- •Часть 1
- •Предисловие
- •Введение
- •Основные физические законы функционирования электрических машин
- •Общие вопросы машин постоянного тока
- •2.1. Принцип действия машин постоянного тока
- •2.2. Конструкция машин постоянного тока
- •2.3. Обмотки якоря машин постоянного тока
- •2.3.1. Принципы реализации обмотки якоря и основные понятия
- •2.3.2. Простая петлевая обмотка
- •2.3.3. Простая волновая обмотка
- •2.3.4. Сложная волновая обмотка
- •2.3.5. Сложноволновая обмотка
- •2.4. Эквипотенциальные соединения обмоток якоря
- •2.5. Способы создания магнитного поля или способы возбуждения машин постоянного тока
- •2.6. Эдс якорной обмотки машин постоянного тока
- •2.7. Механический момент на валу машины постоянного тока
- •2.8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей в режиме холостого хода
- •2.9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока. Реакция якоря
- •2.10. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока
- •Двигатели постоянного тока
- •3.1. Принцип действия двигателей постоянного тока
- •3.2. Основные уравнения двигателя постоянного тока
- •3.3. Потери и коэффициент полезного действия двигателей постоянного тока
- •3.4. Характеристики двигателей постоянного тока
- •3.4.1. Характеристики двигателей с независимым и параллельным возбуждением
- •3.4.2. Характеристики двигателей с последовательным возбуждением
- •3.4.3. Характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения
- •3.5. Пуск двигателей постоянного тока
- •3.6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
- •3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением
- •3.6.2. Регулирование частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением
- •Генераторы постоянного тока
- •4.1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
- •4.2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока
- •4.3. Основные характеристики генераторов постоянного тока
- •4.4. Характеристики генератора с независимым возбуждением
- •4.4.1. Характеристика холостого хода
- •4.4.2. Нагрузочная характеристика генератора
- •4.4.3. Внешняя характеристика
- •4.4.4. Регулировочная характеристика
- •4.4.5. Характеристика полного падения напряжения
- •4.5. Рабочая точка нагруженного генератора
- •4.6. Характеристики генератора с параллельным возбуждением
- •4.6.1. Условия самовозбуждения генераторов
- •4.6.2. Характеристика холостого хода
- •4.6.3. Нагрузочная характеристика
- •4.6.4. Внешняя и регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением
- •4.7. Генераторы с последовательным возбуждением
- •4.8. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением
- •4.9. Использование генераторов постоянного тока
- •4.10. Параллельная работа генераторов
- •Трансформаторы
- •5.1. Принцип действия трансформаторов
- •5.2. Конструкция однофазных трансформаторов
- •5.3. Потери электрической энергии в трансформаторе и коэффициент полезного действия трансформатора
- •5.4. Режим холостого хода трансформатора
- •5.5. Работа трансформатора в режиме нагрузки
- •5.6. Приведенный трансформатор и его схема замещения
- •5.7. Экспериментальное определение параметров трансформатора
- •5.8. Изменение выходного напряжения трансформатора при изменении тока нагрузки. Внешняя характеристика трансформатора
- •5.9. Внешняя характеристика трансформаторов
- •5.10. Трехфазные трансформаторы. Принцип действия трехфазных трансформаторов
- •5.11. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов
- •5.12. Специальные трансформаторы
- •5.12.1. Автотрансформаторы
- •5.12.2. Измерительные трансформаторы
- •5.13. Параллельная работа трансформаторов
- •Асинхронные машины
- •6.1. Магнитные поля асинхронных двигателей. Вращающееся магнитное поле
- •6.2. Эллиптические и пульсирующие магнитные поля
- •6.3. Принцип действия асинхронного двигателя
- •6.4. Конструкция асинхронного двигателя
- •6.5. Обмотки асинхронных машин
