Обмотка короткозамкнутого ротора состоит из N стержней. Между ЭДС, индуктированными вращающимся магнитным полем статора в двух соседних стержнях, сдвиг фаз равен 360°p/N . Можно считать, что число фаз короткозамкнутого ротора равно числу стержней, m 2 =N, а число витков в каждой фазе w 2 =1/2 .
Аналогично цепь фазного ротора представляет собой трехфазную систему m 2 =3 с числом витков w 2 в каждой фазе. Здесь и в дальнейшем все величины, относящиеся к фазе ротора, будут отмечаться индексом 2, а относящиеся к фазе статора - индексом 1.
Примем сначала, что цепь ротора разомкнута, т.е. ток в ней отсутствует, на ротор не действуют электромагнитные силы и он неподвижен. В этом случае магнитное поле машины представляет собой только вращающееся магнитное поле статора.
При неподвижном роторе индуктированной в его обмотке ЭДС равна частоте f токов в цепи статора. Если ротор вращать с частотой n вслед за вращающимся полем статора, то частота индуктированной в его обмотке ЭДС уменьшится. Эту частоту f 2 можно определить из выражения n 1 =f·60/p , в котором вместо частоты вращения поля статора n 1 нужно подставить разность n 1 - n , т.к. вращающееся магнитное поле статора пересекает витки обмотки ротора только вследствие того, что частота его вращения n меньше, чем поля статора n 1 : f 2 =p(n 1 -n)/60.
Если теперь цепь ротора замкнуть, то токи в ней образуют многофазную систему с m 2 =N фазами в случае короткозамкнутого ротора и с m 2 =3 , т.е. трехфазную в случае фазного ротора. Следовательно, токи в обмотке ротора аналогично токам в обмотке статора должны возбуждать вращающееся магнитное поле. Частоту вращения n отн этого поля относительно ротора можно определить, пользуясь общим выражением частоты вращения многополюсного поля n 1 =f·60/p : n отн = f 2 ·60/p .
Т.к. сам ротор вращается в том же направлении с частотой n , то его поле вращается в пространстве с частотой n отн + n = (n 1 – n) + n = n 1 , т.е. поле ротора вращается синхронно с полем статора.
Т.о., вращающиеся поля статора и ротора по отношению друг к другу остаются неподвижными, что является характерным условием полной передачи энергии от статора к ротору. Складываясь, вращающиеся магнитные поля статора и ротора образуют рабочее вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя. Рабочее вращающее поле в ас.дв. Служит таким же связующим звеном между обмотками статора и ротора, как и переменное магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, передающее энергию от первичной к вторичной обмотке.
В дальнейшем вместо термина рабочее вращающееся магнитное поле будем пользоваться сокращенным - вращающееся магнитное поле ас.дв.
Различают несколько режимов работы ас.дв.: нормальный режим, соответствующий номинальному скольжению ротора s=s ном при номинальном напряжении U 1 =U 1 ном и токе I 1 =I 1 ном питающей сети; рабочий режим, при котором напряжение питающей сети близко к номинальному значению или равно ему, U 1 ≈U 1 ном, а нагрузка двигателя определяется тормозным моментом на валу при скольжении s≤s ном и токе I 1 =I 1 ном; режим пуска двигателя в ход, возникащий при подключении напряжения питающей сети и неподвижном роторе s=1 .
Режим работы всех фаз статора одинаковый. То же относится к фазам ротора. Поэтому анализ работы ас.дв. можно вести для одной фазы, представив одну ее обмотку одним витком.
Одним из главных достоинств трехфазных цепей является возможность получения вращающихся магнитных полей, лежащих в основе работы наиболее распространенных типов асинхронных двигателей. Принцип получения вращающегося магнитного поля можно проиллюстрировать на примере двух взаимно перпендикулярных катушек индуктивностей. На рисунке 2.20 показан в разрезе один виток каждой катушки, питаемой синусоидальными токами i 1 и i 2 . Под действием этих токов создаются магнитные поля с индукцией в точке пересечения катушек (ток течет от конца, помеченного знаком «х» к концу «.» ): B 1 = B m sinwt и B 2 = B m coswt . Результирующий вектор магнитной индукции
т. е. получено результирующее магнитное поле, вращающееся по часовой стрелке с угловой частотой w . Аналогичным образом может быть образовано вращающееся магнитное поле в трехфазной системе с токами, создающими мгновенные значения индукции:
Рисунок 2.20 – Магнитное поле двух взаимно перпендикулярных
катушек индуктивности
Введем в рассмотрение фазовый оператор a = e j 2 p /3 . Тогда результирующий вектор индукции определится как:
(2.52)
Таким образом, получено результирующее магнитное поле с амплитудой магнитной индукции 1,5В m , вращающееся с угловой частотой w по часовой стрелке.
