Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.28. Однофазные и универсальные коллекторные двигатели:

1 — статор; 2 — подшипниковые щиты; 3 — обойма щеткодержателя; 4 — скоба с

гнездом для подшипника; 5 — коллектор якоря; 6—обмотка возбуждения

индуктивном сопротивлении обмотки возбуждения. В СССР применяются

однофазные коллекторные двигатели различных типов лишь небольших

мощностей, особенно в бытовых приборах, где требуется частота вращения в

несколько раз больше наибольшей частоты вращения обычных (при f=50 Гц —

3000 об/мин) асинхронных двигателей, например для привода компрессора

холодильников, стиральных и швейных машин, вентиляторов, электрофонов и пр.

Реверсирование и плавное регулирование частоты вращения универсальных

и однофазных коллекторных двигателей осуществляются так же, как и у двигателей

постоянного тока последовательного возбуждения (регулирование частоты

вращения — чаще всего изменением подводимого напряжения).

Наша промышленность изготовляет универсальные коллекторные двигатели

последовательного возбуждения мощностью до 600 Вт серий: УЛ (в защитном

исполнении); УВ (В — встраиваемые) в открытом исполнении (см. рис. 10.28,б),

УМТ (открытого исполнения с самовентиляцией); МУН. Двигатели имеют

изоляцию теплостойкости класса А, их к. п. д. находится в пределах 20 —

64%,

соs ϕ =0,47

0,9, срок службы — до 2000 ч.

203

ГЛАВА 11

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЬ1

К асинхронным относятся машин

ы переменного тока, частота вращения ротора

n которых при постоянной частоте переменного тока источника изменяется с

изменением нагрузки и отличается от синхронной, т. е. от частоты вращения

магнитного поля статора п1(п

≠

п1). Отсюда и название «асинхронный»-

неодновременный (от греч. слов syn- вместе и chгопоs- время, при отрицании — а). Как и

все электрические машины, они обратимы.

Однако асинхронный генератор практически

почти не применяется, а асинхронный двигатель является основным типом

электродвигателя в СССР и за границей как самый распространенный, конструктивно

простой и надежный в работе.

11.1. Устройство и принцип действия

асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель (рис. 11.1,а) состоит из неподвижного

статора 1 и вращающегося ротора 4. Статор и ротор скрепляются в одно целое с

помощью подшипниковых щитов 5 и б, на подшипники которых опирается вал ротора.

двигатели с самовентиляцией в закрытом исполнении имеют еще с торца крышку-

кожух 2, которая прикрывает выступающий наружный вентилятор З.

Назначение статора — создавать вращающееся магнитное поле машины с

помощью трехфазной обмотки, питаемой трехфазной системой токов. Назначение

ротора — преобразовывать электрическую энергию в механическую вращательного

движения с помощью индуцированной э. д. с. и токов в его обмотке.

Три одинаковые катушки, симметрично расположенные по окружности в

сердечнике статора (рис. 11 .1,6

) так, что их плоскости (или оси) находятся под углом

120°, и питаемые трехфазной системой токов создают в магнитопроводе асинхронного

двигателя вращающееся

204

205

вокруг оси машины магнитное поле. При этом катушки могут соединяться звездой

или

треугольником. Такое вращающееся поле впервые открыл в 1890 г. М. О. Доливо-

Добровольский и использовал в различных конструкциях трехфазных асинхронных

машин.

Работа электрических машин основана на преобразовании электромагнитной

энергии, которая передается магнитным полем в воздушном промежутке между

статором и ротором. Поэтому очень важно знать закон распределения магнитной

индукции поля в этом зазоре.

Каждая фаза трехфазной обмотки статора создает свое пульсирующее поле. На

рис. 11.2,а изображена зависимость магнитной индукии В в воздушном зазоре от

угловой координаты а в различные моменты времени для двухполюсной машины (t1= 0,

t2= Т,t3= Т/З,t4= Т/2 при t= Т14, В=0).

Таким образом, В (а, 1) = Вт сова со о1. Это уравнение сходно с выражением

стоячей волны , рассматриваемой в курсе физики. для стоячей волны магнитной

индукции поля узлами являются точки, в которых В= О, а амплитуда колебаний

непрерывно изменяется по гармоническому закону.