- •6.6. Электродвижущие силы статорной и роторной обмоток
- •6.7. Магнитный поток асинхронных машин
- •6.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя
- •6.9. Электрическая схема замещения асинхронного двигателя
- •6.10. Энергетические процессы асинхронной машины
- •6.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
- •6.12. Общее уравнение вращающего момента асинхронной машины
- •6.13. Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя
- •6.14. Формула Клосса
- •6.15. Эквивалентная схема замещения асинхронной машины с намагничивающей цепью, приведенной к сетевым зажимам
- •6.16. Круговая диаграмма асинхронной машины. Построение диаграммы
- •6.17. Анализ круговой диаграммы
- •6.18. Пуск трехфазных асинхронных двигателей
- •6.19. Пуск двигателей с фазным ротором
- •6.20. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором
- •6.21. Двигатели со специальной роторной обмоткой и улучшенными пусковыми характеристиками
- •6.22. Способы регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя
- •6.22.1. Изменение частоты вращения с помощью изменения числа пар полюсов
- •6.22.2. Изменение частоты вращения двигателя изменением частоты сети
- •6.22.3. Регулирование частоты вращения ротора асинхронных двигателей изменением сопротивления роторной цепи
- •6.23. Рабочие характеристики асинхронных двигателей
- •Зависимость скорости вращения ротора двигателя от выходной мощности
- •Зависимость механического момента на валу двигателя от выходной мощности
- •Зависимость кпд двигателя от выходной мощности
- •Зависимость коэффициента потребляемой мощности от нагрузки (рис. 6.59)
- •Зависимость потребляемой двигателем мощности от выходной мощности
- •Зависимость скольжения двигателя от выходной мощности
- •6.24. Работа асинхронного двигателя в различных режимах
- •6.25. Работа асинхронной машины с фазным ротором в режиме регулятора трехфазного напряжения
- •6.26. Однофазные асинхронные двигатели
- •6.27. Маркировка выводов асинхронного двигателя
- •Синхронные генераторы
- •7.1. Принцип действия синхронных машин
- •7.2. Конструкция синхронной машины
- •7.3. Режим холостого хода генератора
- •7.4. Реакция якоря синхронной машины
- •7.4.1. Физическая природа реакций якоря
- •7.4.2. Реакция якоря в неявнополюсной машине
- •7.4.3. Реакция якоря в явнополюсной машине. Теория двух реакций
- •7.5. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора
- •7.5.1. Диаграмма электродвижущих и намагничивающих сил трехфазных синхронных генераторов с неявно выраженными полюсами
- •7.5.2. Векторная диаграмма эдс трехфазного синхронного генератора с явно выраженными полюсами (диаграмма Блонделя)
- •7.6. Изменение напряжения на выходе синхронного генератора
- •7.6.1. Синхронное сопротивление
- •7.6.2. Изменение напряжения на выходе генератора при изменении нагрузки
- •7.7. Основные характеристики синхронного генератора
- •7.7.1. Характеристика холостого хода
- •7.7.2. Характеристика короткого замыкания
- •7.7.3. Нагрузочная характеристика
- •7.7.4. Внешние характеристики
- •7.7.5. Регулировочные характеристики генератора
- •7.8. Включение в сеть трехфазных генераторов или параллельная работа генераторов переменного тока
- •7.9. Угловые характеристики синхронных генераторов
- •7.10. Мощность синхронизации и момент синхронизации
- •7.11. Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного генератора
- •7.12. Потери энергии и коэффициент полезного действия синхронного генератора
- •Синхронные двигатели
- •8.1. Принцип действия синхронных двигателей
- •8.2. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя
- •8.3. Мощность и механический момент синхронного двигателя
- •8.5. Характеристики синхронного двигателя
- •8.6. Методы пуска синхронных двигателей
- •8.7. Синхронные компенсаторы
- •8.8. Способы возбуждения синхронных машин
- •Заключение
- •Список литературы
- •Оглавление
- •440026, Пенза, Красная, 40.
