Электрические машины

– десятки кВт)
Обладают лучшими пусковыми характеристиками по сравнению с двигателями

переменного тока
Позволяют регулировать частоту вращения в широких пределах
Позволяют работать от однофазной цепи переменного тока (ДПТ параллельного возбуждения еще называют универсальными коллекторными двигателями)

Недостатки:
Из всех типов машин – наименее надежные
Конструктивно сложные и, следовательно, имеют сложную технологию изготовления, и поэтому дорогие.
Искрение в щетках ограничивает применение МПТ в агрессивных и взрывоопасных средах

Все перечисленные недостатки обязаны своим появлением щеточно-коллекторному узлу. Но без скользящих контактов щеточно-коллекторного узла нельзя подать на якорь постоянный ток.

Однако на переменном токе можно сделать электрическую машину без щеточно-коллекторного узла и избежать всех перечисленных минусов МПТ!

получить усилие (и момент), необходимо создать ток в проводнике, находящемся

в магнитном поле

Поле создается катушками статора, здесь проблем нет. А как создать ток в проводнике без контакта с источником напряжения?

Как в трансформаторе!

К первичной обмотке подключают источник переменного напряжения, создается переменное магнитное поле. Во вторичной обмотке при этом наводится ЭДС и при замыкании ее на нагрузку потечет ток.

Асинхроные двигатели устроены принципиально именно так. Катушки статора создают переменное магнитное поле, в котором находится проводники ротора. В проводниках ротора возникает ЭДС индукции. Проводники делают короткозамкнутыми, поэтому под действием ЭДС течет ток ротора. В итоге мы имеем ток в магнитном поле, и двигатель создаст момент вращения.

Правда, не всякое переменное поле подходит для двигателя.

В любой электрической машине момент зависит от магнитного потока и тока ротора, как в выражении для МПТ (выше).
Если мы просто подключим обмотку статора к розетке переменного тока, то магнитный поток будет синусоидален. Такой поток позволяет двигателю работать, но вращающий момент не будет, очевидно, постоянен во времени, дважды за период момент будет от нуля увеличиваться до максимального. Для вентилятора, стиральной машинки или миксера это не страшно (поэтому там используются однофазные двигатели или универсальный коллекторный двигатель), а вот поворачивать задвижку таким «ударным» двигателем нельзя. Поэтому…..

поле, а вращающееся магнитное поле постоянной величины!
Вращающееся магнитное поле статора

будет наводить в короткозамкнутой обмотке ротора ЭДС и ток. На этом основан принцип работы асинхронных машин.

Если же во вращающееся магнитное поле поместить постоянный магнит, магнит будет поворачиваться вслед за полем статора аналогично стрелке компаса. На этом основаны синхронные двигатели, чья частота вращения строго равна частоте вращения магнитного поля.
В любом типе машин переменного тока используется вращающееся магнитное поле и устройство статора поэтому одинаково.

РАЗДЕЛ 2 Вращающееся магнитное поле

создания вращающегося магнитного поля.

Для создания вращающегося магнитного поля постоянной величины

требуется синусоидальный ток.
Создать вращающееся магнитное поле можно только в случае двух и более катушек на статоре. Причина проста: поле катушки всегда ориентировано по оси катушки. И какой бы ток в одну катушку мы не подавали, ось поля не изменится. Поэтому катушек должно быть две или более. При этом расположить катушки соосно нельзя, т.к. от одной катушки система будет отличаться лишь числом витков. Поэтому катушки должны располагаться в пространстве под некоторым углом друг к другу.
Сколько бы катушек мы не взяли, если мы подадим на них одно и то же напряжение, ток в них будет синхронен, следовательно, будут моменты времени, когда поле обращается в ноль. Поэтому для создания вращающегося магнитного поля токи в катушках должны быть сдвинуты по фазе!

Наиболее простой случай создания вращающегося магнитного поля двумя катушками

Две катушки расположены под углом 900 в пространстве. Токи в катушках отличаются по фазе на 900. Таким образом каждая из катушек создает магнитное поле, отличающееся фазой и направлением в пространстве на угол 900.

