Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Контрольные вопросы
Г л а в а 9 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В основе работы электрических машин всех типов лежат электромагнитные явления: электромагнитная индукция и силовое действие магнитного поля. Электрические машины служат либо для преобразования механической энергии в электрическую (электрогенераторы), либо электрической в механическую (электродвигатели). В настоящее время наибольшее применение находят электрические машины переменного тока синхронные и асинхронные. Машины обоих типов могут работать как в режиме генерации, так и в режиме двигателя, но на практике наиболее широко применяются синхронные генераторы и асинхронные двигатели.
Исключительное значение в современном электрооборудовании имеет использование явления вращающегося магнитного поля. С помощью вращающегося магнитного поля приводятся в действие самые распространенные двигатели переменного тока (асинхронные и синхронные, различные исполнительные механизмы автоматики, счетчики, реле и т.д.). Вращающееся магнитное поле возникает как результирующее поле при наложении двух или более переменных магнитных полей, имеющих одинаковую частоту, но смещенных друг относительно друга в пространстве и имеющих временной фазовый сдвиг. Пусть в статоре трехфазной машины имеются три обмотки, включенные в трехфазную цепь (рис. 102 а), а магнитная индукция в точке О, создаваемая каждой обмоткой, изменяется по а б Рис. 102 синусоидальному закону: (9-1) Очевидно, что для определения длины и положения результирующего вектора индукции в точке ( О ) следует найти сумму проекций векторов В1, В2 и В3 на ось координат Ох: = (9-2) Сумма проекций этих векторов даст проекцию результирующего вектора индукции: (9-3) + т.е. (9-4) Точно так же поступим и для нахождения проекции результирующего вектора индукции на ось Оy: (9-5) Таким образом, в результате этих преобразования мы получили две составляющие результирующего вектора магнитной индукции В: = и (9-6) по которым найдем значение суммарной индукции (9-7) Оказывается, что длина вектора магнитной индукции не зависит от времени; при t=0 его составляющая (вектор занимает вертикальное положение) (рис.102б); с увеличением t вертикальная проекция уменьшается, а горизонтальная увеличивается, в результате чего будет поворачиваться по часовой стрелке. Для определения скорости вращения вектора магнитной индукции положим, что в некоторый произвольный момент времени t он образует и осью Оy угол , для которого можно записать: откуда следует, что (9-8) т.е. вектор магнитной индукции В вращается с постоянной угловой скоростью в направлении часовой стрелки. Иначе говоря, получается постоянное по значению равномерно вращающееся магнитное поле. Простой способ создания вращающегося магнитного поля трехфазной системой положен в основу устройства трехфазных двигателей. Если изменить очередность фаз (изменится и последовательность токов), то, проведя аналогичные преобразования, получим: = и (9-9) Отсюда следует, что будет вращаться против часовой стрелки. Изменением последовательности фаз пользуются для изменения направления вращения роторов трехфазных двигателей, т.е. для реверсирования двигателей.
Этот двигатель состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. Основными частями асинхронного двигателя являются (рис. 103 б) статор 1 с рабочей обмоткой, ротор 2 с лопастями вентилятора 3 и два подшипниковых щита 4. Статор. Скорость вращения магнитного поля. Частями статора являются магнитопровод и корпус. Магнитопровод собран из изолированных фигурных листов (рис.103а,б ) электротехнической стали толщиной порядка 0,3мм. а б в Рис. 103 С внутренней стороны полый цилиндр сердечника статора снабжен пазами (углублениями), в которые закладывается трехфазная статорная обмотка. Число катушек, образующих обмотку, должно быть кратно трем ( 3, 6, 9, 12 и т.д.). Пусть трехфазная обмотка двигателя размещена в шести пазах на внутренней поверхности статора. Изменения тока в каждой катушке представлены рис.104а. а б Рис. 104 Выберем четыре произвольных момента времени: t1, t2, t3, t4. Для каждого из этих моментов последовательно изобразим результирующие магнитные потоки внутри статора трехфазной машины, условно имеющей три обмотки, состоящие каждая из одного витка (рис. б). Обозначим начала обмоток буквами А, В и С, а концы – соответственно X, Y, Z. Ток в начале обмотки будем считать направленным к нам, если его значение положительно. Для момента времени t1 имеем: обмотка А-Х магнитного потока не создает (iA = 0); в начале обмотка В ток направлен от нас (iВ <0), а в ее конце Y – к нам; в начале обмотки С ток направлен к нам (iС>0), а в ее конце Z – от нас. Таким образом, в двух расположенных рядом проводниках С и Y, перпендикулярных к плоскости чертежа, токи направлены одинаково в момент t1 и создают магнитный поток, направленный по правилу буравчика против часовой стрелки, а токи в проводниках В и Z создают поток, направленный по часовой стрелке. Оба потока внутри статора машины имеют одинаковое направление (вверх). Направление