На использовании вращающегося магнитного поля основан принцип действия трехфазного асинхронного двигателя. Вращающееся магнитное поле в асинхронном двигателе создается обмотками статора. Это поле наводит в обмотках ротора индукционные токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем приводит к возникновению вращающегося момента в направлении поворота поля. В результате ротор начинает вращаться со скоростью u (об/мин), несколько меньшей скорости вращения магнитного поля u n (отсюда термин «асинхронный»). Для характеристики степени различия указанных скоростей вращения вводят параметр
, (2.53)
называемый скольжением. Для получения вращающего момента величина скольжения должна быть больше нуля (обычно s 0 = 0,02...0,04 ).
Синхронный генератор
Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем. Поскольку частоты вращения ротора и магнитного поля одинаковы, в обмотке ротора не индуцируются токи. Поэтому обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока. Устройство статора синхронной машины практически не отличается от устройства статора асинхронной машины.
Питание к обмотке ротора подводится через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток. При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. Чтобы получить синусоидальную форму ЭДС, зазор между поверхностью ротора и статором увеличивают от середины полюсного наконечника к его краям (рисунок 2.21).
Рисунок 2.21 – Синхронный генератор
Частота индуцированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора:
где р – число пар полюсов ротора генератора.
Синхронный двигатель
Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рисунок 2.22). Принцип работы синхронного двигателя поясняется рисунком. Внутри магнита N 1 S 1 помещен магнит NS . Если магнит N 1 S 1 вращать, то он потянет за собой магнит NS . В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.
К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита N 1 S 1 .
Рисунок 2.22 – Синхронный двигатель
В реальном двигателе поле магнита заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол a , либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора: n 2 = n 1 = 60f/р .
Постоянство частоты вращения – важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя – трудность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный.
Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности.
Вопросы для самотестирования
1 Как изменяется эквивалентная индуктивность двух последовательно соединённых индуктивно связанных катушек при согласном включении?
2 Из каких двух составляющих состоит эквивалентное сопротивление отдельных индуктивно связанных ветвей при их параллельном включении?
3 Какие законы и методы используют при расчёте индуктивно связанных цепей?
4 Размагничивает или намагничивает вторичная обмотка трансформатора первичную обмотку?
5 Какие виды соединений могут быть в трёхфазных цепях?
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электротехники
Реферат на тему:
Выполнил:
ст. гр. 5141-4
Тухбатов И.М.
Проверил:
Миляшов А.Н.
Казань 2005 г.
Общие сведения………………………………………………………………………………..3
Устройство трехфазной асинхронной машины……………………………………….……..3
Режим работы трехфазной асинхронной машины…………………………………………..4
Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя…………………………..5
Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающее магнитное поле Ас.М…….6
Универсальная характеристика Ас.М……………………………………………….……......7
Пуск ас.дв. в ход……………………………………………………………………….………8
Методы регулирования частоты вращения Ас.Дв..................................................................9
1. Общие сведения.
Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной в наши дни является асинхронная бесколлекторная машина, применяемая обычно в качестве двигателя. Асинхронная машина (Ас.М.)- это машина, в которой при работе возбуждаются вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М.О.Доливо-Добровольским в 1888 г., но до настоящего времени сохранила в основном ту простую форму, которую ей придал талантливый русский изобретатель. Ас.М. состоит из трех неподвижных катушек (точнее, обмоток), размещённых на общем сердечнике, и помещённой между ними четвертой, вращающейся катушки.
Ас.М. малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.
Общий недостаток Ас.М. - это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы.
2. Устройство трехфазной асинхронной машины.
Трехфазная Ас.М. состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.
Конструкция статора. Статор Ас.М. представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака (рис.1). В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга.
Фазные
обмотки соединяются между собой звездой
или треугольником и подключаются к
трехфазной сети. Токи в фазных обмотках
возбуждают в машине вращающееся магнитное
поле статора с числом пар полюсовp
,
равным числу катушечных групп в одной
фазной обмотке. Это достигается взаимным
расположением фазных обмоток, при
котором их катушечные группы сдвинуты
по окружности статора относительно
катушечных групп соседней фазной обмотки
на угол 120°/
p
.
Для укладки многовитковой катушечной группы в пазах статора ее разделяют на q последовательно соединенных секций поw c витков в каждой секции. Возможны секции с одинаковым и неодинаковым шагом намоткиy . В первом случае стороны каңдой секөии сдвинуты по окруңности статора на угол 180°/ p , что соответствует одному полюсному делениюy =τ, т.е. длине окружности статора, приходящейся на один полюс. Во втором случае секции катушечной группы вложены друг в друга, т.е. их шаг намоткиτ< y < τ .
Распределение фазных обмоток по нескольким пазам не только улучшает использование цилиндрической конструкции статора, но и обуславливает необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором.
