Электрические машины переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрические машины переменного тока

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

В зависимости от типа применяемых обмоток в электрической машине может возникать пульсирующее или вращающееся магнитное поле (круговое или эллиптическое).

“Прыгающее” электромагнитное поле. Питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например, электронного) коммутатора. При подключении поочередно источника питания к обмоткам, получается перемещающееся в пространстве магнитное поле, или “прыгающее” электромагнитное поле.

Под воздействием каждого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом. Такой способ получения электромагнитного поля применяется в шаговых двигателях.

Если на роторе находятся постоянные магниты, то это магнитное поле заставит вращаться ротор - это частный случай синхронного двигателя - шаговый двигатель с постоянными магнитами, т.к. ротор синхронно вращается с полем статора.

Рис. 8-1. Положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при различных полярностях включения его фаз (а -- в) и диаграмма изменения тока в этих фазах (г)

В таком двигателе магнитное поле якоря может иметь четыре различных состояния, которым соответствуют различные направления тока в фазах 1 и 2 его обмотки:

1) ток в фазе 1 направлен от начала к концу; фаза 2 обесточена;

2) ток в фазе 2 направлен от начала к концу; фаза 1 обесточена;

3) ток в фазе 1 направлен от конца к началу; фаза 2 обесточена;

4) ток в фазе 2 направлен от конца к началу; фаза 1 обесточена.

Порядок переключения (коммутации) фаз 1 и 2 обмотки якоря представлен на рис.8-1,г в виде временной диаграммы изменения токов I_в1 и I_в2 в этих фазах. Каждому импульсу тока соответствует определенное положение ротора двигателя. Рассмотренную систему переключения фаз 1 и 2 обмотки якоря называют четырехтактной

Каждым четырем тактам соответствует поворот ротора на два полюсных деления. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить полярность включения одной из фаз обмотки якоря, не изменяя очередность их коммутации. Для уменьшения шага шаговые двигатели обычно выполняют многополюсными. При этом число полюсных выступов на роторе должно быть равно числу полюсов статора.

Кроме того, чтобы сгладить перемещение ротора нужно изменить алгоритм переключения фаз обмотки якоря. При таком алгоритме также получится “прыгающее” поле, но с меньшим шагом (рис.8-2).

Рис. 8-2. Диаграмма изменения тока в фазах при шеститактной коммутации

Желательно чтобы поле перемещалось плавно, т.е. было вращающимся. Для получения плавного вращающегося электромагнитного поля нужно питать обмотки синусоидальным напряжением, кроме того, нужны как минимум две обмотки, которые должны быть сдвинуты на 90⁰ и на 120⁰ - для трехфазной обмотки. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

Пульсирующее поле. Простейшая обмотка статора представлена в виде четырех последовательно соединенных проводников. Эти проводники можно рассматривать как две последовательно соединенные одновитковые катушки. У катушек статора есть активные части, которые участвуют в создании электромагнитного поля, - это те части, которые уложены в пазы статора. Те части, которые не уложены в пазы, называются лобовыми, в создании электромагнитного поля они не участвуют.

Рис. 8-3. Расположение катушек трехфазной обмотки на статоре (а) и образование витка из двух проводников (б)

Простейший элемент обмотки -- виток, состоящий из двух проводников 1 и 2, размещенных в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии у. Это расстояние называют шагом обмотки; оно приблизительно равно одному полюсному делению ф, под которым понимают длину дуги, соответствующую одному полюсу:

(8-1)

где D--диаметр ротора (для обмоток ротора) или внутренней расточки статора (для обмоток статора); 2р -- число полюсов.

При питании однофазной обмотки переменным током возникает магнитное поле, пульсирующее во времени с частотой изменения тока. В этом случае при синусоидальном распределении МДС (рис.8-4) в каждой точке воздушного зазора, расположенной на расстоянии x от оси обмотки, действует МДС

(8-2)

где F₀ = F_msinщt -- МДС в точке, расположенной на оси обмотки.

Выражение (8-2) можно преобразовать к виду

(8-3)

Каждый из членов правой части (8-3) представляет собой уравнение бегущей (или вращающейся) волны МДС. Следовательно, пульсирующее магнитное поле, синусоидально распределенное в пространстве, можно представить в виде суммы двух магнитных полей, вращающихся в противоположных направлениях (рис.8-5).

