Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть - статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки можно соединить по схеме ''звезда'' или "треугольник" в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют "звездой". Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в "треугольник". В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток - ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка - сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

На рис. приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 - станина, 2 - обмотка статора, 3 - ротор, 4 - контактные кольца, 5 - щетки.

У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рис. приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

 

15. Правило Буравчика: Если поступательные движения буравчика совпадает с направлением тока в проводе, то вращение рукоятки буравчика укажет направление магнитных силовых линий.

Интенсивность магнитного поля, т. е.способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. В = F/(i·l)

Напряженность электрического поля — это отношение силы, действующей на заряд, к величине заряда.

Напряженность - векторная физическая величина, численно равная отношению

силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку данного поля, к величине этого заряда.

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.

 

Произведение магнитной индукции B однородного поля и площадки S, перпендикулярной вектору этой индукции, называется магнитным потоком. Ф = В S

Характеристики магнитного поля

Магнитная индукция В — векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, так как определяет электромагнитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.

Единицей магнитной индукции является вебер, деленный на квадратный метр, или тесла (Тл): [В] =1Вб/1 м² = 1 Тл.

Абсолютная магнитная проницаемость среды μ_a — величина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:

где μ₀ = 4π*10^-7 (Ом*с)/м — магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума.

Единицу Ом*секунда (Ом*с) называют генри (Гн) Таким образом, [μ₀]=Гн/м.

Величину μ_r, называют относительной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной.

Для большинства материалов проницаемость μ_r постоянна и близка к единице. Для ферромагнитных материалов μ_r является функцией тока, создающего магнитное поле, и достигает больших значений (10²-10⁵).

Напряженность магнитного поля Н — векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в проводниках, создающими магнитное поле.

Магнитный поток Ф — поток магнитной индукции.

Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произведению нормальной составляющей вектора индукции В_n на площадь S площадки: Ф=В_nS=BS cos β

Магнитное напряжение (рисунок 3.3, а) в однородном магнитном поле определяется как произведение проекции H_ℓ вектора Н на отрезок АВ и длину этого отрезка ℓ:

При прохождении электрического тока по про­воднику в окружающем пространстве возникает магнитное поле.

16. Принцип действия однофазного трансформатора. При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

 

Устройство

На замкнутом магнитопроводе, выполненном из магнитомягкой листовой стали, расположены две (или более) катушки (обмотки). К одной из обмоток подводится электрическая энергия от источника переменного тока. Эта обмотка называется первичной. От другой, вторичной, обмотки с числом витков W2 энергия отводится к приемнику. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, напряжения, мощности и т.п.) называются соответственно первичными или вторичными.

 

17. Вещества, обладающие большой магнитной проницаемостью и способные усиливать внешнее магнитное поле называются ферромагнетиками. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др. В ферромагнетиках имеются группы молекул с самопроизвольным намагничиванием, называемые доменами.

Процесс, в результате которого ферромагнетик приобретает магнитные свойства, называется намагничиванием.

Петлей гистерезиса называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля.

18Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности P₂к потребляемой мощности P₁

100 %.×или в процентах Электрическая мощность, потребляемая двигателем из сети P₁=P_я+P_в, где P_я=U_нI_я– мощность якорной цепи,

P_в=U_нI_в– мощность цепи возбуждения. Для двигателя параллельного возбуждения P₁=UI_д=U_н(I_я+I_в).

Механическая мощность на валу двигателя, отдаваемая приводному механизму P₂=ωМ.

Современные машины постоянного тока имеют высокий КПД, который в зависимости от мощности, колеблется в пределах η_н = 0,75÷0,96. Высшее значение КПД относится к машинам большей мощности.

Потери мощности в электрических машинах. Преобразование
механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе сопровождается некоторыми потерями энергии, которые выделяются в виде тепла, нагревая электрическую машину.

19 Если внести проводник с током в магнитном поле (рис. 86, а), то в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника (на чертеже сверху) и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника (на чертеже снизу). В результате действия двух магнитных полей произойдет искривление

магнитных линий, и они, стремясь сократиться, будут выталкивать проводник вниз, (рис. 86, б).

Сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле, называется электромагнитной силой. Направление этой силы можно определить по «правилу левой руки»: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы

Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охватывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяжения и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притягиваться (рис. 90, а).

Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противоположного направления отталкиваются один от другого.

20. Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока.

Устройство трансформатора

Магнитопровод. Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т.е. он состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого.

В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую конструкцию магнитопровода (рис. 1.5), которая хотя и требует повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет уменьшить высоту магнитопровода {Нбс << Н_С), а следовательно, и высоту трансформатора. Это имеет важное значение при транспортировке трансформаторов.

Шихтованная конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов показана на рис. 1.6, б, когда стержни и ярма собирают слоями в переплет. Обычно слой содержит 2-3 листа. В настоящее время магнитопроводы силовых трансформаторов изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свойства вдоль направления прокатки листов лучше, чем поперек. Поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90° появляются «зоны несовпадения» направления прокатки с направлением магнитного потока. На этих участках наблюдаются увеличение магнитного сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления этого явления применяют для шихтовки пластины (полосы) со скошенными краями. В этом случае вместо прямого стыка (рис. 1.7, а) получают косой стык (рис. 1.7, б), у которого «зона несовпадения» гораздо меньше.

Недостатком магнитопроводов шихтованной конструкции является сложность сборки, так как для насадки обмоток на стержни приходится расшихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток вновь его зашихтовывать.

Стержни магнитопроводов во избежание распушения опрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки.

Обмотки. Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы (рейки, угловые шайбы и т. п.), обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность.

Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а сна­ружи - обмотку ВН.

