Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Так как намагничивающая сила пропорциональна току, то увели­ чение или уменьшение намагничивающей силы зависит от количества сторон катушек в пазу и от величины и направления тока в них.

На рис. 21-11, а показано расположение сторон катушек двух­ слойной трехфазной обмотки, соответствующее схеме рис. 19-10. Так как шаг витка укорочен (ß = б/в), то в части пазов располагаются

Рис. 21-11. Построение волны намагничивающей сшш трехфазной двухслойной обмотки: а — расположение катушечных групп; б — полный ток пазов; в, г а д — волны намагничивающей силы для различных моментов времени

стороны катушек разных фаз. Направление тока в сторонах катушек и его величина соответствуют моменту времени, когда ток в фазе А достигает амплитудного значения. Полный ток паза равен сумме токов сторон катушек. Для рассматриваемого момента времени на рис. 21-11, б показан полный ток пазов, в соответствии с которым на рис. 21-11, в построено распределение намагничивающей силы по окружности статора (и ротора). Ось абсцисс необходимо провести таким образом, чтобы площади положительных полуволн были равны площадям отрицательных полуволн, тйк как магнитный поток на каж­ дом полюсном делении одинаковый. При целом q все полуволны на-

287

магпичивающей силы имеют одинаковую форму. Па рис. 21-11, г и д построено распределение намагничивающей силы для двух момен­ тов времени, отличающихся от первого 7712 и 776.

Результирующая намагничивающая сила получается ступенча­ той и ее можно представить в виде суммы гармонических составляю­ щих.

На рис. 21-11, в—д показана также первая гармоническая на­ магничивающей силы с периодом 2т. Последовательное расположе­ ние волн намагничивающей силы и их первой гармонической пока­ зывает, что они вращаются в сторону положительных углов а, т. е. в сторону следования фаз И, 7?, С со скоростью п = 60f/p. Различ­ ная форма волны намагничивающей силы для рассмотренных момен­ тов времени обусловлена неодинаковой скоростью вращения гармо­ нических составляющих.

При увеличении q ступени в волне намагничивающей силы уменьшаются и форма ее приближается к синусоидальной. Укоро­ чение шага витка также уменьшает содержание высших гармониче­ ских в волне намагничивающей силы. При этом для уменьшения наиболее значительной пятой гармонической составляющей целе­ сообразно выполнять ß Л/ 0,8.

Образование вращающейся намагничивающей силы и вращаю­ щегося магнитного поля было открыто и математически сформули­ рована Галилео Феррарисом в 1885 г. для системы двухфазного тока. 13 1889 г. М. О. Доливо-Добровольским было получено вращаю­ щееся магнитное поле за счет использования трехфазной системы тока и это послужило основой изобретения трехфазного асинхрон­ ного двигателя — наиболее распространенной электрической ма­ шины в настоящее время.

21-7. Индуктивные сопротивления обмоток

А. Магнитное поле обмоток. Каждая гармоническая составляю­ щая намагничивающей силы создает гармоническую составляющую магнитной индукции, амплитуда которой при одинаковом зазоре б и бесконечно большой проводимости стальных участков пути маг­

В неявнополюсной машине уменьшение амплитуды первой гар­ монической вследствие наличия пазов учитывается коэффициентом зубчатости kt, как это было показано при расчете магнитной цепи в § 2-2. Введением коэффициента насыщения кн можно учесть также наличие стальных насыщенных участков магнитной цепи, по кото­ рой замыкается магнитный поток обмотки, тогда амплитуда первой гармонической индукции

При наличии пазов каждая гармоническая составляющая намаг­ ничивающей силы создает, кроме гармонической составляющей ин-

288

дукциті того же порядка, еще ряд других гармонических. Для упро­ щения исследования можно ограничиться рассмотрением только гармонических составляющих индукции того же порядка, что и со­ ставляющие намагничивающей силы и учитывать уменьшение их под влиянием наличия пазов и насыщения, так же как для первой гармонической. Тогда амплитуда гармонической индукции

( 2 1 - 2 9 )

Чем выше порядок гармонической, тем меньше точность формулы

(21-29).

Полюсное деление для гармонической составляющей индукции

Б. Индуктивные сопротивления самоиндукции и взаимоиндукции.

Вращающиеся гармонические магнитного потока наводят э. д. с.

