Как определить скорость вращения магнитного поля статора. Электрогравитация это просто. Регулировка частоты вращения

§ 65. ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Действие многофазной машины переменного тока основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Вращающееся магнитное поле создает любая многофазная систе­ма переменного тока, т. е. система с числом фаз две, три и т. д.

Выше было отмечено, что наибольшее распространение получил трехфазный переменный ток. Поэтому рассмотрим вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки машины переменного тока (рис. 70).

На статоре расположены три ка­тушки, оси которых сдвинуты взаим­но на углы 120°. Каждая катушка для наглядности изображена состоя­щей из одного витка, находящегося в двух пазах (впадинах) статора. В действительности катушки имеют большое число витков. Буквами А, В, С обозначены начала катушек, X Y, Z - концы их. Катушки соедине­ны звездой, т. е. концы X, Y, Z соеди­няются между собой, образуя общую нейтраль, а начала А, В, С подклю­чаются к трехфазной сети перемен­ного тока. Катушки могут соединять­ся и треугольником.

По катушкам протекают синусоидальные токи с одинаковым амплитудами Im и частотой ω = 2πf, фазы которых смещены на 1/3 периода (рис. 71).

Токи, протекающие в катушках, возбуждают переменные магнитные поля, магнитные линии которых будут пронизывать катушки в направлении, перпендикулярном их плоскостям. Следовательно, средняя магнитная линия или ось магнитного поля, создаваемого катушкой А - X, будет направлена под углом 90° к плоскости этой катушки.

Направления магнитных полей всех трех катушек показаны на рис. 70 векторами В А, В В и В С, сдвинутыми один относительное другого также на 120°.

При этом в проводниках статора, подключенных к начальным точкам А, В, С, токи, принятые положительными, будут направлены на зрителя, а в проводниках, подключенных к конечными точкам X, Y и Z,- от зрителя (см. рис. 70).

Положительным направлениям токов будут соответствовать положительные направления магнитных полей, показанные на том же рисунке и определяемые по правилу буравчика.

На рис, 71 приведены кривые токов всех трех катушек, которые позволяют найти мгновенное значение тока каждой катушки для любого момента времени.

Не касаясь количественной стороны явления, определим сна­чала направления магнитного поля, созданного трехфазной обмот­кой для различных моментов времени.

В момент t= 0 ток в катушке А - X равен нулю, в катушке В - Y отрицателен, в катушке С -Z положителен. Следовательно, в этот момент тока в проводниках А и X нет, в проводниках С и Z он имеет положительное направление, а в проводниках B и Y – отрицательное направление (рис. 72, а ).

Таким образом, в выбранный нами момент t=0 в проводниках С и Y ток направлен на зрителя, а в проводниках В и Z - от зри­теля.

При таком направлении тока согласно правилу буравчика маг­нитные линии созданного магнитного поля направлены снизу вверх, х. е. в нижней части внутренней окружности статора находится северный полюс, а в верхней части - южный.

В момент t 1 в фазе А ток положителен, в фазах В и С - отри­цателен. Следовательно, в проводниках Y, А и Z ток направлен на зрителя, а в проводниках С, X и В - от зрителя (рис. 72, б), и маг­нитные линии магнитного поля повернуты на 90° по часовой стрел­ке относительно своего начального направления.

В момент t 2 ток в фазах А и В положителен, а в фазе С - отри­цателен. Следовательно, в проводниках А, Z и В ток направлен на зрителя, а в проводниках Y, С и X - от зрителя и магнитные линии магнитного поля повернуты еще на больший угол относительно своего начального направления (рис. 72, в).

Таким образом, во времени происходит непрерывное и равно­мерное изменение направлений магнитных линий магнитного поля, созданного трехфазной обмоткой, т. е. это магнитное поле вращает­ся с постоянной скоростью.

В нашем случае вращение магнитного поля происходит по часо­вой стрелке.

Если изменить чередование фаз трехфазной обмотки, т. е. изме­нить подключение к сети любых двух из трех катушек, то изменит­ся и направление вращения магнитного поля. На рис. 73 показана трехфазная обмотка, у которой изменено подключение катушек В и С к сети. Из направления магнитных линий магнитного поля для ранее выбранных моментов времени t=0, t 1 и t 2 видно, что вра­щение магнитного поля происходит теперь против часовой стрелки.

