Электрические машины переменного тока

Общие сведения. Вращающееся магнитное поле

Электрические машины переменного тока предназначены для взаимного преобразования механической и электрической энергии и по аналогии с электрическими машинами постоянного тока разделяются на генераторы и двигатели. Электрические машины переменного тока разделяются также на асинхронные и синхронные. Электрические машины имеют неподвижную часть — статор и вращающуюся часть — ро­тор.

Во всех электрических двигателях переменного тока основное назначение статора — создание вращающегося магнитного поля.

Для создания вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной системы токов нужны три катушки, сдвинутые в пространстве на 120° одна относительно другой. Частота вращения поля, называемая синхронной, определяется выраже­нием

𝑛₁ = 60𝑓 ⁄𝑝

При промышленной частоте f = 50 Гц и одной паре полюсов (р = = 1) синхронная частота вращения равна 3 000 об/мин.

Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя

Асинхронный двигатель является самым простым в конструк­тивном исполнении из всех электрических машин. Он состоит из двух основных узлов: неподвижного статора 1 и вращающегося ротора 2.

Статор выполняется в виде полого цилиндра с пазами на вну­тренней поверхности. В пазы укладывается обмотка 4 из изоли­рованного провода. Изготовляют статор из тонких штампованных изолированных электрически друг от друга пластин из ферро­магнитного материала. Проводники, уложенные в пазах статора равномерно, объеди­няются либо в три обмотки, оси которых сдвинуты в пространстве на 120°

Ротор асинхронного двигателя, выполняемый в виде сплошно­го цилиндра также из отдельных ферромагнитных пластин, имеет пазы на внешней поверхности, в которые укладывается обмотка. Обмотка ротора может быть короткозамкнутой или фазной.

Короткозамкнутая обмотка 3 (см. рис. а) выполняется за­ливкой пазов ферромагнитного ротора 2 алюминием с закорачи­ванием полученных стержней по торцам кольцами 5. В результате получается так называемое беличье колесо (рис. а).

Фазная обмотка укладывается изолированным проводом в виде трех фаз, соединенных звездой. Подключение обмотки ротора к цепи осуществляется с помощью трех контактных щеток, располагаемых на корпусе и скользящих по кольцам при вращении ротора.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники. При включении электродвигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые создают вращающий момент. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля. Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и в обмотке ротора исчезли бы индуцированные токи. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т.е. асинхронно.

Скольжением называется разность между частотой вращения вращающегося магнитного поля статора 𝑛₁ и частотой вращения ротора 𝑛₂.

Скольжение зависит от нагрузки двигателя. Скольжение является одной из важнейших характеристик электродвигателя: посредством него выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора. При неподвижном (𝑛₂ = 0) роторе s = 1. Таким скольжением обладает электродвигатель в момент пуска.

Механическая характеристика АД

Механической характеристикой двигателя называется зави­симость частоты вращения его ротора от нагрузки на его валу n = f(M_н). Вид механической характеристики показан на рисунке

Она имеет ряд характерных точек и определяет область устойчивой и неустойчивой работы двигателя: точка (0;n₁) – идеальный холостой ход; (M_K ; n_K) – критическая частота вращения; (M_П ; 0) – пусковой момент.

Характеристика делится на две области: 1 – (n₁ - n_K) – область устойчивой работы, в ней находится точка номинального режима (M_Н ; n_Н); 2 – (n_K - 0) – Область неустойчивого режима, используемая при пуске или вынужденной остановке. Наэту характеристику влияет изменение напряжения сети и сопротивление в цепи ротора.

Помимо естественной характеристики для двигателя с фазным ротором могут быть получены искусственные механические характеристики. Для этого в цепь ротора включают R_доб , чем больше R_доб , тем «мягче» становится механическая характеристика

Можно подобрать такое R_доб , чтобы пусковой момент приобрел максимальное значение

Потери в асинхронной машине. Энергетическая диаграмма

В электрических машинах с вращающимся ротором наряду с электрическими и магнит­ными потерями появляются механические потери.

Они вызваны в первую очередь трением в подшипниках и со­противлением воздуха. Это существенно снижает КПД электриче­ских машин, в том числе и асинхронного двигателя. Энергетическая диаграмма показана на рисунке

Энергетическая диаграмма поясняет преобразования подводимой к статору электрической мощности Р₁. Часть ее тратится на электрические потери в обмотке статора Р_эл1. Оставшаяся часть преобразуется в мощность вращающегося маг­нитного поля. Но при этом сразу же возникают потери в стали статора — магнитные потери Р_м. Электромагнитная мощность Р_эм передается через воздушный зазор со статора на ротор. В роторе возникают электри­ческие потери Р_эл2. Оставшаяся мощность Р_эм - Р_эл2 = Р_мех представ­ляет собой полную механическую мощность, способную совершать работу. Но как только ротор приходит во вращение, появляются ме­ханические потери ΔР_мех (на трение, вентиляцию).

Кроме того, существуют дополнительные потери Р_доп, обуслов­ленные отклонением формы магнитного потока от синусоидаль­ной, зубцовыми потерями, определяемыми формой и размерами пазов на внутренней поверхности статора, в которые уложена об­мотка, и др.

Оставшаяся мощность Р₂ — полезная механическая мощность, способная совершать работу.

Таким образом, суммарные потери в асинхронной машине

∑Р = Р_эл1 + Р_м + Р_эл2 + ΔР_мех + Р_доп

В этом случае КПД