Описание вращающегося магнитного поля

Принцип получения вращающегося магнитного поля.В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи.Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.

Если для обмотки АХпринять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид

Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.Рис.

3.5                                                      Рис. 3.6Как видно из рис. 3.6, в момент времени toток в фазе Аположительный, а в фазах Ви С– отрицательный.Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки.Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to(рис.

3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукцией Втрезрасположена горизонтально.Рис. 3.7На рис.

3.7, бпоказана картина магнитного поля в момент времени ti,соответствующий изменению фазы тока на угол  = 60°.В этот момент времени токи в фазах  А и  В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе С– отрицательный, т.

е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол = 60°.Если угловая частота тока , то .(Здесь , где – частота тока в сети).

В моменты времени t2и t3ось магнитного поля соответственно повернется на углы  и(рис. 3.6, в и г).Через время, равное периоду Т,ось поля займет первоначальное положение.Следовательно, за период Тполе делает один оборот (рис. 3.7, д) ( ()).В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2и магнитное поле вращается с частотой n1=60f1=60∙50=3000 об / мин  (f1=50 Гц– промышленная частота).

Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудойгде Вт– максимальная индукция одной фазы; Вmрез– максимальная индукция трех фаз; – угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.Направление вращения поля.В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например Bи С,что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е.

магнитное поле реверсируется (ср. рис. 3.8).Формула частоты вращения поля.Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится.

Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 3.9, поле за один период повернется в пространстве на 180°.Рис.3.8                            Рис. 3.9                        Рис.

3.10Для получения картины поля возьмем момент времени to,когда ток в фазе Аположительный, а токи в фазах В и Сотрицательные.Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4или р = 2и тогда n1 = 60f1/p= 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.3.10. Здесь р = 3 и, следовательно, n1= 1000 об/мин.Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будетn1 = 60 f1/p(3.1)Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно.

Именно при таком соединении частота вращения поля статора для р=  1, 2  и 3  при f1= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.Параллельное соединение катушек.Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.3.11,а и  в развернутом виде на рис. 3.11,6.Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n1 = 3000 об/мин.

Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в  в сети  50 Гц частота вращения поля статора определяется из выраженияп1= 60 f1 / p= 60 ∙50 / p.Задаваясь различным числом пар полюсов р= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл.

3.1.Таблица 3.1123456810300015001000750600500375300Особенностью многофазных систем является возможность создать в механически неподвижном устройстве (например, в статоре элект­рической машины) вращающееся магнитное поле.Будучи помещенным в такое поле, любое электропроводящее тело или магнит испытывает вращающий момент. Это явление положено в основу действия асинхронных и синхронных электродвигателей.Асинхронный двигатель.Вдоль оси катушки, обтекаемой переменным током, существует пульсирующее магнитное поле.Действительно, если принять для некоторого момента времени направление тока таким, как это показано в сечении катушки на рис. 1а(крестик – ток направлен от наблюдателя, точка – к наблюдателю), то в соответствии с правилом магнитный поток и магнитная индукция будут направлены вдоль оси катушки в направлении, обозначенном знаком «плюс».

Пусть этот момент времениt1приходится на полупериод синусоидального тока, когда ток имеет положительные значения (рис.1б).Рисунок 1. Схема сечения катушки.Допустим, наконец, что магнитная индук­ция изменяется пропорционально току (это может иметь место только в линейной цепи). Тогда с дальнейшим ростом тока индукция магнитного поля будет нарастать, достигнет максимума, затем начнет спадать, оставаясь направленной так же, как и в моментt1, и лишь после перехода тока через нуль изменится направление магнит­ного поля (индукции).Таким образом, в рассмотренном примере накладываются друг на друга два процесса: изменение маг­нитной индукции во вре­мени (по синусоидальному законуВ = Втsin?t)и в пространстве.Теперь обратимся к трехфазной системе.Возьмем три катушки с тремя токами, образующими трехфазную систему  и разместим их в пространстве под углом 120° относительно друг друга (рис.

