Лекция 21

Глава 12. Асинхронные машины

12.1. Общие сведения об электрических машинах

Электрические машины — это электромеханические устройства, которые преобразуют механическую энергию в электрическую или электрическую в механическую. Электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются электромашинными генераторами. Электромашинные генераторы, в частности трехфазные синхронные генераторы, устанавливают на всех электростанциях, входя­щих в энергетические системы. Они являются, таким образом, основными источниками электрической энергии.

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электрическими двигателями. Электри­ческие двигатели по установленной мощности являются основными потребителями электрической энергии.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме гене­ратора, так и в режиме двигателя. Электрические машины могут быть также электромагнитным тормозом или выполнять некоторые спе­циальные функции, например в системах автоматического управления служить исполнительными двигателями, тахогенераторами, индукцион­ными машинами синхронной связи (сельсинами).

Наибольшее распространение в промышленности получили дешевые, простые в изготовлении и обслуживании, долговечные трехфазные асинхронные двигатели. Применяются также трехфазные синхронные двигатели. Следует отметить, что асинхронные машины применяют, как правило, только в качестве двигателей. Синхронные машины приме­няются как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Синхрон­ные генераторы, применяемые на электростанциях, достигают мощности до 1 млн. кВт.

Основным недостатком простых в изготовлении и эксплуатации асинхронных трехфазных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения. В тех случаях, когда необходимо по условиям работы двигателя регулировать частоту его вращения в широких пре­делах, применяют более сложные в изготовлении, но легко регулируемые электрические двигатели постоянного тока.

Для расширения возможностей регулирования частоты вращения электрических двигателей переменного тока их снабжают коллектором (коллекторные машины переменного тока). Универсальные коллектор­ные двигатели, которые могут работать как на постоянном, так и одно­фазном переменном токе, широко используют в устройствах автома­тики и различных электрических бытовых приборах.

Для изменения числа фаз, частоты переменного тока, для преоб­разования постоянного напряжения в переменное или, наоборот, пере­менного в постоянное применяют различные электромашинные преобра­зователи частоты. К таким преобразователям относятся синхронные преобразователи частоты, у которых вал синхронного двигателя механи­чески соединен с валом синхронного генератора.

12.2. Вращающееся магнитное поле

Любая электрическая машина состоит из двух основных частей: статора (неподвижная часть) и ротора (вращающаяся часть). Трехфазные асинхронные и синхронные двигатели имеют на статоре три фазные обмотки, по которым проходят токи, поступающие из трехфазной сети. Эти токи, проходя по обмоткам статора, возбуждают в двигателе вра­щающееся магнитное поле.

На любое электропроводящее тело или магнит, помещенный в такое поле, действует вращающий момент. Это и положено в основу прин­ципа действия электрических двигателей переменного тока, многих из­мерительных приборов и аппаратов регулирования и управления.

Вращающееся магнитное поле можно получить с помощью двух одинаковых катушек, питаемых переменным током, если их оси сдви­нуты в пространстве относительно друг друга на угол π/2, а также с помощью трех одинаковых катушек, оси которых сдвинуты в простран­стве на угол 2π/3, если питать эти катушки от симметричной трехфазной системы токов. Вектор магнитной индукции каждой катушки (фазы) всегда направлен по ее оси (рис. 12.1, а). Если через катушку пропустить переменный синусоидальный ток, то вдоль оси создается переменное магнитное поле, изменяющееся во времени по синусоидальному закону (рис. 12.1,б). В самом деле, если принять для некоторого момента времени t направление тока таким, как показано на рис. 12.1, а, то согласно правилу правоходового винта магнитный поток и магнитная индукция В будут направлены вдоль оси катушки так, как это показано на рисунке;

индукция В будет изменяться во времени и пространстве по синусоидаль­ному закону В = В_m sin ωt, если цепь линейна и ток, проходящий через нее, синусоидален (рис. 12.1, б).

Если имеются две одинаковые катушки А и В (рис. 12.2, а), оси которых расположены взаимно перпендикулярно, то вдоль оси каждой катушки образуется переменное магнитное поле. Поля этих катушек накладываются друг на друга, и в активной зоне катушек (в середине устройства) образуется единое результирующее магнитное поле, харак­теризующееся вектором суммарной магнитной индукции В (рис. 12.2,6). Так как направления магнитных полей катушек взаимно перпендику­лярны, то результирующая магнитная индукция

Если индукция магнитного поля в катушке A B_A = B_msin ωt, а в катушке В индукция то индукция результирующего магнитного поля.

Таким образом, индукция результирующего магнитного поля системы из двух одинаковых взаимно перпендикулярных катушек, скла­дывающаяся из двух переменных магнитных полей, постоянна и равна В_m. Вектор индукции результирующего магнитного поля В = В_m образует с вектором В_B угол α, который можно определить из соотношения

Угол α = ωt, образуемый вектором индукции результирующего магнитного поля В с вектором В_B, непрерывно изменяется и за время одного периода Т поворачивается на угол α = ωt = 2πТ/Т= 2π, т. е. имеется вращающееся магнитное поле, получившее название двух­фазного вращающегося магнитного поля.

Итак, магнитное поле, вектор магнитной индукции которого вра­щается в пространстве, называется вращающимся магнитным полем. Вращающееся магнитное поле, у которого вектор магнитной индукции не изменяется по величине и вращается с постоянной угловой скоростью, называется круговым. Так, двухфазное вращающееся магнитное поле является круговым.

