Часть 6. Электрические машины

6.1. Электрические машины переменного тока (теория)

6.1.1. Назначение и их классификация.

Электрические машины, предназначенные для преобразования механи­ческой энергии в электрическую, называются генераторами, а электричес­кой энергии в механическую - двигателями. Электрические машины, кото­рые служат для преобразования переменного тока в постоянный или, наобо­рот, частоты и числа фаз переменного тока, называются электромагнитными преобразователями.

Если частота вращения магнитного поля и частота вращения вала электри­ческой машины одинаковы, то такие машины называются синхронными. У асин­хронных двигателей частота вращения ротора меньше частоты вращения маг­нитного поля статора.

Различают два основных вида асинхронных двигателей: с короткозамкнутым и фазным ротором. Промышленность выпускает асинхронные двигатели на рабочее напряжение от 127 В до 10 кВ, мощностью от долей ватта до не­скольких тысяч киловатт. Асинхронные двигатели выпускают в виде единых серий, охватывающих все необходимые мощности и частоты вращения.

По степени защиты от воздействия окружающей среды двигатели изго­тавливают в двух вариантах: защищенными и закрытыми обдуваемыми.

Асинхронные машины мощностью до 500 Вт выполняют однофазными или двухфазными и включают в двухпроводную сеть. Их применяют в систе­мах автоматики, а также для привода электрифицированного инструмента, ме­дицинского оборудования и бытовых приборов.

Машины мощностью более 500 Вт имеют симметричную трехфазную об­мотку, включаемую в трехфазную сеть. В режиме двигателя трехфазные асин­хронные машины имеют рабочие характеристики и эксплуатационные свой­ства намного лучшие, чем в режиме генератора. Поэтому асинхронные маши­ны изготавливаются в качестве двигателей. Их достоинством является просто­та конструкции, высокая надежность в работе и низкая стоимость.

6.1.2. Вращающееся магнитное поле

Особенностью многофазных систем является возможность создать в механически неподвижном устройствевращающееся магнитное поле.Катушка, подключенная к источнику переменного тока, образует пульсирующее магнитное поле,т.е. магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению.Рис.1. На поверхности цилиндра с внутренним диаметромDразместимтри катушки, пространственно смещенные относительно друг друга на 120^o. Катушки подключим к источнику трехфазного напряжения(рис.1). Нарис.2показан график изменения мгновенных токов, образующих трехфазную систему.

.

Рис.1 Рис. 2

Каждая из катушек создает пульсирующее магнитное поле. Магнитные поля катушек, взаимодействуя друг с другом, образуютрезультирующее вращающееся магнитноеполе, характеризующееся вектором результирующей магнитной индукцииВ. Нарис. 3изображены векторы магнитной индукции каждой фазы и результирующий векторВдля трех моментов времениt₁, t₂, t₃.

Положительные направления осей катушек обозначены +1, +2, +3.Рис.3

В момент t = t₁ток и магнитная индукция в катушкеА-Х положительныи максимальны, в катушкахВ-Y и C-Z - одинаковы и отрицательны. Векторрезультирующеймагнитной индукции равен геометрической сумме векторов магнитных индукций катушек исовпадает с осью катушки А-Х.

В момент t = t₂токи в катушках А-Х и С-Z одинаковы по величине и противоположны по направлению. Ток в фазе В равен нулю. Результирующий вектор магнитной индукции повернулся по часовой стрелке на 30^o.

В момент t = t₃токи в катушках А-Х и В-Y одинаковы по величине и положительны,ток в фазе C-Z максимален и отрицателен, вектор результирующего магнитного поля размещаетсяв отрицательном направлении оси катушки С-Z.

За период переменного тока вектор результирующего магнитного поля повернется на 360^o. Линейная скорость перемещения вектора магнитной индукции:

V₁== π · D · f₁= π · D · n₁, где n₁= f₁ ()

 где f₁- частота переменного напряжения;Т -период синусоидального тока;n₁ - частота вращения магнитного поля или синхронная частота вращения. За период Т магнитное поле перемещается на расстояние2τ,гдеτ=- полюсное деление или расстояние между полюсами магнитного поля по длине окружности цилиндра диаметром D.

Линейная скорость V₁==2τ f₁,π · D · n₁ = 2τ f₁ = f₁

 Откуда n₁ =()=60 · ()

где  n₁ - синхронная частота вращения многополюсного магнитного поляс числом пар полюсов Р. Катушки, изображенные на рис.1, создают двухполюсное магнитное поле, с числом полюсов 2Р = 2. Частота вращения поля равна 3000 об/мин.Чтобы получить четырехполюсное магнитное поле, необходимо внутри цилиндра диаметром D поместить шесть катушек, по две на каждую фазу.Тогда магнитное поле будет вращаться в два раза медленней,с n₁ = 1500 об/мин. Чтобы получить вращающееся магнитное поле, необходимо выполнитьдва условия.

1. Иметь хотя бы две пространственно смещенные катушки.