Cтраница 1
Вращающееся магнитное поле статора, пересекая тело якоря, наводит в нем вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов в якоре с магнитным полем статора создает вращающий момент, приводящий во вращение якорь. Если нагрузка на оси якоря отсутствует, то скорость вращения якоря со будет равна скорости вращения coc магнитного поля.
В момент 7 ток соответствует мгновенному 1, когда поле снова распространяется вниз и вправо. Таким образом, полное вращение двухполюсного поля было выполнено через один полный цикл из 360 электрических степеней трехфазных токов, протекающих через обмотки статора.
Термин «полюс» должен учитывать термины, используемые в главе 2 о магнетизме. Следующее определение полюса двигателя дает ему практическое значение применения: полюс двигателя представляет собой завершенную схему обмотки статора двигателя, которая при возбуждении током будет создавать концентрацию магнитного поля или полярность.
Вращающееся магнитное поле статора одновременно пересекает обмотки статора и ротора и возбуждает в них синусоидальные ЭДС индукции.
Как образуется вращающееся магнитное поле статора.
Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора стремятся пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением.
Рассмотрим характеристики вращающегося магнитного поля статора, полагая, что цепь ротора разомкнута.
Скорость вращающегося поля статора называется синхронной скоростью. Синхронная скорость зависит от двух факторов. Число полюсов. - Частота источника питания. Синхронная скорость, в свою очередь, определяет скорость вращения ротора двигателя. Как и при скорости генератора первичного двигателя, частота вращения и частота вращения ротора напрямую связаны между собой. Количество полюсов в двигателе определяет, насколько быстро вращающееся поле будет перемещаться по внутренней периферии корпуса двигателя с заданной частотой.
Чем больше полюсов имеет двигатель, тем дольше требуется активировать все наборы полюсов, и чем медленнее моторное поле будет вращаться на 60 герц. В таблице показана скорость вращающегося поля для источника питания с напряжением 60 герц. Это можно проверить с коммутатора.
Разность между частотой вращающегося магнитного поля статора о и частотой вращения ротора п называется отставанием или скольжением ротора.
При таком включении машины вращающееся магнитное поле статора, взаимодействуя с полем неподвижного ротора, создает момент на валу, знак которого изменяется с частотой 100 Гц. Например, когда к северному полюсу ротора приближается южный полюс статорного поля, создается момент, действующий против направления вращения. При удалении положительного полюса поля статора от северного полюса ротора образуется положительный момент, дающий обратный толчок ротору. Ротор не успевает поворачиваться, так как механическая инерция его слишком велика.
Набор индикаторов указывает последовательность фаз от источника питания. Когда генератор вращается, в арматуре возникает ток. Каждая фаза арматуры становится электрически активной. Порядок, в котором фазы становятся электрически активными, определяет порядок, в котором статор двигателя получает ток. Это изменяет направление вращения вращающегося магнитного поля в статоре.
Когда вращающееся поле в статоре двигателя изменяется в направлении, двигатель направление вращения ротора. Реверсирование выходного сигнала генератора будет также приводить в действие ротор двигателя в противоположном направлении. Реверсируя любые двухфазные провода, как на якоре генератора, так и на клеммах двигателя, последовательность фаз будет изменяться в этой точке. Обращение с любыми двумя выводами в той же точке приведет к восстановлению нормальной последовательности фаз.
Разница между числом оборотов вращающегося магнитного поля статора и числом оборотов ротора характеризуется скольжением.
Разница между числом оборотов вращающегося магнитного поля статора и числом оборотов ротора зависит от скольжения.
Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора называют скольжением. Мощность электрических потерь в роторе асинхронного двигателя пропорциональна скольжению.
Ротор поддерживается подшипниками на каждом конце. Статор освобождается в положении внутри каркаса двигателя. Рама охватывает все компоненты двигателя. Рамка двигателя, помимо прочего, является определяющим фактором при размещении двигателя. Каждый корпус каркаса двигателя имеет определенные характеристики и специальные приложения для судов. Существует семь основных типов корпусов.
В корпусе открытого типа торцевые колокола открыты и обеспечивают максимальную вентиляцию двигателя. Это самый дешевый моторный корпус. В полуограниченном корпусе торцевые колокола открыты, но для предотвращения попадания объектов в двигатель предусмотрены экраны. Нет защиты от воды или жидкостей.