Из курса физики известно, что стоячую волну можно рассматривать как

результат наложения прямой и обратной волн, бегущих в противоположных

направлениях с одинаковой скоростью. В трех-

206

фазной обмотке статора обратные волны, создаваемые фазными обмотками, взаимно

компенсируются, а прямые волны совпадают по фазе и усиливают друг друга, образуя

бегу щее поле вдоль кольцевого воздушного зазора. На рис. 11.2,6 бегущее поле

представлено эпюрой распределения В (а) магнитной индукции поля в зазоре между

статором и ротором в фиксированный момент времени t`. В другой момент времени

()

′

+∆

картина будет повернута на угол

∆=Ω∆

Движение магнитной волны сопровождается перемещением магнитных

полюсов N и S по внутренней поверхности статора. Зависимость магнитной индукции

бегущего поля в воздушном зазоре машины В

(а) близка к синусоидальной. Ее амплитуда

в полтора раза больше амплитуды В, индукции поля одной фазы трехфазной обмотки

статора, т. е.

В=3/2Вm.

Синусоидальное распределение магнитной индукции бегущего поля в воздушном

зазоре машины практически достигается разделением многовитковой катушки

обмотки статора на несколько секций и равномерной укладкой их в несколько рядов

лежащих пазов.

Чтобы убедиться в том, что поле трехфазной обмотки является вращающимся,

рассмотрим упрощенные картины магнитных полей трех катушек с трехфазной

системой токов в статоре двухполюсного двигателя для трех моментов времени 1—

111

(рис. 11.3,а) [9]. Для большей наглядности на рис. 11.3,6—г разрезы двигателя

изображены схематически и без обмотки ротора. Каждая многовитковая фазная

катушка статора (рис. 11,3, д) имеет активные участки длиной 1, которые

укладываются в

два диаметрально противоположные паза. Лобовые участки катушек,

в которых провод переходит из паза в паз, отгибаются к сердечникам статора, чтобы

они не мешали вращению ротора. Начала фазных катушек обозначаются латинскими

прописными буквами А, В, С, их концы — соответственно буквами Х, У, Z. Плоскости

катушек по окружности статора располагаются симметрично под углом 120°. Условно

ток в любой катушке считается положительным,

если он направлен от начала к концу,

и отрицательным, если — от конца к началу. Условно направление тока в активном

участке катушки обозначается в его сечении крестиком «+» или «точкой»..

Каждая фазная катушка обмотки с синусоидальным током создает свое

пульсирующее магнитное поле, силовые линии которого направлены

по оси катушки, т.

е. перпендикулярно к ее плоскости. Силовые линии поля замыкаются через сердечники

статора и ротора, дважды пересекая воздушный зазор между ними. Полюсы поля

определяются по правилу буравчика (см. п. 2.1).

В момент времени 1 ток в катушке А i= Im, а токи в катушках В и С i=-I/2.

Суперпозиция полей, создаваемых обмотками, дает магнитное поле машины (см. рис.

11.3,6), силовые линии которого

направлены горизонтально, образуя на статоре два полюса: «северный» N

справа, где из

статора выходят силовые линии поля; «южный» S слева, где входят силовые линии.

Линию, соединяющую эти полюсы,

207

208

будем называть далее условно осью поля. Заметим, что полюсы статор асинхронной

машины в отличие от полюсов статора машины постоянного тока называют

неявными,

209

так как их положение непостоянно.

В момент времени II ток iв = Im, токи ic=ia=-Im/2.Картина поля машины (рис.

113, в) такая же, как и для момента времени 1, только ось поля повернулась по ходу

часовой стрелки на 120°, совпадая уже с осью поля катушки В.

В момент времени III ток ic =Im, токи ia=ib=-Im/2. Результирующее поле

повернулось еще на 120°, его ось совпадает уже по направлению с осью поля катушки С.

В момент времени 1V результирующее поле по

вернется еще на 120° и совместится

с полем для момента времени 1, совершив полный оборот вокруг оси статора. И так

далее.

Если изменить порядок чередования фаз в обмотке статора на обратный,

например В—А—С (при том же источнике достигается переменой мест подключения к

сети двух фазных обмоток В и А), то магнитное поле машины будет вращаться в

обратном направлении, т. е. против хода часовой стрелки. Таким образом, при прямом

чередовании фаз обмотки статора (А—В—-С) поле двухполюсной машины равномерно

вращается по ходу часовой стрелки, совершая полный оборот в пространстве за один

период синусоидального тока.

Поскольку результирующее двухполюсное (р = 1) магнитное поле статора

асинхронного двигателя совершает один оборот за время, равное периоду изменения

синусоидального тока Т, за 1 с оно совершит количество оборотов, равное частоте

синусоидального тока источника f1 (так как f1 = 1/Т), а за 1 мин- в 60 раз больше, т. е.

n0=60*f1

Соответственно угловая скорость двухполюсного магнитного поля машины

010

2/60211

ππω

Ω===

где w1-угловая частота токов в обмотке статора.

