Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

составляет 0,4—0,5 мм, а в машинах большой мощности — не-

сколько миллиметров.

Асинхронные машины, как правило, охлаждаются воздухом.

Системы вентиляции в принципе являются такими же, как и у ма-

шин постоянного тока (см. § 8-5).

Вращающееся магнитное поле. На рис. 19-5 представлены попе-

речные разрезы двухполюсного (2р — 2) асинхронного двигателя

и показан характер магнитного поля статора для двух моментов

времени.

На рис. 19-5 изображена простейшая обмотка статора, когда

каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (1-я

фаза — проводники А и X, 2.-я фаза — про-

водники В и У, 3-я фаза — проводники

С ч Z)

. Проводники каждого витка (фазы)

расположены -друг от друга на расстоянии

полюсного деления

пР

* 2 р'

(19-1)

Рис. 19-4. Коротко-

замкнутая обмотке ро-

тора в виде беличьей

клетки

где D

— диаметр внутренней расточки ста-

тора, ар — число пар полюсов.

На рис. 19-5 полюсное Деление составляет

половину окружности. Шаг витка или обмот-

ки у поэтому является полным (у = т). Двой-

ному полюсному делению 2т соответствует

угол по окружности статора 360° эл. Начала фаз А, В, С сдвинуты

относительно друг друга на 120° эл., что в данном случае составляет

треть окружности.

На рис. 19-5, а показаны направления токов в проводниках

обмотки статора для момента времени, когда i„ = /

и £

= i

—

— Токи фаз на рис. 19-5 считаются положительными, когда

они в началах фаз (проводники А, В, С) направлены за плоскость

чертежа. На рис. 19-5, б показаны направления токов для момента

времени, когда фазы токов изменились на 30° и

ia-

.VI

ib = 0; i

/з

Из рис. 19-5 видно, что распределение токов по окружности

статора составляет две зоны, каждая Величиной т, причем направ-

Согласно ГОСТ 183—66, начала фаз обмоток статора обозначаются С^Са.Сз,

их концы — соответственно С

, С

, С», а начала фаз обмоток ротора — P

, Р

В данной книге в методических целях начала трехфазных обмоток всюду обозна-

чаются Л, В, С или а, Ь, с, а концы — соответственно X, У, Z или х, у, г.

ления токов в этих зонах противоположны. В нижней части рис. 19-5

изображены кривые распределения токов вдоль развернутого ста-

тора.

Из этих кривых видно, что токи распределены на поверхности

статора по синусоидальному закону.

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины

создают, как следует из рис. 19-5, двухполюсный магнитный поток

Рис. 19-5. Простейшая обмотка статора асинхронной машины с

2р = 2 н ее магнитное поле

Фх, проходящий через статор, ротор и воздушный зазор между

ними. Из сравнения рис. 19-5, а и б видно, что при изменении фазы

токов на 30° кривая распределения токов и магнитный поток пово-

рачиваются в направлении следования фаз также на 30° эл.

Ось витка (обмотки) фазы А на рис. 19-5 направлена горизон-

тально, и ось магнитного потока при i

= I

(рис. 19-5, а) также

направлена горизонтально. Ясно, что если фаза токов по сравнению

с рис. 19-5, а изменится на 120° и поэтому будет i

= I

, то магнит-

ный поток будет направлен по оси фазы В, т. е. повернется на 120° эл.

В момент времени, когда i

— I

, ось магнитного потока совпадает

с осью фазы С и т. д.

Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при

питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся

магнитное поле.

При этом за один период изменения тока поле поворачивается

на 2 т или 360° эл.

Скорость вращения поля

i==fi об/сек,

где fi — частота тока статора.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз

А, В, С обмотки статора. Для изменения направления вращения

поля на обратное достаточно пере-

менить местами на зажимах обмот-

ки статора концы двух проводни-

ков, идущих от питающей сети.

При 2р = 4 полюсное деление

составляет четверть окружности

и каждая фаза простейшей трех-

фазной обмотки статора (рис. 19-6)

состоит из двух витков с шагом

у = т, которые сдвинуты относи-

тельно друг друга на 2т и могут

быть соединены друг с другом

последовательно или параллель-

но. Отдельные фазы и их начала

А, В, С при этом также сдвинуты

относительно друг друга на 120° эл.

или в данном случае на окруж-

ности. Из рис. 19-6 видно, что

такая обмотка создает кривую

распределения тока и магнитное

поле с 2р = 4. Это поле таюре

является вращающимся и за один

период тока поворачивается тоже на 2т или в данном случае на

половину окружности, вследствие чего скорость поля

% = y, °б!

сек

В общем случае можно изготовить обмотку с 2р = 6, 8, 10

и т. д. При этом будет получаться кривая распределения тока

и магнитное поле с р парами полюсов. Магнитное поле вращается

со скоростью

Рис. 19-6. Простейшая обмотка

статора асинхронной машины с

2р = 4 и ее магнитное поле

= f

/p, об/сек

или

60/,

—

, об/мин.

