34 Вращающееся магнитное поле
Принцип получения вращающегося магнитного поля. В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.
Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.
Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи. Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.
Если для обмотки АХ принять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид
Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.
Рис. 3.5 Рис. 3.6
Как видно из рис. 3.6, в момент времени to ток в фазеА положительный, а в фазахВ иС – отрицательный.
Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to (рис. 3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукциейВтрез расположена горизонтально.
Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой
где Вт – максимальная индукция одной фазы; Вmрез – максимальная индукция трех фаз; – угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.
35. Принцип действия асинхронной машины.
В электромеханическом преобразовании энергии в АД участвуют трехфазная обмотка 1, расположенная на неподвижном статоре 2 и создающая круговое вращающееся магнитное поле, и обмотка 3 вращающегося ротора 4, вал 5 которого соединен с исполнительным механизмом. Между статором и ротором предусматривается воздушный зазор 6.
Рис. 1 - Принцип действия асинхронного двигателя
При вращении магнитного поля со скоростью:
линии магнитной индукции:
пересекают проводники обмотки ротора и в них индуктируется ЭДС Е 2 и протекает ток. Направление ЭДС определяется по правилу «правой руки », а ее величина равна:
где L – активная длина проводника обмотки ротора;
ν 1 - линейная скорость движения магнитного поля статора:
D – диаметр расточки статора.
Направление тока I 2 совпадает с направлением ЭДС Е 2пр. В результате взаимодействия проводников с током и магнитного поля на каждый проводник действует электромагнитная сила:
направление, которой определяется по правилу «левой руки».
Совокупность этих сил создает на роторе результирующую силу F рез и электромагнитный момент М эм, приводящий ротор во вращение со скоростью n 2 в ту же сторону, что и вращение поля статора. Вращение ротора через вал передается исполнительному механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую энергию. С началом движения ротора ЭДС в проводниках ротора определяются разностью скоростей ν 1 и ν 2
Это линейная скорость движения проводника ротора.
Чем выше скорость вращения ротора n 2 , тем меньшая ЭДС в нем индуктируется, тем меньше ток Ι 2 , тем меньше сила f пр и F рез. При достижении ротором скорости вращения n 2 = n 1 , E 2 = 0, действие электромагнитных сил прекращается и вращение ротора замедляется под действием сил трения (на холостом ходу) или под действием момента сопротивления исполнительного механизма (при работе под нагрузкой). Но когда n 2 станет меньше n 1 , опять начнет действовать электромагнитная сила.
Следовательно, в рассматриваемой системе возможно только асинхронное (несинхронное) вращение ротора относительно вращающегося магнитного поля статора.
Электромагнитный момент М эм уравновешивается моментом сопротивления М с исполнительного механизма. Чем больше М с, тем больше должен быть вращающий момент М эм, который может возрасти в первую очередь за счет тока в проводниках ротора. Ток при постоянстве сопротивления проводника пропорционален ЭДС, которая зависит от скорости пересечения проводников ротора вращающимся магнитным полем.
Следовательно, чем больше момент сопротивления, тем меньше скорость вращения ротора и наоборот.
Отношение:
При неподвижном роторе (n 2 = 0) скольжение равно 1,0. Это для АД режим короткого замыкания. При холостом ходе, когда скорость ротора максимально приближается к синхронной (n 2 = n 1) скольжение минимально и очень близко к нулю. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке АД, называется номинальным скольжением S н и составляет единицы процента, в зависимости от типа и назначения двигателя.
С учетом отношения, скорость вращения ротора может быть выражена через n 1 и скольжение s:
В рабочем режиме АД вращающееся магнитное поле статора пересекает обмотку ротора со скоростью:
Частота ЭДС и токов, наводимых этим полем в обмотке ротора, равна:
Таким образом, частота ЭДС и токов в роторе зависит от сколь- жения. Так, при S=1 (при пуске) f 2 = f 1 , при номинальном режиме нагрузки S н = (0,02…0,04), f 2 = 1…2Гц.