торе скорость вращения гармонических магнитного потока обратно пропорциональна порядку гармонических, а количество полюсов их пропорционально порядку гармонических, поэтому частота всех гармонических э. д. с. одинакова и равна частоте изменения тока в обмотке. При вращении ротора частота э. д. с. взаимоиндукции от гармонических магнитного потока различна, так как в этом случае скорость вращения гармонических магнитного потока статора от­ носительно ротора (а также гармонических магнитного потока ро­ тора относительно статора) не обратно пропорциональна числу их полюсов. Поэтому при вращении ротора высшие гармонические маг­ нитного потока не создают э. д. с. взаимоиндукции основной частоты и их можно учитывать вместе с потоками рассеяния. Ввиду наличия пазов на статоре и на роторе возникают дополнительные гармониче­ ские магнитного потока, которые наводят э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции различных частот. Эти высшие гармонические ока­ зывают значительное влияние на второстепенные явления: образова­ ние дополнительных вращающих и тормозных моментов, увеличе­ ние уровня шума и вибрации генераторов и двигателей, но почти

потока и э. д. с., в большинстве случаев определяющие рабочие ха­ рактеристики электрических машин.

В теории электрических машин и трансформаторов (§ 13-3) вместо э. д. с. É, наведенной в обмотке переменным магнитным потоком, созданным током /, часто рассматривается равное ей, но противо­ положно направленное напряжение на индуктивном сопротивле­ нии х = Е/І.

В дальнейшем все величины, относящиеся к статору, снабжены индексом 1, а относящиеся к ротору, — индексом 2.

Первая гармоническая э. д. с. самоиндукции фазной обмотки ста­ тора (с учетом взаимоиндукции других фазных обмоток, участвую­ щих в создании общего вращающегося магнитного потока) опреде­ ляется по уравнению (20-18) после подстановки в пего значения пер­

Полное индуктивное сопротивление самоиндукции обмотки ста­

и соответственно полное индуктивное српротивление самоиндукции обмотки ротора (при частоте /2 = ft, т. е. при неподвижном роторе)

Э. д. с. взаимоиндукции Е12 в обмотке статора от магнитного потока обмотки ротора, созданного током / 2, определяется анало­ гично и соответствующее ей индуктивное сопротивление взаимо­ индукции

Так как при наличии скоса пазов статора (или ротора) величина э. д. с. взаимоиндукции уменьшается, то в уравнения (21-35) и (21-36) введен коэффициент скоса пазов, определенный по формуле (20-7).

При вращении ротора индуктивные сопротивления х22 и х21 из­ меняются пропорционально частоте соответствующих э. д. с.

Индуктивное сопротивление взаимоиндукции х12 учитывает дей­ ствие магнитного потока ротора, созданного всеми фазными обмот­ ками, так же как индуктивное сопротивление х21 учитывает действие магнитного потока всех фазных обмоток статора, поэтому при раз­

290

личных значениях т1 и т2 индуктивные сопротивления х12 и х21 не одинаковы.

В. Индуктивные сопротивления рассеяния. Кроме основного маг­ нитного потока, охватывающего обмотку статора и обмотку ротора, имеются также магнитные потоки рассеяния, которые замыкаются только вокруг обмотки статора (рис. 21-1) или вокруг обмотки ро­ тора. Каждый поток рассеяния можно разделить на две части: по­ ток рассеяния вокруг катушек, уложенных в пазы, и поток рассея­ ния вокруг лобовой части катушки. В действительности существует один общий магнитный поток, однако для удобства исследования можно рассматривать составляющие магнитного потока отдельно.

Магнитный поток рассеяния на протяжении активной стороны катушки в основном замыкается поперек паза и называется пазовым потоком рассея­ ния. Хотя магнитные потоки всех пазов образуют общий поток рассея­ ния, удобнее, пользуясь методом на­ ложения, рассматривать поток одного паза. Путь этого потока проходит частью по зубцам, а частью поперек паза (рис. 21-12). Магнитная проводи­ мость стали зубцов очень велика и необходимо учитывать только магнит­ ную проводимость Хп участка пути поперек паза. Определение пазового потока рассеяния производится так, как это описано в § 5-3. Согласно фор­ муле (5-16), поток рассеяния фоп, соз­ даваемый током іа в катушке с числом витков Ц7Ки длиной laактивной стороны катушки, будет cpail = 2wJaKni а.