(19-2)

(19-3)

Линейная окружная скорость вращения поля вдоль окружности

статора

- ЯDaflx = 2рт ~ = 2тfx.

(19-4)

При стандартной в СССР частоте промышленного тока f = 50 гц

получаются скорости вращения поля, указанные в табл. 19-1.

Таблица 19-1

Скорость вращения магнитного поля обмоток с различными числами

пар полюсов р при /i = 50 гц

2 3

5 6

rii, об/мин

3000 1500 1000 750 600 500

375 300 100

При конструировании обмоток переменного тока стремятся

к тому (см. гл. 21), чтобы распределение индукции вращающегося

поля в воздушном зазоре вдоль окружности было по возможности

ближе к синусоидальному.

Ниже в данной главе будет предполагать, что это распределен

ление является синусоидальным.

Принцип действия асинхронной машины. Магнитный поток Ф

создаваемый обмоткой статора (рис. 19-5 и 19-6), при своем вращении

пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с.

1а

, и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи ц,

частота которых /

при неподвижном роторе (л = 0) равна первичной

частоте f

Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индукти-

руется трехфазных ток. Этот ток создает вращающийся поток ро-

тора Ф

, число полюсов 2 р, направление и скорость вращения

которого при п = 0

«4

= ^- = — =Лх, Об/сек

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф

н Ф

вра-

щаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двига-

теля Ф. При короткозамкнутом роторе в его стержнях индукти-

руется многофазная система токов t

со сдвигом в соседних

етержняк по фазе на угол

где Z

— число стержней ротора. Эти токи также создают вра-

щающийся поток Ф

, число полюсов, направление и скорость

вращения которого являются такими же, как и у потока фазного

ротора. Поэтому и в данном случае в двигателе образуется общий

магнитный поток Ф. Ввиду существования общего вращающе-

гося магнитного поля можно рассматривать э. д. е., индуктиру-

емые в обмотках этим полем.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают

действующие на проводники ротора механические силы F и вращаю-

щий электромагнитный момент М.

В верхней части рис. 19-7 пока-

заны вращающаяся со скоростью v

синусоидальная волна общего маг-

нитного поля В мащины и напра-

вления э. д. с. е

, индуктируемых

этим полем в стержня* неподвиж-

ного короткозамкнутого ротора.

В нижней части рис. 19-7 показаны

направления токов стержней. i

действующих на них сил F для двух

случаев: когда угол сдвига фаз

йГ^ЭО

П?и

Ра

?Г=Твсе SS ^fw^rwytfli

действуют в сторону вращения- по- **

ля. Поэтому вращающий момент

Рис 19

"'-

Токи в

стержнях об-

^ мотки ротора и действующие на

,, V них силы

M==

Z/2-

отличен от нуля и также действует в сторону вращения поля.

В то же время при ^ = 90° силы действуют в разные стороны

и М = 0.

Отсюда следует, что вращающий момент создается только

активной составляющей тока ротора

%=0

•90"

Ли» —

COS1

Этот вывод имеет общий характер и справедлив также для дру-

гих видов машин переменного тока.

Цепь ротора асинхронного двигателя всегда обладает опреде-

ленным активным сопротивлением, и поэтому при пуске двигателя

(п = 0) всегда 0 < \|>

< 90°. В результате развиваемый момент

М > Q, и если он больше статического тормозного момента на валу,

то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения

поля с некоторой скоростью п < п

т. е. будет вращаться

с некоторым отставанием, или скольжением, относительно поля

статора.

Относительная разность скоростей вращения поля и ротора

(19-6)

называется скольжением. Скольжение выражается также

в процентах:

= 100s

rtj—n

П,

•100.

(19-6а)

Скорость ротора л, выраженная через скольжение s, согласно

формуле (19-6), равна

л = (1

—

(19-7)

При пуске двигателя (п = 0) имеем s = 1, а при вращении

ротора синхронного с полем статора или, как говорят, с синхронной

скоростью (п. = Их) будет s = 0. При п = % магнитное поле ста-

тора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индукти-

роваться не будут, поэтому М = 0 и такой скорости вращения

двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя

всегда 0 < /г < «х и 1 > s > 0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения

полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей

— ли частота тока в обмотке ротора

fi — p (лх — л).

(19-8)

Подставив сюда значение п из формулы (19-7) и затем значение п

из (19-2), получим

= sptiy = s/x,

(19-9)

т. е. вторичная частота пропорциональна скольжению.

При частоте тока f

< Д скорость вращения поля ротора отно-

сительно самого ротора л

2р

также меньше щ и на основании выра-

жения (19-9)

= i = sm. (19-10)

Скорость вращения поля ротора относительно статора в соот-

ветствии с выражениями (19-7) и (19-10)

с —л + я

ар

—sJHi+sn^/ti, (19-11)

т. е. скорость вращения поля ротора относительно статора при

любой скорости вращения ротора п равна скорости вращения поля

статора Поэтому поля статора и ротора при вращающемся

роторе также вращаются всегда синхрбнно и образуют общее

вращающееся поле.