Асинхронные машины
6.1. Магнитные поля асинхронных двигателей. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия асинхронных двигателей базируется на взаимодействии вращающегося магнитного поля и короткозамкнутых обмоток или элементов, приравненных к ним. Поэтому проблема получения вращающегося поля в магнитной системе машины является основной. В большинстве случаев для получения вращающегося магнитного поля используется трехфазная система источников питания, которая и получила широкое распространение. Но не следует забывать о том, что существуют и другие способы получения магнитных полей, близких к вращающимся магнитным полям. Что же такое идеальное вращающееся магнитное поле?
Рис. 6.1
Магнитная индукция поля в любой точке постоянного магнита, как и величина магнитного потока магнитопровода остаются неизменными, но направление этих величин изменяется в соответствии с законом вращения этого магнита.
Способы получения вращающегося магнитного поля различны. Наиболее простым из них является использование трехфазной системы напряжений, с помощью которой можно достаточно легко получить намагничивающие силы равной величины с фазовым сдвигом, равным трети периода.
Расположим три прямоугольные рамки в пространстве так, чтобы угол между плоскостями, составил 120 (рис. 6.2).
Рис. 6.2
Стороны рамок, параллельные оси OO’, обозначим буквами AX, BY и CZ. Рассмотрим суммарное магнитное поле трех рамок, по которым протекают токи, изменяющиеся во времени по синусоидальному закону, но сдвинутые во времени на треть периода. Индексы токов выберем в соответствии с обозначением, принятым в трехфазной системе напряжений.
Эти токи, как было уже сказано, изменяются во времени по законам синуса, т. е.
, , .
Условимся под положительным направлением токов понимать такое направление токов рамок, когда в сторонах A, B, C ток идет от читателя, а в сторонах X, Y, Z к читателю. Временная диаграмма токов представлена на рис. 6.3.
Рис. 6.3
В дальнейших рассуждениях будем считать, что магнитный поток рамки пропорционален току этой рамки, а его направление определяется известным правилом буравчика. Магнитные потоки рамок будем представлять векторами, перпендикулярными плоскостям рамок. Длины векторов пропорциональны мгновенным значениям магнитных потоков рамок.
Мгновенные значения потоков рамок могут быть найдены из формул
, , .
Определим магнитный поток системы рамок, питаемых трехфазной системой токов.
В момент времени t = 0 ток фазы A равен нулю, ток фазы B имеет отрицательное направление, ток фазы C положителен.
Магнитный поток рамки A равен нулю, магнитный поток рамки B . Его абсолютное значение .
Магнитный поток фазы C . Его абсолютное значение .
Результирующий магнитный поток
,
его направление показано на рис. 6.4, a.
а б в
Рис. 6.4
Рассмотрим магнитный поток рамок в момент времени t = t1 (рис. 6.4, б).
В этот момент времени ток рамки A положительный, ток рам-ки B отрицательный и ток фазы C положительный.
Фаза токов увеличилась на 30 . Магнитные потоки рамок
Магнитные потоки рамок представлены векторами на рис. 6.4, б. Суммарный магнитный поток = . Таким образом, магнитный поток в момент времени t = t1 остался таким же, каким он был в момент времени t = 0, однако его направление изменилось, т. е. он повернулся в пространстве на 30 .
В момент времени t = t2, соответствующий изменению фазы токов на 60 (рис. 6.4, в), ток рамки A положительный, ток фазы C равен нулю и ток фазы B отрицательный, что отражено на рис. 6.4, в знаками (+) и () на сечении проводников рамок.
Длина векторов магнитных потоков определяется с помощью формул
,
,
.
Длина суммарного магнитного потока + .
Как и в предыдущие моменты времени, суммарный магнитный поток сохранил свою величину. Направление вектора этого потока изменилось на 60 .
Очевидным является то, что за время, равное периоду, магнитное поле рамок, сохраняя свою конфигурацию и интенсивность, повернется в пространстве на 360 градусов или сделает полный оборот.
Если частота питающих токов будет равна 50 герцам, то за одну секунду поле сделает 50 оборотов, а за минуту 3000 оборотов.
Магнитное поле трех рамок, питаемых трехфазной системой токов, представленное магнитными силовыми линиями, изображено на рис. 6.5, a. Такое поле называют двухполюсным.