Принятое равномерное распределение магнитного потока попе­ рек паза заметно нарушается в части паза вблизи зазора. При боль­ шом открытии b паза и малом зазоре б (рис. 21-12, а) магнитный по­ ток поперек паза в этой части немного ослабляется, вследствие ответ­ вления его через зазор. При малом открытии b паза и большом зазоре б (рис. 21-12, б) к пазовому потоку рассеяния следует отнести также часть потока, замыкающегося между вершинами зубцов. Уменьшение пазового потока в первом случае и увеличение его во втором случае учитывается удельной магнитной проводимостью А,к между вершинами зубцов. Вокруг лобовых частей обмотки образуется также вращающийся магнитный поток, однако ввиду сложной гео­ метрической формы лобовых частей обмотки распределение этого по­ тока получается более сложным, чем в зазоре, и определение потока вокруг лобовых частей обмотки встречает значительные трудности. При пересечении обмоток этим потоком наводятся э. д. с. самоин­ дукции и взаимоиндукции. Так как области лобовых частей обмоток статора и ротора удалены на значительное расстояние и находятся

Р а з д е л четвертый

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Г л а в а д в а д ц а т ь в т о р а я

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБЕСКОЛЛЕКТОРНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЕ

22-1. Краткий исторический обзор

Изобретенный М. О. Доливо-Добровольским трехфазный асин­ хронный двигатель начал быстро и широко входить в промышлен­ ность всех технически развитых стран. Но эксплуатация этого дви­ гателя показала, что наряду с весьма ценными качествами, асин­ хронный двигатель имеет недостатки, к числу которых следует прежде всего отнести затруднения при плавном регулировании скорости вращения ротора и неблагоприятное влияние на коэффициент мощ­ ности (cos ф) сети, питающей двигатель.

Разработка способов регулирования скорости вращения привела к созданию: асинхронных коллекторных машин однофазного и трех­ фазного тока, каскадных соединений асинхронных машин и преоб­ разовательных машинных агрегатов. Асинхронные коллекторные ма­ шины переменного тока и каскады не получили широкого распро­ странения в силу некоторых присущих им недостатков. Исключение составляет только коллекторный однофазный двигатель последова­ тельного возбуждения, применяемый на электрических железных дорогах и в бытовых электроприборах.

Преобразовательные агрегаты широко применяются в электро­ приводах с регулированием скорости в пределах 1 : 2 и больше.

Увеличение cos ф при небольшой мощности двигателей дости­ гается включением в сеть конденсаторов, при средней и большой мощ­ ности двигателей — с помощью установки фазокомпенсаторов. Кроме того, были разработаны специальные типы асинхронных двигате­ лей — синхронизированные и компенсированные, которые могут paooTäTb при cos ф 1. Но специальные типы двигателей оказались слишком сложными, а первые два способа дали лишь частичный эф­ фект. Поэтому в области нерегулируемого электропривода получил широкое применение еще в середине 20-х годов синхронный двига­ тель, который может работать не только с cos ф = 1, но и с так

293

называемым опережающим cos ср, т. е. как включенная в сеть

емкость.

В начале 20-х годов в ряде отраслей промышленности групповой привод был заменен более эффективным одиночным приводом. Это привело к широкому внедрению в промышленность асинхронного дви­ гателя с короткозамкнутой обмоткой ротора вместо применявшегося ранее двигателя с фазной обмоткой ротора. Двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора имеет лучшие рабочие характеристики (большие значения к. п. д. и cos ср, большая надежность работы и т. д.), но его пусковые характеристики хуже, чем двигателя с фазной об­ моткой ротора, и для улучшения этих характеристик были разрабо­ таны двигатели с двойной беличьей клеткой и с глубоким пазом ротора.

Чтобы устранить разнотипность асинхронных двигателей, уже в конце 20-х годов в СССР приступили к созданию единых серий ма­ шин и прежде всего асинхронных двигателей как машин наиболее массового применения. В 1930—1931 гг. была разработана серия АТ, а затем серия AM мощностью больше 100 кет и серии И2 и АД мел­ ких двигателей (до 10 кет) и серия двигателей МА-200 для мощностей 10—100 кет. Во время Великой Отечественной войны была разра­ ботана серия «Урал» и в 1952 г. — единая серия двигателей мощ­ ностью от 0,6 кет до 100 кет в двух исполнениях — каплезащи­ щенные (А) и закрытые обдуваемые (АО) и серия АОЛ — двигателей трехфазных и предназначенных для включения в однофазную сеть, мощностью до 0,6 кет.

