Электрогравитация это просто. Вращающееся магнитное поле Как определить скорость вращения магнитного поля статора
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
= (0,8
1,2)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.
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 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 фазеА положительный, а в фазахВ иС – 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 индукциейВтрез расположена 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 Е 2 и протекает ток. Направление ЭДС определяется по правилу «правой руки », а ее величина равна:
где L – активная длина проводника обмотки ротора;
ν 1 - линейная скорость движения магнитного поля статора:
D – диаметр расточки статора.
Направление тока I 2 совпадает с направлением ЭДС Е 2пр. 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 F рез и электромагнитный момент М эм, приводящий ротор во вращение со скоростью n 2 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 ν 1 и ν 2
Это линейная скорость движения проводника ротора.
Чем выше скорость вращения ротора n 2 , тем меньшая ЭДС в нем индуктируется, тем меньше ток Ι 2 , тем меньше сила f пр и F рез. При достижении ротором скорости вращения n 2 = n 1 , E 2 = 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 n 2 станет меньше n 1 , опять начнет действовать электромагнитная сила.
Следовательно, в рассматриваемой системе возможно только асинхронное (несинхронное) вращение ротора относительно вращающегося магнитного поля статора.
Электромагнитный момент М эм уравновешивается моментом сопротивления М с исполнительного механизма. Чем больше М с, тем больше должен быть вращающий момент М эм, 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 2 = 0) скольжение равно 1,0. Это для АД режим короткого замыкания. При холостом ходе, когда скорость ротора максимально приближается к синхронной (n 2 = n 1) скольжение минимально и очень близко к нулю. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке АД, называется номинальным скольжением S н и составляет единицы процента, в зависимости от типа и назначения двигателя.
С учетом отношения, скорость вращения ротора может быть выражена через n 1 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 2 = f 1 , при номинальном режиме нагрузки S н = (0,02…0,04), f 2 = 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 1 = p 2 = 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 n 2 >n 1 , 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.
| " |
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.
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.
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.
В предыдущем параграфе было показано, что скорость вращения магнитного поля постоянна и определяется частотой тока. В частности, если трехфазную обмотку двигателя разместить в шести пазах на внутренней поверхности статора (рис. 5-7), то, как было показано (см. рис. 5-4), ось магнитного потока повернется
за половину периода переменного тока на полоборота, а за полный период - на один оборот. Скорость вращения магнитного потока их можно представить так:
В этом случае обмотка статора создает магнитное поле с одной парой полюсов. Такая обмотка получила название двухполюсной.
Если обмотка статора состоит из шести катушек (по две последовательно соединенные катушки на фазу), уложенные в двенадцати пазах (рис. 5-8), то в результате построений, аналогичных для двухполюсной обмотки, можно получить, что ось магнитного потока за полпериода повернется на четверть оборота, а за полный период - на полоборота (рис. 5-9). Вместо двух полюсов при трех
обмотках поле статора теперь имеет четыре полюса (две пары полюсов). Скорость вращения магнитного поля статора в этом случае равна
Увеличивая число пазов и обмоток и производя аналогичные рассуждения, можно сделать вывод, что скорость вращения магнитного поля в общем случае при парах полюсов равна
Так как число пар полюсов может быть только целым (число катушек в обмотке статора всегда кратно трем), то скорость вращения магнитного поля может иметь не произвольные, а вполне определенные значения (см. табл. 5.1).
Таблица 5.1
На практике для получения постоянного значения вращающего момента, действующего на ротор в течение одного оборота, число пазов в статоре значительно увеличивают (рис. 5-10) и каждую сторону катушки размещают в нескольких пазах, при этом каждая обмотка состоит из нескольких секций, соединенных между собой последовательно. Обмотки, как правило, делают двухслойными. В каждом пазу укладывают одну над другой две стороны секций двух разных катушек, причем, если одна активная сторона лежит на дне одного паза, то другая активная сторона этой секции лежит наверху другого паза, секции и катушки соединяют между собой так, чтобы в большей части проводников каждого паза направление токов было одинаковым.
