13. Устройство и принцип действия машин переменного тока. Скольжение.

Устройство

Неподвижная часть машины называется статором, подвижная часть - ротором.

Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются (шихтуются) из отдельных листов электротехнической стали

Статоры синхронных и асинхронных машин имеют одинаковую конструкцию. Магнитопровод набран из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, в пазы которых уложена распределённая трехфазная обмотка, создающая круговое вращение магнитного поля с двумя p-полюсами.

Обмотка статора выполняется трехфазной, подсоединяется к сети трехфазного тока и называется первичной обмоткой.

К конструктивным частям статора относятся: станина, в которую устанавливается магнитопровод, и подшипниковые щиты, служащие для поддерживания вала.

Обмотка ротора может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в «звезду», а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов, как и статорная обмотка.

Другая разновидность обмотки ротора - обмотка в виде беличьей клетки (рисунок). Концы стержней такой обмотки с обоих торцов соединены накоротко кольцами, поэтому обмотка выводов не имеет.

Такая асинхронная машина называется машиной с короткозамкнутым (к.з.) ротором.

В машинах мощностью до 100 кВт обмотка ротора выполняется путем заливки алюминием. В более крупных машинах применяется медная сварная обмотка.

Отсутствие скользящего контакта на роторе обеспечивает высокую надежность работы такого двигателя, а простота технологии изготовления - дешевизну. По этим причинам асинхронные двигатели с к.з. ротором находят широкое применение и составляют основной парк электрических машин.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы. В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора составляет около 0,5 мм, с ростом мощности и габаритов машины величина зазора увеличивается.

Принцип действия

Статорная обмотка создаёт вращающийся поток, который пересекает проводники обмотки ротора и подводимую в них ЭДС Е₂, вызывающую ток I₂. Вследствие взаимодействия тока ротора с потоком машины создаётся электромагнитный момент. Поля обмотки ротора и статора взаимодействуют, вследствие чего поле машины деформируется и возникает электромагнитная сила, направленная в сторону вращения магнитного потока. Магнитный поток статора как бы увлекает за собой ротор.

Для образования ЭДС необходимо, чтобы частоты вращения ротора  и магнитного поля ₀ отличались друг от друга. Мерой этого отличия является скольжение:

S = (₀ - ) / ₀ = (n₀-n) / n₀

Скольжение – отношение частоты вращения магнитного поля статора относительно вращающегося ротора к частоте поля статора. Характеризует отставание вращающегося ротора относительно поля статора.

Токи ротора с частотой f₂= s/f₁ образуют магнитное поле, вращающееся относительно ротора с частотой _2s=2f₂/ p = 2 f₁s / p = ₀s

a относительно статора — с частотой ₂= _2s +  = (1 - s) ₀ + s₀ = ₀

Tаким образом, магнитное поле ротора синхронной машины вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. В асинхронной машине – наоборот. У синхронных машин частота вращения ротора определяется частотой переменного тока.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит с сосредоточенной (явнополюсный ротор) или распределенной (неявнополюсный ротор) обмоткой, называемой обмоткой возбуждения, к которой через контактные кольца и щетки подведен постоянный ток возбуждения. Число пар полюсов ротора равно числу пар полюсов обмотки статора

При этом магнитные полюсы статора и ротора неподвижны относительно друг друга и сдвинуты на некоторый угол, в результате чего взаимодействие полей статора и ротора создает механический момент: вращающий - в синхронном двигателе (магнитное поле статора опережает магнитное поле ротора) или тормозящий — в синхронном гене­раторе (магнитное поле статора отстает от магнитного поля ротора).

Вращающееся магнитное поле ротора индуцирует в трех обмотках статора ЭДС частотой

₁ = p:: e_A = E_m sin p t e_B = E_m sin ( p t - 2/3) e_C = E_m sin ( p t + 2/3)

Действующее значение ЭДС: E = 4,44 f₁ F_m

Частота ЭДС в статоре: f₁ = pn / 60 = p  / (2)

Принцип действия синхронного двигателя.

Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора.  На рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой  . Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения   против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора   и  будут вращаться с частотой  ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора   и   (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления  ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы   и  , которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления  , ось ротора и его полюсов  ,  сместится в сторону отставания на угол   (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент  преодолевает момент сопротивления механической нагрузки. При увеличении момента механической нагрузки   на валу ротора угол  увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя  , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной  .