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.

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.

Вбольшинстве 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.

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?