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

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.

§ 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?

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.