Меню

Скорость вращения магнитного поля машин переменного тока



ГЛАВА 5. Машины переменного тока.

Электрические машины переменного тока делятся на два основных типа: синхронные машины и асинхронные машины. И в том и другом случае в машинах переменного тока используется вращающееся магнитное поле.

В синхронных машинах скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения поля. В асинхронных машинах скорость вращения ротора несколько меньше скорости вращения поля.

Во всех машинах переменного тока используется вращающееся магнитное поле. Для получения вращающегося поля можно использовать двухфазную систему токов:

При протекании двух токов (I1, I2) по двум рамкам плоскости которых взаимно перпендикулярны возникает вращающееся магнитное поле величиной

Наиболее эффективно для создания вращающегося магнитного поля использовать трехфазную систему токов

При использовании трех катушек, расположенных под углом 120 0 , скорость вращения поля составляет 3000 оборотов в минуту.

5.1 Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей:

Статор представляет собой полый металлический цилиндр, собранный из тонких пластин для уменьшения потерь в «стали». На внутренней поверхности цилиндра имеются пазы, в которых располагаются обмотки статора. Обмотки статора включаются либо звездой, либо треугольником в зависимости от напряжения, подводимого к статору ( 380 /220).

Ротор цилиндрической формы состоит из пластин электротехнической стали. На его внешней поверхности имеются пазы, в которых расположена обмотка ротора. Существует два типа обмоток ротора:

1)Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней, расположенных в пазах ротора, замкнутых на его торцах двумя металлическими кольцами.

2) Фазная обмотка. На роторе с фазной обмоткой располагаются три обмотки, находящиеся в пазах ротора. Концы обмоток присоединяются к трем контактным кольцам, расположенным на валу ротора. Для создания тока в обмотках к кольцам прижаты графитовые щетки, соединенные со внешней электрической схемой, состоящей, как правило, из трех реостатов.

5.2 Принцип действия асинхронного двигателя.

При включении в сеть обмотки статора возникает трехфазная система токов, создающая вращающееся магнитное поле.

2. Вращающееся магнитное поле создает в обмотке ротора переменную ЭДС, которая будет максимальна при покоящемся роторе. Возникающая в роторе ЭДС создает в обмотке ротора значительные токи, которые порождают магнитное поле, неподвижное в начальный момент времени.

3. При взаимодействии вращающегося поля статора и неподвижного поля ротора возникают силы взаимодействия, а следовательно, крутящий момент. Под действием крутящего момента ротор приводится во вращение. При увеличении скорости вращения ротора уменьшается скорость пересечения силовыми линиями магнитного поля обмотки ротора, что приводит к уменьшению ЭДС, а следовательно, тока и крутящего момента. Поэтому ротор при вращении достигает скорости несколько меньшей скорости вращения поля.

4. При увеличении тормозного момента, действующего на ротор, уменьшается число оборотов, что приводит к увеличению ЭДС, возникающей в обмотке ротора, магнитного поля ротора, что вызывает увеличение крутящего момента при любой постоянной скорости вращения:

Мкр.= Мторм &nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(5.1)

Обозначим: n1 — cкорость вращения поля, n2 — cкорость вращения ротора, s — скольжение (проскальзывание):

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp (5.2)

6. При неподвижном роторе частота индуктируемой в его обмотке ЭДС равна частоте тока в сети f1=50 Гц.

>При увеличении скорости вращения ротора относительная скорость поля и ротора уменьшается, что приводит к уменьшению частоты ЭДС, возникающей в роторе: f2 =S f1 , где f2 — частота ЭДС возникающей в роторе, f1 частота сети, s — скольжение.

Для практических применений асинхронных двигателей большое значение имеет зависимость частоты вращения от тормозного момента Мторм, которая называется механической характеристикой.

С увеличением механической нагрузки (тормозного момента Мторм.), число оборотов незначительно уменьшается (“жесткая” характеристика), а затем двигатель останавливается (рис.5.2а). На рис. 5.2б показана обратная зависимость М=f(n, s) момента от числа оборотов n или скольжения s . На этом графике приведена зависимость тока, потребляемого двигателем, от числа оборотов или скольжения. В момент пуска (n=0, s=1) пусковой момент Мпуск должен быть больше, чем начальный момент Мторм, если двигатель пускается под нагрузкой. Ток, потребляемый двигателем в момент пуска, приобретает максимальное значение, в 5-7 раз большее номинального тока. С ростом числа оборотов или уменьшения скольжения, крутящий момент сначала растет до критического значения, а затем уменьшается до нуля (при s=0). Также до нуля уменьшается и ток, потребляемый двигателем.

