Швидкість обертання магнітного поля статора. Обертове магнітне поле

Залежить від частоти напруги живлення, від потужності поточного навантаження на валу, і від числа електромагнітних полюсів даного двигуна. Ця реальна частота обертання (або робоча частота) завжди менше так званої синхронної частоти, яка визначається лише параметрами джерела живлення і кількістю полюсів обмотки статора даного асинхронного двигуна.

Таким чином, синхронна частота обертання двигателя - це частота обертання магнітного поля обмотки статора при номінальній частоті напруги живлення, і вона дещо відрізняється від робочої частоти. В результаті кількість оборотів в хвилину під навантаженням завжди менше так званих синхронних оборотів.

На наведеному малюнку видно, як синхронна частота обертання для асинхронного двигуна з тією чи іншою кількістю полюсів статора залежить від частоти напруги живлення: чим вище частота - тим вище кутова швидкість обертання магнітного поля. Так наприклад в змінюючи частоту напруги живлення змінюють синхронну частоту двигуна. При цьому змінюється і робоча частота обертання ротора двигуна під навантаженням.

Зазвичай обмотку статора асинхронного двигуна живлять трифазним змінним струмом, який і створює обертове магнітне поле. І чим більше пар полюсів - тим меншою буде синхронна частота обертання - частота обертання магнітного поля статора.

Більшість сучасних асинхронних двигунів мають від 1 до 3 пар магнітних полюсів, в рідкісних випадках 4, адже чим більше полюсів - тим нижче ККД асинхронного двигуна. Однак при меншій кількості полюсів швидкість обертання ротора можна міняти дуже-дуже плавно, змінюючи частоту напруги живлення.

Як уже було відзначено вище, реальна робоча частота асинхронного двигуна відрізняється від його синхронної частоти. Чому так відбувається? Коли ротор обертається з частотою меншою ніж синхронна, то провідники ротора перетинають магнітне поле статора з деякою швидкістю і в них наводиться ЕРС. Ця ЕРС створює струми в замкнутих провідниках ротора, в результаті дані струми взаємодіють з обертовим магнітним полем статора, і виникає крутний момент - ротор захоплюється магнітним полем статора.

Якщо момент має достатню величину щоб подолати сили тертя, то ротор починає обертатися, при цьому момент електромагнітний дорівнює гальмуючого моменту, який створюють навантаження, сили тертя і т. Д.

При цьому ротор весь час відстає від магнітного поля статора, не може робоча частота досягти синхронної частоти, так як якщо б це сталося, то в провідниках ротора перестала б наводитися ЕРС, і крутний момент просто не з'явиться. У підсумку, для рухового режиму вводять величину «ковзання» (, як правило, становить 2-8%), в зв'язку з чим справедливо і наступне нерівність двигуна:

Але якщо ротор того ж асинхронного двигуна розкрутити за допомогою якого-небудь зовнішнього приводу, наприклад двигуном внутрішнього згоряння, до такої швидкості, що частота обертання ротора перевищить синхронну частоту, то ЕРС в провідниках ротора і активний струм в них придбають певний напрям, і асинхронний двигун перетвориться в.

Загальний електромагнітний момент виявиться гальмуючим, ковзання s стане негативним. Але щоб генераторний режим зміг проявити себе, необхідно поставити асинхронного двигуна реактивну потужність, яка б створювала магнітне поле статора. У момент старту такої машини в генераторному режимі може вистачити залишкової індукції ротора і конденсаторів, які підключають до трьох фаз обмотки статора, що живить активне навантаження.

Як було показано раніше, одним з найважливіших переваг багатофазних систем є отримання обертового магнітного поля за допомогою нерухомих котушок, на чому заснована робота двигунів змінного струму. Розгляд цього питання почнемо з аналізу магнітного поля котушки з синусоїдальним струмом.

Магнітне поле котушки з синусоїдальним струмом

При пропущенні по обмотці котушки синусоїдального струму вона створює

магнітне поле, вектор індукції якого змінюється (пульсує) уздовж цієї котушки також за синусоїдальним законом Миттєва орієнтація вектора магнітної індукції в просторі залежить від намотування котушки і миттєвого напрямку струму в ній і визначається за правилом правого гвинта. Так для випадку, показаного на рис. 1, вектор магнітної індукції направлений по осі котушки вгору. Через полперіода, коли при тому ж модулі ток змінить свій знак на протилежний, вектор магнітної індукції при тій же абсолютній величині поміняє свою орієнтацію в просторі на 1800. З урахуванням вищесказаного магнітне поле котушки з синусоїдальним струмом називають пульсуючим.

Круговий обертове магнітне поле
дво- і трифазного обмоток

Круговим обертовим магнітним полем називається поле, вектор магнітної індукції якого, чи не змінюючись по модулю, обертається в просторі з постійною кутовою частотою.