Частота вращения магнитного поля двухполюсных асинхронных двигателей при

питании трехфазной системой синусоидальных токов с частотой 50 Гц составляет

п0= 60*f1= 60 *50= 3000 об/мин. Чтобы получить меньшую частоту вращения,

трехфазные асинхронные двигатели выполняются с 4, 6, 8 и большим числом полюсов

статора (соответственно с числом пар полюсов р = 2, 3, 4 и более). для этого каждая

фазная обмотка статора составляется из двух, трех, четырех и более катушек,

которые соединяются между собой последовательно или параллельно [11].

На рис. 11 .4,а показана трехфазная обмотка статора с четырьмя полюсами (р

=2). Каждая фазная обмотка состоит из двух последовательно соединенных катушек

(рис. 11.4,6) и занимает четыре паза:

фаза А, 1—4 и 7—10; фаза В, начало которой сдвинуто от начала фазы А

по окружности

статора на 60°, 3—6 и 9—12; фаза С, начало которой сдвинуто от начала фазы В на

60°, 5—8 и 11—-2.

Картина магнитного поля статора, возбуждаемого трехфазной системой токов в

момент времени 1, когда ток в фазе А ia=Im (рис. 11 .4,в), условно показана на рис. 11

.4,а.

Через Т/З, т. е. в момент времени 11, когда ток в фазе В ib=Im картина поля

(рис. 11.4,г)

210

повернется вокруг оси статора на угол 60° по ходу часовой стрелки. Это отчетливо

видно по положениям стрелки полюса N.

Следовательно, результирующее поле четырёхполюсного статора (р = 2) за

один период синусоидального тока совершит половину оборота, т. е. будет вращаться

в два раза медленнее, чем двухполюсное поле (р = 1) и его частота вращения p02=

60*f1/2, об/мин.

В общем случае частота вращения многополюсного поля (об/мин) определяется

выражением

где р-число пар полюсов статора.

Угловая скорость (рад/с) многополюсного магнитного поля, называемая

211

синхронной скоростью, выражается формулой

Направление вращения магнитного поля многополюсной машины также определяется

порядком чередования фаз обмотки: при прямом (А—В—-С—А…)- поле вращается по

ходу часовой стрелки; при обратном (например, В—А—С—В)-

в обратном направлении

(при прежнем чередовании фаз источника). для реверсирования поля прак-

тически достаточно поменять местами любые два из трех выводов источника питания

трехфазной обмотки статора.

Рассмотренная выше сосредоточенная трехфазная обмотка для получения

вращающегося магнитного поля имеет серьезные недостатки: плохое использование

сердечника статора; слишком большой объем паза, в который укладывается вся

многовитковая катушка; трудность получения синусоидального распределения

магнитной индукции поля вдоль воздушного зазора между статором и ротором

машины. Поэтому в машинах переменного тока применяются только распределенные

обмотки, т. е. такие, где многовитковые катушки делятся на несколько секций с

одинаковым числом витков, активные участки которых укладываются не в одном, а в

нескольких рядом расположенных пазах. Это устраняет недостатки сосредоточенной

обмотки и обеспечивает пространственное распределение магнитной индукции вдоль

воздушного зазора по закону, близкому к синусоидальному.

Вращающееся магнитное поле асинхронной машины количественно

характеризуется потоком полюса Ф, т. е. потоком вектора магнитной индукции В

через поверхность полюса

, где l-длина сердечника статора. Так как магнитная

индукция полюса вращающегося поля изменяется по синусоидальному закону

(

*sin

BBm

) с амплитудным значением Bm, то значение потока полюса можно

определить через среднее значение

BBm

2**/

Bml

τπ

Φ=

(11.3)

Поток полюса вращающегося магнитного поля трехфазной асинхронной

машины, подключенной к трехфазному источнику с симметричной системой

напряжений, остается неизменным в любой момент времени независимо от положения

оси поля.

Цилиндрическую поверхность сердечника статора асинхронной машины с

трехфазной обмоткой можно выполнить развернутой в плоскость. При включении

такой обмотки в трехфазную сеть получим вдоль нее так называемое бегу щее

магнитное поле. Если на такую электромагнитную систему положить какой-либо

железный предмет, то поле переместит его по направлению своего движения. Такое

поле используется, например, в линейных асинхронных электродвигателях,

устанавливаемых на транспортных средствах, работающих на воздушной или

магнитной подушке.

Если обмотку статора асинхронного двигателя включить в трехфазную сеть,

то вращающееся магнитное поле статора (рис. 11 .5,а) будет пересекать своими

силовыми линиями обмотку ротора и индуцировать в ней э. д. с. Так как обмотка

ротора замкнута накоротко, или на резисторы, то эти э. д. с. создают в ней

индукционные токи. Взаимодействие вращающегося магнитного поля двигателя с

токами ротора (рис. 11.5,6) по закону Ампера создает электромеханическую силу,