Упрощенная схема магнитных полей двух катушек

B2

= T/8
t3 = T/4
t2 = T/8
t3 = T/4
t1 = 0
Bрез

= В1 + В2

i1 = 0, B1 = 0
I2 = Im, B2 = Bm
Bрез = В1 + В2 = Bm

Bрез = B2

i1 = Im*0,707, B1 = Bm *0,707
I2 = I*0,707 B2 = Bm*0,707
Bрез = В1 + В2 = Bm

i1 = Im, B1 = Bm
I2 =0, B2 = 0
Bрез = В1 + В2 = Bm

на угол 1200/р (р – число пар полюсов);
Токи в обмотках

сдвинуты по фазе на 1200;

р = 2

р = 1

Вращающееся магнитное поле в статоре трехфазной машины переменного тока

N0

S0

X

B

Y

C

Z

A

Статор представляет собой полый цилиндр из ферромагнитного материала, на внутренней поверхности которого есть пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка – 3*р катушек. Катушки смещены в пространстве на 120/р градусов. Для наиболее простого случая трех катушек угол 120 как на рисунке.

За условно положительное направление токов принято направление от начала фазы (А, В, С) к концу (X, Y, Z)

фазы, ток в которой максимален и положителен,
Поле вращается в направлении

чередования фаз.

Чем больше число пар полюсов, тем медленнее вращается магнитное поле

р = 2

неподвижного статора и подвижного ротора.
Статор
Статор представляет из себя полый цилиндр

из ферромагнитного материала. На внутренней поверхности статора расположены пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка.

Статор и ротор выполняют шихтованными из магнитомягкого материала для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи.

статор

ротор

Схема расположения начал и концов обмоток статора

Вид статора с обмотками

короткозамкнутого ротора обычно выполняется из меди или алюминия. Обмотка заливается

в пазы ротора. Она используется в машинах малой и средней мощности. При выполнении медных роторов стержни привариваются к короткозамыкающим кольцам.

Обмотка не имеет никаких выводов!
Конструкция очень простая, надежная и дешевая. Так выполняют 95% всех роторов.

Обозначение ТАД с КЗ ротором:

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (как у статора), соединенную звездой. Концы фаз выведены на контактные кольца к которым можно подключить пусковой или регулировочный реостат.

В номинальном режиме выводы обмотки ротора замыкаются, и обмотка работает как короткозамкнутая.
Фазный ротор конструктивно сложнее и менее надежен, но позволяет получить лучшие пусковые свойства.

неподвижный проводник ротора (момент пуска). По закону электромагнитной индукции в

нем наведется синусоидальная ЭДС (т.к. распределение индукции в зазоре синусоидально). Т.к. обмотка короткозамкнутая, в проводнике потечет ток, сонаправленный с вызвавшей его ЭДС.

Для снижения магнитного сопротивления стремятся сделать минимальным зазор между статором и ротором.
Двигатель конструируют так, чтобы в зазоре магнитное поле по окружности ротора изменялась синусоидально.

n1

E, I

Fэм

n2

На проводник с током в магнитном поле будет действовать сила. Применив правило левой руки, мы получим, что ротор начнет вращаться в направлении вращения магнитного поля статора.

По мере ускорения ротора уменьшается частота и амплитуда ЭДС, следовательно, уменьшается ток и вращающий момент. Когда ротор достигнет частоты вращения поля статора, магнитное поле окажется неподвижным относительно ротора, ЭДС станет равна нулю, и вращающий момент пропадет. Ротор достигнет максимально возможной частоты вращения n2 = n1

Если теперь появится момент нагрузки (тормозящий), частота вращения ротора упадет, ротор будет вращаться медленнее поля статора. Из-за этого появится ЭДС ротора и ток ротора, а, следовательно, и сила Ампера и вращающий момент. Момент будет увеличиваться до тех пор, пока частота вращения снижается, а частота снижается до момента, когда момент вращения ТАД не уравновесит момент нагрузки. Так ТАД автоматически поддерживает момент вращения равным моменту нагрузки – свойство саморегулирования.

Важно! ТАД создает вращающий момент, только когда частота вращения ротора n2 меньше частоты вращения поля статора n1!