При нахождении ротора во вращающемся магнитном поле статора в нем происходит процесс вращательного перемагничивания активного магнитного материала. Последний же проявляется в отставании вектора магнитной индукции Вр от вектора напряженности поля Н в какой-либо точке материала на некоторый пространственный угол аг. Величина этого угла и потерь на гистерезис за цикл, как указывалось, не зависят от частоты перемагничивания.
В защищенном корпусе экраны и ограждения существуют над любым отверстием в корпусе двигателя. Для ограничения доступа к живым и вращающимся компонентам в корпусе двигателя предусмотрены ограниченные отверстия. В герметичном корпусе концевые колокола закрыты, чтобы жидкость не попала в корпус под углом не более 15 градусов от вертикали.
В защищенном от брызг корпусе отверстия двигателя сконструированы для предотвращения попадания капель жидкости или твердых частиц в двигатель под любым углом не более 100 градусов от вертикали. Водонепроницаемый корпус предотвращает попадание влаги или воды в двигатель и препятствует его успешной работе.
При нахождении ротора во вращающемся магнитном поле статора в нем происходит процесс вращательного перемагничивания активного магнитного материала. Последний же проявляется в отставании вектора магнитной индукции Вр от вектора напряженности поля Я в какой-либо точке материала на некоторый пространственный угол аг. Величина этого угла и потерь на гистерезис за цикл, как указывалось, не зависит от частоты перемагничивания.
Водонепроницаемый корпус предотвращает попадание потока воды из шланга в любом направлении от входа в двигатель в течение не менее 15 минут. Электрооборудование, подверженное воздействию погоды или в пространстве, где оно подвергается воздействию морей, брызг или аналогичных условий, должно быть водонепроницаемым или в водонепроницаемом корпусе. Электродвигатели, однако, должны быть либо водонепроницаемыми, либо водонепроницаемыми.
Статор двигателя представляет собой неподвижную обмотку, прикрепленную болтами к внутренней части корпуса двигателя. Обмотки статора имеют очень низкое сопротивление. Каждая машина имеет стационарную проводную обмотку, изолированную по всей длине, чтобы предотвратить шорты от поворота к повороту. Обмотка также изолирована от рамы. Обмотка статора двигателя идентична якорю генератора, которая имеет такое же количество полюсов. Каждая обмотка перекрывается и электрически и механически разнесена на 120 градусов.
С помощью этих обмоток создается вращающееся магнитное поле статора, которое увлекает за собой ротор электродвигателя. Если обе обмотки питаются от одной сети, то обмотку возбуждения включают через конденсатор С.
В двигателе использован принцип взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с многополюсным постоянным магнитом подвижного ротора. Для определения расположения осей магнита ротора относительно обмоток статора и управления схемой коммутатора применены три фотоэлектрических датчика положения ротора. Источником света датчиков является лампочка EL1, свет которой через щели диафрагмы ротора поочередно поступает на фотодиоды платы коммутатора.
На приведенном выше рисунке показан вид сверху неподвижных обмоток. Каждая из трехфазных обмоток делится на множество дополнительных катушек, равномерно распределенных по всему статору. Это равномерное распределение позволяет более эффективно использовать магнитные поля, которые будут развиваться внутри обмоток статора при наличии тока. Это также обеспечивает более ровный крутящий момент для ротора.
Ротор выглядит как сплошной цилиндр, поддерживаемый на каждом конце подшипниками. При ближайшем рассмотрении вы можете увидеть тонкие стержни, встроенные в ламинированный цилиндр под углом, почти параллельным валу ротора. На каждом конце цилиндрического сердечника ротора имеются замыкающие кольца. Каждый конец стержня соединен с замыкающими кольцами. Эти роторные обмотки аналогичны по конструкции амортизаторам или демпферным обмоткам, обнаруженным в генераторе.
Особенностью многофазных систем является возможность создать в механически неподвижном устройстве вращающееся магнитное поле.
Катушка, подключенная к источнику переменного тока, образует пульсирующее магнитное поле, т.е. магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению.