Чередующиеся (дисковые) обмотки выполняют в виде отдельных секций (дисков) НН и ВН и располагают на стержне в чередующемся порядке. Чередующиеся обмотки применяют редко в некоторых трансформаторах специального назначения.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом. Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

22. Прямой пуск. При прямом пуске обмотка якоря подключается непосредственно к сети. Обычно в электродвигателях постоянного тока падение напряжения I_я?R_я во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря при номинальном токе составляет 5—10% от U_ном, поэтому при прямом пуске ток I_я = U_ном /?R_я = (10-20)I_ном, что недопустимо для машины. По этой причине прямой пуск применяют только для двигателей очень малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление?R_я относительно велико, и лишь в отдельных случаях — для двигателей мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей пусковой ток I_п= (4-6)I_ном.

Реостатный пуск. Наибольшее применение получил реостатный пуск, при котором для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат R_п (рис. 130, а); он обычно имеет несколько ступеней (секций) R₁, R₂, R₃, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями (контакторами) 1, 2 и 3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течение всего времени разгона двигателя.

Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере электродвигателя с последовательным возбуждением. В начальный момент пуска при п = 0 в цепь обмотки якоря вводится максимальное сопротивление R_п = R₁ + R₂ + R₃, вследствие чего пусковой ток согласно закону Ома I_п= U / (?R_я+R_п)

Сопротивление R_п подбирают так, чтобы для машин большой и средней мощности I_п= (1,5-1,8)I_ном, а для машин малой мощности I_п= (2-2,5) Iном При включении в цепь обмотки якоря сопротивления R_пдвигатель разгоняется по реостатной характеристике 1 (рис. 130, б), при этом в начальный момент пуска двигатель развивает максимальный пусковой момент М_{п mах}. Регулировочный реостат R_рв в этом случае выводят так, чтобы ток возбуждения I_в и поток Ф были максимальными. После того как якорь двигателя придет во вращение, в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Е и ток

I_я= (U-E) / (?R_я+R_п)

По мере разгона двигателя и увеличения частоты вращения n растет э. д. с. Е, вследствие чего уменьшается ток в обмотке I_я и электромагнитный момент М. При достижении некоторого значения M_{п min} ступень R₁ сопротивления пускового реостата выключают, замыкая контактор 1, вследствие чего увеличивается ток I_я. Электромагнитный момент при этом возрастает до М_{п max}, а затем с увеличением частоты вращения п постепенно уменьшается по реостатной характеристике 2, соответствующей сопротивлению реостата R’_п = R₂ + R₃. При уменьшении момента до M_{п min}выключают контактором 2 часть R₂ сопротивления пускового реостата, и двигатель переходит на работу по характеристике 3, соответствующей сопротивлению R_п” = R₃. Таким способом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 1, 2 и 3 (см. жирные линии на рис. 130,б) до выхода на естественную характеристику 4, соответствующую сопротивлению R_п = 0. Пусковой момент двигателя при этом изменяется от М_{п max} до M_{п min}.

Следовательно, путем включения пускового реостата в цепь якоря можно осуществить пуск двигателя при некотором среднем пусковом моменте М_{п ср} = (М_{п max}+M_{п min})/2 и резко уменьшить пусковой ток. Число ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной механической характеристики 4

и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности М_{n max} – M_{n min}). Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током. При пуске двигателя указанным способом частота вращения его якоря возрастает по ломаной кривой 1 (рис. 131), а ток обмотки якоря изменяется по ломаной кривой 2 между двумя крайними значениями пускового тока I_{n max} и In min.

В процессе реостатного пуска происходят некоторые колебания тока и пускового момента (силы тяги) (см. рис. 130,б). Однако при достаточно большом числе ступеней пускового реостата эти колебания не оказывают вредного влияния на работу подвижного состава.

Реостатный пуск электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением осуществляется так же, как и в двигателях с последовательным возбуждением, путем постепенного выключения отдельных ступеней пускового реостата. При этом электродвигатель разгоняется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 1—5 (см. жирные линии на рис. 132) до выхода на естественную характеристику 6.

При работе электродвигателя по естественной характеристике развиваемый им электромагнитный момент М и частота вращения п изменяются автоматически в соответствии с изменением нагрузочного момента на валу М_вн. В процессе же пуска при работе на реостатных характеристиках электромагнитный момент двигателя можно регулировать независимо от значения М_вн. Момент М должен быть больше М_вн, чтобы обеспечить разгон двигателя и подвижного состава с заданным ускорением. Развиваемый двигателем при пуске электромагнитный момент зависит от сопротивления пускового реостата и от скорости его изменения, т. е. скорости выключения отдельных его ступеней.

Реостатный пуск применяют на электровозах и электропоездах постоянного тока.

При приблизительно постоянной массе поезда, характерной для электропоездов, выключение ступеней пускового реостата производят автоматически. Для этой цели на электропоездах предусмотрено специальное реле ускорения (реле минимального тока), срабатывающее, когда пусковой ток уменьшается до установленного значения, и тем самым обеспечивающее замыкание соответствующих контакторов. На электровозах ступени пускового реостата выключаются по мере увеличения скорости движения поезда непосредственно самим машинистом при помощи ручного аппарата, называемого контроллером машиниста. Однако на некоторых электровозах применяют автоматическое выключение ступеней пусковых реостатов с той или иной скоростью.

Пуск путем изменения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно большие потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пускать двигатель путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Такой пуск называют безреостатным. Для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Безреостатный пуск применяют на э. п. с. переменного тока и тепловозах.

23. Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока.

Явление самоиндукции - это возникновение в проводящем контуре ЭДС, создаваемой вследствие изменения силы тока в самом контуре.

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность^[1], краем которой является этот контур^[2][3][4].

В формуле — магнитный поток, — сила тока в контуре, — индуктивность.

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.