11. Условия создания вращающегося магнитного поля в однофазной системе

Пульсирующее поле. При питании однофазной обмотки переменным током возникает магнитное поле, пульсирующее во времени с частотой изменения тока. В этом случае при синусоидальном распределении МДС (рис. 3.12) в каждой точке воздушного зазора, расположенной на расстоянии х от оси обмотки, действует МДС

(3.12)

F_x = F₀ cos (πx/τ) = F_m sin ωt cos (πx/τ),

где F₀ = F_m sin ωt - МДС в точке, расположенной на оси обмотки.

Выражение (3.14) можно преобразовать к виду

(3.13)

F_x = 0,5F_m sin (ωt - πx/τ) + 0,5F_m sin (ωt + πx/τ).

Каждый из членов правой части (3.13) представляет собой уравнение бегущей (или вращающейся) волны МДС. Следовательно, пульсирующее магнитное поле, синусоидально распределенное в пространстве, можно представить в виде суммы двух магнитных полей, вращающихся в противоположных направлениях (рис. 3.13). При этом бегущие волны МДС, создающие эти магнитные поля,

(3.14)

F'_x = 0,5F_m sin (ωt - πx/τ); F''_x = 0,5F_m sin (ωt + πx/τ).

Рис.  3.12.  Диаграмма  распределения  МДС  в  воздушном зазоре (а) и годографы пространственного вектора МДС (б, в)

Р ис.  3.13.  Вращающиеся магнитные поля однофазной обмотки

В каждом из этих полей максимальные значения МДС в различные моменты времени остаются неизменными. Следовательно, если каждое из этих полей представить в виде пространственного вектора МДС F (рис. 3.12,6), то конец его будет описывать окружность. Такое поле называют круговым.

В качестве положительного направления условно примем направление вращения бегущей волны МДС по часовой стрелке. Координату точки х, в которой МДС F'x максимальна и равна 0,5F_m, можно получить, положив sin (ωt - πx/τ) = 1. При этом ωt - πx/τ = π/2, откуда

(3.15)

х = τ(ωt - π/2)/π.

Следовательно, при увеличении угла ωt координата точки х перемещается в положительном направлении, т. е. МДС F'_x вращается по часовой стрелке, a F''_x — против часовой стрелки. Линейная скорость перемещения бегущей волны МДС

(3.16)

u = dx/dt = ωτ/π = 2fτ

т. е. за один период магнитное поле проходит пару полюсов. Частота вращения бегущей волны МДС (частота вращения магнитного поля)

(3.17)

n₁ = 60u/(πD) = 60• 2fτ/(πD) = 60f /p.

Следовательно, изменяя число полюсов электрической ма-шины 2р, можно получать различные частоты вращения магнитного поля.

Из (3.17) следует, что в многополюсной машине за один период изменения переменного тока магнитное поле поворачивается на пространственный угол 360°/р, соответствующий одной паре полюсов. Поэтому при рассмотрении электромагнитных процессов в электрических машинах вводят понятие «электрические градусы», с которыми оперируют при построении векторных диаграмм, проектировании обмоток и пр. При этом 360 временным градусам соответствует 360р электрических градуса, а электрические градусы имеют связь с геометрическими градусами в виде соотношения α°_эл = рα°_геом.

12. Устройство и принцип действия асинхронной машины

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки можно соединить по схеме "звезда" или "треугольник" в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют "звездой". Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в "треугольник". В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек, сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам, насаженным на вал и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток, находящихся в скользящем контакте с кольцами, имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты.

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечники ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамыкающими кольцами при помощи сварки. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты.

Принцип действия асинхронной машины

В основу действия асинхронной машины положено использование вращающегося магнитного поля, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке ротора. При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение (в двигательном режиме) или осуществляющий его торможение (в тормозных режимах).

Принцип действия асинхронной машины основан на законе электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем, и работах Д. Максвелла и Э. Ленца.

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рис. 1.1, а), а вторую – на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой многофазную (или в частом случае трехфазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора AX, BY и CZ соединяют по схеме Y или D и подключают к сети трехфазного тока. Обмотку ротора 4 выполняют многофазной короткозамкнутой или трехфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора.

Из курса теоретических основ электротехники известно, что при питании трехфазным синусоидальным током трехфазной обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого:

n₁ = 60f₁/p,   (1.1)

где f1 – частота питающей сети; p – число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в проводниках замкнутой накоротко обмотки ротора ЭДС E2 и по ним проходит ток I2.

На рис. 1.1, а показано (по правилу правой руки) направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше частоты n1, то активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС; при этом условные обозначения (крестики и точки) на рис. 1.1 показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие Fрез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент M, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем.

Электромагнитный момент, возникающий от взаимодействия магнитного потока Ф и тока ротора I2,

M = cФI₂cosψ₂ ,

где c – коэффициент пропорциональности; I₂cosψ₂ – активная составляющая тока ротора; ψ2 – угол сдвига фаз между током I2 и ЭДС E2 в обмотке ротора.

Если электромагнитный момент M достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения n2 соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным.

Частота вращения ротора n2 всегда отличается от частоты вращения магнитного поля n2, так как в случае совпадения этих частот вращающееся поле не пересекает обмотку ротора и в ней не индуцируется ЭДС, а следовательно, и не создается вращающий момент.

Если вращать ротор от постороннего двигателя в сторону, противоположную вращению магнитного поля (рис. 1.1, в), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора направлены так же, как и в двигательном режиме, т.е. машина получает из сети электрическую энергию. Однако в данном режиме электромагнитный момент M направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины – режим электромагнитного торможения. В этом режиме ротор вращается в обратном направлении (по отношению к направлению магнитного поля).