Протекающие в обмотке ротора токи создают МДС и магнитное поле ротора, которые вращаются относительно ротора со скоростью:
С учетом:
cкорость вращения этого поля относительно неподвижного статора составляет:
т.е. магнитное поле ротора вращается в расточке статора с той же скоростью и в ту же сторону, что и поле статора. Стало быть, они неподвижны друг относительно друга, образуют единое магнитное поле, созданное совместным действием МДС статора и ротора.
Таким образом, вектор:
на рис.1 необходимо рассматривать как вектор результирующего магнитного поля.
Условие неподвижности друг относительно друга магнитных полей статора и ротора означает, что число пар полюсов обмоток статора и ротора должно быть обязательно одинаково, p 1 = p 2 = p. В короткозамкнутом роторе это действие выполняется автоматически, в двигателе с фазным ротором оно должно быть обеспечено при проектировании. В то же время соотношение между числом фаз обмоток статора и ротора может быть произвольным.
Асинхронная машина обратима, т.е. может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Если ротор с помощью постороннего двигателя разогнать до скорости вращения n 2 >n 1 , то изменится направление ЭДС и тока в проводниках ротора, изменит свое направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. Асинхронная машина механическую энергию, получаемую от приводного двигателя, преобразует в электрическую и отдает в сеть, т.е. переходит в генераторный режим.
В процессе эксплуатации асинхронного двигателя возможен режим работы при S >1,0, когда ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения поля статора. В этом режиме, называемом режимом электромагнитного торможения (или режимом противовключения), ЭДС и ток в роторе направлены также как в двигательном режиме, однако электромагнитный момент направлен против движения ротора, т.е. является тормозящим. В машине происходит преобразование как электрической энергии, поступающей из сети, так и механической энергии, передаваемой с вала.
| " |
В индуктивных электрических машинах обмотки статора и ротора связаны магнитным полем. Чтобы осуществлялась связь вращающейся части машины с неподвижной в воздушном зазоре машины посредством системы обмоток статора, создают вращающееся магнитное поле.
Под вращающимся будем понимать такое магнитное поле, вектор индукции которого перемещается в пространстве (в плоскости, перпендикулярной оси ротора) с определенной угловой скоростью. Если амплитуда вектора индукции постоянна, то такое поле называют круговым. Вращающееся магнитное поле может быть создано:
- переменным током в двухфазной системе обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°;
- трехфазным переменным током в трехфазной системе обмоток, сдвинутых в пространстве на 120°;
- постоянным током, переключаемым последовательно по обмоткам, распределенным по расточке статора двигателя;
- постоянным током, переключаемым с помощью коммутатора по веткам обмотки, расположенным вдоль поверхности ротора (якоря). Формирование вращающегося магнитного поля в двухфазной машине
- (рис. 1.2). В такой машине оси обмоток сдвинуты геометрически на 90° (рассматривается машина с одной парой полюсов, р п = 1). Обмотки статора питаются от двухфазного напряжения, как показано на рис. 1.2,я. Полагая машину симметричной и ненасыщенной считаем, что токи в обмотках также сдвинуты на 90 электрических градусов (90° эл.) и магнитодвижущая сила обмоток пропорциональна току (рис. 1 .2,6). В момент времени, = 0 ток в обмотке а равен нулю, а ток в обмотке b имеет наибольшее отрицательное значение.
Рис. 1.2. Формирование вращающегося магнитного поля в двухфазной электрической машине: а - схема включения обмоток: б - система двухфазных токов в обмотках статора: в - пространственная векторная диаграмма магнитнодвижущихся сил, создаваемых обмотками статора
Следовательно, суммарный вектор магнитнодвижущихся сил (МДС) обмоток в момент времени, равен t и расположен в пространстве, как показано на рис. 1.2,в. В момент времени со 2 = 7с/ токи в обмотках будут составлять Tl m / и, следовательно, суммарный вектор МДС повернется на угол к/ и_займет в пространстве положение, обозначенное на рис. 12,в, как 2 = 2 + 2 . В момент
времени со 2 = я/2 суммарный вектор МДС будет равен. Аналогично можно проследить, как изменяется положение суммарного вектора МДС в моменты времени, и т.д. Видно, что вектор вращается в пространстве со скоростью со = 2тс, сохраняя свою амплитуду постоянной. Направление вращения поля - по часовой стрелке. Предлагаем убедиться, что если подать на фазу а напряжение = (со -), а на фазу b напряжение = со, то направление
вращения изменится на противоположное.
