Получение вращающегося магнитного потока

Устройство асинхронных двигателей

Общие сведения

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Асинхронная машина – это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и ротор вращаются с разными скоростями.

Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели, причем из всех электрических двигателей они являются самыми рас­пространенными. Преимущества асинхронного двигателя состоят в простоте устройства, изготовления и эксплуатации, а также в боль­шой надежности и сравнительно низкой стоимости. Широкое приме­нение находит трехфазный асинхронный двигатель. Используют также одно­фазный асинхронный двигатель. Трехфазные двигатели применяют во всех отраслях народного хозяйства, однофазные – в основном в схе­мах автоматики, для привода электроинструмента, бытовых машин и т. п.

Промышленность выпускает асинхронные двигатели на рабочее напряжение от 127 В до 10 кВ, мощностью от долей ватта до несколь­ких тысяч киловатт. Однофазные асинхронные двигатели имеют мощ­ность, как правило, не превышающую 0,5 кВт. Двигатели максималь­ной мощности изготовляются на напряжение 6-10 кВ. При частоте 50 Гц синхронная частота вращения двигателей различного типа ко­леблется от 500 до 3000 об/мин.

Кроме асинхронных двигателей, преобразующих электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, имеются асин­хронные машины, выполняющие функции преобразователя частоты, регулятора напряжения и фазорегулятора.

Асинхронные машины могут работать в режиме генератора. Но асинхронные генераторы как источники электрической энергии не применяются, так как они не имеют собственного источника возбуж­дения магнитного потока и могут работать только параллельно с дру­гими (синхронными) генераторами, имеющими лучшие показатели.

Асинхронные машины малой мощности используются как генера­торы для измерения частоты вращения валов (тахогенераторы).

Рассмотрим процесс получения вращающегося магнитного потока в асинхронном двига­теле с тремя фазными обмотками статора, соединенными звездой. На рисунке каждая из этих обмоток представлена в виде одного витка.

От источника питания к обмоткам подводится трехфазная система на­пряжения, под действием которой по обмоткам протекает трехфазная система токов:

;

;

.

На рисунке показаны условные положительные направления токов в линейных проводах и проводниках обмоток статора, а также фазных магнитных потоков, соответствующие положительным на­правлениям фазных токов. Видно, что фазные магнитные потоки на­правлены по осевым линиям обмоток статора. При синусоидальном изменении фазного тока в обмотке магнитный поток фазы также изменяется по синусоидальному закону во времени. Направление магнитного потока фазы может быть положительным или отрицательным, но поток фазы всегда направлен по осевой линии (показано на рисунке пунктиром). Такой магнитный поток называется пульсирующим.

Если представить, что токи i_A, i_В и i_С в обмотках совпадают по фазе, т. е. в любой момент времени равны по значению и направле­нию, то создаваемые ими магнитные потоки также в любой момент вре­мени равны по значению, а по направлению в пространстве сдвинуты на угол 120°. Суммарный поток в такой магнитной цепи равен нулю.

Так как в действительности по обмоткам протекает трехфазная система токов, то очевидно, что суммарный магнитный поток не равен нулю. Для определения характера суммарного магнитного потока необходимо воспользоваться временными зависимостями из­менения фазных токов. Видно, что при t =0 ток i_A0 =0, ток , ток . В соответствии с этим магнитный поток фазы А Ф_А =0, а магнитные потоки фаз В и С равны по значению: . (Ф_Фm – максимальное значение потока фазы). Так как ток i_B0 отрицателен, то магнитный поток Ф_B противоположен условному положительному направлению, показанному на рисунке. Ток i_С0 положительный, и поток Ф_С совпадает с условным положительным направлением.

Токи в рядом расположенных проводниках В и Z имеют одинако­вое направление и создают единый магнитный поток, направление которого определяется по правилу «буравчика». Этот поток замыка­ется через статор и ротор, охватывая проводники В и Z (рисунок а). То же относится к токам, протекающим по проводам С и Y. Из рас­смотрения картины магнитных линий суммарного потока Ф видно, что при t =0 он направлен по вертикали снизу вверх, а его значение в 1,5 раза больше максимального значения фазного потока:

.

Через , равное 1/12 периода, т. е. при t₁=Т/12, значения токов в обмотках i_Al = i_C1 =+0,5 I_Фm, i_В1 =- I_Фm. Этим значениям токов соответствуют значения, магнитных потоков фаз: Ф_А = Ф_С =0,5 Ф_Фm, Ф_В = Ф_Фm.

На рисунке в показаны действительные направления токов в проводах обмоток и магнитных потоков фаз и магнитные линии суммарного потока Ф.

Они охватывают провода Z, В, X и A, Y, С соответственно. Из рисунка видно, что магнитные линии суммарного потока повернуты на некоторый угол по часовой стрелке. Сложение магнитных потоков (рисунок г) показывает, что суммарный поток повернулся на 30°, что составляет 1/12 оборота. Значение суммарного потока не изменилось: .

Аналогичные построения сделаны на рисунках д, е, ж, к для моментов времени t₂ = Т/6 и t₃ = Т/4 соответственно.

Выполненные для четырех моментов времени построения показывают, что суммарный магнитный поток, оставаясь постоянным по значению, вращается в пространстве машины с некоторой постоянной угловой скоростью. За период времени от t₀= 0до t₃ =Т/4, т. е. за четверть периода, поток повернулся на 90° (на четверть оборота). Следовательно, за один период поток сделает один оборот.

Таким образом, суммарный магнитный поток, созданный тремя пульсирующими магнитными потоками фаз, является вращающимся. Для получения такого магнитного потока необходимо, чтобы, во-первых, фазные обмотки статора были сдвинуты в пространстве на некоторый угол, и, во-вторых, токи в фазных обмотках были сдвинуты по фазе на некоторый угол. При невыполнении хотя бы одного из этих условий суммарный поток вращающимся не будет.

При анализе построений, сделанных на рис. 12.10, можно прийти к выводу, что направление суммарного магнитного потока всегда совпадает с направлением магнитного потока той фазы, ток в которой в данный момент максимален (рис. 12.10, в, ж).