Одним из недостатков асинхронного двигателя является значительный пусковой ток. Для его уменьшения используются следующие способы:

1) Использование двигателя с фазным ротором имеющим на роторе три обмотки, концы которой, соединяются с контактными кольцами, с которыми соприкасаются графитовые щетки, связанные с реостатами:

В момент пуска сопротивление реостатов устанавливают максимальным, что приводит к значительному уменьшению тока в обмотках ротора, а, следовательно, тока потребляемого двигателем.

2) Первоначальное соединение обмоток двигателя звездой, а затем переключение их после пуска на соединение треугольником. В этом случае пусковые токи уменьшаются в три раза.

Еще одним недостатком асинхронных двигателей является невозможность плавного изменения их скорости вращения, которая определяется скоростью вращения магнитного поля и зависит от частоты тока и от числа пар полюсов обмотки статора.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя приведены на рис. 5.3а. Они получены при номинальной частоте сети и номинальном напряжения питания U 1

Известно, что механическая мощность P2 определяется соотношением P2= M w где w — частота вращения ротора, M — крутящий момент. С ростом мощности P2 , развиваемой на валу двигателя, возрастает и крутящий момент M . Вследствие того, что асинхронный двигатель обладает «жесткой» характеристикой, скольжение s лишь немного возрастает, поэтому крутящий момент практически линейно увеличивается с ростом P2 так как частота вращения w лишь немного уменьшается. С ростом P2 возрастает также электрическая мощность P1 потребляемая двигателем от сети, а, следовательно, и потребляемый ток. I1 Величина h , как и в трансформаторе, определяется соотношениями потерь в «стали» и в «меди», и при их равенстве оказывается максимальным.

Читайте также:  Ток якоря это ток чего

Важным параметром асинхронных двигателей является cos j где j — фазовый сдвиг между напряжением U 1 приложенным к статору и током I 1 возникающим в этих обмотках. Этот фазовый сдвиг растет с ростом нагрузки, достигая максимума при номинальной нагрузки, а затем несколько уменьшается.

5.3 Однофазный асинхронный двигатель

На статоре размещается одна, рабочая, обмотка, которая питается переменным током, и которая создает пульсирующее магнитное поле. Подобное пульсирующее поле можно представить в виде двух вращающихся в противоположном направлении магнитных потоков и (рис. 5.3б). При неподвижном роторе возникают два крутящих момента, одинаковые по величине и противоположно направленные, поэтому результирующий крутящий момент равен нулю. При предварительной раскрутке ротора в нем будет возбуждаться две ЭДС. Одна ЭДС будет возбуждаться тем магнитным потоком, который следует за ротором, а другая противоположным.

Частота одной ЭДС- мала (

1ГЦ), а частота другой ЭДС- велика(

100 ГЦ). Поэтому индуктивное сопротивление

в первом случае будет очень мало. Это, в свою очередь, порождает значительный ток при малых сопротивлениях, а следовательно, создает максимальный крутящий момент действующий в сторону предварительной раскрутки.

Для пуска подобных двигателей на статоре располагается вторая пусковая обмотка которая питается током сдвинутым по фазе на 90 0 , для этого она питается через конденсатор, который и создает фазовый сдвиг близкий к 90 0 (рис.5.4).

5.4 Синхронный генератор.

Статор машины состоит из трех обмоток, которые располагаются точно также как на статоре трехфазного асинхронного двигателя. В обмотках статора создается трехфазная ЭДС, с помощью ротора. Для этой цели ротор должен обладать постоянным магнитным полем, для чего на роторе располагаются обмотка, концы которой присоединяются к двум контактным кольцам, располагающимся на роторе: с кольцами соприкасаются графитовые щетки к которым подключается источник постоянного тока (рис.5.5). Подобная обмотка ротора носит название обмотки возбуждения. При вращении ротора в статоре возбуждается трехфазная переменная ЭДС, которая пропорциональна величине магнитного потока Ф, создаваемого ротором и пропорциональна числу оборотов п ротора.

E = C Фn (5.4)

где C — конструктивный коэффициент пропорциональности, Ф -магнитный поток, n- число оборотов ротора.

Синхронные генераторы широко распространены и используются на электростанциях для получения переменного тока промышленной частоты, а также для получения постоянного напряжения на автомобилях, тракторах, мотоциклах и т.п. Для этого они снабжаются встроенными трехфазными выпрямителями.

5.5. Синхронный двигатель.

Статор подобного двигателя устроен точно также как и статор трехфазного асинхронного двигателя (три обмотки питаются трехфазным током) и создает вращающееся магнитное поле.