Для створення кругового обертового поля необхідно виконання двох умов:

1. Осі котушок повинні бути зрушені в просторі один відносно одного на певний кут (для двофазної системи - на 90 0, для трифазної - на 120 0).
2. Токи, що живлять котушки, повинні бути зрушені по фазі відповідно просторовому зсуву котушок.

Розглянемо отримання кругового обертового магнітного поля в разі двофазної системи Тесла (рис. 2, а).

При пропущенні через котушки гармонійних струмів кожна з них відповідно до вищесказаним створюватиме пульсуюче магнітне поле. Вектори і, що характеризують ці поля, спрямовані вздовж осей відповідних котушок, а їх амплітуди змінюються також за гармонійним законом. Якщо струм в котушці У відстає від струму в котушці А на 90 0 (див. Рис. 2, б), то.

Знайдемо проекції результуючого вектора магнітної індукції на осі x і y декартової системи координат, пов'язаної з осями котушок:

Модуль результуючого вектора магнітної індукції відповідно до рис. 2, в дорівнює

Отримані співвідношення (1) і (2) показують, що вектор результуючого магнітного поля залишається незмінною по модулю і обертається в просторі з постійною кутовою частотою, описуючи окружність, що відповідає круговому обертається полю.

Покажемо, що симетрична трифазна система котушок (див. Рис. 3, а) також дозволяє отримати круговий обертове магнітне поле.

Кожна з котушок А, В і С при пропущенні по ним гармонійних струмів створює пульсуюче магнітне поле. Векторна діаграма в просторі для цих полів представлена \u200b\u200bна рис. 3, б. Для проекцій результуючого вектора магнітної індукції на

осі декартової системи координат, вісь y у якій поєднана з магнітною віссю фази А, можна записати

;

(3)

.

(4)

Наведені співвідношення враховують просторове розташування котушок, але вони також харчуються трифазною системою струмів з тимчасовим зрушенням по фазі на 1200. Тому для миттєвих значень індукції котушок мають місце співвідношення

; ; .

Підставивши ці вирази в (3) і (4), отримаємо:

;

(5)

(6)

Відповідно до (5) і (6) і рис. 2, в для модуля вектора магнітної індукції результуючого поля трьох котушок зі струмом можна записати:

,

а сам вектор становить з віссю х кут a, для якого

,

Таким чином, і в даному випадку має місце незмінний по модулю вектор магнітної індукції, що обертається в просторі з постійною кутовою частотою, що відповідає круговому полю.

Магнітне поле в електричній машині

З метою посилення і концентрації магнітного поля в електричній машині для нього створюється магнітна ланцюг. Електрична машина складається з двох основних частин (див. Рис. 4): нерухомого статора і ротора, що обертається, виконаних відповідно у вигляді порожнього і суцільного циліндрів.

На статорі розташовані три однакові обмотки, магнітні осі яких зсунуті по розточуванню муздрамтеатру на 2/3 полюсного поділу, величина якого визначається виразом

,

де - радіус розточення муздрамтеатру, а р - число пар полюсів (число еквівалентних обертових постійних магнітів, що створюють магнітне поле, - в представленому на рис. 4 випадку р \u003d 1).

На рис. 4 суцільними лініями (А, В і С) відзначені позитивні напрямки пульсуючих магнітних полів уздовж осей обмоток А, В і С.

Прийнявши магнітну проникність стали нескінченно великою, побудуємо криву розподілу магнітної індукції в повітряному зазорі машини, створюваної обмоткою фази А, для деякого моменту часу t (рис. 5). При побудові врахуємо, що крива змінюється стрибком в місцях розташування котушкові сторін, а на ділянках, позбавлених струму, мають місце горизонтальні ділянки.

Замінимо дану криву синусоїдою (слід вказати, що у реальних машин за рахунок відповідного виконання фазних обмоток для результуючого поля така заміна пов'язана з досить малими похибками). Прийнявши амплітуду цієї синусоїди для обраного моменту часу t рівній ВА, запишемо

;

(11)

.

(12)

Підсумувавши співвідношення (10) ... (12), з урахуванням того, що сума останніх членів в їх правих частинах тотожно дорівнює нулю, отримаємо для результуючого поля уздовж повітряного зазору машини вираз

що представляє собою рівняння біжучої хвилі.

Магнітна індукція постійна, якщо . Таким чином, якщо подумки вибрати в повітряному проміжку деяку точку і переміщати її вздовж розточки муздрамтеатру зі швидкістю

,

то магнітна індукція для цієї точки буде залишатися незмінною. Це означає, що з плином часу крива розподілу магнітної індукції, не змінюючи своєї форми, переміщається уздовж окружності статора. Отже, результуючий магнітне поле обертається з постійною швидкістю. Цю швидкість прийнято визначати в оборотах в хвилину:

.