оси общего магнитного потока отметим стрелкой. Рассматривая таким образом положение магнитного потока для каждого из указанных моментов, приходим к выводу, что направление магнитного потока изменяется на 1800 за полпериода. Легко убедиться, что за период ось магнитного потока сделает один оборот, и очевидно, что скорость вращения ее пропорциональна частоте тока. Мы рассмотрели положение магнитных потоков для фиксированных моментов времени, но ток изменяется непрерывно. Отсюда можно предположить, что магнитный поток поворачивается не скачками, а непрерывно с постоянной скоростью. Скорость вращения магнитного потока можно представить так: n1 = 60 1/T = 60ν = 3000 об/мин. (9-10) В этом случае обмотка статора создает магнитное поле с одной парой полюсов. Такая обмотка называется двухполюсной. Если обмотка статора состоит из шести катушек (по две последовательно соединенных катушек на фазу), уложенные в двенадцати пазах, то ось магнитного потока за полпериода повернется на четверть оборота, а за полный период – на полоборота. Поле статора теперь оимеет четыре полюса (две пары полюсов). Скорость вращения магнитного поля статора в этом случае равна n1 = 60 0,5/T = 60ν/2 = 1500 об/мин. (9-11) Увеличивая число пазов и обмоток можно сделать вывод, что скорость вращения магнитного поля в общем случае при р параз полюсов равна n = 60v/p об/мин. (9-12) Так как число пар полюсов может быть только целым, то скорость вращения магнитного поля может иметь не произвольные, а вполне определенные значения ( см. таблицу). Короткозамкнутый ротор. Ротор представляет собой укрепленный на валу цилиндр, собранный так же, как и статор, из листов электротехнической стали (рис. 103б). В большинстве случаев ротор имеет короткозамкнутую обмотку, выполненную из алюминиевых или медных стержней. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами, отлитыми одновременно из того же материала. Такая обмотка, имеющая вид цилиндрической клетки (беличье колесо), показана на рис.103в. Фазный ротор. Фазный ротор отличается от короткозамкнутого тем, что его обмотка выполнена по типу обмотки статора, соединена обычно звездой, начала выведены и соединены с контактными кольцами (рис.105). Три кольца укреплены на валу двигателя, изолированы одно от другого и от вала. На кольце наложены контактные щетки, через которые обмотку ротора можно присоединить к реостату с целью улучшения условий пуска двигателя. а б Рис. 105 Схема асинхронного двигателя с фазным ротором.
В асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле создается трехфазной обмоткой статора при включении ее в сеть трехфазного переменного тока (рис.106а). Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводника обмотки ротора и индуктирует в ней эдс (рис.106б). Если обмотка замкнута, то в ней под действием индуктируемой эдс начинает протекать ток. а б в Рис. 106 Принцип действия асинхронного двигателя. В результате взаимодействия тока в роторной обмотке с вращающимся магнитным полем статорной обмотки создается вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться. На рис. в выделена часть окружности ротора, на которой находится один проводник его обмотки. Поле статора представлено северным полюсом N, который вращается в пространстве и вокруг ротора с числом оборотов n1 в минуту по часовой стрелке. Следовательно, полюс N перемещается относительно проводника обмотки ротора слева направо, в результате чего в этом проводнике создается эдс, которая согласно правилу правой руки будет направлена от доски к студенту ( знак – точка). Если обмотка ротора замкнута, то под действием эдс по этой обмотке будет протекать ток, направленный в проводнике к нам. В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки ротора с магнитным полем статора возникает электромагнитная сила F, которая будет перемещать проводник в направлении, определяемом по правилу левой руки, т.е. слева направо. Вместе с проводником начинает перемещаться ротор. Если силу F, действующую на проводник обмотки ротора, умножим на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо силы), то получим вращающий момент, развиваемый током этого проводника. Так как на роторе размещается большое количество проводников, то сумма произведений сил, действующих на каждый из проводников на плечо, определяет суммарный вращающий момент, развиваемый двигателем. Под действием этого момента ротор приходит в движение - начнет вращаться по направлению вращения магнитного поля. Причем скорость вращения ротора (9-13) В рабочем режиме ротор двигателя вращается с числом оборотов в минуту меньшим числа оборотов вращающегося магнитного поля статора причем магнитное поле и ротор вращаются в одном направлении. Степень отставания ротора от вращающегося магнитного поля характеризуется скольжением S. Причем величина (9-14) Если ротор неподвижен (, то скольжение равно единице S = 1. Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т.е. с одинаковой скоростью ( то скольжение равно нулю S =0. Таким образом, чем больше скорость ротора, тем меньше скольжение. В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение обычно составляет 3-5%, т.