Магнитный поток, создаваемый трехфазной системой перемен­ного тока в симметричной системе катушек, является величиной постоянной и в любой момент времени равен полуторному значению максимального потока одной фазы .

Это можно доказать, определив результирующий магнитный поток Ф для любого момента времени.

Так, для момента t 1 , когда ωt 1 ==90°, токи в катушках принима­ют следующие значения:

Следовательно, магнитный поток Ф А катушки А в выбранный момент имеет наибольшее значение и направлен по оси этой катушки, т. е. положительно. Магнитные потоки катушки В и С вдвое меньше максимального и отрицательны (рис. 74).

Геометрическую сумму потоков Фа, Фв, Фс можно найти, построив их последовательно в принятом масштабе в виде отрезков. Соединив начало первого отрезка с концом последнего, получим отрезок результирующего магнитного потока Ф. Численно этот поток будет в полтора раза больше максимального потока одной фазы.

Например, для момента времени А (см. рис. 74) результирующий магнитный поток

так как в этот момент результирующий поток совпадает с потоком Фа и сдвинут относительно потоков Фв и Фс на 60°.

Имея в виду, что в момент t 1 магнитные потоки катушек прини­мают значения результирующий маг­нитный поток можно выразить так:

В момент t=0 результирующее магнитное поле было направле­но по вертикальной оси (см. рис. 72, а). За время, равное одному периоду изменения тока в катушках, магнитный поток повернется на один оборот в пространстве и будет вновь направлен по верти­кальной оси, так же как и в момент t=0.

Если частота тока f, т. е. ток претерпевает f периодов изменения в одну секунду, то магнитный поток трехфазной обмотки совершит f (оборотов в секунду или 60f оборотов в минуту, т, е,

n 1 - число оборотов вращающегося магнитного поля в минуту.

Мы рассмотрели простейший случай, когда обмотка имеет одну пару полюсов.

Если обмотку статора выполнить так, что провода каждой фа­зы будут разбиты на 2, 3, 4 и т. д. одинаковые группы, симметрично расположенные по окружности статора, то число пар полюсов будет соответственно равно 2, 3, 4 и т. д.

На рис. 75 показана обмотка одной фазы, состоящая из трех симметрично расположен­ных по окружности статора катушек и обра­зующая шесть полюсов или три пары полю­сов.

В многополюсных обмотках магнитное поле за один период изменения тока повора­чивается на угол, соответствующий расстоя­нию между двумя одноименными полюсами.

Таким образом, если обмотка имеет 2, 3, 4 и т. д. пары полюсов, то магнитное поле за время одного периода изменения тока поворачивается на и т. д. часть окружности статора. В общем случае, обозначив буквой р число пар полюсов, найдем путь, пройденный магнитным полем за один период изменения тока, равным одной р -той доли окружности статора. Следовательно, число оборотов в минуту магнитного поля обратно пропорционально числу пар полюсов, т. е.

Пример 1. Определить число оборотов магнитного поля машин с числом пар полюсов р =1, 2, 3 и 4, работающих от сети с частотой тока f=50 гц.

Решение. Число оборотов магнитного поля

Пример 2 . Магнитное поле машины, включенной в сеть с частотой тока 50 гц, делает 1500 об/мин. Определить число оборотов магнитного поля этой ма­шины, если она будет включена в сеть с частотой тока 60 гц.

Решение. Число пар полюсов машины

Число оборотов магнитного поля при новой частоте

Контрольные вопросы

1. Объясните устройство и принцип работы трехфазного генератора.
2. В каком случае не нужен нулевой провод при соединении обмотки генератора и приемников звездой?
3. Каково соотношение между линейными и фазными значениями напряже­ний и токов при соединении источников и потребителей энергии звездой и треугольником?
4. Какие достоинства имеет схема соединения приемников треугольником?
5. Каким выражением определяется мощность трехфазного тока при симмет­ричной нагрузке?
6. Каким образом можно изменить направление вращения магнитного поля симметричной трехфазной системы катушек?
7. От чего зависит скорость вращения магнитного поля симметричной трехфазной системы?

Предыдущая |

Магнитное поле, ось которого вращается в пространстве с постоянной угловой частотой, называется вращающимся магнитным полем. Если при этом величина индукции в любой точке оси магнитного поля остается постоянной, то такое поле называется круговым вращающимся магнитным полем. Это связано с тем, что его можно изобразить вращающимся в пространстве вектором постоянной длины, конец которого при вращении описывает окружность.