Принцип дії асинхронного і синхронного двигунів

Пристрій асинхронного двигуна відповідає зображенню на рис. 4. обертається магнітне поле, створюване розташованими на статорі обмотками з струмом, взаємодіє з струмами ротора, приводячи його в обертання. Найбільшого поширення в даний час отримав асинхронний двигун з короткозамкненим ротором через свою простоту і надійності. У пазах ротора такої машини розміщені струмонесучі мідні або алюмінієві стрижні. Кінці всіх стрижнів з обох торців ротора з'єднані мідними або алюмінієвими ж кільцями, які замикають стрижні накоротко. Звідси і пішла таку назву ротора.

У короткозамкненою обмотці ротора під дією ЕРС, спричиненої обертовим полем статора, виникають вихрові струми. Взаємодіючи з полем, вони втягують ротор в обертання зі швидкістю, принципово меншій швидкості обертання поля 0. Звідси назва двигуна - асинхронний.

величина

називається відносним ковзанням. Для двигунів нормального виконання S \u003d 0,02 ... 0,07. Нерівність швидкостей магнітного поля і ротора стає очевидним, якщо врахувати, що при обертове магнітне полі не буде перетинати струмопровідних стрижнів ротора і, отже, в них не будуть наводитися струми, які беруть участь у створенні обертового моменту.

Принципова відмінність синхронного двигуна від асинхронного полягає у виконанні ротора. Останній у синхронного двигуна являє собою магніт, виконаний (при відносно невеликих потужностях) на базі постійного магніту або на основі електромагніту. Оскільки різнойменні полюси магнітів притягуються, то обертове магнітне поле статора, яке можна інтерпретувати як обертається магніт, тягне за собою магнітний ротор, причому їх швидкості рівні. Це пояснює назву двигуна - синхронний.

На закінчення відзначимо, що на відміну від асинхронного двигуна, у якого зазвичай не перевищує 0,8 ... 0,85, у синхронного двигуна можна домогтися більшого значення і зробити навіть так, що струм буде випереджати напруга по фазі. В цьому випадку, подібно конденсаторним батареям, синхронна машина використовується для підвищення коефіцієнта потужності.

література

1. основитеорії ланцюгів: Учеб. для вузів /Г.В.Зевеке, П.А.Іонкін, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. -5-е вид., Перераб. -М .: Вища школа, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретичні основи електротехніки: Електричні кола. Учеб. для студентів електротехнічних, енергетичних і приладобудівних спеціальностей вузів. -7-е изд., Перераб. і доп. -М .: Вища. шк., 1978. -528с.
3. теоретичніоснови електротехніки. Учеб. для вузів. У трьох т. За заг. ред. К.М.Поліванова. Т.1. К.М.Поліванов. Лінійні електричні ланцюги із зосередженими постійними. -М .: енергія-1972. -240с.

Контрольні питання

1. Яке поле називається пульсуючим?
2. Яке поле називається обертовим круговим?
3. Які умови необхідні для створення кругового обертового магнітного поля?
4. Який принцип дії у асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором?
5. Який принцип дії у синхронного двигуна?
6. На які синхронні швидкості випускаються в нашій країні двигуни змінного струму загальнопромислового виконання?

В індуктивних електричних машинах обмотки статора і ротора пов'язані магнітним полем. Щоб здійснювався зв'язок обертається машини з нерухомою в повітряному зазорі машини за допомогою системи обмоток статора, створюють обертаєтьсямагнітне поле.

Під обертовим будемо розуміти таке магнітне поле, вектор індукції якого переміщається в просторі (в площині, перпендикулярній осі ротора) з певною кутовою швидкістю. Якщо амплітуда вектора індукції постійна, то таке поле називають круговим.Обертове магнітне поле може бути створене:

• змінним струмом в двофазної системі обмоток, зсунутих в просторі на 90 °;
• трифазним змінним струмом в трифазній системі обмоток, зсунутих в просторі на 120 °;
• постійним струмом, перемикається послідовно по обмоткам, розподіленим по розточуванню статора двигуна;
• постійним струмом, що перемикається за допомогою комутатора по гілках обмотки, розташованим вздовж поверхні ротора (якоря). Формування обертового магнітного поля в двофазної машині
• (Мал. 1.2). Втакій машині осі обмоток зрушені геометрично на 90 ° (розглядається машина з однією парою полюсів, р п \u003d 1). Обмотки статора живляться від двофазного напруги, як показано на рис. 1.2, я. Вважаючи машину симетричною і ненасиченої вважаємо, що струми в обмотках також зрушені на 90 електричних градусів (90 ° ел.) І магнитодвижущая сила обмоток пропорційна току (рис. 1 .2,6). Вмомент часу, = 0 струм в обмотці а дорівнює нулю, а струм в обмотці b має найбільший негативний значення.