Рис. 1.3. Схемы включения обмоток трехфазного двигателя: а - расположение обмоток двигателя при р п =1; б - соединение обмоток в звезду; в - эпюры трехфазных токов в обмотках двигателя
Таким образом, сочетание пространственного сдвига осей обмоток на 90 геометрических градусов (90°) и фазового сдвига переменного тока в обмотках на (90° эл.) электрических градусов позволяет сформировать магнитное поле, вращающееся вдоль окружности статора в воздушном зазоре машины.
Механизм формирования вращающегося магнитного поля в трехфазной машине переменного тока. Обмотки машины сдвинуты в пространстве на 120° (рис. 1.3,а) и питаются от системы трехфазных напряжений. Токи в обмотке машины сдвинуты на 120°эл. (рис. 1.3,в):
Результирующий вектор МДС обмоток статора равен:
Где w - число витков обмоток.
Рассмотрим положение в пространстве вектора в момент времени, (рис. 1.4,о). Вектор МДС обмотки о t направлен по оси о в положительном направлении и равен 0, w, т.е. О, . Вектор МДС обмотки с , направлен по оси с и равен 0, . Сумма векторов j и j направлена по оси b в отрицательном направлении и с этой суммой складывается вектор МДС обмотки Ь, равный Сумма трех векторов образует вектор х = 3 /2, занимающий в момент времени, положение, которое показано на рис. 1.4,о. По прошествии времени = л/Зсо (при частоте 50 Гц через 1/300 с) наступит момент времени 2 , при котором вектор МДС обмотки о равен, а векторы МДС обмоток b и с равны - 0,5 . Результирующий вектор МДС 2 в момент времени 2 займет положение, указанное на рис. 1.4,5, т.е. переместится по отношению к предыдущему положению у на угол 60° по часовой стрелке. Нетрудно убедиться, что в момент времени 3 результирующий вектор МДС обмоток статора займет положение 3 , т.е. будет продолжать перемещаться по часовой стрелке. За время периода питающего напряжения = 2л/со = 1/ результирующий вектор МДС совершит полный оборот, т.е. скорость вращения поля статора прямо пропорциональна частоте тока в его обмотках и обратно пропорциональна числу пар полюсов:
где п - число пар полюсов машины.
Если число пар полюсов двигателя больше единицы, то увеличивается число секций обмоток, располагаемых по окружности статора. Так, если число пар полюсов п = 2, то три фазные обмотки будут расположены на одной половине окружности статора и три на другой. В этом случае за один период питающего напряжения результирующий вектор МДС совершит полоборота и скорость вращения магнитного поля статора будет вдвое меньше, чем в машинах с „=1-
Рис. 1.4. а - со = 7с/ б - со = л/ в - со = 7с/
В основе работы практически всех двигателей переменного тока: синхронных с электромагнитным возбуждением (СД), с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), синхронных реактивных двигателей (СРД), и асинхронных двигателей (АД) - лежит принцип создания вращающегося магнитного поля.
Согласно принципам электродинамики во всех электрических двигателях (кроме реактивных) развиваемый электромагнитный момент является результатом взаимодействия магнитных потоков (по- токосцеплений), создаваемых в подвижной и неподвижной частях электродвигателя. Момент равен произведению векторов этих потоков, что показано на рис. 1.5, а значение момента равно произведению модулей векторов потоков на синус пространственного угла 0 между векторами потоков:
где к - конструктивный коэффициент.
