66

Модуль 1.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

Цель модуля – формирование у студентов понимания принципов действия электромашинных преобразователей переменного тока (синхронных и асинхронных электрических машин). Уровень квалификации студента после изучения модуля позволит ему быть готовым к дальнейшему углублению познаний в области электрических машин переменногоь тока.

Тема 1. Общие сведения о машинах переменного тока.

1.1. В современной промышленности преимущественно применяются многофазные М~Т. Чаще всего число фаз m=3. Действие всех многофазных машин основано на эффекте вращающегося магнитного поля.

ЭМ~Т подразделяются на 3 вида:

а) синхронные (СМ);

б) асинхронные (АМ);

в) коллекторные (КМ).

В машинах типа а) ротор вращается с той же скоростью и в том же направлении, что и вращающееся магнитное поле (синхронно). Такие машин используются чаще всего в качестве генераторов переменного тока (Г~Т), в частности, на электростанциях, производящих электроэнергию для промышленности.

В машинах типа б) (АМ) скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля. АМ используются в основном в качестве двигателей переменного тока (Д~Т).

Машины типа в) также являются асинхронными, но их выделяют из-за особенностей, связанных с наличием коллектора. Используются такие Д~Т обычно в качестве универсальных, т.е. способных работать как на постоянном токе, так и на переменном.

1.2 Вращающееся магнитное поле

1.2.1 Поле трехфазного тока

Трехфазная система токов (рисунок ) , (т.е. электрический фазовый сдвиг между токами каждой из фаз А, В и С составляет 120⁰), протекающих в катушках, расположенных по окружности так, что их оси также находятся под углом (геометрическим) 120⁰, создает в результате взаимодействия создаваемых ими пульсирующих магнитных потоков магнитное поле, вращающееся в пространстве относительно оси этой окружности с частотой n₁, равной частоте питающего катушки тока f₁. Амплитуда результирующего поля В=1,5В_м, где В_м – амплитуда поля, созданного одной катушкой.

Направление вращения поля – в сторону оси катушки, в которой ожидается максимум тока. В те моменты времени, когда поле одной из катушек максимально, результирующее поле совпадает с ним по направлению.

Для изменения направления вращения поле достаточно изменить порядок следования фаз (А, В, С) токов в катушках.

1.2.2 Поле двухфазного тока

Двухфазная система состоит из двух сдвинутых на 90⁰ (электрических) токов в фазах А и В

Если эти токи протекают по катушкам, содержащим w₁ и w₂ витков и сдвинутым в пространстве на 90⁰ (геометрических), результат векторного сложения их пульсирующих магнитных полей представляет собой вращающееся поле, частота вращения которого (в пространстве) равна n₁, направление вращения поля, как и в предыдущем случае, определяется чередованием максимумов токов в фазах.

Для того, чтобы модуль вектора В вращающегося магнитного поля оставался неизменным, т.е. поле было круговым, необходимо выполнение трех условий:

- сдвиг катушек в пространстве (геометрический, пространственный) ;

- сдвиг токов в катушках (электрический, фазовый, временной) ;

- МДС обеих катушек одинаковы .

Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что поле из кругового превращается в эллиптическое, т.е. конец вектора магнитной индукции описывает не окружность, а эллипс. Когда одно из условий полностью не выполняется, т.е. или , или , или , то поле становится пульсирующим (вырожденный эллипс с равной нулю одной из полуосей).

1.2.3 Обмотки ЭМ~Т

При конструировании машин ~ Т стремятся к тому, чтобы индуцируемые в обмотках ЭДС были синусоидальными. Если эти ЭДС индуцируются вращающимся магнитным полем, то для этого необходимо, чтобы распределение магнитной индукции вдоль зазора было синусоидальным.

Рассмотрим распределение поля в зазоре в простейшем случае – однофазная сосредоточенная обмотка на статоре. Схема такой обмотки и распределение магнитодвижущей силы (намагничивающей силы) катушки F_к (на 1 зазор), в которой протекает ток катушки i_к, и индукции В в зазоре приведены на рисунке . Эти распределения имеют форму прямоугольников, поскольку

(коэффициент 1/2 определяется наличием двух воздушных зазоров δ, встречающихся на пути магнитного потока и создающих его прохождению магнитное сопротивление R_мδ).

При изменении тока i_к во времени форма кривой распределения не изменяется, изменяется лишь величина НС F_к и, соответственно, индукции В, следовательно, при синусоидально изменяющемся во времени токе i_к в зазоре машины возникает пульсирующие магнитное поле.

Прямоугольная функция распределения индукции В в зазоре может быть разложена на гармонические составляющие по геометрическому (пространственному) углу α (1-я, 3-я и т.д. нечетные гармоники). Первая гармоника МДС изображена на рисунке пунктиром.

Чтобы приблизить форму кривой распределения поля в зазоре к синусоидальной, требуется уменьшить состав высших пространственных гармоник с номерами 3, 5, 7 и т.д. Эта задача решается использованием некоторых приемов выполнения обмоток М~Т:

а) Распределение фазных обмоток. Обмотка (рисунок )выполняется в виде катушечной группы, т.е. одна сторона катушки содержит несколько проводников, пространственно сдвинутых друг относительно друга (сдвиг характеризуется коэффициентом распределения К_р). Такая обмотка называется концентрической распределенной.

б) Укорочение обмотки. В этом случае обмотка выполняется двухслойной и с укороченным шагом, характеризующимся коэффициентом укорочения К_у. Схема такой обмотки и диаграмма распределения МДС приведены на рисунке .

в) Скос пазов статора или ротора, величина скоса задается коэффициентом скоса К_с).

Перечисленные меры позволяют улучшить форму кривой распределения индукции В зазоре, но снижают величину индуцированной в обмотке ЭДС первой гармоники. Это снижение характеризуется обмоточным коэффициентом К₀=К_рК_уК_с.

В системах автоматического управления используются специальные микромашины – вращающиеся трансформаторы, у которых выходные напряжения должны изменяться по синусоидальному закону с высокой точностью. У этих машин обмотки статора и ротора выполнены так, что количество витков в пазах изменяется по синусоидальному закону в пределах окружности зазора (т.н. "точные" обмотки).

О бмотки трехфазных машин между собой обычно соединены "звездой". Однако АД малой мощности часто выпускаются универсальными, т.е. на лобовой щиток выводят как начала, так и концы фазных обмоток. Это позволяет использовать их при двух питающих напряжениях (например, 220 и 380 В, 127 и 220 В), изменяя схему соединения обмоток на "звезду" или на "треугольник" (рисунок ).