Вращающееся магнитное поле

В основе работы электрических машин переменного тока, в том числе и асинхронных машин, лежит использование вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора.

Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки

.

Рассмотрим создание вращающегося магнитного поля на упрощенной модели статорной обмотки трехфазного асинхронного двигателя (рис. 3.3.1, а). В пазах статора уложены три катушки, каждая из которых является фазой трехфазной обмотки и представлена одним витком. Катушки соединены между собой по схеме звезды (или треугольника) и подключены к трехфазной сети (рис. 3.3.1, б). Катушки совершенно идентичны и расположены симметрично, поэтому векторная диаграмма токов будет также симметрична (рис. 3.3.1, в).

11а рис. 3.3.2, а показаны графики мгновенных значений токов обмотки статора, б—г — поперечные сечения асинхронной машины для упрощенной модели трехфазной обмотки рис. 3.3.1, а.

Эффект вращения магнитного поля трехфазной обмотки можно наглядно показать на примере картин результирующего магнитного поля этой обмотки для нескольких моментов времени, например, при максимуме фазных.

а — мгновенные значения тока обмотки статора; б—г — положение оси симметрии магнитного поля для моментов времени f_p t_v t_z

токов i_A, i_B и i_c. Условимся за положительное направление тока принимать ток, направленный от начала обмотки к ее концу, таким образом, в момент времени ?, ток в катушке А— X достигает положительного максимума (см. рис. 3.3.2, а) и направлен от зажима А к зажиму X (см. рис. 3.3.2, б). В тот же момент времени токи в двух других катушках отрицательны, т. е. направлены от концов катушки (Yи Z) к их началам (В и С). Направления токов в проводниках обмотки показаны на рис. 3.3.2, б—г знаками креста и точки. Силовые линии магнитного ноля охватывают проводники с одинаковым направлением тока. В момент времени t_{ две магнитные линии этого поля изображены на рис. 3.2.2, б, а ось симметрии результирующего магнитного ноля совпадает с осью симметрии катушки А—Х. Рассмотрим направления токов в катушках в два последующих момента времени и t_v соответствующих максимумам токов в катушках B—Y и C—Z (см. рис. 3.3.2, в, г). Выяснив направление токов, легко провести ось симметрии результирующего магнитного поля катушек. Сопоставление магнитных нолей на рис. 3.3.2, б—г указывает на вращение оси симметрии и всей картины магнитного ноля. За один период Т изменения токов магнитное иоле делает полный оборот.

Реверсирование магнитного ноля (изменение направления вращения) осуществляется переключением на зажимах источника питания двух выводов трехфазной обмотки (например, В и С). При этом фазы В и С обмотки «меняются местами», т. е. изменяется направление вращения магнитного поля.

На рис. 3.3.2 ось симметрии магнитного ноля вращается, но часовой стрелке, при переключении фаз В и С вращение будет против часовой стрелки.

При проектировании обмотки асинхронных машин добиваются того, чтобы закон распределения магнитной индукции В вдоль воздушного зазора между статором и ротором был близок к синусоидальному, поэтому вращающееся магнитное иоле, созданное статором, принято упрощенно изображать в виде эпюры, показанной на рис. 3.3.3, а. В реальной электрической машине распределение магнитной индукции вдоль воздушного зазора отличается от идеального синусоидального. Кроме первой (основной) пространственной гармоники магнитного поля появляются высшие гармонические составляющие. Высшие гармоники магнитного ноля приводят к дополнительным потерям энергии в стальных листах статора, к появлению высших гармоник ЭДС и тока в обмотках ротора и статора, что, помимо дополнительных потерь энергии в проводниках обмотки, приводит к не;

а — картина магнитного поля двухполюсной обмотки; б — эпюра распределения магнитного поля в воздушном зазоре на линейной развертке равномерности вращающего момента. Специальными конструктивными приемами — многосекционной обмоткой с укороченным шагом, скосом пазов и т. д. добиваются существенного уменьшения высших гармоник магнитного поля.