Отметим, что представленная на рис. 19-7 картина направлений

токов и механических сил действительна и при вращении ротора,

когда 0 < /г < «1 (двигательный режим).

Если ротор асинхронной машины с помощью внешней силы

(вращающего момента) привести во вращение в направлении вра-

щения поля статора со скоростью выше синхронной (п > п

то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в об-

мотке ротора токов по сравнению с изображенными на рис. 19-7

изменяется на обратные. При этом изменяется на обратные также

направления электромагнитных сил F и электромагнитного момента

М. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет рабо-

тать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть.

Согласно выражению (19-6), в режиме генератора s < 0.

Если ротор вращать в направлении, обратном направлению

вращения поля статора (п < 0), то указанные на рис. 19-7 направ-

ления ei, i

и F сохраняется. Электромагнитный момент М будет

действовать в направлении вращения поля статора, но будет тор-

мозить вращение ротора. Этот режим работы асинхронной машины

называется режимом противовключения или р е-

жимом электромагнитного тормоза. В этом

режиме в соответствии с выражением (19-6) s> 1.

Более подробно режимы работы асинхронной машины рас-

сматриваются в последующем разделе. Здесь, однако, надо отме-

тить, что соотношение (19-11), как нетрудно усмотреть, сохраняется

при любом режиме работы, при любом значении s, т. е. поля статора

и ротора вращаются синхронно в любом режиме работы асинхрон-

ной машины.

§ 19-3. Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство и принцип действия. Статор синхронной машины

(рис. 19-8) имеет такое же устройство, как и статор асинхронной

машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка статора

синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов,

как и ротор, и называется также обмоткой якоря. Сердечник статора

вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. 19-8 условно

показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Ротор синхронной машины имеет обмотку» возбуждения, пита-

емую Через два контактных кольца и щетки постоянным током от

постороннего источника. В качестве источника чаще всего служит

генератор Постоянного тока относительно небольшой мощности

(0,3—3,0% от мощности синхронной машины), который называется

возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной

Рис. 19-8. Принцип устройства явнонолюсной (а) и неявнопо-

люсной (б) синхронной машины

/ — статор (якорь), 2 — ротор (индуктор),

— обмотка возбуждений

машиной. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине

первичного магнитного пол д. Ротер вместе со своей обмоткой

возбуждения называется также индуктором. При изготовлении

синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы распределение

индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по

возможности близко к синусоидальному.

Если ротор синхронной машины {рис. 19-8) привести во вра-

щение с некоторой скоростью п об/сек и возбудить его, то поток

•возбуждения Фу будет пересекать проводники обмотки статора

и в фазах последней будут индуктироваться э. д. с. с частотой

fi = P

(19-12)

Э. д. с. статора составляют симметричную трехфазную систему

э. д. е., и при подключении к обмотке статора симметричной на-

грузки эта обмотка нагрузится симмметричной системой токов.

Машина при этом будет работать в режиме генератора.

При нагрузке обмотка статора создает такое же по своему

характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора

асинхронной машины (см. § 19-2). Это поле статора вращается

в направлении вращения ротора со скоростью

i = /i/Р. об!сек.

Если подстайить сюда h из формулы (19-12), то получим

= л.

Поля статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью

и образуют, таким образом, общее вращающееся поле, как и

в асинхронной машине.

Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора

(индуктора) и называется в связи с этим также полем реакции

якоря.

Синхронная машина может работать и в качестве двигателя,

если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом

случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и

ротора поле статора увлекает за собой рбтор. При этом ротор

вращается ъ ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле

статора.

Из формулы (19-12) следует, что чем больше число пар полюсов

синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вра-

щения п для получения заданной частоты Д. Соотношения между

р и п

при fx = 50 гц также соответствуют данным табл. 19-1.

По своей конструкции синхронные машины подразделяются

на явнополюсные (рис. 19-8, а) и неявнополюсные (рис. 19-8, б).

Явнополюсные синхронные машины (рис. 19-8, а) имеют высту-

пающие полюсы и изготовляются с числом полюсов 2р 4. На

рис. 19-9 представлены фотографии статора и ротора явнополюсного

синхронного двигателя.

Сердечники полюсов явнополюсных машин (рис. 19-10) наби-

раются из листов стали толщиной 1—2 мм и стягиваются с помощью

шпилек. В средних и крупяых машинах полюсы крепятся к вы-

ступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины с помощью

Т-образных хвостов. В малых машинах полюсы крепятся также

с помощью болтов. Обмотка возбуждения крупных машин наматы-

вается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки

изолируются друг от друга изоляционными прокладками.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей (рис. 19-9),

в соответствующих пазах, помещаются стержни пусковой обмотки

из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь

и др.), которые привариваются по торцам к короткозамыкающим

сегментам, а последние соединяются в общие короткозамыкающие