Мал. 1.2.Формування обертового магнітного поля в двофазної електричної машині: а - схема включення обмоток: б - система двофазних струмів в обмотках статора: в - просторова векторна діаграма магнітнодвіжущіхся сил, створюваних обмотками статора

Отже, сумарний вектор магнітнодвіжущіхся сил (МДС) обмоток в момент часу, рівний t і розташований в просторі, як показано на рис. 1.2, в. У момент часу з 2 \u003d 7с / струми в обмотках будуть складати Tl m / і, отже, сумарний вектор МДС повернеться на кут к / і_займет в просторі положення, позначене на рис. 12, в, як 2 \u003d 2 + 2. У момент

часу з 2 \u003d я / 2 сумарний вектор МДС буде дорівнює. Аналогічно можна простежити, як змінюється положення сумарного вектора МДС в моменти часу, і т.д. Видно, що вектор обертається в просторі зі швидкістю зі \u003d 2ТС, зберігаючи свою амплітуду постійної. Напрямок обертання поля - за годинниковою стрілкою. Пропонуємо переконатися, що якщо подати на фазу а напруга \u003d (зі -), а на фазу b напруга \u003d зі, то напрямок

обертання зміниться на протилежне.

Мал. 1.3.Схеми включення обмоток трифазного двигуна: а - розташування обмоток двигуна при р п \u003d 1; б - з'єднання обмоток в зірку; в - епюри трифазних струмів в обмотках двигуна

Таким чином, поєднання просторового зсуву осей обмоток на 90 геометричних градусів (90 °) і фазового зсуву змінного струму в обмотках на (90 ° ел.) Електричних градусів дозволяє сформувати магнітне поле, що обертається уздовж окружності статора в повітряному зазорі машини.

Механізм формування обертового магнітного поля в трифазній машині змінного струму.Обмотки машини зрушені в просторі на 120 ° (рис. 1.3, а) і живляться від системи трифазних напруг. Токи в обмотці машини зрушені на 120 ° ел. (Рис. 1.3, в):

Результуючий вектор МДС обмоток статора дорівнює:

де w - число витків обмоток.

Розглянемо положення в просторі вектора в момент часу, (рис. 1.4, о). Вектор МДС обмотки про t спрямований по осі про в позитивному напрямку і дорівнює 0, w, тобто О,. Вектор МДС обмотки з , Спрямований по осі з і дорівнює 0,. Сума векторів j і j спрямована по осі b в негативному напрямку і з цією сумою складається вектор МДС обмотки Ь, рівний Сума трьох векторів утворює вектор х \u003d 3/2, що займає в момент часу, положення, яке показано на рис. 1.4, о. З плином часу \u003d л / ЗСО (при частоті 50 Гц через 1/300 с) настане момент часу 2, при якому вектор МДС обмотки про рівний, а вектори МДС обмоток b і з рівні - 0,5. Результуючий вектор МДС 2 в момент часу 2 займе положення, вказане на рис. 1.4,5, тобто переміститься по відношенню до попереднього положення у на кут 60 ° за годинниковою стрілкою. Неважко переконатися, що в момент часу 3 результуючий вектор МДС обмоток статора займе положення 3, тобто буде продовжувати переміщатися за годинниковою стрілкою. За час періоду напруги живлення \u003d 2л / з \u003d 1 / результуючий вектор МДС зробить повний оборот, тобто швидкість обертання поля статора прямо пропорційна частоті струму в його обмотках і обернено пропорційна числу пар полюсів:

де п - число пар полюсів машини.

Якщо число пар полюсів двигуна більше одиниці, то збільшується число секцій обмоток, розташованих по колу статора. Так, якщо число пар полюсів п \u003d 2, то три фазні обмотки будуть розташовані на одній половині кола статора і три на інший. У цьому випадку за один період напруги живлення результуючий вектор МДС зробить півоберта і швидкість обертання магнітного поля статора буде вдвічі менше, ніж в машинах з "\u003d 1

Мал. 1.4.а - з \u003d 7с / б - з \u003d л / в - з \u003d 7с /

В основі роботи практично всіх двигунів змінного струму: синхронних з електромагнітним збудженням (СД), з порушенням від постійних магнітів (СДПМ), синхронних реактивних двигунів (СРД), і асинхронних двигунів (АД) - лежить принцип створення обертового магнітного поля.