Формирование кругового вращающегося магнитного поля является необходимым условием работы асинхронных и синхронных машин. Для этого в пазы пакета статора (рис. 1) укладывают три одинаковые обмотки (катушки), состоящие из двух частей, располагающихся диаметрально противоположно в пакете статора. Причем оси трех обмоток статора смещены по отношению друг к другу на 120° .

Если схематически представить обмотки статора состоящими из одного витка, то на статоре будет только шесть пазов, в каждом из которых будет лежать половина витка обмотки. Обозначим начала витков обмоток буквами A , B и C , а концы витков буквами X, Y и Z . Обозначим также направления протекания тока в витках обмоток, считая положительным направление от начала к концу обмотки. Тогда для положительных значений тока стороны A , B и C будут обозначены крестом, а стороны X, Y и Z – точкой(рис.2).

При подключении обмоток статора к трехфазной сети переменного тока в обмотках будут протекать токи , смещенные во времени (по фазе) друг относительно друга на 120° электрических так, как это показано на рисунке. Выделим в пределах периода шесть моментов времени, отстоящих друг от друга на 60° эл. и для каждого из них отметим направления токов в обмотках с учетом знаков токов в соответствующий момент времени. Нетрудно заметить, что в любой момент токи в двух половинах пакета статора протекают в разных направлениях и образуют магнитное поле, ось которого совпадает с осью разделения направлений токов, т.е. через каждые 60° эл. ось магнитного поля поворачивается в пространстве на 60° . Таким образом, с помощью этой симметричной системы обмоток, питающейся от симметричной системы трехфазной сети мы получили круговое вращающееся магнитное поле.

Угловая частота, с которой магнитное поле вращается в пространстве полностью определяется частотой питающей сети и электрической схемой обмоток. Если увеличить число витков вдвое и соединить их в обмотки так, чтобы по окружности пакета статора располагались две чередующиеся пары групп с одинаковым направлением тока, то образуется магнитное поле с двумя парами полюсов (рис. 3). Оно также будет вращаться в пространстве, перемещаясь за один период колебаний токов на угол соответствующий расстоянию между одноименными полюсами, т.е. на 180° . Значит, угловая скорость вращения поля будет вдвое меньшей.

Таким образом, угловая частота вращения магнитного поля равна [рад/с] или [об/мин], где - частота питающей сети, а p - число пар полюсов обмотки статора. Отсюда возникает ряд возможных скоростей вращения магнитного поля для промышленной сети частотой 50 Гц: 3000, 1500, 1000, 750, 600 и т.д. [об/мин]

Направление вращения магнитного поля определяется последовательностью подключения обмоток к трехфазной сети. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами точки подключения двух любых обмоток.

Основные понятия и принцип действия асинхронной машины

Конструктивная схема асинхронной машины показана на рисунке 1. Она состоит из пакета статора 1 с пазами 2 для укладки обмотки и цилиндрического ротора 3 в круглых пазах которого находятся проводники (стержни) 4 его обмотки. Стержни замкнуты по краям кольцами (на рисунке не показаны), поэтому обмотка ротора называется короткозамкнутой. Такой тип ротора наиболее распространен у асинхронных машин, т.к. он прост, надежен и технологичен. Если мысленно извлечь обмотку ротора из пакета ротора, то она будет иметь вид, показанный на рисунке 2. Этот тип обмотки называется "беличья клетка".

Кроме роторов типа "беличья клетка" в асинхронных машинах применяются ротора, у которых в пазах уложена такая же трехфазная обмотка (рис 3 1), как в статоре. Для подключения к внешним электрическим цепям (5) концы обмотки выведены наружу через контактные кольца (3) и щетки (4)(см. рисунок). Такой тип ротора называется фазным

Обмотка ротора не имеет электрического соединения с внешними цепями и ток в ней возникает в результате электромагнитной индукции. Этот процесс происходит следующим образом. Трехфазная обмотка статора подключается к сети переменного тока и ток обмотки () формирует круговое вращающееся магнитное поле. Поле статора () вращается в пространстве относительно оси вращения ротора () и пересекает стержни его обмотки. В результате в них наводится ЭДС индукции () и т.к. концы стержней ротора электрически замкнуты кольцами, то в них под действием ЭДС формируется электрический ток (). Взаимодействие протекающего в стержнях тока с внешним магнитным полем вызывает действие силы (F ) и соответствующего электромагнитного момента (M ), приводящего ротор во вращение (). Таким образом, возникновение вращающего момента возможно только в случае, если стержни ротора пересекают магнитное поле статора, а для этого необходимо, чтобы ротор вращался со скоростью отличной от скорости вращения магнитного поля, т.е. чтобы он вращался несинхроннно с полем. Отсюда происходит название этой машины – асинхронная.