В качестве ротора используется электромагнит, поле которого создается постоянным током, который подводится к обмотке с помощью двух контактных колец и щеток (аналогично ротору синхронного генератора).

Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора приводит к появлению крутящего момента.

Таким образом, скорость вращения ротора соответствует скорости вращения магнитного поля, что приводит к появлению жесткой механической характеристики (т.е. независимости числа оборотов ротора от тормозного момента).

Основным недостатком синхронного двигателя является сложность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения магнитного поля создаваемого статором. Для этой цели наиболее часто используют короткозамкнутую обмотку, которая дополнительно располагается на роторе и поэтому в момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда скорость ротора приближается к скорости вращения поля, ротор входит в синхронизм и далее двигатель работает как синхронный.

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

Источник

Скорость вращения магнитного поля машин переменного тока

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).

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.

Источник

Режимы работы асинхронных машин

Во всех режимах работы асинхронный машин всегда присутствует вращающееся магнитное поле статора. Оно создаётся тремя обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 градусов, скорость этого вращения равна:

Формула скорости вращения магнитного поля статора Формула скорости вращения магнитного поля статора

n1 – Скорость вращения магнитного поля статора;

f – Частота питающей сети (50Гц);

p – Количество пар полюсов (max 12 min 2);

Из формулы понятно, что скорость вращения магнитного поля статора асинхронной машины зависит от: частоты питающей сети, на территории стран СНГ она постоянна и равняется 50Гц, от количества пар полюсов в статоре асинхронной машины. Скорость вращения ротора синхронной машины напрямую зависит от скорости вращения магнитного поля статора.

Так же известно, что в их конструкции присутствует ротор, вращающаяся часть, которая может вращаться с различными скоростями. В целом можно сказать, что в асинхронных машинах скорость вращения изменяется только у ротора. Многочисленные наблюдения показали, что в зависимости от частоты вращения ротора асинхронной машины, с ней происходят различные явления. Для упрощения понимания этого вопроса, был введен параметр скольжение S – разность скоростей вращения магнитного поля статора, от скорости вращения ротора:

скольжение Скольжение

Эти скорости обозначают буквенно: n – скорость вращения ротора; n1 – скорость вращения магнитного поля.

Режим работы асинхронной машины зависит именно от этого значения разности скоростей вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора.

Различают следующие режимы работы асинхронных машин:

  • Режим двигателя;
  • Режим генератора;
  • Режим электромагнитного тормоза;
  • Режим динамического торможения;

Режим двигателя

Асинхронные двигатели стали очень популярна и наиболее часто применяемая в электроприводах. Режим электродвигателя применяется для приведения во вращение различные устройства, механизмы, насосы, лебедки, редуктора и т.д. путем преобразования электрической энергии в механическую. Как уже многим известно, что её принцип действия объясняется взаимодействием двух магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле статора создается системой трехфазных обмоток и магнитопровода, расположенных непосредственно на статоре (корпусе асинхронной машины). Это поля является вращающимся, так как в трех фазной цепи, ток протекает из фазы А в фазу В, из фазы В в фазу С, а из фазы С обратно в фазу А. Обмотки каждой фазы располагают на статоре так, что бы равномерно заполнить всю окружность, т.е. окружность занимает 360 градусов, имея три обмотки, делим 360/3 получаем 120 градусов на каждую обмотку.

обмотки статора

обмотки статора

Это вращающееся магнитное поле пронизывая ротор, индуцирует в нем ЭДС, так как ротор короткозамкнутый, то по нему протекает ток. Протекание тока вызывает образование у ротора собственного магнитного поля. Поле статора, которое вращается с скоростью n1 взаимодействует с полем ротора, которое является неподвижным, и старается остановить, затормозить поле статора. Так как ротор закреплен на подшипниках, он способен свободно вращаться вокруг своей оси. Получается, что магнитное поля статора притягивает поле ротора, увлекает его за собой с определенной силой, в результате чего и сам ротор начинает вращаться.

Особенностью этого режима является то, что скорость вращения магнитного поля статора и скорость вращения ротора не должны быть равными, тем более, скорость ротора всегда меньше. Если же каким-либо образом их скорости будут равными, то исходя из явления электромагнитной индукции, обязательна разность магнитного потока, пересекающего тот или иной контур, что и обеспечивается отставанием ротора от магнитного поля статора. Если же все-таки их скорости сравняются, по короткозамкнутой обмотке ротора перестанет протекать электрический ток, исчернит его магнитное поле и ротор не будит увлекаться полем статора. Скольжение в режиме электродвигателя должно быть положительным числом и не равным нулю.

Стоит добавить, что режим двигателя у асинхронных машин является самым часто используемым.