Рис. 1.5.
Синхронные (СД, СДПМ, СРД) и асинхронные двигатели имеют практически одинаковые конструкции статоров, а роторы - разные. Распределенные обмотки статора этих электродвигателей укладываются в сравнительно большое число полузакрытых пазов статора. Если не учитывать влияние зубцовых гармоник, то обмотки статора формируют постоянный по амплитуде магнитный поток, вращающийся с постоянной скоростью, определяемой частотой тока. В реальных конструкциях наличие пазов и зубцов магнитопровода статора приводит к появлению высших гармоник намагничивающих сил, что приводит к пульсациям электромагнитного момента.
На роторе СД расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независимого источника напряжения - возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле, неподвижное относительно ротора и вращающееся в воздушном зазоре вместе с ротором со скоростью со [см. (1.7)]. Для синхронных двигателей мощностью до 100 кВт применяют возбуждение от постоянных магнитов, которые устанавливают на роторе.
Магнитные силовые линии поля ротора, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами, «сцепляются» с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора х и ротора 0 создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.
При отсутствии нагрузки на валу векторы полей статора, и ротора 0 совпадают в пространстве и совместно вращаются со скоростью со 0 (рис. 1.6,я).
При приложении к валу двигателя момента сопротивления векторы [ и 0 расходятся (растягиваются подобно пружине) на угол 0, причем оба вектора продолжают вращаться с одинаковой скоростью со 0 (рис. 1.6,6). Если угол 0 положителен, то синхронная машина работает в двигательном режиме. Изменению нагрузки на валу двигателя соответствует изменение угла 0 Максимальный момент М будет при 0 = л;/ (0 - электрические градусы). Если
нагрузка на валу двигателя превышает М то синхронный режим нарушается, и двигатель выпадает из синхронизма. При отрицательном значении угла 0 синхронная машина будет работать генератором.
Рис. 1.6. а - при идеальном холостом ходе; б - при нагрузке на валу
Реактивный синхронный двигатель - это двигатель с явно выраженными полюсами ротора без обмотки возбуждения, где вращающий момент обусловлен стремлением ротора занять такое положение, при котором магнитное сопротивление между возбужденной обмоткой статора и ротором принимает минимальное значение.
В СРД ротор явнополюсный (рис. 1.7). Он имеет по осям разную магнитную проводимость. По продольной оси d, проходящей через середину полюса, проводимость максимальная, а по поперечной оси q - минимальная. Если ось намагничивающих сил статора совпадает с продольной осью ротора, искривления силовых линий магнитного потока нет и момент равен нулю. При смещении потока оси статора относительно продольной оси d при вращении магнитного поля (МП) происходит искривление силовых линий потока и возникает электромагнитный момент. Наибольший момент при одном и том же токе статора получается при угле 0 =45°эл.
Основным отличием асинхронного двигателя от синхронного является то, что скорость вращения ротора двигателя не равна скорости магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. Разность скоростей поля статора и ротора называют скольжением = со - со. Благодаря скольжению магнитные силовые линии вращающегося поля статора пересекают проводники обмотки ротора и наводят в ней ЭДС и ток ротора. Взаимодействие поля статора и тока ротора определяет электромагнитный момент асинхронного двигателя.
Рис. 1.7.
В зависимости от конструкции ротора различают асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на роторе располагается трехфазная обмотка, концы которой соединены с контактными кольцами, через которые цепь ротора выводится из машины для подключения к пусковым резисторам с последующим закорачиванием обмоток.
В асинхронном двигателе при отсутствии нагрузки на валу по обмоткам статора протекают только токи намагничивания, создающие главный магнитный поток, причем амплитуда потока определяется амплитудой и частотой питающего напряжения. При этом ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора. В обмотках ротора ЭДС не наводится, отсутствует ток ротора и, следовательно, момент равен нулю.