Сказанное выше можно представить в виде логической последовательности , в которой существует только один условный переход от вращающегося поля к ЭДС и току ротора. Если , то поле и ротор вращаются синхронно и ЭДС ротора не возбуждается. Такой режим называется холостым ходом и он может создаваться только за счет внешнего вращающего момента.

Если скорость вращения ротора меньше скорости вращения поля, то электромагнитный момент действующий на ротор положительный и стремится разогнать его. При скорости ротора выше скорости поля направления ЭДС и тока в роторе меняются на противоположные. Электромагнитный момент также меняет знак и становится тормозящим.

Для описания электромеханических процессов в асинхронной машине обычно пользуются понятием скольжения s. Оно равно разности скоростей или частот вращения магнитного поля ()и ротора () отнесенной к скорости или частоте вращения магнитного поля . Отсюда скорость или частоту вращения можно выразить через скольжение . Скорость или частоту вращения магнитного поля называют также синхронной скоростью или частотой.

Основной магнитный поток и потоки рассеяния. Индуктивные сопротивления

В обмотке ротора протекают токи, наводимые ЭДС индукции. Они формируют собственное поле ротора вращающееся относительно тела ротора с частотой скольжения . Таким образом, поле ротора участвует в двух вращательных движениях – движении относительно тела тора и вместе с ним относительно статора с частотой . Следовательно, частота вращения поля ротора равна , т.е. поле ротора вращается в пространстве с такой же частотой, что и поле статора. Поэтому эти поля неподвижны друг относительно друга и образуют единое поле машины. Основная часть магнитного потока поля охватывает обмотки статора и ротора, пересекая воздушный зазор . Эта часть называется основным магнитным потоком Ф. Две другие части сцепляются только с одной из обмоток и образуют соответствующие потоки рассеяния и . Потоки рассеяния формируют в обмотках ЭДС рассеяния или ЭДС самоиндукции, которые можно представить через токи обмоток и соответствующие индуктивности рассеяния с учетом того, что токи в обмотках статора и ротора имеют разную частоту ( и ): и , где и – индуктивные сопротивления рассеяния при частоте статора.

Электродвижущие силы обмоток

Вращающееся магнитное поле пересекает витки обмотки статора и наводит в них ЭДС. По аналогии с трансформатором можно написать , где – обмоточный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности обмотки статора (укорочение шага, распределение обмотки по пазам, скос пазов). В трансформаторах картина магнитного поля более простая, т.к. основной магнитный поток охватывает практически все витки обмотки и введение обмоточного коэффициента не требуется.

Обмотка ротора пересекается основным магнитным потоком с частотой . Отсюда ЭДС обмотки – , где – ЭДС обмотки ротора при частоте статора , т.е. при неподвижном роторе.

Магнитодвижущие силы и токи статора и ротора

Оптимальное преобразование энергии в асинхронной машине возможно при условии, что магнитодвижущие силы (МДС) обмоток распределены вдоль окружности зазора по синусоидальному закону. Однако обмотки статора представляют собой катушки, создающие МДС с распределением близким к прямоугольному. Поэтому их разделяют на секции и раскладывают вдоль зазора в соседние пазы. В результате МДС приобретает распределение близкое к синусоидальному, но если выделить основную пространственную гармонику, которая собственно и требуется для работы машины, то окажется, что расчет МДС по выражению справедливому для сосредоточенной обмотки , где w и I – число витков и ток в обмотке, окажется завышенным. Поэтому для расчета МДС асинхронной машины вводят т.н. обмоточный коэффициент , учитывающий конструктивные особенности обмоток – распределение вдоль зазора, скос пазов и укорочение шага. В результате введения этого коэффициента реальная распределенная обмотка как бы преобразуется в сосредоточенную обмотку, которая при токе равном току в реальной обмотке создает МДС с синусоидальным распределением, соответствующим МДС основной гармонике реальной обмотки.