Режим генератора

Режим генератора у асинхронных машин является полной противоположностью режиму двигателя. Самым главным отличием является то, что при режиме двигателя, асинхронная машина потребляет из сети электрическую энергию. А в режиме генератора наоборот отдает в сеть выработанную электрическую энергию.

Режим генератора возможен только тогда, когда скорость вращения ротора n будет выше скорости вращающегося магнитного поля статора. В этом случаи скольжение S будит отрицательным. Для этого необходимо ускорить ротор синхронной машины, то есть посадить на вал ротора, какой-либо механизм (турбина, редуктор, другой двигатель).

режим генератора

режим генератора

skoljenie2

Допустим ротор мы разогнали до 3500 оборотов в минуту, а скорость магнитного поля статора 3000 оборотов в минуту, определим скольжение:

Режим генератора у асинхронных машин не является часто используемым, и может применяться в узких специализированных областях, в маломощных электростанциях.

Стоит отметить, что при таком режиме работы, отдаваемая в сеть электроэнергия совпадает по частоте с частотой самой сети. Так как она зависит только от частоты вращения магнитного поля статора, которая как мы знаем не изменяется.

В использовании таких генераторов есть огромный плюс, в его устройстве отсутствуют скользящие контакты, вращающиеся обмотки, это обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию. Так же эти генераторы мало восприимчивы к коротким замыканиям в сети. Еще не маловажным условием работы является, наличие остаточной намагниченности ротора, которое усиливается конденсаторными установками, включенными в цепи статорных обмоток.

Режим электромагнитного торможения

Режим электромагнитного торможения является еще более специфичными специализированным. Вся суть этого режима в том, что если вращение ротора асинхронной машины не совпадает с направлением вращения магнитного поля статора, то ротор будит затормаживаться под действием этого магнитного поля статора. Такой режим возможен только при реверсивном подключении асинхронной машины, так как путем переключения двух фаз достигается изменение направления вращения магнитного поля статора, и используется в различных грузоподъемных и транспортировочных устройствах. Этот режим часто называют режимом торможения противотоком или противовключением. При таком режиме, если нам необходимо остановить двигатель, при полной остановке, статор необходимо отключить от сети, так как вал начнет вращаться в обратном направлении.

Режим динамического торможения

В таком режиме, асинхронная машина отключается от трех фазной сети, и на обмотки статора подается постоянный ток. Таким образом на статоре образуется постоянное магнитное поле (постоянный магнит), которое тормозит ротор двигателя.

Все выше представленные режимы работы асинхронных машин, кроме режима двигателя, являются специализированными, и используются только в определенных установках, устройствах, станках и т.д.

Источник

Вращающееся магнитное поле

Принцип получения вращающегося магнитного поля.

В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Читайте также:  Ток неразветленной части цепи

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.

Как видно из рис. 3.6, в момент времени to ток в фазе А положительный, а в фазах В и С – 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 индукцией Втрез расположена горизонтально.

На рис. 3.7, б показана картина магнитного поля в момент времени ti, соответствующий изменению фазы тока на угол = 60°. В этот момент времени токи в фазах А и В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе С отрицательный, т. е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол = 60°. Если угловая частота тока , то . (Здесь , где – частота тока в сети). В моменты времени t2 и t3 ось магнитного поля соответственно повернется на углы и (рис. 3.6, в и г). Через время, равное периоду Т, ось поля займет первоначальное положение. Следовательно, за период Т поле делает один оборот (рис. 3.7, д) ( ( )). В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2 и магнитное поле вращается с частотой n1=60f1=60∙50=3000 об / мин (f1=50 Гц промышленная частота). Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

Читайте также:  Постоянный электрический ток это пример

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.

Направление вращения поля.

В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например B и С, что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е. магнитное поле реверсируется (ср. рис. 3.8).

Формула частоты вращения поля.

Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится. Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 3.9, поле за один период повернется в пространстве на 180°.

Рис. 3.8 Рис. 3.9 Рис. 3.10

Для получения картины поля возьмем момент времени to, когда ток в фазе А положительный, а токи в фазах В и С отрицательные. Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4 или р = 2 и тогда n1 = 60f1 / p = 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.3.10. Здесь р = 3 и, следовательно, n1 = 1000 об/мин.

Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будет

Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно. Именно при таком соединении частота вращения поля статора для р = 1, 2 и 3 при f1= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Параллельное соединение катушек.

Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.3.11,а и в развернутом виде на рис. 3.11,6. Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n1 = 3000 об/мин. Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в в сети 50 Гц частота вращения поля статора определяется из выражения

п1 = 60 f1 / p = 60 ∙50 / p .

Задаваясь различным числом пар полюсов р = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл. 3.1.

Источник