частота вращения поля статора
n2 – частота вращения ротора
ns – частота

скольжения

Характерные режимы работы ТАД:
Пуск: n2 = 0, s = 1
Идеальный холостой ход: n2 = n1, s = 0
Реальный холостой ход: s  0,001-0,005
Номинальный режим: s  0,05

3.2. Магнитное поле асинхронного двигателя

Магнитное поле ротора вращается с той же частотой, что и поле статора.
Результирующее магнитное поле складывается из поля статора и поля ротора. Поле статора вращается с частотой n1.
Поле ротора так же вращается с частотой n1, т.к. частота вращения поля ротора относительно неподвижного статора складываются из частоты вращения собственно ротора n2 и частоты токов ротора ns (с этой частотой поле ротора вращается относительно ротора). n2 + ns = n1
Поля ротора и статора вращаются синхронно!

Наложение магнитных полей ротора и статора не приводит к изменению результирующего магнитного поля, т.к. магнитный поток Ф при постоянной частоте сети определяется только напряжением на статоре U1 (одна из особенностей магнитных цепей переменного тока, см. прошлый семестр).

Ток ротора таков, что создает магнитное поле, направленное встречно по отношению к полю статора, но размагничивающее действие тока ротора компенсируется увеличением потребления тока статора.

Какое оно, магнитное поле ТАД?

С погрешностью в несколько процентов можно считать Ф = const

напряжение сети
R1, L1 – параметры фазы обмотки статора
Е1 – ЭДС,

наводимая полем ротора в обмотке статора ( зависит от режима работы ТАД)

Параметры, входящие в уравнение состояния, зависят от скольжения!

Обмотка ротора

роторе (s = 1)

Индуктивное сопротивление

Ток ротора



Коэффициент мощности

составляющими тока ротора.

Момент, создаваемый активной составляющей тока ротора
Реактивная составляющая тока

ротора не создает результирующего вращающего момента

Момент, создаваемый реактивной составляющей тока ротора

свойства ТАД
1. Механическая характеристика ТАД
Рабочая область механической характеристики – область

частот выше nкр. В этой области ТАД обладает свойством саморегулирования. При частотах меньше критической свойства саморегулирования нет, и двигатель работает неустойчиво.
Свойство саморегулирования заключается в способности двигателя автоматически создавать момент вращения, равный моменту нагрузки, изменяя при этом частоту вращения.

Важно: как и в МПТ, в ТАД в установившемся режиме момент нагрузки определяет момент вращения и ток ротора, но не наоборот!

линейно с мощностью P = M
Ток статора возрастает с ростом

мощности, отданной в нагрузку. На ХХ ток не нулевой, т.к. ТАД имеет потери на нагрев обмотки статора и перемагничивание, значительный реактивный ток «тратится» на создание вращающегося магнитного поля.

Коэффициент мощности на ХХ не нулевой (т.к. есть реактивная мощность – поле статора – и активные потери), с ростом нагрузки активная мощность растет, а реактивная остается почти постоянной (т.к. Ф = const). При большой нагрузке (и токах) непропорционально начинают увеличиваться потоки рассеяния, что эквивалентно росту реактивной мощности.
КПД с ростом нагрузки от ХХ растет. Падение при больших мощностях связано с тем, что полезная мощность пропорциональна первой степени токов ротора и статора, а потери – квадрату тока. При больших мощностях (токах) потери преваируют над полезной мощностью

фазным ротором.
Sкр ~ R2
Mmax ~ U1
Недостатки реостатного регулирования:
Сравнительно не большой

диапазон изменения частоты вращения
Частота может только понижаться
Чем больше R2, тем выше электрические потери и меньше КПД двигателя.

число пар полюсов (часть катушек на статоре может подключаться/отключаться. За

счет этого меняется частота вращения поля статора.
Недостаток: частота меняется дискретно, что не удобно

Регулирование напряжения сети

Максимальный момент пропорционален квадрату напряжения статора U1.
Недостатки:
Частота изменяется в малых пределах
при снижении напряжения снижается перегрузочная способность ТАД

трехфазного напряжения фиксированной частоты и амплитуды получают напряжение произвольной частоты

и практически произвольной амплитуды.

Для сохранения перегрузочной способности (чтобы максимальный момент оставался постоянным) при регулировании должно выполняться условие

Трехфазное напряжение 50 Гц 380 В

Трехфазное напряжение произвольной частоты и амплитуды

Частотный преобразователь

Частотное регулирование экономично и применяется сейчас повсеместно. Это лучший способ регулирования

Момент зависит от квадрата потока,

ограничения пускового тока. ТАДу большой ток не вредит, но «подсаживает»

сеть, что плохо сказывается на прочих потребителях.