– ток статора, приведенный к параметрам обмотки ротора, а – коэффициент трансформации токов асинхронной машины.

Следует заметить, что число фаз обмотки ротора типа "беличья клетка" равно числу стержней, а число витков 0,5.

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

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.

Одним из самых распространённых электродвигателей, который используется в большинстве устройств электропривода, является асинхронный двигатель. Этот двигатель называют асинхронным (не-синхронный) по той причине, что его ротор вращается с меньшей скоростью, чем у синхронного двигателя, относительно скорости вращения вектора магнитного поля.

Необходимо объяснить, что такое синхронная скорость.

Синхронная скорость – это такая скорость, с которой вращается магнитное поле в роторной машине, если быть точным, то это угловая скорость вращения вектора магнитного поля. Скорость вращения поля зависит от частоты протекающего тока и количества полюсов машины.

Асинхронный двигатель всегда работает на скорости меньшей, чем скорость синхронного вращения, потому как магнитное поле, которое образовано обмотками статора, будет генерировать встречный магнитный поток в роторе. Взаимодействие этого сгенерированного встречного магнитного потока с магнитным потоком статора сделает так, что ротор начнёт вращаться. Так как магнитный поток в роторе будет отставать, то ротор никогда не сможет самостоятельно достигнуть синхронной скорости, то есть такой же с какой вращается вектор магнитного поля статора.

Существует два основных типа асинхронного двигателя, которые определяются по типу подводимого питания. Это:

• однофазный асинхронный двигатель;
• трёхфазный асинхронный двигатель.

Следует заметить, что однофазный асинхронный двигатель не способен самостоятельно начинать движение (вращение). Для того, чтобы он начал вращаться, необходимо создать некоторое смещение из положения равновесия. Это достигается различными способами, с помощью дополнительных обмоток, конденсаторов, переключений в момент пуска. В отличие от однофазного асинхронного двигателя, трёхфазный двигатель способен начинать самостоятельное движение (вращение) без внесения каких-либо изменений в конструкцию или условия пуска.

От двигателей постоянного тока (DC) асинхронные двигатели переменного тока (AC) конструктивно отличаются тем, что питание подаётся на статор, в отличие от двигателя постоянного тока, в котором через щёточный механизм подаётся питание на якорь (ротор).

Принцип работы асинхронного двигателя

Подавая напряжение только на обмотку статора, асинхронный двигатель начинает работать. Интересно знать, как это работает, почему так происходит? Это очень просто, если понять, как происходит процесс индукции, когда в роторе индуцируется магнитное поле. Например, в машинах постоянного тока, приходится отдельно создавать магнитное поле в якоре (роторе) не через индукцию, а посредством щёток.

Когда мы подаём напряжение на обмотки статора, в них начинает протекать электрический ток, который создаёт магнитное поле вокруг обмоток. Далее, от многих обмоток, которые расположены на магнитопроводе статора формируется общее магнитное поле статора. Это магнитное поле характеризуется магнитным потоком, величина которого изменяется во времени, кроме этого направление магнитного потока меняется в пространстве, а точнее оно вращается. В итоге получается, что вектор магнитного потока статора вращается как раскрученная праща с камнем.

В полном соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в роторе, который имеет короткозамкнутую обмотку (короткозамкнутый ротор). В этой роторной обмотке будет протекать наведённый электрический ток, так как цепь замкнута, и она находится в режиме короткого замыкания. Этот ток точно также как и питающий ток в статоре будет создавать магнитное поле. Ротор двигателя становится магнитом внутри статора, который имеет магнитное вращающееся поле. Оба магнитных поля от статора и ротора начнут взаимодействовать, подчиняясь законам физики.

Так как статор неподвижен и его магнитное поле вращается в пространстве, а в роторе индуцируется ток, что фактически делает из него постоянный магнит, подвижный ротор начинает вращаться потому, как магнитное поле статора начинает его толкать, увлекая за собой. Ротор как бы сцепляется с магнитным полем статора. Можно сказать, что ротор стремится вращаться синхронно с магнитным полем статора, но для него это недостижимо, так как в момент синхронизации магнитные поля компенсируют друг друга, что приводит к асинхронной работе. Другими словами при работе асинхронного двигателя ротор скользит в магнитном поле статора.