Згідно з принципами електродинаміки в усіх електричних двигунах (крім реактивних) розвивається електромагнітний момент є результатом взаємодії магнітних потоків (по- токосцепленій), створюваних в рухомою і нерухомою частинах електродвигуна. Момент дорівнює добутку векторів цих потоків, що показано на рис. 1.5, а значення моменту дорівнює добутку модулів векторів потоків на синус просторового кута 0 між векторами потоків:

де до - конструктивний коефіцієнт.

Мал. 1.5.

синхронні (СД, СДПМ, СРД) і асинхронні двигуни мають практично однакові конструкції статоров, а ротори - різні. Розподілені обмотки статора цих електродвигунів укладаються в порівняно велике число напівзакритих пазів статора. Якщо не враховувати вплив Зубцову гармонік, то обмотки статора формують постійний по амплітуді магнітний потік, що обертається з постійною швидкістю, яка визначається частотою струму. В реальних конструкціях наявність пазів і зубців муздрамтеатру статора призводить до появи вищих гармонік намагнічують сил, що призводить до пульсацій електромагнітного моменту.

На роторі СД розташована обмотка збудження, яка харчується постійним струмом від незалежного джерела напруги - збудника. Струм збудження створює електромагнітне поле, нерухоме відносно ротора і обертається в повітряному проміжку разом з ротором зі швидкістю зі [см. (1.7)]. Для синхронних двигунів потужністю до 100 кВт застосовують збудження від постійних магнітів, які встановлюють на роторі.

Магнітні силові лінії поля ротора, створюваного обмоткою збудження або постійними магнітами, «зчіплюються» з обертовим синхронно з ним електромагнітним полем статора. Взаємодія полів статора х і ротора 0 створює електромагнітний момент на валу синхронної машини.

При відсутності навантаження на валу вектори полів статора, і ротора 0 збігаються в просторі і спільно обертаються зі швидкістю зі 0 (рис. 1.6, а).

При додатку до валу двигуна моменту опору вектори [і 0 розходяться (розтягуються подібно пружині) на кут 0, причому обидва вектори продовжують обертатися з однаковою швидкістю з 0 (рис. 1 .6,6). Якщо кут 0 позитивний, то синхронна машина працює в руховому режимі. Зміні навантаження на валу двигуна відповідає зміна кута 0 Максимальний момент М буде при 0 \u003d л; / (0 - електричні градуси). якщо

навантаження на валу двигуна перевищує М то синхронний режим порушується, і двигун випадає із синхронізму. При від'ємному значенні кута 0 синхронна машина буде працювати генератором.

Мал. 1.6.а - при ідеальному холостому ході; б - при навантаженні на валу

Реактивний синхронний двигун - це двигун з явно вираженими полюсами ротора без обмотки збудження, де крутний момент обумовлений прагненням ротора зайняти таке положення, при якому магнітне опір між збудженої обмоткою статора і ротором приймає мінімальне значення.

У СРД ротор явнополюсний (рис. 1.7). Він має по осях різну магнітну провідність. За поздовжньої осі d, що проходить через середину полюса, провідність максимальна, а по поперечної осі q - мінімальна. Якщо вісь намагнічують сил статора збігається з поздовжньою віссю ротора, викривлення силових ліній магнітного потоку немає і момент дорівнює нулю. При зміщенні потоку осі статора щодо поздовжньої осі d при обертанні магнітного поля (МП) відбувається викривлення силових ліній потоку і виникає електромагнітний момент. Найбільший момент при одному і тому ж струмі статора виходить при вугіллі 0 \u003d 45 ° ел.

Основною відмінністю асинхронного двигуна від синхронного є те, що швидкість обертання ротора двигуна не дорівнює швидкості магнітного поля, що створюється струмами в обмотках статора. Різниця швидкостей поля статора і ротора називають ковзанням \u003d З - зі. Завдяки ковзанню магнітні силові лінії обертового поля статора перетинають провідники обмотки ротора і наводять в ній ЕРС і струм ротора. Взаємодія поля статора і струму ротора визначає електромагнітний момент асинхронного двигуна.

Мал. 1.7.

Залежно від конструкції ротора розрізняють асинхронні двигуни з фазним і короткозамкненим ротором. У двигунах з фазним ротором на роторі розташовується трифазна обмотка, кінці якої з'єднані з контактними кільцями, через які ланцюг ротора виводиться з машини для підключення до пускових резисторам з подальшим закорочуванням обмоток.

В асинхронному двигуні при відсутності навантаження на валу по обмоткам статора протікають тільки струми намагнічування, що створюють головний магнітний потік, причому амплітуда потоку визначається амплітудою і частотою напруги живлення. При цьому ротор обертається з тією ж швидкістю, що і поле статора. В обмотках ротора ЕРС Чи не наводить, відсутній струм ротора і, отже, момент дорівнює нулю.

