Машины переменного тока

Машины переменного тока

Вращающееся магнитное поле

• Основное назначение статора в машинах переменного тока – создание вращающегося магнитного поля.
• На статоре располагают три обмотки, сдвинутые относительно друг друга на угол 120 0 .
• Ротор – магнит или электромагнит

Вращающееся магнитное поле

• Выберем 4 момента времени.
• За положительное направление тока в обмотке примем направление от конца обмотки к началу

Вращающееся магнитное поле

• В момент времени t 1 ротор расположен вертикально. В обмотке А-Х тока нет (т.к. нет пересечения магнитного потока)
• В момент времени t 2 по направлению ротора расположена обмотка С-Z. В ней тока не возникает.
• В момент времени t 3 по направлению ротора расположена обмотка В-Y. В ней тока не возникает.
• В момент времени t 4 по направлению ротора снова расположена обмотка А-Х. В ней тока не возникает. В других обмотках направление тока сменится на противоположное

Количество пар полюсов

• Если ротор содержит 3 катушки – 1 пары полюсов

• Если ротор содержит 6 катушек – 2 пары полюсов

• Если ротор содержит 9 катушек – 3 пары полюсов

Вращающееся магнитное поле

Скорость вращения магнитного поля

[об/мин],

где f – частота переменного тока [Гц]

• Увеличение числа пар полюсов приводит к уменьшению скорости вращения магнитного поля

[об/мин], где р – число пар полюсов

Вращающееся магнитное поле

Направление вращения магнитного поля можно изменить, поменяв местами любые две фазы из трех.

Машины переменного тока

Асинхронные –

• Статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с меньшей скоростью (асинхронно)

• Изобрел в 1888 г.

М.О. Доливо-Добровольский

Синхронные –

• Скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Машины переменного тока

Асинхронные –

• Используются как двигатели

Синхронные –

• Используются как генераторы и как двигатели

Асинхронный двигатель

• Могут быть однофазными (используется в быту) и трехфазными (используется на производстве)
• Самый простой по конструкции из всех электрических машин.

Асинхронный двигатель

Состоит из статора и ротора

Трехфазный асинхронный двигатель

1 - Статор:

- чугунная станина, в которой закреплен магнитопровод;

• магнитопровод набирают из тонких листов стали, для уменьшения нагревания;
• в пазы статора укладывают обмотку - 4

Обмотка статора

• Начала обмоток – С 1 ,С 2 ,С 3

Концы обмоток – С 4 ,С 5 ,С 6

• Обмотка соединяется « звездой » или « треугольником »
• Начала и концы фаз выведены на клеммник, закреплённый на станине.

Обмотка статора

• Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя.
• В паспорте трёхфазного двигателя указаны линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора .
• Например , 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с  U л =660В по схеме звезда или в сеть с  U л =380В – по схеме треугольник.

Трехфазный асинхронный двигатель

2 - ротор:

• ротор изготавливают из тонких листов стали;
• в пазах ротора размещают обмотку;

Обмотка ротора

Короткозамкнутая:

- Выполняется заливкой пазов ротора алюминием с закорачиванием стержней кольцами

• Называется «беличья клетка»
• Не изолируется от ротора

Обмотка ротора

- укладывается изолированным проводом в виде трех фаз, соединенных «звездой» или «треугольником»;

• Фазная:

- концы обмотки соединяются с контактными кольцами и через щетки соединяются с пусковыми реостатами

Принцип действия асинхронного двигателя

• При включении двигателя в сеть в статоре образуется вращающееся магнитное поле, которое пересекает обмотку ротора.
• При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора возникает ЭДС
• Под действием этой ЭДС в роторе возникает ток.
• В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые будут раскручивать ротор

Принцип действия асинхронного двигателя

• Ротор вращается со скоростью, меньшей скорости вращения магнитного поля статора (т.е. асинхронно с полем)
• При увеличении механической нагрузки на валу двигателя скорость вращения ротора уменьшается , ток в обмотке ротора увеличивается.

Основные параметры асинхронного двигателя

Скольжение

- скорость вращения магнитного поля статора.

- скорость вращения ротора ( всегда меньше )

• Скольжением называют скорость вращения магнитного поля относительно ротора

, где s - скольжение

Скольжение

• скольжение зависит от нагрузки двигателя (при номинальной нагрузке – 0,02-0,05 или 2-5%)

• Скорость двигателя (скорость вращения ротора):

[об/мин]

Скольжение

Задача 1 : Скорость вращения поля статора 3000 об/мин. Скорость вращения ротора 2940 об/мин. Определить скольжение, частоту питающего тока. Сравнить скольжение с номинальными значениями.

Ответ : 0,02

Задача 2 : Три катушки обмотки статора подключены к трехфазному току частотой 50 Гц. Скорость вращения ротора 1200 об/мин. Определить скольжение.