Рис. 8-4. Диаграмма распределения МДС в воздушном зазоре (а) и годографы пространственного вектора МДС при круговом (б )и эллиптическом (в) полях

Рис. 8-5. Вращающиеся магнитные поля однофазной (а) и двухфазной обмоток при несимметричном питании (б)

В каждом из этих полей максимальные значения МДС в различные моменты времени остаются неизменными. Следовательно, если каждое из этих полей представить в виде пространственного вектора МДС (рис.8-4,б), то конец его будет описывать окружность. Такое поле называют круговым.

Круговое вращающееся поле. При круговом поле электрическая машина имеет лучшие показатели (КПД, cosц и т. д.), чем при других видах вращающегося магнитного поля. Поэтому обычно машины выполняют так, чтобы можно было создать круговое поле.

В трехфазной машине на статоре расположена симметричная трехфазная обмотка (рис.8-6), у которой оси фаз АХ, BY и СЖ сдвинуты в пространстве на угол 120°; при питании ее симметричным трехфазным током получим круговое вращающееся магнитное поле. На рис.8-6 для простоты фазы обмотки показаны сосредоточенными, но распределение МДС, образуемое каждой фазой, следует считать синусоидальным. Получим следующие выражения для составляющих МДС в точке x от каждой из фаз:

Результирующую МДС в точке x можно получить путем сложения отдельных ее составляющих F_xA, F_xB, F_xC. При этом обратновращающиеся волны МДС исчезают, а результирующая МДС

(8-4)

Таким образом, условия для получения вращающегося электромагнитного поля: 1) смещение катушек в пространстве должно составлять шаг 2ф/3; 2) временной сдвиг фазовых токов на 2р/3; 3) равенство МДС силовых обмоток.

В двухфазной машине круговое вращающееся поле возникает в случае, если оси фаз АХ и BY (рис.8-7,a) сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления ф, т. е. на 90°, а питающие напряжения (токи отдельных фаз и ) (рис.8-7,б) сдвинуты во времени на угол 90° Для составляющих МДС, образуемых этими токами, получим следующие выражения:

Рис. 8-7. Схема двухполюсной двухфазной машины (б) и расположение на статоре обмоток ее фаз (а)

При этом уравнение бегущей волны принимает вид

(8-5)

Таким образом, в двухфазной обмотке можно создать одну результирующую бегущую волну при условиях: 1) смещение катушек в пространстве должно составлять шаг ф/2; 2) временной сдвиг токов на угол р/2; 3) равенство МДС силовых обмоток.

В общем случае, при числе фаз т>2, их оси должны быть сдвинуты так, чтобы между ближайшими фазами сдвиг в электрических градусах составлял б_эл = 2р/т. Поскольку геометрические и электрические градусы связаны соотношением б_эл=pб_reом, для образования кругового вращающегося поля оси соседних фаз должны быть сдвинуты в пространство на угол б_reом = 2р/тр. Токи фаз должны быть сдвинуты во времени на угол 2р/т.

При рассмотрении условий создания кругового вращающегося поля предполагалось, что все фазы обмотки одинаковы, т. е. имеют одно и то же число витков, выполнены проводом одинакового сечения (т. е. имеют одинаковое сопротивление и индуктивность.

Свойства кругового вращающегося поля. Из формулы справедливой для кругового поля, можно вывести основные свойства кругового вращающегося поля.

1. За один период Ф магнитное поле проходит пару полюсов. Это можно доказать, определив координату точки х, в которой МДС максимальна: F_x=1,5F_m. Для этого положим , откуда следует и

(8-6)

При этом линейная скорость перемещения бегущей волны МДС

2. Частота вращения бегущей волны МДС (частота вращения магнитного поля)

(8-7)

Следовательно, при постоянной частоте тока в питающей сети частота вращения магнитного поля определяется только числом полюсов машины.

3. Магнитное поле перемещается в сторону оси той фазы, в которой ожидается ближайший максимум. Это свойство непосредственно следует из предыдущего свойства.

4. Для изменения направления вращения поля необходимо изменить порядок чередования тока в фазах. В трехфазных машинах для этого следует поменять местами провода, подводящие ток из трехфазной сети к двум любым фазам обмотки. В двухфазных машинах нужно переключить провода, присоединяющие одну из фаз обмотки к сети.