Скольжение может быть как с запаздыванием, так и с опережением. Если происходит запаздывание, то имеем двигательный режим работы, когда электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, если скольжение происходит с опережением ротора, то имеем генераторный режим работы, когда механическая энергия преобразуется в электрическую.

Создаваемый крутящий момент на роторе зависит от частоты переменного тока питания статора, а также от величины напряжения питания. Изменяя частоту тока и величину напряжения можно влиять на крутящий момент ротора и тем самым управлять работой асинхронного двигателя. Это справедливо как для однофазных, так и трёхфазных асинхронных двигателей.

Виды асинхронного двигателя

Однофазный асинхронный двигатель подразделяется на следующие виды:

• С раздельными обмотками (Split-phase motor);
• С пусковым конденсатором (Capacitor start motor);
• С пусковым конденсатором и рабочим конденсатором (Capacitor start capacitor run induction motor);
• Со смещённым полюсом (Shaded-pole motor).

Трёхфазный асинхронный двигатель делится на следующие виды:

• С короткозамкнутым ротором в виде беличьей клетки (Squirrel cage induction motor);
• С контактными кольцами, фазным ротором (Slip ring induction motor);

Как было упомянуто выше, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно начинать движение (вращение). Что следует понимать под самостоятельностью? Это когда машина начинает работать автоматически без какого-либо влияния из внешней среды. Когда мы включаем бытовой электроприбор, например вентилятор, то он начинает работать сразу же, от нажатия клавиши. Необходимо отметить, что в быту используется однофазный асинхронный двигатель, например двигатель в вентиляторе. Как же происходит такой самостоятельный запуск, если выше сказано, что такой тип двигателей его не допускает? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе надо изучить способы пуска однофазных моторов.

Почему трёхфазный асинхронный двигатель самозапускающийся?

В трёхфазной системе каждая фаза относительно двух других имеет угол равный 120 градусов. Все три фазы, таким образом, расположены равномерно по кругу, круг имеет 360 градусов, а это три раза по 120 градусов (120+120+120=360).

Если рассмотреть три фазы, А, B, C, то можно заметить, что лишь одна из них в начальный момент времени будет иметь максимальное значение моментального значения напряжения. Вторая фаза будет увеличивать значение своего напряжения вслед за первой, а третья фаза будет следовать за второй. Таким образом, мы имеем порядок чередования фаз A-B-C по мере нарастания их значения и возможен другой порядок в порядке убывания напряжения C-B-A. Даже если записать чередование иначе, например вместо A-B-C, написать B-C-A, то чередование останется прежним, так как цепочка чередования в любом порядке образует замкнутый круг.

Как же будет вращаться ротор асинхронного трёхфазного двигателя? Так как ротор увлекается магнитным полем статора и скользит в нем, то совершенно очевидно, что ротор будет двигаться в направлении вектора магнитного поля статора. В какую сторону будет вращаться магнитное поле статора? Так как обмотка статора трёхфазная и все три обмотки расположены равномерно на статоре, то образованное поле будет вращаться в направлении чередования фаз обмоток. Отсюда делаем вывод. Направление вращения ротора зависит от порядка чередования фаз обмоток статора. Изменив порядок чередования, фаз мы получим вращение двигателя в противоположную сторону. На практике, для изменения вращения двигателя достаточно поменять на местами две любые питающие фазы статора.

Почему однофазный асинхронный двигатель не начинает вращаться самостоятельно?

По той причине, что он питается от одной фазы. Магнитное поле однофазного двигателя является пульсирующим, а не вращающимся. Основная задача запуска заключается в создании из пульсирующего поля вращающегося. Эта проблема решается с помощью создания смещения фазы в другой обмотке статора с помощью конденсаторов, индуктивностей и пространственного расположения обмоток в конструкции двигателя.

Необходимо отметить, что однофазные асинхронные двигатели эффективны в использовании при наличии постоянной механической нагрузки. Если нагрузка меньше и двигатель работает, не достигая своей максимальной нагрузки, то его эффективность значительно снижается. Это является недостатком однофазного асинхронного двигателя и поэтому, в отличии от трёхфазных машин, их применяют там, где механическая нагрузка постоянна.

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.