Ответ : 0,2

Скольжение

• При неподвижном роторе ( ) скольжение s = 1 – такое скольжение в момент пуска двигателя . Ток в обмотке ротора при этом имеет максимальное значение

• Скольжение зависит от момента нагрузки на валу двигателя, скорости вращения ротора
• Номинальное значение скорости ротора

указывается на щитке электродвигателя

Скольжение

• По мере раскручивания ротора скольжение уменьшается, ток в роторе также уменьшается.

Вращающийся момент

[Н*м]

С – конструктивная постоянная

Ф – магнитный поток статора [Вб]

I 2 – ток в обмотке ротора [А]

cos φ 2 – коэффициент мощности ротора

Вращающийся момент

• Вращающийся момент зависит от скольжения.

Вращающийся момент

• М н – номинальный момент (соответствует скольжению 0,03-0,05)
• М m – максимальный момент (скольжение 0,1 – 0,14)
• М п – пусковой момент (скольжение 1)

Вращающийся момент

Асинхронный двигатель рассчитывается таким образом, чтобы:

• максимальный момент в 2-3 раза превышал номинальный;
• пусковой момент примерно равнялся номинальному
• Небольшое значение пускового момента – недостаток асинхронного двигателя

Механическая характеристика

- это зависимость скорости вращения двигателя от момента на валу

Механическая характеристика

• 1 - идеальный холостой ход
• 2 - номинальный режим работы двигателя  
• 3 - критический момент  M кр  и критическая частота вращения  n кр
• 4 - пусковой момент двигателя
• Механическую характеристику строят по паспортным данным двигателя

• Участок 1-3 соответствует устойчивой работе,
• участок 3-4 – неустойчивой работе.

Механическая характеристика

• Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1–3) мало зависит от нагрузки на валу.
• Это одно из достоинств этих двигателей.

• Участок 1-3 соответствует устойчивой работе,
• участок 3-4 – неустойчивой работе.

Пуск асинхронного двигателя

Пуск асинхронного двигателя

1. Установить схему соединения его обмоток, соответствующую номинальному режиму работы.

Например :

Линейное напряжение сети 220 В

На двигателе указано 220/380В; ∆/Y

Как надо соединить обмотки статора?

Ответ : Обмотки надо соединить «треугольником», чтобы напряжение на них соответствовало напряжению сети.

Пуск асинхронного двигателя

При соединении «треугольником» увеличивается сила тока.

Для ограничения пускового тока обмотки двигателя кратковременно соединяют «звездой».

Переключение с «треугольника» на «звезду» осуществляется специальным переключателем

Пуск асинхронного двигателя

2. Пуск производят при отключенной нагрузке на валу двигателя (так как пусковой момент не велик).

3. Чтобы увеличить пусковой момент увеличивают активное сопротивление ротора.

Для уменьшения пускового тока

Двигатель с фазным ротором:

Двигатель с короткозамкнутым ротором:

• в цепь ротора включают пусковой реостат

• При малой мощности – непосредственно включают в цепь
• При большой мощности – пусковой ток уменьшают, понижая питающее напряжение с помощью трансформатора

Пуск асинхронного двигателя

Задача 1: Напряжение сети 127 В. В паспорте асинхронного двигателя указано 127/220 В; ∆/Y. Как должны быть соединены обмотки статора:

а) при пуске?

б) при номинальном режиме работы?

Ответ : а) звезда; б) треугольник

Пуск асинхронного двигателя

Задача 2: Напряжение сети 220 В. В паспорте асинхронного двигателя указано 127/220 В; ∆/Y. Как должны быть соединены обмотки статора:

а) при пуске?

б) при номинальном режиме работы?

Ответ : а) звезда; б) звезда

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя

• Современные асинхронные двигатели не имеют простых и экономичных устройств для плавного регулирования скорости вращения

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя

Три способа:

• Изменение скольжения
• Изменение числа пар полюсов
• Изменение частоты питающего тока

Изменение скольжения

• Плавное регулирование частоты вращения двигателя возможно только в двигателях с фазным ротором .
• В цепь обмотки ротора с помощью контактных колец и щеток включают регулировочный реостат, которым плавно изменяют сопротивление обмотки, скольжение и частоту вращения двигателя.
• Этот способ связан с большими тепловыми потерями.

Изменение числа пар полюсов

• Ступенчатое регулирование частоты вращения можно осуществлять изменением числа пар полюсов статора двигателя с короткозамкнутым ротором за счет переключения секций его обмотки.
• Этот экономичный и сравнительно простой способ не позволяет регулировать частоту вращения двигателя плавно.

Изменение частоты питающего тока

• этот способ практически не применяют ввиду отсутствия простых и экономичных устройств для регулирования частоты тока в мощных электрических цепях.

Реверсирование (изменение направления вращения ротора) двигателя

• изменение направление вращения магнитного поля статора.
• Для этого достаточно поменять местами две любые фазы на клеммовой колодке двигателя.