Возьмем цилиндр с внутренним диаметром D. На поверхности цилиндра разместим три катушки, пространственно смещенные относительно друг друга на 120 o . Катушки подключим к источнику трехфазного напряжения (рис. 12.1). На рис. 12.2 показан график изменения мгновенных токов, образующих трехфазную систему.
Эти короткозамкнутые роторные стержни становятся вторичными трансформаторами. Штанги ротора и замыкающие кольца завершают цепь, и в этих полосах ротора устанавливается ток. Помните, всякий раз, когда устанавливается ток, так что это магнитное поле. Поскольку это магнитное поле является свойством индукции и индукции, выступает против того, что его создает, полюс магнитного поля в роторе имеет противоположную полярность полюса поля статора, который его генерировал. Применяются принципы магнетизма, а полярность ротора притягивается к противоположной полярности статора.
Каждая из катушек создает пульсирующее магнитное поле. Магнитные поля катушек, взаимодействуя друг с другом, образуют результирующее вращающееся магнитное поле, характеризующееся вектором результирующей магнитной индукции
На рис. 12.3 изображены векторы магнитной индукции каждой фазы и результирующий вектор построенные для трех моментов времени t1, t2, t3. Положительные направления осей катушек обозначены +1, +2, +3.
Вращающееся поле статора, в действительности вращающаяся магнитная полярность, тянет и толкает первоначально установленное поле ротора в роторе. Вытягивание и толкание приводит к крутящему моменту, и ротор двигателя поворачивается. Слова, часто используемые для описания сплошных обмоток стержней, обнаруженных в роторе асинхронного двигателя, представляют собой «короткозамкнутые стержни». Короткое замыкание - это очень низкая ситуация сопротивления, которая имеет очень мало ограничений в уменьшении тока.
Условие короткого замыкания может иметь разрушительные последствия для всей электрической среды. Штанги ротора рассчитаны на очень низкое сопротивление для получения определенных рабочих характеристик двигателя. Сами роторы не являются полностью причиной короткого замыкания. Большой пуск тока двигателя инициируется из-за относительного движения между обмоткой стационарного ротора и полем вращающегося статора. Это часть максимального тока, который двигатель будет извлекать из системы распределения.
В момент t = t 1 ток и магнитная индукция в катушке А-Х положительны и максимальны, в катушках В-Y и C-Z - одинаковы и отрицательны. Вектор результирующей магнитной индукции равен геометрической сумме векторов магнитных индукций катушек и совпадает с осью катушки А-Х. В момент t = t 2 токи в катушках А-Х и С-Z одинаковы по величине и противоположны по направлению. Ток в фазе В равен нулю. Результирующий вектор магнитной индукции повернулся по часовой стрелке на 30 o . В момент t = t 3 токи в катушках А-Х и В-Y одинаковы по величине и положительны, ток в фазе C-Z максимален и отрицателен, вектор результирующего магнитного поля размещается в отрицательном направлении оси катушки С-Z. За период переменного тока вектор результирующего магнитного поля повернется на 360 o .
При увеличении скорости ротора резкость будет резко снижена. Вскоре после подачи питания на двигатель ток уменьшается до 10 процентов. Как только двигатель работает с нормальной скоростью, поддерживается ток полной нагрузки, указанный на табличке с данными. Механическая перегрузка двигателя замедляет ротор и увеличивает ток. Это увеличение тока, независимо от того, как мало, что приводит к нагреву, достаточному для разрушения двигателей.
Если ротор может вращаться с синхронной скоростью, то между магнитным полем статора и полосами проводников ротора не будет никакого относительного движения. Это закончило бы индукционный процесс в роторе, и ротор потерял бы свое магнитное поле. Это невозможно с асинхронным двигателем. Если скорость ротора равна синхронной скорости, ротор остановится. Скорость вращения ротора будет поддерживаться где-то ниже синхронной скорости. Слип - это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью вращения ротора.
Частота вращения магнитного поля или синхронная частота вращения
(12.1)
где P- число пар полюсов.
Катушки, изображенные на рис. 12.1, создают двухполюсное магнитное поле, с числом полюсов 2Р = 2. Частота вращения поля равна 3000 об/мин.