Эллиптическое поле. Круговое вращающееся магнитное поле возникает при симметрии токов, проходящих по фазам (симметрии МДС катушек отдельных фаз), симметричном расположении этих фаз в пространстве, сдвиге во времени между фазными токами, равном пространственному сдвигу между фазами и синусоидальном распределении индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности статора (ротора). При несоблюдении хотя бы одного из указанных условий возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся поле, у которого максимальное значение результирующей магнитодвижущей силы и индукции для различных моментов времени не остается постоянным, как при круговом поле. В таком поле пространственный вектор МДС описывает эллипс (см. рис.8-4,в). электромагнитное поле двигатель двухполюсный

ДВУХПОЛЮСНЫЕ И МНОГОПОЛЮСНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

На рис.8-8,а представлена однофазная обмотка с одной парой полюсов. Она состоит из двух полуобмоток, размещенных, например, на статоре.

На рис.8-8,б представлена двухфазная обмотка. Здесь две одинаковые обмотки сдвинуты относительно друг друга на угол 90⁰ и каждая запитана своим напряжением.

Рис. 8-8. Обмотки электромеханических устройств: а) однофазная обмотка с одной парой полюсов; б) двухфазная обмотка с одной парой полюсов; в) однофазная обмотка с двумя парами полюсов; г) двухфазная обмотка с двумя парами полюсов

На рис.8-8,в показана однофазная обмотка с двумя парами полюсов. Она напоминает двухфазную, так как состоит из четырех полуобмоток, размещенных относительно друг друга под углом 90⁰. Все они соединены последовательно и питаются от одного источника. Полуобмотки соединены так, чтобы их полюса, северный и южный, чередовались.

На рис.8-8,г изображена двухфазная обмотка с двумя парами полюсов. Обмотки сдвинуты друг относительно друга на угол 45⁰.

Рис. 8-9. Перемещение вектора потока машины: а) с одной парой полюсов и б) с двумя парами полюсов

Рис.8-9 демонстрирует эффект уменьшения скорости вращения ротора в число пар полюсов. Переключение обмоток происходит по восьмитактной схеме. Тонкие стрелки обозначают направление потоков каждой фазы, а широкие - направление результирующего потока.

При одной паре полюсов (рис.8-9,а) за один цикл переключения обмоток вектор потока совершает полный оборот, т.е. поворачивается на 360⁰. При двух парах полюсов образуются два результирующих потока геометрально направленных, и за один период питания вектор совершает половину оборота, т.е. 180⁰. соответственно, можно записать:

,

где щ₀ - частота питающего напряжения, p_n - число пар полюсов.

Рис. 8-10. Схематическое изображение статора и ротора электрической машины с двумя парами полюсов

Следующий рисунок (рис.8-10) демонстрирует влияние числа пар полюсов на электромеханический момент. На статоре и роторе располагаются магниты электрические или постоянные. Имеется две пары полюсов, так как каждый магнит (полюс) представляет собой половину обмотки. Из рисунка видно, что увеличение числа пар полюсов означает увеличение числа взаимодействующих магнитов, т.е. пропорциональное увеличение сил, приложенных к ротору, что в свою очередь означает увеличение вращающего момента.

Для генератора многополюсность означает, что полученное на выходных обмотках напряжение имеет частоту большую в число пар полюсов раз, чем частота вращения ротора.

ЯВНОПОЛЮСНЫЕ И НЕЯВНОПОЛЮСНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Важной характеристикой электромагнитных устройств, а именно синхронных машин переменного тока, является явнополюсность. Это всецело определяется конструктивными параметрами машины. Отнесение электромагнитных устройств к тому или иному типу существенно влияет на исходные выражения индуктивности, а, следовательно, и на математическую модель.

Рис. 8-11. Роторы синхронных неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин:1 -- сердечник ротора; 2 -- обмотка возбуждения

В синхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: неявнополюсную -- с неявно выраженными полюсами (рис.8-11,а) и явнополюсную-- с явно выраженными полюсами (рис.8-11,б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.

Основными представителями неявнополюсных машин являются турбогенераторы, т.е. синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с работающими на тепловых электростанциях паровыми турбинами.

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и закрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов, в частности так называемых дизель-генераторов, соединяемых с дизельными двигателями внутреннего сгорания.

Размещено на Allbest.ru