2а – в). Положительные направления осей трех катушек обозначены + 1, + 2и +3.Схема трехфазной системы.Вдоль оси каждой катушки образуется пульсирующее магнитное поле, однако все три поля будут накладываться друг на друга, и в активной зоне катушек будет существовать единое результирующее магнитное поле, характеризующееся ве­ктором суммарной магнитной индукции.На рис.2врассмотрены последовательно три момента времени t1, t2, t3, для которых построены векторы магнитной индук­ции каждой фазы и результирующий векторВ.В момент t1ток в ка­тушкеА(и магнитная индукция) положителен и максимален, а токи в катушкахВ и Содинаковы, отрицательны и составляют половину от тока в катушке t1. Результирующий вектор магнитной индукции направлен по оси той катушки, в которой ток максимален: в данном случае по оси катушкиА.В момент t2ток в катушкеАуменьшился:Ток в катушке С равен ему, но отрицателен, ток в катушкеВравен нулю; результирующий вектор магнитной индукции «повернулся» на угол 30° в сторону, соответствующую чередованию фаз (по часовой стрелке).

В моментt3токи в катушках А и Водинаковы, положительны и равны половине амплитудного значения, а ток в катушкеСотрицателен и максимален.Результирующий вектор магнитной индукции размещается в отрицательном направлении оси катушки С. За период синусоидального тока вектор результирующей магнитной индукции сделает полный поворот на 360°, следовательно, он будет вращаться с угловой скоростью, соответствующей частоте переменного тока.Магнитное поле, вектор магнитной индукции которого вращается в пространстве, называется вращающимся магнитным полем.Вращающееся магнитное поле, вектор магнитной индукции которого не изменяется по величине и вращается с постоянной угловой скоростью, называется круговым.Если нарушена геометрическая или электромагнитная симметрия в трехфазной электрической машине (амплитуды токов отдельных фаз неодинаковы, отсутствует ток в одной из фаз, обмотка одной из фаз включена неправильно и т. п.), то вращающееся магнитное поле становится эллиптическим, т.

е. вектор результирующей магнитной индукции изменяется по величине и вращается с переменной угловой скоростью. Наилучшие условия для работы электрических машин создает кру­говое вращающееся магнитное поле.Поделитесь полезной статьей:Условияполучения:1)наличие не менее двух обмоток;2)токи в обмотках должны отличаться пофазе3)оси обмоток должны быть смещены впространстве.Втрёхфазной машине при одной паре полюсов(р=1) оси обмоток должны быть смещены впространстве на угол 120°, при двух парахполюсов (р=2) оси обмоток должны бытьсмещены в пространстве на угол 60° и т.

д.Рассмотриммагнитное поле, которое создаётся спомощью трёхфазной обмотки, имеющейодну пару полюсов (р=1). Оси обмоток фазсмещены в пространстве на угол 120° исоздаваемые ими магнитные индукцииотдельных фаз (BA, BB, BC) смещены в пространстветоже на угол 120°.Магнитныеиндукции полей, создаваемые каждойфазой, как и напряжения, подведённые кэтим фазам, являются синусоидальнымии отличаются по фазе на угол 120°.Принцип действияНаобмотку статора подается напряжение,под действием которого по этим обмоткампротекает ток и создает вращающеесямагнитное поле.Магнитное поле воздействуетна стержни ротора и по закону магнитнойиндукции наводит в них ЭДС. В стержняхротора под действием наводимой ЭДСвозникает ток.

Токи в стержнях роторасоздают собственное магнитное полестержней, которые вступают во взаимодействиес вращающимся магнитным полем статора.В результате на каждый стержень действуетсила, которая складываясь по окружности,создает вращающийся электромагнитныймомент ротора.Принявначальную фазу индукции в фазе А (φA)равной нулю, можно записать:Магнитнаяиндукция результирующего магнитногополя определяется векторной суммойэтих трёх магнитных индукций.Найдёмрезультирующую магнитную индукцию спомощью векторных диаграмм, построивих для нескольких моментов времени. а)Приб)Прив)ПриНарисоватьвекторные диаграммыКакследует из диаграмм, магнитная индукцияB результирующего магнитного поля машинывращается, оставаясь неизменной повеличине.Таким образом, трёхфазнаяобмотка статора создаёт в машине круговоевращающееся магнитное поле. Направлениевращения магнитного поля зависит отпорядка чередования фаз.