Чтобы получить четырехполюсное магнитное поле, необходимо внутри цилиндра поместить шесть катушек, по две на каждую фазу. Тогда, согласно формуле (12.1), магнитное поле будет вращаться в два раза медленней, с n 1 = 1500 об/мин.
Чтобы получить вращающееся магнитное поле, необходимо выполнить два условия.
Скольжение чаще выражается в процентах. Асинхронный двигатель всегда будет иметь разницу в скорости между ротором и полем статора. Без этого различия не было бы никакого относительного движения между полем и ротором и индукционным или магнитным полем в роторе.
Ротор и, следовательно, скорость двигателя определяется количеством полюсов, частотой и процентом скольжения. Сопротивление в роторе определяет сравнительную легкость, с которой устанавливается магнитное поле в роторе. Пусковой ток, скольжение и крутящий момент двигателя изменяются сопротивлением ротора. Развивая двигатель с высоким сопротивлением ротора, развивается более крупное скольжение, потому что магнитное поле ротора не может развиваться очень быстро. Поэтапная последовательность событий изображает действия между статором и ротором в относительно высоком асинхронном двигателе с сопротивлением ротора.
1. Иметь хотя бы две пространственно смещенные катушки.
2. Подключить к катушкам несовпадающие по фазе токи.
12.2. Асинхронные двигатели.
Конструкция, принцип действия
Асинхронный двигатель имеет неподвижную
часть, именуемую статором
, и вращающуюся
часть, называемую ротором
. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 12.4.
Высокое сопротивление ротора предотвращает быстрое создание магнитного поля ротора. Неспособность ротора быстро создавать магнитное поле не позволяет быстро увеличить скорость вращения ротора. Поскольку ротор не быстро увеличивается с увеличением скорости, между вращающимся полем статора и медленным ротором существует более высокое относительное движение.
Увеличенный ток увеличивает магнитное поле ротора. Увеличенное магнитное поле увеличивает магнитное притяжение ротора к вращающемуся полюсу статора. Ротор развивает больший крутящий момент для работы с более тяжелыми нагрузками. Однако дополнительный крутящий момент не возникает без каких-либо осложнений. Увеличение крутящего момента означает повышенную текущую потребность в распределительной системе. Также наблюдается увеличение скольжения при полной нагрузке. Более высокие сопротивления роторов неприемлемы для всех применений.
Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n 1 .
В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке.
Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки.
Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 12.4.
Это является причиной многих конструкций роторов. Сопротивление ротора определяется Национальной ассоциацией производителей электрооборудования и обозначается по дизайну. Магнитные подшипники, уже используемые в нефтегазовой промышленности, энергетике, полупроводниковой и станкостроительной промышленности во многих сложных приложениях, обладают значительным потенциалом для более эффективных решений по очистке сточных вод.
Номинальная выходная мощность этих двигателей составляет от 75 кВт до 350 кВт при скоростях до 000 мин. Безмасляные высокопроизводительные двигатели имеют различные функции для увеличения мощности воздуходувки. Магнитные подшипники обладают мощными возможностями мониторинга и диагностики, которые помогают клиентам выявлять потенциальные проблемы и предотвращать отказ оборудования.
Рис. 12.4
Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n 2 в направлении вращения поля статора.
Ротор вращается асинхронно т.е частота вращения его n 2 меньше частоты вращения поля статора n 1 .
Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением.
Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом М эм = М 2 .
С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.
Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n 2 приблизительно равна синхронной частоте n 1 . Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n 2 > n 1 . Скольжение асинхронного генератора. 
Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f 1 и числом пар полюсов статора. При частоте f 1 = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.
Асинхронная машина с заторможенным ротором работает как трансформатор. Основной магнитный поток индуктирует в статорной и в неподвижной роторной обмотках ЭДС Е 1 и Е 2к.
где Ф m - максимальное значение основного магнитного потока, сцепленного со
статорной и роторной обмотками;
W 1 и W 2 - числа витков статорной и роторной обмоток;
f 1 - частота напряжения в сети;
K 01 и K 02 - обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.
Чтобы получить более благоприятное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, статорные и роторные обмотки не сосредоточивают в пределах одного полюса, а распределяют по окружностям статора и ротора. ЭДС распределенной обмотки меньше ЭДС сосредоточенной обмотки
