент от ведущей части вала к ведомой передается электромагнитным путем. Разъединение муфты производится отключением тока возбуждения.

Круговое вращающееся магнитное поле обладает следующими характерными свойствами:

а) максимумы результирующих волн МДС и индукции всегда совпадают с осью той фазы, в которой ток имеет максимум. Это положение легко проверить, задаваясь величиной ωt, соответствующей максимуму тока в фазе, и определяя по (3.15) координату точки х , в которой МДС F " x максимальна;

б) магнитное поле перемещается в сторону оси той фазы, в которой ожидается ближайший максимум. Это свойство непосредственно следует из предыдущего;

в) для изменения направления вращения поля необходимо изменить порядок чередования тока в фазах. В трехфазных машинах для этого следует поменять местами провода, подводящие ток из трехфазной сети к двум любым фазам обмотки. В двухфазных машинах нужно переключить провода, присоединяющие фазы обмотки к двухфазной сети.

Эллиптическое поле. Круговое вращающееся магнитное поле возникает при симметрии токов, проходящих по фазам (симметрии МДС катушек отдельных фаз), симметричном расположении этих фаз в пространстве, сдвиге во времени между фазными токами, равном пространственному сдвигу между фазами и синусоидальном распределении индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности статора (ротора). При несоблюдении хотя бы одного из указанных условий возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся поле, у которого максимальное значение результирующей МДС и индукции для различных моментов времени не остается постоянным, как при круговом поле. В таком поле пространственный вектор МДС описывает эллипс (см. рис. 3.12, в ).

Эллиптическое поле можно представить в виде двух эквивалентных круговых полей, вращающихся в противоположных направлениях. Поле, вращающееся по направлению вращения результирующего эллиптического поля, называют прямым; поле, вращающееся в противоположном направлении,- обратным. Разложение эллиптического поля на прямое и обратное круговые поля производят методом симметричных составляющих, с помощью которого определяют МДС прямой иобратной последовательностей.

Рассмотрим, например, двухфазную машину, у которой на статоре расположены две фазные обмотки (фазы) АХ и BY , оси которых смещены в пространстве на некоторый угол α (рис. 3.16, а ). Токи, проходящие по этим фазам, и соответствующие векторы МДС FxA и FxB сдвинуты во времени на некоторый угол β. Фазы АХ и BY создают пульсирующие магнитные поля, синусоидально распределенные в пространстве. МДС этих фаз, действующие в любой точке х воздушного зазора,

FxA = FmA sin ωt cos(πx/τ); FxB = FmB sin(ωt + β)cos(πx/τ + α).

МДС фаз АХ и BY аналогично (3.15) можно представить в виде суммы двух бегущих волн МДС противоположных направлений:

В выражениях (3.21) складываются или вычитаются временные и пространственные углы, т. е. они становятся эквивалентными. Это объясняется тем, что пространственное положение вектора МДС вращающегося поля определяется временем и частотой тока, питающего фазы, - за один период поле перемещается на пару полюсов. Результирующее магнитное поле, создаваемое совместным действием двух обмоток, можно получить путем сложения составляющих векторов МДС прямой последовательности, вращающихся по часовой стрелке (образующих прямое поле):

F"xA = 0,5FmA sin(ωt - πx/τ) и F"xB = 0,5FmB sin(ωt + β - πx/τ ± α),

А также векторов МДС обратной последовательности, вращаю-щихся против часовой стрелки (образующих обратное поле)

Суммарные МДС полей, вращающихся в противоположные стороны, т. е. F"x = F"xA + F"xB и F""x = F"xA + F"xB , не равны по величине (рис. 3.16,6), а поэтому результирующее поле машины не пульсирующее, а вращающееся. В этом поле максимальное значение результирующей МДС в различные моменты времени не остается постоянным, как при круговом поле, т. е. поле эллиптическое. В двухфазной машине можно также получить и круговое вращающееся поле; при этом одна из составляющих МДС F"x или F"x должна отсутствовать. Условия получения кругового поля в такой машине сводятся к взаимной компенсации одной из пар МДС F"xA и F"xB или F"xA и F"xB . Последнее может быть, если указанные МДС равны по амплитуде, но противоположны по фазе, т. е. если α ± β = π .

Основное вращающееся МП в асинхронной машине создаётся электромагнитным путём с помощью трёхфазной статорной обмотки, подключённой к трёхфазной сети переменного тока }