При приложении нагрузки ротор вращается медленнее, чем поле, возникает скольжение, в обмотках ротора наводится ЭДС, пропорциональная скольжению, и возникают токи ротора. Ток статора, как в трансформаторе, увеличивается на соответствующее значение. Произведение активной составляющей тока ротора на модуль потока статора определяет момент двигателя.
Объединяет все двигатели [кроме вентильно-индукторных двигателей (ВИД)] то, что главный магнитный поток в воздушном зазоре вращается относительно неподвижного статора с задаваемой частотой угловой скоростью со. Этот магнитный поток увлекает за собой ротор, который вращается для синхронных машин с той же угловой скоростью со = со, либо для асинхронных машин с некоторым отставанием - скольжением 5. Образующие главный поток силовые линии имеют минимальную длину при работе двигателя вхолостую (=). При этом оси вектора намагничивающих сил статора и ротора совпадают. При появлении нагрузки на валу двигателя оси расходятся, а силовые линии искривляются и удлиняются. Так как силовые линии всегда стремятся сократиться по длине, то появляются тангенциальные силы, создающие вращающий момент .
В последние годы начинают получать применение вентильно-индукторные двигатели. Такой двигатель имеет явнополюсный статор с катушечными обмотками на каждом полюсе. Ротор также явнополюсный, но с другим числом полюсов без обмоток. В обмотки статора поочередно подается однополярный ток от специального преобразователя - коммутатора, и к этим возбужденным полюсам притягивается близлежащий зубец ротора. Затем возбуждается поочередно следующий полюс статора. Переключение обмоток полюсов статора производится в соответствии с сигналами датчика положения ротора. В этом, а также в том, что ток в обмотках статора регулируется в зависимости от момента нагрузки, состоит основное отличие ВИД от шагового двигателя.
В ВИД (рис. 1.8) вращающий момент пропорционален амплитуде главного потока и степени искривления магнитных силовых линий. В начале, когда полюс (зубец) ротора начинает перекрывать полюс статора, искривление силовых линий максимальное, а поток минимален. Когда перекрытие полюсов максимально, искривление силовых линий минимально, а амплитуда потока возрастает, при этом момент остается примерно постоянным. По мере насыщения магнитной системы ВИД нарастание потока ограничивается, даже при увеличении тока в обмотках ВИД. Изменение момента при прохождении полюсов ротора относительно полюсов статора вызывает неравномерность вращения вала ВИД.
Рис. 1.8.
В двигателе постоянного тока обмотка возбуждения расположена на статоре и поле, создаваемое этой обмоткой, неподвижно. В якоре создается вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого равна скорости вращения якоря, но направлена встречно. Это достигается тем, что по виткам обмотки якоря протекает переменный ток, коммутируемый механическим преобразователем частоты - коллекторным аппаратом.
Электромагнитный момент двигателя постоянного тока определяет взаимодействие главного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, и тока в витках обмотки якоря: М = к / я
Если заменить щеточно-коллекторный аппарат двигателя постоянного тока полупроводниковым коммутатором, то получим бесщеточный двигатель постоянного тока. Практической реализацией таких двигателей является вентильный двигатель. Конструктивно вентильный двигатель представляет собой трехфазную синхронную машину с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов. Обмотки статора переключают с помощью полупроводникового управляемого преобразователя - коммутатора в зависимости от положения ротора двигателя.
Зависит от частоты питающего напряжения, от мощности текущей нагрузки на валу, и от числа электромагнитных полюсов данного двигателя. Эта реальная частота вращения (или рабочая частота) всегда меньше так называемой синхронной частоты, которая определяется лишь параметрами источника питания и количеством полюсов обмотки статора данного асинхронного двигателя.
Таким образом, синхронная частота вращения двигател я - это частота вращения магнитного поля обмотки статора при номинальной частоте питающего напряжения, и она несколько отличается от рабочей частоты. В итоге количество оборотов в минуту под нагрузкой всегда меньше так называемых синхронных оборотов.