е. ротор вращается с числом оборотов, очень мало отличающимся от числа оборотов магнитного поля статора. Например, при и скольжении величина Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью ротора при равновесии моментов, т.е. если вращающий момент двигателя будет равен тормозящему моменту на валу двигателя , который развивает, например, резец токарного станка. Следовательно, можно записать следующее равенство: . (9-15) Если нагрузка на валу машины увеличилась, т.е. увеличился тормозящий момент, то вышеприведенное равенство нарушается. Это приводит к уменьшению числа оборотов ротора , т.е. увеличению скольжения. При этом эдс, индуктированная в обмотке ротора возрастает, а следовательно, увеличивается ток в роторе, и увеличивается вращающий момент двигателя. Увеличение скольжения и тока в роторе будет происходить до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на вале двигателя. То же самое происходит при уменьшении нагрузки двигателя, но уже в обратном направлении. В этом проявляется явление саморегулирования, что наблюдается и в трансформаторе. Работа асинхронного двигателя принципиально подобна работе трансформатора. При увеличении нагрузки на валу асинхронного двигателя увеличивается скольжение и ток в роторе, а, следовательно, увеличивается и ток в обмотке статора. В трансформаторе происходит то же при увеличении тока во вторичной обмотке. Разница между асинхронной машиной и трансформатором лишь конструктивная: у асинхронного двигателя имеется вращающаяся часть, чего нет в трансформаторе.
Число оборотов двигателя переменного тока можно определить по формуле (9-16) Изменение числа полюсов двигателя. На рис.107 схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Из чертежа видно, что катушки создают четыре магнитных Рис. 107 полюса. Те же две катушки, соединенные параллельно между собой, создадут уже только два полюса). Пересоединение обмоток статора, производится при помощи специального аппарата. При этом способе регулировка числа оборотов двигателя совершается скачками. На практике встречаются двигатели с числом оборотов 3000, 1500, 1000, 750 в минуту. Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального генератора (преобразователя частоты), частота эдс которого может изменяться в широких пределах. Этот способ дорог, т.к. требует специального генератора для питания двигателя. Используется в тех случаях, когда имеется большая группа двигателей (текстильные станки) или необходимы большие скорости вращения до 10000 и более оборотов в минуту. В целом, следует отметить, что асинхронные двигатели не дают возможности плавного и экономичного изменения числа оборотов в широких пределах. Поэтому асинхронные двигатели относят к двигателям нерегулируемым и во всех случаях, где встречается необходимость изменения скорости ( на транспорте, в подъемных кранах, в металлургии и т .д.), применяют двигатели постоянного тока, которые, обладают хорошими регулировочными свойствами.
В маломощном электроприводе (стиральные и холодильные машины, доильные аппараты, машины для стрижки овец, центрифуги, вентиляторы и др.) используются однофазные двигатели (до 600Вт). Основными частями такого двигателя являются статор и ротор, имеющий такое же устройство, как и в трехфазном двигателе. В пазы статора укладывается обмотка, распределенная равномерно по окружности. Переменный ток, проходя по такой обмотке, а б Рис. 108 образует не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле, направление которого дважды за период меняется на обратное. Такое поле не может сдвинуть ротор с места. Если же при помощи внешней силы привести ротор во вращение, то тогда он будет подхвачен этим полем и начнет самостоятельно вращаться. Однако пуск двигателя внешней силой не удобен, а поэтому в статор таких двигателей, кроме основной (рабочей, РО) обмотки, закладывается еще и пусковая обмотка (ПО); при помощи ПО в двигателе возникает вращающееся магнитное поле. Размещены РО и ПО под углом 900, относительно друг друга (рис.108а). В момент пуска ПО замыкается кнопкой К накоротко, в результате трансформаторной связи в ней возникает ток, сдвинутый по фазе относительно тока в РО почти на Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое и разгоняет ротор. После разгона пусковая обмотка размыкается и в дальнейшей работе не участвует. Конденсаторные двигатели. В этих двигателях РО и ПО смещены на статоре относительно друг друга на 900. На время пуска ПО включают на напряжение сети с помощью кнопки К через конденсатор С (рис. 108б), благодаря которому ток в ПО отличается по фазе от тока в РО на , этим обеспечивается разгон ротора (конденсаторный пуск). В некоторых двигателях конденсатор остается включенным, поэтому во время работы двигателя обе обмотки являются рабочими. В этих двигателях пуск осуществляется с помощью конденсаторов С1 и С2, а во время работы включенным остается конденсатор С2, значительно улучшающий пусковые и рабочие характеристики. Однофазные асинхронные двигатели по сравнению с трехфазными имеют следующие недостатки:
|