Сердечник статора изготавливается с открытыми или полуоткрытыми пазами, применение полуоткрытых пазов уменьшает магнитное сопротивление и, следовательно, намагничивающий ток. При открытых пазах упрощается укладка секций и повышается надежность изоляции.
Конструкция ротора. Ас.М. в основном различаются устройством ротора. Ротор Ас.М. представляет собой цилиндрический сердечник (рис.2), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный на подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.
В
большинстве двигателей применяетсякороткозамкнутый ротор
. Он значительно
дешевле, и, что очень существенно,
обслуживание короткозамкнутым ротором
значительно проще. Обмотка короткозамкнутого
ротора выполняется в виде цилиндрической
клетки из медных или алюминиевых
стержней, которые без изоляции вставляются
в пазы сердечника. Торцевые концы
стержней замыкаются накоротко кольцами
из того же материала, что и стержни (т.н.
«беличье колесо»). Часто короткозамкнутая
обмотка изготовляется путем заливки
пазов ротора расплавленным алюминием.
О
бмоткафазного ротора
, называемого также
ротором с контактными кольцами,
выполняется изолированным проводом. В
большинстве случаев она трехфазная, с
тем же числом катушек, что и обмотка
статора данного двигателя. Три фазные
обмотки ротора соединяются на самом
роторе звездой, а свободные концы их
соединяются с тремя контактными кольцами,
укрепленными на валу машины, но
изолированными от этого вала. На кольца
наложены щетки, установленные на
неподвижных щеткодержателях. Через
кольца и щетки обмотка ротора присоединена
к трехфазному реостату (рис.3). Включение
реостата в цепь ротора дает возможность
существенно улучшить условия пуска
двигателя - уменьшить пусковой ток и
увеличить начальный вращающий момент,
кроме того, при помощи реостата,
включенного в цепь ротора, можно плавно
регулировать скорость двигателя.
На рисунке 4 приведены условные обозначения Ас.М. с короткозамкнутым (а ) и фазным (б ) ротором на схемах замещения.
Cтраница 1
Вращающееся магнитное поле статора, пересекая тело якоря, наводит в нем вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов в якоре с магнитным полем статора создает вращающий момент, приводящий во вращение якорь. Если нагрузка на оси якоря отсутствует, то скорость вращения якоря со будет равна скорости вращения coc магнитного поля.
Вращающееся магнитное поле статора одновременно пересекает обмотки статора и ротора и возбуждает в них синусоидальные ЭДС индукции.
Как образуется вращающееся магнитное поле статора.
Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора стремятся пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением.
Рассмотрим характеристики вращающегося магнитного поля статора, полагая, что цепь ротора разомкнута.
Разность между частотой вращающегося магнитного поля статора о и частотой вращения ротора п называется отставанием или скольжением ротора.
При таком включении машины вращающееся магнитное поле статора, взаимодействуя с полем неподвижного ротора, создает момент на валу, знак которого изменяется с частотой 100 Гц. Например, когда к северному полюсу ротора приближается южный полюс статорного поля, создается момент, действующий против направления вращения. При удалении положительного полюса поля статора от северного полюса ротора образуется положительный момент, дающий обратный толчок ротору. Ротор не успевает поворачиваться, так как механическая инерция его слишком велика.
Разница между числом оборотов вращающегося магнитного поля статора и числом оборотов ротора характеризуется скольжением.
Разница между числом оборотов вращающегося магнитного поля статора и числом оборотов ротора зависит от скольжения.
Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора называют скольжением. Мощность электрических потерь в роторе асинхронного двигателя пропорциональна скольжению.
При нахождении ротора во вращающемся магнитном поле статора в нем происходит процесс вращательного перемагничивания активного магнитного материала. Последний же проявляется в отставании вектора магнитной индукции Вр от вектора напряженности поля Н в какой-либо точке материала на некоторый пространственный угол аг. Величина этого угла и потерь на гистерезис за цикл, как указывалось, не зависят от частоты перемагничивания.
При нахождении ротора во вращающемся магнитном поле статора в нем происходит процесс вращательного перемагничивания активного магнитного материала. Последний же проявляется в отставании вектора магнитной индукции Вр от вектора напряженности поля Я в какой-либо точке материала на некоторый пространственный угол аг. Величина этого угла и потерь на гистерезис за цикл, как указывалось, не зависит от частоты перемагничивания.
С помощью этих обмоток создается вращающееся магнитное поле статора, которое увлекает за собой ротор электродвигателя. Если обе обмотки питаются от одной сети, то обмотку возбуждения включают через конденсатор С.
В двигателе использован принцип взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с многополюсным постоянным магнитом подвижного ротора. Для определения расположения осей магнита ротора относительно обмоток статора и управления схемой коммутатора применены три фотоэлектрических датчика положения ротора. Источником света датчиков является лампочка EL1, свет которой через щели диафрагмы ротора поочередно поступает на фотодиоды платы коммутатора.
Загрузка...