На приведенном рисунке видно, как синхронная частота вращения для асинхронного двигателя с тем или иным количеством полюсов статора зависит от частоты питающего напряжения: чем выше частота - тем выше угловая скорость вращения магнитного поля. Так например в меняя частоту питающего напряжения изменяют синхронную частоту двигателя. При этом изменяется и рабочая частота вращения ротора двигателя под нагрузкой.
Обычно обмотку статора асинхронного двигателя питают трехфазным переменным током, который и создает вращающееся магнитное поле. И чем больше пар полюсов - тем меньшей будет синхронная частота вращения - частота вращения магнитного поля статора.
Большинство современных асинхронных двигателей имеют от 1 до 3 пар магнитных полюсов, в редких случаях 4, ведь чем больше полюсов - тем ниже КПД асинхронного двигателя. Однако при меньшем количестве полюсов скорость вращения ротора можно менять очень-очень плавно, изменяя частоту питающего напряжения.
Как уже было отмечено выше, реальная рабочая частота асинхронного двигателя отличается от его синхронной частоты. Почему так происходит? Когда ротор вращается с частотой меньшей чем синхронная, то проводники ротора пересекают магнитное поле статора с некоторой скоростью и в них наводится ЭДС. Эта ЭДС создает токи в замкнутых проводниках ротора, в результате данные токи взаимодействуют с вращающимся магнитным полем статора, и возникает крутящий момент - ротор увлекается магнитным полем статора.
Если момент имеет достаточную величину чтобы преодолеть силы трения, то ротор начинает вращаться, при этом момент электромагнитный равен тормозящему моменту, который создают нагрузка, силы трения и т. д.
При этом ротор все время отстает от магнитного поля статора, не может рабочая частота достичь синхронной частоты, так как если бы это произошло, то в проводниках ротора перестала бы наводиться ЭДС, и вращающий момент просто не появится. В итоге, для двигательного режима вводят величину «скольжение» ( , как правило, составляет 2-8%), в связи с чем справедливо и следующее неравенство двигателя:
Но если ротор того же асинхронного двигателя раскрутить при помощи какого-нибудь внешнего привода, например двигателем внутреннего сгорания, до такой скорости, что частота вращения ротора превысит синхронную частоту, то ЭДС в проводниках ротора и активный ток в них приобретут определенное направление, и асинхронный двигатель превратится в .
Общий электромагнитный момент окажется тормозящим, скольжение s станет отрицательным. Но чтобы генераторный режим смог проявить себя, необходимо поставить асинхронному двигателю реактивную мощность, которая бы создавала магнитное поле статора. В момент старта такой машины в генераторном режиме может хватить остаточной индукции ротора и конденсаторов, которые подключают к трем фазам обмотки статора, питающей активную нагрузку.
Условия получения:
1) наличие не менее двух обмоток;
2) токи в обмотках должны отличаться по фазе
3) оси обмоток должны быть смещены в пространстве.
В трёхфазной машине при одной паре полюсов (р=1) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 120°, при двух парах полюсов (р=2) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 60° и т.д.
Рассмотрим магнитное поле, которое создаётся с помощью трёхфазной обмотки, имеющей одну пару полюсов (р=1). Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120° и создаваемые ими магнитные индукции отдельных фаз (BA, BB, BC) смещены в пространстве тоже на угол 120°.
Магнитные индукции полей, создаваемые каждой фазой, как и напряжения, подведённые к этим фазам, являются синусоидальными и отличаются по фазе на угол 120°.
Принцип действия
На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции наводит в них ЭДС. В стержнях ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности, создает вращающийся электромагнитный момент ротора.
Приняв начальную фазу индукции в фазе А (φA) равной нулю, можно записать:
Магнитная индукция результирующего магнитного поля определяется векторной суммой этих трёх магнитных индукций.
Найдём результирующую магнитную индукцию с помощью векторных диаграмм, построив их для нескольких моментов времени.