При додатку навантаження ротор обертається повільніше, ніж поле, виникає ковзання, в обмотках ротора наводиться ЕРС, пропорційна ковзанню, і виникають струми ротора. Струм статора, як в трансформаторі, збільшується на відповідне значення. Твір активної складової струму ротора на модуль потоку статора визначає момент двигуна.

Об'єднує всі двигуни [крім вентильно-індукторних двигунів (ВИД)] то, що головний магнітний потік в повітряному проміжку обертається відносно нерухомого статора з задається частотою кутовою швидкістю з. Цей магнітний потік захоплює за собою ротор, який обертається для синхронних машин з тією ж кутовою швидкістю з \u003d з, або для асинхронних машин з деяким відставанням - ковзанням 5. Утворюють головний потік силові лінії мають мінімальну довжину при роботі двигуна вхолосту (\u003d). При цьому осі вектора намагнічують сил статора і ротора збігаються. При появі навантаження на валу двигуна осі розходяться, а силові лінії викривляються і подовжуються. Так як силові лінії завжди прагнуть скоротитися по довжині, то з'являються тангенціальні сили, що створюють крутний момент.

В останні роки починають отримувати застосування вентильно-індукторного двигуни. Такий двигун має явнополюсний статор з котушковими обмотками на кожному полюсі. Ротор також явнополюсний, але з іншим числом полюсів без обмоток. В обмотки статора по черзі подається однополярний струм від спеціального перетворювача - комутатора, і до цих порушених полюсів притягається довколишній зубець ротора. Потім порушується черзі наступний полюс статора. Перемикання обмоток полюсів статора проводиться відповідно до сигналів датчика положення ротора. У цьому, а також в тому, що струм в обмотках статора регулюється в залежності від моменту навантаження, полягає основна відмінність ВИД від крокової двигуна.

У ВИД (рис. 1.8), що обертає момент пропорційний амплітуді головного потоку і ступеня викривлення магнітних силових ліній. На початку, коли полюс (зубець) ротора починає перекривати полюс статора, викривлення силових ліній максимальне, а потік мінімальний. Коли перекриття полюсів максимально, викривлення силових ліній мінімально, а амплітуда потоку зростає, при цьому момент залишається приблизно постійним. У міру насичення магнітної системи ВИД наростання потоку обмежується, навіть при збільшенні струму в обмотках ВИД. Зміна моменту при проходженні полюсів ротора щодо полюсів статора викликає нерівномірність обертання валу ВИД.

Мал. 1.8.

У двигуні постійного струму обмотка збудження розташована на статорі і поле, створюване цієї обмоткою, нерухомо. У якорі створюється обертове магнітне поле, швидкість обертання якого дорівнює швидкості обертання якоря, але спрямована зустрічно. Це досягається тим, що по витків обмотки якоря протікає змінний струм, комутований механічним перетворювачем частоти - колекторним апаратом.

Електромагнітний момент двигуна постійного струму визначає взаємодію головного потоку, створюваного обмоткою збудження, і струму в витках обмотки якоря: М \u003d до / я

Якщо замінити щітково-колекторний апарат двигуна постійного струму напівпровідникових комутатором, то отримаємо бесщеточний двигун постійного струму. практичною реалізацією таких двигунів є вентильний двигун. конструктивно вентильний двигун являє собою трифазну синхронну машину з електромагнітним збудженням або порушенням від постійних магнітів. Обмотки статора перемикають за допомогою напівпровідникового керованого перетворювача - комутатора в залежності від положення ротора двигуна.

Одним з найбільш поширених електродвигунів, який використовується в більшості пристроїв електропривода, є асинхронний двигун. Цей двигун називають асинхронним (НЕ-синхронний) з тієї причини, що його ротор обертається з меншою швидкістю, ніж у синхронного двигуна, щодо швидкості обертання вектора магнітного поля.

Необхідно пояснити, що таке синхронна швидкість.

Синхронна швидкість - це така швидкість, з якою обертається магнітне поле в роторної машині, якщо бути точним, то це кутова швидкість обертання вектора магнітного поля. Швидкість обертання поля залежить від частоти струму, що протікає і кількості полюсів машини.

Асинхронний двигун завжди працює на швидкості меншій, ніж швидкість синхронного обертання, тому як магнітне поле, яке утворено обмотками статора, буде генерувати зустрічний магнітний потік в роторі. Взаємодія цього згенерованого зустрічного магнітного потоку з магнітним потоком статора зробить так, що ротор почне обертатися. Так як магнітний потік в роторі буде відставати, то ротор ніколи не зможе самостійно досягти синхронної швидкості, тобто такої ж з якою обертається вектор магнітного поля статора.