В настоящее время серия А и АО заменена новой серией А2 и А02. Кроме улучшения энергетических показателей (к. п. д. и cos ср), уменьшения массы и размеров двигателей, новая серия имеет боль­ шую шкалу мощностей и соответствие установочных размеров ре­ комендациям Международной электротехнической комиссии. Ос­ новным исполнением двигателей являются закрытое обдувание, более удобное и надежное в эксплуатации. Двигатели каплезащи­ щенные А2 выполняются начиная с мощности 13 кет (при скорости вращения 1500 об/мин) номинальные напряжения двигателей 220, 380 и 500 в. Кроме основного исполнения, эти двигатели имеют сле­ дующие модификации: а) с повышенным пусковым моментом, б) с по­ вышенным скольжением, в) с повышенным к. п. д. и cos ср для тек­ стильной промышленности, г) с фазной обмоткой ротора. Кроме того, предусмотрен ряд специальных исполнений двигателей: мало­ шумных, встроенных, влагостойких и др. Разработаны также серии двигателей мощностью от 100 до 1000 кет и мощностью свыше 1000 кет.

Большое количество двигателей малой мощности применяется в установках автоматического управления и в счетно-решающих устройствах. К ним относятся трехфазные, двухфазные и однофаз­ ные двигатели, управляемые двигатели. Для электропривода быто­ вых приборов применяются асинхронные двигатели, предназначен­ ные для включения в однофазную сеть.

294

22-2. Принцип работы асинхронной машины

Конструктивные схемы трехфазных асинхронш.іх машин были уже даны в главе восемнадцатой (рис. 18-1). Трехфазный ток в об­ мотке статора, включенной в сеть, создает в машине магнитное поле, первая гармоническая которого вращается относительно статора со скоростью пх = 60f/p. Поле пересекает проводники обмотки ро­ тора и наводит в них э. д. с. Если цепь ротора замкнута, то по ней течет ток. В результате взаимодействия этого тока с вращающимся магнитным полем на роторе асинхронной машины возникает электро­ магнитный момент.

Следует особо отметить, что в нормальных условиях работы асин­ хронной машины между ее статором и ротором существует только магнитная связь, такая же, как между первичной и вторичной обмот­ ками трансформатора. Обычно первичная обмотка асинхронной ма­ шины, т. е. та, к которой подводится электрическая энергия, распо­ лагается на статоре, а вторичная обмотка, в которой происходит преобразование этой энергии в механическую, укладывается на роторе.

Скорость п, с которой вращается ротор, должна непременно отличаться от скорости вращающегося магнитного поля пх, так как при п—пх ротор неподвижен относительно поля статора, э. д. с. в об­ мотке ротора и ток равны нулю и отсутствует электромагнитный момент.

Разность скоростей щ_ и п, выраженная в относительных едини­ цах,

(22-Іа)

или в процентах

(22-16)

называется скольжением асинхронной машины и составляет одну из наиболее важных величин, определяющих работу машины.

22-3. Режимы работы асинхронной машины

В зависимости от соотношения скоростей пх и п и их взаимного направления различают следующие режимы работы асинхронной машины: двигателем, генератором, электромагнитным тормозом.

А. Работа в режиме двигателя. Пусть поле статора вращается

тельно ротора слева направо со скоростью пх—п. По правилу правой руки в проводнике а обмотки ротора наводится э. д. с., направлен­ ная к читателю. То же направление имеет и активная составляющая тока в проводнике а. Взаимодействие созданного этим током поля (штриховые линии на рис. 22-1, а) с полем статора образует ре­ зультирующее поле, показанное на рис. 22-1, б. Из рисунка видно, что в данных условиях сила F, приложенная к проводнику, создает

295

на валу машины момент, который стремится повернуть ротор в на­ правлении вращения ноля, т. е. является вращающим моментом. Если этот момент достаточен для преодоления нагрузочного момента на валу, то машина приходит во вращение со скоростью п < п1 іі работает двигателем, преобразовывая подводимую к ней электри­ ческую энергию в механическую.

При пуске двигателя п = 0, и, следовательно, s = -f-1; при ра­ боте скорость вращения двигателя п зависит от нагрузки; при холо­

Б. Работа в режиме генератора. Если оставить направление вра­ щения и полярность поля статора такими же, как на рис. 22-1, а,

Теоретически можно как угодно ускорять ротор относительно вращающегося потока; следовательно, при работе асинхронной

296