На рис. 3.3.3, а представлено магнитное поле с одной парой полюсов (р = 1), а на рис. 3.3.3, 6 показана соответствующая линейная развертка эпюры распределения магнитной индукции, полученная мысленным рассечением торцовой поверхности по линии 1— V с последующим распрямлением поверхностей статора и ротора.

Вращающееся магнитное поле машины количественно характеризуют потоком Ф вектора магнитной индукции В через поверхность полюсного деления с площадью т/ (т — полюсное деление, / — активная длина проводника). Этот магнитный поток называют магнитным потоком полюса Ф_п.

Для определения магнитного потока полюса пользуются средним значением В_ср магнитной индукции по площади полюсного деления:

При синусоидальном распределении магнитной индукции с амплитудным значением В_т, когда ее среднее значение В_ср = 2В_т/к, магнитный поток полюса определяют соотношением.

Отметим, что в трехфазной асинхронной машине, включенной в сеть с симметричной трехфазной системой напряжений, магнитный поток полюса вращающегося магнитного поля сохраняется неизменным при любом положении оси магнитного поля.

Нетрудно определить частоту вращения магнитного поля: полный оборот совершается за время, равное периоду изменения токов статорной обмотки Г; за одну секунду число оборотов равно 1 /Т, с учетом того, что Т = 1//, (/, — частота токов статора), частота вращения магнитного поля n_v об/мин, определяется формулой.

Видоизменив обмотку статора, можно получить вращающееся магнитное ноле с несколькими парами полюсов. Схематически устройство обмоток для случая р = 2 (четырехполюсная — 2 пары) показано на рис. 3.3.4, а. Фаза трехфазной обмотки статора состоит из двух катушек (АХ, А’Х' и т. д.), каждая из которых упрощенно, как и на рис. 3.3.1, а, представлена одним витком. Катушки фазы соединены последовательно, и полученная симметричная трехфазная обмотка подключена к трехфазной сети (рис. 3.3.4, б).

Картина магнитного поля на рис. 3.3.4, а соответствует моменту времени, когда ток фазы А положителен и имеет максимальное значение.

Внимательно изучив распределение проводников с одинаковым направлением тока (см. рис. 3.3.4, а), можно увидеть, что магнитное поле имеет четыре полюса (р = 2). Если проследить за изменением токов катушек во времени и соответствующим им положениям осей симметрии результирующего магнитного поля, то нетрудно убедиться, что за время Т магнитное поле «повернется» на половину оборота, т. е. в случае р = 2 частота вращения маг;

а — распределение тока по проводникам обмотки статора; 6 — схема соединения катушек обмотки статора; в — эпюра магнитного поля двухполюсной машины нитного поля в два раза меньше, чем для р = 1. Эпюра магнитного поля двухполюсной машины показана на рис. 3.3.4, в.

Число пар полюсов можно сделать любым, при этом формула для частоты вращения магнитного поля будет иметь вид.

Формула (3.3.3) не противоречит формуле (3.3.2), записанной для случая р = 1.

Условимся, что в обозначениях величин индекс «1» относится к статору, а «2» — к ротору. Допустимо не ставить индекс для величины, отношение к статору или ротору которой очевидно (например, частота сети /, частота вращения ротора п или угловая скорость ротора Q).

В табл. 3.3.1 приведены значения частот вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя, включенного в сеть с частотой /= 50 Гц.

Таблица 33.1

Частоты вращения магнитного поля статора АД.

р
пХУ об/мин.

Задание 3.3.1. Соответствуют ли приведенные в табл. 3.3.1 частоты вращения принятым в США?

Варианты ответа:

• 1. Нс соответствуют.
• 2. Соответствуют.
• 3. Данных для ответа недостаточно.

Задание 3.3.2. По эскизу торца статора с лобовыми частями обмотки (рис. 3.3.5) определить частоту вращения магнитного поля, на которую рассчитана машина.

Варианты ответа:

• 1. Данных для ответа недостаточно.
• 2. п_х = 1500 об/мин.
• 3. п_х = 3000 об/мин.

Рис. 3.3.5. К заданию 3.3.2

Вращающееся магнитное поле двухфазной обмотки.