Існує два основних типи асинхронного двигуна, які визначаються за типом підводиться харчування. це:

• однофазний асинхронний двигун;
• трифазний асинхронний двигун.

Слід зауважити, що однофазний асинхронний двигун не здатний самостійно починати рух (обертання). Для того, щоб він почав обертатися, необхідно створити деякий зсув з положення рівноваги. це досягається різними способами, За допомогою додаткових обмоток, конденсаторів, перемикань в момент пуску. На відміну від однофазного асинхронного двигуна, трифазний двигун здатний починати самостійне рух (обертання) без внесення будь-яких змін у конструкцію чи умови пуску.

Від двигунів постійного струму (DC) асинхронні двигуни змінного струму (AC) конструктивно відрізняються тим, що харчування подається на статор, на відміну від двигуна постійного струму, в якому через щітковий механізм подається харчування на якір (ротор).

Принцип роботи асинхронного двигуна

Подаючи напругу тільки на обмотку статора, асинхронний двигун починає працювати. Цікаво знати, як це працює, чому так відбувається? Це дуже просто, якщо зрозуміти, як відбувається процес індукції, коли в роторі індукується магнітне поле. Наприклад, в машинах постійного струму, доводиться окремо створювати магнітне поле в якорі (роторі) НЕ через індукцію, а за допомогою щіток.

Коли ми подаємо напругу на обмотки статора, в них починає протікати електричний струм, який створює магнітне поле навколо обмоток. Далі, від багатьох обмоток, які розташовані на муздрамтеатрі статора формується загальне магнітне поле статора. Це магнітне поле характеризується магнітним потоком, величина якого змінюється в часі, крім цього напрямок магнітного потоку змінюється в просторі, а точніше воно обертається. У підсумку виходить, що вектор магнітного потоку статора обертається як розкручена праща з каменем.

У повній відповідності з законом електромагнітної індукції Фарадея, в роторі, який має короткозамкненим обмотку (короткозамкнений ротор). У цій роторної обмотці буде протікати наведений електричний струм, так як ланцюг замкнута, і вона знаходиться в режимі короткого замикання. Цей струм точно також як і живить струм в статорі створюватиме магнітне поле. Ротор двигуна стає магнітом всередині статора, який має магнітне обертається поле. Обидва магнітних поля від статора і ротора почнуть взаємодіяти, підкоряючись законам фізики.

Так як статор нерухомий і його магнітне поле обертається в просторі, а в роторі індукується струм, що фактично робить з нього постійний магніт, рухливий ротор починає обертатися тому, як магнітне поле статора починає його штовхати, захоплюючи за собою. Ротор як би зчіплюється з магнітним полем статора. Можна сказати, що ротор прагне обертатися синхронно з магнітним полем статора, але для нього це недосяжно, так як в момент синхронізації магнітні поля компенсують один одного, що призводить до асинхронної роботі. Іншими словами при роботі асинхронного двигуна ротор ковзає в магнітному полі статора.

Ковзання може бути як з запізненням, так і з випередженням. Якщо відбувається запізнювання, то маємо руховий режим роботи, коли електрична енергія перетворюється в механічну енергію, якщо ковзання відбувається з випередженням ротора, то маємо генераторний режим роботи, коли механічна енергія перетворюється в електричну.

Створюваний крутний момент на роторі залежить від частоти змінного струму живлення статора, а також від величини напруги живлення. Змінюючи частоту струму і величину напруги можна впливати на крутний момент ротора і тим самим управляти роботою асинхронного двигуна. Це справедливо як для однофазних, так і трифазних асинхронних двигунів.

Види асинхронного двигуна

Однофазний асинхронний двигун підрозділяється на наступні види:

• З роздільними обмотками (Split-phase motor);
• З пусковим конденсатором (Capacitor start motor);
• З пусковим конденсатором і робочим конденсатором (Capacitor start capacitor run induction motor);
• Зі зміщеним полюсом (Shaded-pole motor).

Трифазний асинхронний двигун ділиться на наступні види:

• З короткозамкнутим ротором у вигляді білячої клітини (Squirrel cage induction motor);
• З контактними кільцями, фазним ротором (Slip ring induction motor);

Як було згадано вище, однофазний асинхронний двигун не може самостійно починати рух (обертання). Що слід розуміти під самостійністю? Це коли машина починає працювати автоматично без будь-якого впливу з зовнішнього середовища. Коли ми включаємо побутовий електроприлад, наприклад вентилятор, то він починає працювати відразу ж, від натискання клавіші. Необхідно відзначити, що в побуті використовується однофазний асинхронний двигун, наприклад двигун в вентиляторі. Як же відбувається такий самостійний запуск, якщо вище сказано, що такий тип двигунів його не допускає? Для того, щоб розібратися в цьому питанні треба вивчити способи пуску однофазних моторів.