Величинарезультирующей магнитной индукции.Частотавращения магнитного поля зависит от частоты сетии числа пар полюсов магнитного поля.,[об/мин].Приэтом частота вращения магнитного поляне зависит от режима работы асинхронноймашины и её нагрузки.Прианализе работы асинхронной машины частоиспользуют понятие о скорости вращениямагнитного поля ω0, которая определяетсясоотношением:,[рад/сек].Длясравнения частоты вращения магнитногополя и ротораввели коэффициент, который назвалискольжением и обозначили буквой.Скольжение может измеряться в относительныхединицах и в процентах. илиПроцессы в асинхронной машине Цепь статораа)ЭДС статора.Магнитноеполе, создаваемое обмоткой статора,вращается относительно неподвижногостатора с частотой и будет наводить в обмотке статора ЭДС.Действующее значение ЭДС, наводимойэтим полем в одной фазе обмотки статораопределяется выражением:где:=0.92÷0.98– обмоточный коэффициент;–частотасети;–числовитков одной фазы обмотки статора;–результирующеемагнитное поле в машине. б)Уравнение электрического равновесияфазы обмотки статора.Этоуравнение составлено по аналогии скатушкой с сердечником, работающей напеременном токе.==-+()=-+Здесьи– напряжение сети и напряжение,подведённое к обмотке статора.–активноесопротивление обмотки статора, связанноес потерями на нагрев обмотки.–индуктивноесопротивление обмотки статора, связанноес потоком рассеяния.–полноесопротивление обмотки статора.–токв обмотке статора.Прианализе работы асинхронных машин частопринимают.Тогда можно записать:Изэтого выражения следует, что магнитныйпоток в асинхронной машине не зависит от еёрежима работы, а при заданной частотесетизависит только от действующего значенияприложенного напряжения.Аналогичное соотношение имеет место ив другой машине переменного тока – втрансформаторе.Магнитное поле, ось которого вращается в пространстве с постоянной угловой частотой, называется вращающимся магнитным полем.

Если при этом величина индукции в любой точке оси магнитного поля остается постоянной, то такое поле называется круговым вращающимся магнитным полем.Это связано с тем, что его можно изобразить вращающимся в пространстве вектором постоянной длины, конец которого при вращении описывает окружность.Формирование кругового вращающегося магнитного поля является необходимым условием работы асинхронных и синхронных машин. Для этого в пазы пакета статора (рис. 1) укладывают три одинаковые обмотки (катушки), состоящие из двух частей, располагающихся диаметрально противоположно в пакете статора.Причем оси трех обмоток статора смещены по отношению друг к другу на 120° .Если схематически представить обмотки статора состоящими из одного витка, то на статоре будет только шесть пазов, в каждом из которых будет лежать половина витка обмотки.

Обозначим начала витков обмоток буквами A, Bи C, а концы витков буквами X, Y иZ. Обозначим также направления протекания тока в витках обмоток, считая положительным направление от начала к концу обмотки.Тогда для положительных значений тока стороны A, Bи Cбудут обозначены крестом, а стороны X, Y иZ – точкой( рис.2).При подключении обмоток статора к трехфазной сети переменного тока в обмотках будут протекать токи , смещенные во времени (по фазе) друг относительно друга на 120° электрических так, как это показано на рисунке. Выделим в пределах периода шесть моментов времени, отстоящих друг от друга на 60° эл.

и для каждого из них отметим направления токов в обмотках с учетом знаков токов в соответствующий момент времени.Нетрудно заметить, что в любой момент токи в двух половинах пакета статора протекают в разных направлениях и образуют магнитное поле, ось которого совпадает с осью разделения направлений токов, т. е. через каждые 60° эл.