Есть три способа ограничить пусковой ток: введением пускового реостата (ТАД с фазным ротором), снижением напряжения сети или переключением обмоток статора с треугольника на звезду.

Реостатный пуск (ТАД с фазным ротором)

Введение пускового реостата позволяет снизить пусковой ток и увеличить пусковой момент.

ротора заливается в глубокие пазы.
При пуске s = 1 и

частота токов ротора максимальна, при этом за счет поверхностного эффекта ток течет не по всему сечению стержня, а в поверхностной зоне, т.о. обмотка имеет большое омическое сопротивление. В номинальном режиме ток течет по всему сечению.

Пуск при пониженном напряжении.
Снижение напряжения приводит к уменьшению пускового тока, одновременно снижается перегрузочная способность, поэтому такой способ применяют только при пуске без нагрузки. Для снижения напряения статора использую частотный преобразователь.

Переключение обмоток статора с треугольника на звезду
Используется, когда в номинальном режиме обмотка соединяется треугольником. Способ позволяет в 3 раза снизить пусковой ток. Одновременно в 3 раза снижается перегрузочная способность, т.к. напряжение на статоре меняется в корень из трех раз.

мощностей;
При использовании частотного преобразователя позволяют регулировать частоту вращения в очень

широких пределах.
ТАД с частотным управлением – самый распространенный из всех типов двигателей

позволяют регулировать частоту вращения в очень широких пределах.
ТАД с частотным

управлением – самый распространенный из всех типов двигателей

работы от трехфазной сети напряжением U = 220/380 В и имеет

следующие каталожные данные: мощность на валу P2ном = 22,0 кВт, частота вращения ротора nном = 2940 об/мин, КПД ном = 0,885, коэффициент мощности cosном = 0,91, кратность пускового момента , кратность максимального момента , кратность пускового тока . Сопротивление одной фазы обмотки ротора R2 = 1 Ом.
Определить для номинального режима: электрическую мощность; момент, развиваемый двигателем; ток статора при включении ТАД в сеть с Uл = 380 В; скольжение; частоту тока в роторе.
Определить для пускового режима: момент, развиваемый двигателем; ток статора; скольжение; частоту тока в роторе.
Определить для критического режима: момент, развиваемый двигателем; частоту вращения ротора, если скольжение в критическом режиме sкр = 2sном.
Построить естественную механическую характеристику ТАД.
Можно ли осуществить пуск двигателя при номинальной нагрузке, если напряжение сети снизится на 20%? Построить искусственную механическую характеристику при пониженном напряжении.
Определить сопротивление резистора R2р, включенного в фазу обмотки ротора для снижения частоты вращения двигателя до n'ном = 2460 об/мин при номинальной нагрузке. Построить искусственную механическую характеристику.

Ток статора при включении ТАД в сеть U = 380

В:


Скольжение
Частота вращения магнитного поля статора n1 при частоте напряжения сети f1 = 50 Гц определяется по шкале синхронных скоростей, как ближайшая большая сравнительно с частотой вращения ротора nном.


Частоту тока в роторе: Гц.

2. Пусковой режим.
Момент, развиваемый двигателем: Нм.
Ток статора А.
Скольжение sп = 1, так как частота вращения ротора n2 равна нулю.
Частоту тока в роторе: 50 Гц

характеристика строится по точкам, соответствующим четырем режимам
Нм.
об/мин.

на 20%?
При снижении напряжения снизится пусковой момент двигателя. Двигатель запустится,

если пусковой момент будет больше момента нагрузки на валу.
Определим пусковой момент (M'п) при снижении напряжения сети на 20% из следующей пропорции:

это меньше номинального момента. Следовательно, при номинальной нагрузке ТАД не запустится.

Нм,

71,4

для снижения частоты вращения двигателя до n'ном = 2460 об/мин

при номинальной нагрузке. Построить искусственную механическую характеристику.

При определении R2р следует исходить из того, что при постоянном моменте критическое скольжение пропорционально активному сопротивлению цепи ротора. Можно составить следующую пропорцию:

– критическое скольжение при n'ном = 2460 об/мин;

– критическое скольжение при nном = 2940 об/мин.

Ом.