Расположим шесть рамок в пространстве так, как это изображено на рис. 6.5, б. В данном случае обмотка каждой фазы состоит из двух рамок. При этом рамки одной фазы расположены соосно и создают магнитные потоки противоположного направления.
а б
Рис. 6.5
Направление токов в рамках в момент времени t1 в соответствии с временной диаграммой токов (см. рис. 6.4) представлено соответствующими символами (+) и () на рис. 6.5,б. Результирующее магнитное поле представлено силовыми линиями. Такое магнитное поле называется четырехполюсным. Не составляет труда показать, что за один период колебаний токов магнитное поле в этом случае повернется не на 360 в пространстве, а на 180 и за одну минуту такое поле будет совершать 1500 оборотов.
Таким образом, изменяя конфигурацию обмоток, образующих магнитное поле, можно изменять ее частоту вращения. В общем случае частота вращения магнитного поля прямо пропорциональна частоте питающих токов и обратно пропорциональна числу пар полюсов этого поля, т. е. , где n1 – частота вращения поля в оборотах в минуту, f – частота тока, герц, p – число пар полюсов поля.
Для изменения частоты вращения магнитного поля можно изменить частоту питающего напряжения. Это наиболее очевидное решение вопроса изменения частоты вращения магнитного поля, которое связано с необходимостью создания специального источника трехфазного напряжения регулируемой частоты. Другим способом изменения частоты вращения поля является укладка в пазы статора такой обмотки, которая создала бы число пар полюсов больше одной. Тогда за один период изменения питающего напряжения поле повернется не на 360 в пространстве, а на 180, 120, 90 в зависимости от количества периодов укладки обмотки по окружности воздушного зазора машины. Поэтому частота вращения магнитного поля машины в этом случае определяется формулой (об/мин), где p – число пар полюсов машины или число периодов укладки обмотки в пазах статора.
Магнитное поле асинхронных двигателей, работающих в реальных условиях, не всегда является круговым вращающимся, т. е. таким, когда величина магнитного потока одного полюса результирующего поля не зависит от времени. В ряде случаев используется пульсирующее магнитное поле. Такое магнитное поле может быть образовано однофазной обмоткой, расположенной на статоре и питаемой источником однофазного синусоидального тока. На рис. 6.6 и 6.7, a представлен пример расположения однофазной обмотки на статоре, образующей поле с одной парой полюсов, и на рис. 6.7, б схема расположения проводников однофазной обмотки, образующей две пары полюсов. И в том, и в другом случае магнитное поле будет пульсирующим.
а б
Рис. 6.6 Рис. 6.7
Круговое вращающееся магнитное поле может быть получено с помощью двухфазной системы токов, т. е. токов, сдвинутых по фазе на четверть периода.
Рассмотрим магнитное поле двух рамок с токами, изменяющимися во времени по косинусному закону и расположенными в пространстве под 90 , как это показано на рис 6.6.
Ток рамки AX .
Ток рамки BY .
Пусть ток рамки AX сдвинут по фазе относительно тока рам- ки BY на четверть периода. Мгновенные значения магнитных потоков рамок пропорциональны соответствующим токам, поэтому
и .
Представим потоки рамок в векторной форме, совместив плоскость поперечного сечения рамок с комплексной плоскостью так, что действительная ось будет расположена в плоскости рамки AX, а мнимая в плоскости рамки BY, как показано на рис. 6.6.
Вектор суммарного магнитного потока определится в этом случае из уравнения
или
.
Модуль вектора магнитного потока
.
Аргумент вектора t, определяющий его направление на комплексной плоскости, совпадает с его направлением в пространстве
или = .
Очевидно то, что величина магнитного потока остается постоянной, а его направление определяется углом е = t. Частота вращения полученного магнитного поля в пространстве равна угловой частоте питающих токов. Другими словами, магнитное поле двух рамок, расположенных в пространстве под 90 и питаемых токами с фазовым сдвигом в четверть периода, является круговым вращающимся полем.