ось магнитного поля поворачивается в пространстве на 60° . Таким образом, с помощью этой симметричной системы обмоток, питающейся от симметричной системы трехфазной сети мы получили круговое вращающееся магнитное поле.Угловая частота, с которой магнитное поле вращается в пространстве полностью определяется частотой питающей сети и электрической схемой обмоток. Если увеличить число витков вдвое и соединить их в обмотки так, чтобы по окружности пакета статора располагались две чередующиеся пары групп с одинаковым направлением тока, то образуется магнитное поле с двумя парами полюсов (рис.3).

Оно также будет вращаться в пространстве, перемещаясь за один период колебаний токов на угол соответствующий расстоянию между одноименными полюсами, т. е. на 180° .

Значит, угловая скорость вращения поля будет вдвое меньшей.Таким образом, угловая частота вращения магнитного поля равна [рад/с] или [об/мин], где – частота питающей сети, а p- число пар полюсов обмотки статора. Отсюда возникает ряд возможных скоростей вращения магнитного поля для промышленной сети частотой 50 Гц: 3000, 1500, 1000, 750, 600 и т. д.

[об/мин]Направление вращения магнитного поля определяется последовательностью подключения обмоток к трехфазной сети. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами точки подключения двух любых обмоток.Основные понятия и принцип действия асинхронной машиныКонструктивная схема асинхронной машины показана на рисунке 1.Она состоит из пакета статора 1 с пазами 2 для укладки обмотки и цилиндрического ротора 3 в круглых пазах которого находятся проводники (стержни) 4 его обмотки. Стержни замкнуты по краям кольцами (на рисунке не показаны), поэтому обмотка ротора называется короткозамкнутой.

Такой тип ротора наиболее распространен у асинхронных машин, т. к. он прост, надежен и технологичен.

Если мысленно извлечь обмотку ротора из пакета ротора, то она будет иметь вид, показанный на рисунке 2.Этот тип обмотки называется “беличья клетка”.Кроме роторов типа “беличья клетка” в асинхронных машинах применяются ротора, у которых в пазах уложена такая же трехфазная обмотка (рис 3 1), как в статоре. Для подключения к внешним электрическим цепям (5) концы обмотки выведены наружу через контактные кольца (3) и щетки (4)(см. рисунок).Такой тип ротора называется фазнымОбмотка ротора не имеет электрического соединения с внешними цепями и ток в ней возникает в результате электромагнитной индукции.

Этот процесс происходит следующим образом. Трехфазная обмотка статора подключается к сети переменного тока и ток обмотки ( ) формирует круговое вращающееся магнитное поле.Поле статора ( ) вращается в пространстве относительно оси вращения ротора ( ) и пересекает стержни его обмотки. В результате в них наводится ЭДС индукции ( ) и т.

к. концы стержней ротора электрически замкнуты кольцами, то в них под действием ЭДС формируется электрический ток ( ). Взаимодействие протекающего в стержнях тока с внешним магнитным полем вызывает действие силы (F) и соответствующего электромагнитного момента (M), приводящего ротор во вращение ( ).

Таким образом, возникновение вращающего момента возможно только в случае, если стержни ротора пересекают магнитное поле статора, а для этого необходимо, чтобы ротор вращался со скоростью отличной от скорости вращения магнитного поля, т. е. чтобы он вращался несинхроннно с полем.

Отсюда происходит название этой машины – асинхронная.Сказанное выше можно представить в виде логической последовательности , в которой существует только один условный переход от вращающегося поля к ЭДС и току ротора.Если , то поле и ротор вращаются синхронно и ЭДС ротора не возбуждается. Такой режим называется холостым ходом и он может создаваться только за счет внешнего вращающего момента.Если скорость вращения ротора меньше скорости вращения поля, то электромагнитный момент действующий на ротор положительный и стремится разогнать его. При скорости ротора выше скорости поля направления ЭДС и тока в роторе меняются на противоположные.Электромагнитный момент также меняет знак и становится тормозящим.Для описания электромеханических процессов в асинхронной машине обычно пользуются понятием скольжения s.