Чому трифазний асинхронний двигун самозапускающійся?

В трифазного системі кожна фаза щодо двох інших має кут рівний 120 градусів. Всі три фази, таким чином, розташовані рівномірно по колу, коло має 360 градусів, а це три рази по 120 градусів (120 + 120 + 120 \u003d 360).

Якщо розглянути три фази, А, B, C, то можна помітити, що лише одна з них в початковий момент часу буде мати максимальне значення моментального значення напруги. Друга фаза буде збільшувати значення свого напруги слідом за першою, а третя фаза буде слідувати за другий. Таким чином, ми маємо порядок чергування фаз A-B-C у міру наростання їх значення і можливий інший порядок в порядку убування напруги C-B-A. Навіть якщо записати чергування інакше, наприклад замість A-B-C, написати B-C-A, то чергування залишиться колишнім, так як ланцюжок чергування в будь-якому порядку утворює замкнуте коло.

Як же буде обертатися ротор асинхронного трифазного двигуна? Так як ротор захоплюється магнітним полем статора і ковзає в ньому, то абсолютно очевидно, що ротор буде рухатися в напрямку вектора магнітного поля статора. В який бік буде обертатися магнітне поле статора? Так як обмотка статора трифазна і все три обмотки розташовані рівномірно на статорі, то утворене поле буде обертатися в напрямку чергування фаз обмоток. Звідси робимо висновок. Напрямок обертання ротора залежить від порядку чергування фаз обмоток статора. Змінивши порядок чергування, фаз ми отримаємо обертання двигуна в протилежну сторону. На практиці, для зміни обертання двигуна досить поміняти на місцями дві будь-які фази живлення статора.

Чому однофазний асинхронний двигун не починає обертатися самостійно?

З тієї причини, що він живиться від однієї фази. Магнітне поле однофазного двигуна є пульсуючим, а не обертається. Основне завдання запуску полягає в створенні з пульсуючого поля обертового. Ця проблема вирішується за допомогою створення зсуву фази в іншій обмотці статора за допомогою конденсаторів, індуктивностей і просторового розташування обмоток в конструкції двигуна.

Необхідно відзначити, що однофазні асинхронні двигуни ефективні у використанні при наявності постійної механічної навантаження. Якщо навантаження менше і двигун працює, не досягаючи своєї максимального навантаження, то його ефективність значно знижується. Це є недоліком однофазного асинхронного двигуна і тому, на відміну від трифазних машин, їх застосовують там, де механічне навантаження постійна.

У попередньому параграфі було показано, що швидкість обертання магнітного поля постійна і визначається частотою струму. Зокрема, якщо трифазну обмотку двигуна розмістити в шести пазах на внутрішній поверхні статора (рис. 5-7), то, як було показано (див. Рис. 5-4), вісь магнітного потоку повернеться

за половину періоду змінного струму на півоберта, а за повний період - на один оборот. Швидкість обертання магнітного потоку їх можна змалювати таку картину:

В цьому випадку обмотка статора створює магнітне поле з однією парою полюсів. Така обмотка отримала назву двополюсної.

Якщо обмотка статора складається з шести котушок (по дві послідовно з'єднані котушки на фазу), укладені в дванадцяти пазах (рис. 5-8), то в результаті побудов, аналогічних для двополюсної обмотки, можна отримати, що вісь магнітного потоку за полперіода повернеться на чверть обороту, а за повний період - на півоберта (рис. 5-9). Замість двох полюсів при трьох

обмотках поле статора тепер має чотири полюси (дві пари полюсів). Швидкість обертання магнітного поля статора в цьому випадку дорівнює

Збільшуючи число пазів і обмоток і виробляючи аналогічні міркування, можна зробити висновок, що швидкість обертання магнітного поля в загальному випадку при парах полюсів дорівнює

Так як число пар полюсів може бути тільки цілим (число котушок в обмотці статора завжди кратно трьом), то швидкість обертання магнітного поля може мати довільні, а цілком певні значення (див. Табл. 5.1).

Таблиця 5.1

На практиці для отримання постійного значення крутного моменту, що діє на ротор протягом одного обороту, число пазів в статорі значно збільшують (рис. 5-10) і кожну сторону котушки розміщують в декількох пазах, при цьому кожна обмотка складається з декількох секцій, з'єднаних між собою послідовно. Обмотки, як правило, роблять двошаровими. У кожному пазу укладають одну над одною дві сторони секцій двох різних котушок, причому, якщо одна активна сторона лежить на дні одного паза, то інша активна сторона цієї секції лежить нагорі іншого паза, секції та котушки з'єднують між собою так, щоб в більшій частині провідників кожного паза напрямок струмів було однаковим.