4.13. Нагрузочные характеристики трансформатора.

Трансформаторы рассчитываются и конструируются таким образом, чтобы обеспечить максимальный к.п.д. и коэффициент мощности трансформатора в номинальном режиме, т.е. при I = I_2ном (рис. 4.13).

5. Асинхронные электродвигатели

5.1. Принцип действия и области применения асинхронных двигателей

Асинхронным двигателем называется машина, которая преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую, и у которой скорость вращения ротора зависит от нагрузки. Принцип действия трехфазных асинхронных двигателей, получивших наибольшее распространение, основан на использовании вращающегося магнитного поля.

При работе асинхронного двигателя происходит взаимодействие вращающегося магнитного потока, создаваемого обмоткой, размещенной в пазах неподвижной части двигателя – статора, с током, который создается в замкнутой обмотке вращающейся части двигателя – ротора.

Рассмотрим принципиальную схему действия асинхронного двигателя.

Магнитный поток Ф, вращающийся с угловой скоростью Ω₀ – рад/сек, что соответствует частоте n₀ – об/мин, пересекает витки обмотки ротора, индуцируя в них ЭДС (рис. 5.1.). Крестиками и точками на рисунке показано направление тока в витках обмотки ротора. Ток, возникающий в роторной обмотке, взаимодействуя с магнитным полем, создает электромагнитные силы F. В результате образуется вращающий момент и ротор начинает вращаться с частотой n - об/мин (угловая частота Ω - рад/сек).

Рис. 5.1. Принципиальная схема действия асинхронного двигателя.

В установившемся режиме n < n₀ . Т.к. ротор вращается несинхронно (асинхронно) с магнитным полем статора, то электродвигатель называется асинхронным.

Асинхронные двигатели применяют для привода практически всего станочного оборудования предприятий, в сельском хозяйстве, в авиации, а также для привода различных подъемников, вентиляторов, насосов и т.д.

Асинхронные двигатели надежны, просты в эксплуатации и значительно дешевле других типов двигателей.

5.2. Получение вращающегося магнитного поля

В простейшем случае в пазах статора размещаются три обмотки (катушки), смещенные друг от друга на 120⁰. На рис. 5.2 показана развернутая на плоскость схема обмотки статора и схема торца статора в этом случае.

Каждая из катушек создает пульсирующий синусоидальный магнитный поток, причем эти потоки смещены по фазе на 120⁰ относительно друг друга.

Ф_А = Ф_m sin ωt ;

Ф_В = Ф_m sin (ωt – 120⁰) ;

Ф_С = Ф_m sin (ωt +120⁰) ;

Рис. 5.2. Схема статорной обмотки двухполюсного асинхронного двигателя, развернутая на плоскость (а) и ее вид с торца статора (б).

Изобразим магнитные потоки на плоскости, на которой размещены катушки статорной обмотки, (рис. 5.3), при этом магнитные потоки Ф_А, Ф_В и Ф_С пульсируют перпендикулярно плоскости катушек А-х, В-у и C-z соответственно.

Рис. 5.3. Схема размещения фаз обмотки статора и векторов магнитных потоков (а); диаграмма вращающегося магнитного потока (б).

Спроецировав магнитные потоки на оси координат, получаем

Ф_х = Ф_А – Ф_В cos 60⁰ – Ф_С cos 60⁰ = Ф_m sin ωt - Ф_m sin (ωt – 120⁰) cos 60⁰ - Ф_m sin (ωt +120⁰) cos 60⁰ = 3/2 Ф_m sin ωt;

Ф_у = – Ф_В cos 30⁰ + Ф_С cos 30⁰ = - Ф_m sin (ωt – 120⁰) cos 30⁰ +

+ Ф_m sin (ωt +120⁰) cos 30⁰ = 3/2 Ф_m cos ωt;

Результирующий магнитный поток = 3/2 Ф_m

= 3/2 Ф_m

Таким образом, величина результирующего магнитного потока неизменна во времени.

Из рис. 5.3 находим

α = arctg = arctg = arctgtg ωt = ωt,

т.е. величина α зависит от времени и угловой частоты питающего напряжения ω.

За время одного периода изменения питающего напряжения t = Т магнитный поток повернется на угол α_Т = ωТ = 2πfT = 2π T = 2π,

где f – частота питающего напряжения в Гц.

Таким образом частота вращения магнитного потока равна частоте питающего напряжения, т.е. при частоте питающей сети 50 Гц магнитный поток совершит 50 об/сек или 3000 об/мин.

Рассмотрим диаграмму мгновенных токов в фазах обмотки статора (рис.5.4.а) и схему магнитных потоков обмотки, состоящей из трех катушек для моментов времени t₁ и t₂ (рис. 5.4б). Крестиками и точками обозначено направление токов в проводах обмотки статора.

Рис. 5.4. Диаграмма мгновенных токов (а); схема магнитных потоков для моментов времени t₁ (б) и t₂ (в) двухполюсной статорной обмотки.

За положительное направление принято направление тока от начала обмоток А,В,С к их концам X,Y,Z. В момент времени t₁ токи i_A и i_C положительны, а ток i_В отрицателен. Это означает, что в началах обмоток А и С и в конце обмотки Y ток будет направлен от нас, а начале обмотке В и концах обмоток X и Z – к нам. В момент времени t₂ ток i_A положителен , а токи i_В и i_C отрицательны. Это означает, что в начале обмотки А и в концах обмоток Y и Z ток будет направлен от нас, а началах обмоток В и С и в конце обмотки X– к нам.

Из рассмотрения магнитных силовых линий, возникающих при таких направлениях токов, следует, что, статорная обмотка с тремя катушками позволяет получить двухполюсное вращающееся магнитное поле.

Можно показать, что частота вращения магнитного поля зависит не только от частоты питающего напряжение f, но и от числа полюсов самого магнитного поля:

n₀ = 60 f/р - об/мин,

где р – число пар полюсов магнитного поля.

Угловая скорость вращения магнитного поля

Ω₀ = 2πf/р = ω/р - рад/с.

Многополюсные асинхронные двигатели получают за счет введения дополнительных катушек в обмотку статора. Соответствие между количеством катушек статорной обмотки К_ст, числом пар полюсов р, и частотой вращения магнитного поля n₀ при промышленной частоте сети f = 50 Гц приведено в табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Кст	3	6	9	12	15	18
р	1	2	3	4	5	6
n0	3000	1500	1000	750	600	500