Оно равно разности скоростей или частот вращения магнитного поля ( )и ротора ( ) отнесенной к скорости или частоте вращения магнитного поля . Отсюда скорость или частоту вращения можно выразить через скольжение .Скорость или частоту вращения магнитного поля называют также синхронной скоростью или частотой.Основной магнитный поток и потоки рассеяния. Индуктивные сопротивленияВ обмотке ротора протекают токи, наводимые ЭДС индукции.

Они формируют собственное поле ротора вращающееся относительно тела ротора с частотой скольжения .Таким образом, поле ротора участвует в двух вращательных движениях – движении относительно тела тора и вместе с ним относительно статора с частотой . Следовательно, частота вращения поля ротора равна , т. е.

поле ротора вращается в пространстве с такой же частотой, что и поле статора. Поэтому эти поля неподвижны друг относительно друга и образуют единое поле машины. Основная часть магнитного потока поля охватывает обмотки статора и ротора, пересекая воздушный зазор .Эта часть называется основным магнитным потоком Ф.

Две другие части сцепляются только с одной из обмоток и образуют соответствующие потоки рассеяния и . Потоки рассеяния формируют в обмотках ЭДС рассеяния или ЭДС самоиндукции, которые можно представить через токи обмоток и соответствующие индуктивности рассеяния с учетом того, что токи в обмотках статора и ротора имеют разную частоту ( и ): и , где и – индуктивные сопротивления рассеяния при частоте статора.Электродвижущие силы обмотокВращающееся магнитное поле пересекает витки обмотки статора и наводит в них ЭДС.По аналогии с трансформатором можно написать , где – обмоточный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности обмотки статора (укорочение шага, распределение обмотки по пазам, скос пазов). В трансформаторах картина магнитного поля более простая, т.

к. основной магнитный поток охватывает практически все витки обмотки и введение обмоточного коэффициента не требуется.Обмотка ротора пересекается основным магнитным потоком с частотой . Отсюда ЭДС обмотки – , где – ЭДС обмотки ротора при частоте статора , т.

е. при неподвижном роторе.Магнитодвижущие силы и токи статора и ротораОптимальное преобразование энергии в асинхронной машине возможно при условии, что магнитодвижущие силы (МДС) обмоток распределены вдоль окружности зазора по синусоидальному закону. Однако обмотки статора представляют собой катушки, создающие МДС с распределением близким к прямоугольному.

Поэтому их разделяют на секции и раскладывают вдоль зазора в соседние пазы.В результате МДС приобретает распределение близкое к синусоидальному, но если выделить основную пространственную гармонику, которая собственно и требуется для работы машины, то окажется, что расчет МДС по выражению справедливому для сосредоточенной обмотки , где wи I– число витков и ток в обмотке, окажется завышенным. Поэтому для расчета МДС асинхронной машины вводят т. н.

обмоточный коэффициент , учитывающий конструктивные особенности обмоток – распределение вдоль зазора, скос пазов и укорочение шага. В результате введения этого коэффициента реальная распределенная обмотка как бы преобразуется в сосредоточенную обмотку, которая при токе равном току в реальной обмотке создает МДС с синусоидальным распределением, соответствующим МДС основной гармонике реальной обмотки.С учетом сказанного полные МДС, создаваемые всеми обмотками статора и ротора, можно представить в виде, где – число фаз; – число витков; – обмоточные коэфициенты соответственно статора и ротора.Основной магнитный поток машины создается совместным действие МДМ обмоток статора и ротора . Также как в трансформаторе этот поток не зависит от нагрузки машины и определяется только напряжением питающей сети, т.

е. , где – МДС статора в режиме холостого хода, а – магнитное сопротивление машины. Отсюда, где – ток статора, приведенный к параметрам обмотки ротора, а – коэффициент трансформации токов асинхронной машины.Следует заметить, что число фаз обмотки ротора типа “беличья клетка” равно числу стержней, а число витков 0,5.Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 4707; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫПохожие статьи:

Источники:

• electrono.ru
• fazaa.ru
• studfiles.net
• poznayka.org