Если система катушек образует одну пару полюсов р = 1 {один северный и один южный полюс, рис. 12.2, а), т. е. двухполюсное магнит­ное поле, то поле делает полный оборот за время одного периода Т, а угловая частота

(12.1)

При частоте переменного тока f частота вращения поля (в оборотах в минуту)

(12.2)

Из (12.2) следует, что частота вращения поля двухполюсных магнит­ных катушек, включаемых в промышленную сеть с частотой f = 50 Гц, n₀ = 60f = 3000 об/мин.

Рассмотрим трехфазную систему. Для этого возьмем три катушки, через которые проходят три тока, и разместим их в пространстве под углом 120° относительно друг друга (рис. 12.3, а).

Если принять направление токов в сечении катушек такими, как показано на рисунке (крестик — ток направлен от наблюдателя, точка - к наблюдателю), то в соответствии с правилом правоходового винта магнитный поток и магнитная индукция каждой из катушек направлены вдоль осей (указано стрелками). Вдоль оси каждой из катушек образуется свое переменное магнитное поле. Эти поля, накладываясь, создают в активной зоне катушек единое результирующее поле, характеризую­щееся вектором суммарной магнитной индукции В. На рис. 12.3, б пред­ставлены графики мгновенных значений токов в фазах (катушках) трех­фазной системы.

На рис. 12.3, в показаны последовательно пять моментов времени, для которых построены векторы магнитной индукции каждой фазы и вектор результирующего поля. В момент t₁ ток в катушке А равен нулю

и, как следствие, магнитная индукция равна нулю, а ток в катушке С положителен и равен Ток в катушке В равен току в катушке С, но отрицателен. Вектор результирующей магнитной индукцииВ в данном случае направлен горизонтально влево. В момент t₂ ток в катушке А положителен и максимален, а токи в. двух других катушках отрицательные и одинаковые по значению, состав­ляя каждый половину от тока. катушки А. Для момента t₂, складывая векторы магнитных индукций катушек А, В, С, получим вектор резуль­тирующей магнитной индукции В, направленный вертикально вверх, т. е. вдоль вектора магнитной индукции той катушки, в которой ток максимален, в частности в направлении вектора магнитной индукции катушки А. Следовательно, за промежуток времени от t₁ до t₂, т. е. за четверть периода изменения тока, вектор результирующей магнитной индукции В «повернулся» на угол 90° в сторону, соответствующую чередованию фаз А, В, С (по часовой стрелке). В момент t₃, как и в момент t₁, магнитная индукция в катушке А равна нулю, а токи в катушках В и С одинаковы по абсолютному значению, но противоположны по знаку, причем в катушке С ток отрицателен, а в катушке В - положителен. В результате сложения векторов - Вс и +В_В вектор результирую­щего магнитного поля В направлен горизонтально вправо, т. е. он за промежуток времени от t₂ до t₃, равный четверти периода, повернется еще на угол 90° в сторону движения часовой стрелки. В момент t₄ ток в катушке А максимальный и отрицательный, а в двух других катушках токи одинаковые и положительные, равные половине значения тока катушки А. При сложении векторов магнитных индукций катушек результирующий вектор В совпадает по направлению с вектором, соответствующим катушке с максимальной магнитной индукцией (B_A), т. е. направлен вертикально сверху вниз. Таким образом, резуль­тирующий вектор за промежуток времени от t₃ до t₄, равный четверти периода, еще повернулся на угол 90°. В момент t₅ ток в катушке А равен нулю, а в двух других катушках токи равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку, причем картина идентична моменту t₁, т. е. вектор В занимает горизонтальное положение и направлен влево.

Итак, из рассмотрения векторных диаграмм видно, что за один период синусоидального тока вектор результирующей магнитной ин­дукции делает поворот на 360° и вращается в плоскости осей катушек в отрицательном направлении (по часовой стрелке) с угловой частотой ω, соответствующей частоте переменного тока.

Если через катушки А, В и С протекают синусоидальные токи, сдвинутые по фазе на угол 2π/3, т. е. i_A = I_m sin ωt, i_B = I_m sin(ωt - 120°), i_C = I_m sin (ωt - 240°) = I_m sin (ωt + 120°), то магнитные индукции этих катушек, пропорциональные токам в линейных цепях, можно представить в виде уравнений

Так как вектор магнитной индукции каждой катушки в центре системы направлен по ее оси, то можно записать:

.

Представив в выражениях (12.3) синусы по формуле Эйлера и сложив векторы магнитных индукций катушек, получим для вектора результи­рующей магнитной индукции

Следовательно,

(12.4)

Итак, вектор результирующей магнитной индукции, равный 1,5В_m, постоянен и вращается в отрицательном направлении с угловой частотой ω, т. е. вращающееся магнитное поле трехфазной системы является круговым. Магнитное поле перемещается в сторону той фазы, в которой ожидается ближайший максимум, т. е, направление вращения совпадает с чередованием тока в фазах (катушках). Путем изменения чередования тока в фазах осуществляют изменение направления вращения поля. На практике для изменения направления вращения поля достаточно поменять местами подключение проводов, подводящих ток из трехфазной сети к любым двум фазам.