Нарисовать векторные диаграммы
Как следует из диаграмм, магнитная индукция B результирующего магнитного поля машины вращается, оставаясь неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое вращающееся магнитное поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования фаз. Величина результирующей магнитной индукции.
Частота вращения магнитного поля зависит от частоты сетии числа пар полюсов магнитного поля.
, [об/мин].
При этом частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и её нагрузки.
При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω0, которая определяется соотношением:
,
[рад/сек].
Для сравнения частоты вращения магнитного поля и ротораввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.
или
Процессы в асинхронной машине Цепь статора
а) ЭДС статора.
Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, вращается относительно неподвижного статора с частотой и будет наводить в обмотке статора ЭДС. Действующее значение ЭДС, наводимой этим полем в одной фазе обмотки статора определяется выражением:
где: =0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент;
–частота сети;
–число витков одной фазы обмотки статора;
–результирующее магнитное поле в машине.
б) Уравнение электрического равновесия фазы обмотки статора.
Это уравнение составлено по аналогии с катушкой с сердечником, работающей на переменном токе.
Здесь и– напряжение сети и напряжение, подведённое к обмотке статора.
–активное сопротивление обмотки статора, связанное с потерями на нагрев обмотки.
–индуктивное сопротивление обмотки статора, связанное с потоком рассеяния.
–полное сопротивление обмотки статора.
–ток в обмотке статора.
При анализе работы асинхронных машин часто принимают. Тогда можно записать:
Из этого выражения следует, что магнитный поток в асинхронной машине не зависит от её режима работы, а при заданной частоте сетизависит только от действующего значения приложенного напряжения. Аналогичное соотношение имеет место и в другой машине переменного тока – в трансформаторе.
Известно, что скорость магнитного поля определяется и частотой переменного тока. В частности, если трехфазную обмотку двигателя разместить в шести пазах на внутренней поверхности статора, то за половину периода переменного тока вектор магнитной индукции сделает пол-оборота, а за полный период - один оборот. В этом случае обмотка статора создает магнитное поле с одной парой полюсов и называется двухполюсной.
Если обмотка статора состоит из шести катушек (по две последовательно соединенные катушки на каждую фазу), размещенных в двенадцати пазах, то за половину периода переменного тока вектор магнитной индукции повернется на четверть оборота, а за полный период - на пол-оборота. Вместо двух полюсов на трех обмотках теперь магнитное поле статора имеет четыре полюса (две пары полюсов).
Скорость вращения магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов.
где ѓ -- частота переменного тока в Гц, а коэффициент 60 появился из-за того, что n1 принято измерять в оборотах в минуту.
Поскольку число пар полюсов может быть только целым, то скорость вращения магнитного поля может принимать не произвольные, а только определенные значения:
Ротор асинхронного двигателя вращается в ту же сторону, что n магнитное поле, со скоростью, несколько меньшей скорости вращения магнитного поля, так как только в этом случае в обмотке ротора будут индуцироваться ЭДС и токи, и на ротор будет действовать вращающий момент. Обозначим скорость вращения ротора n2. Тогда величина n1 - n2 , которая называется скоростью скольжения, представляет собой относительную скорость магнитного поля и ротора, а степень отставания ротора от магнитного поля, выраженная в процентах, называется скольжением s:
Скольжение асинхронного двигателя при номинальной нагрузке обычно составляет 3-7 %. При увеличении нагрузки скольжение увеличивается, и двигатель может остановиться.
Вращающий момент М асинхронного двигателя создается благодаря взаимодействию магнитного потока поля статора Ф с индуцированным в обмотке ротора током I2, поэтому величина его пропорциональна произведению I2Ф.Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью ротора при равновесии моментов, т.е. тогда, когда вращающий момент Мер равен тормозному моменту на валу двигателя M mop:
Любой нагрузке машины соответствует определенное число оборотов ротора n2 и определенное скольжение S.
Обратите внимание, что частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и ее нагрузки.
При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля щ0, которая определяется соотношением:
щ0 = (2 р f) / p = р n0 / 30 [рад/с] 2. 4