Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Электропитание устройств связи

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

20.11.2023

Размер:

19.61 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 336 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Глава третья.

Асинхронные машины

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую или электрическую в механическую. Машина, пре образующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механи ческую осуществляется двигателями. Электрические машины мо гут быть использованы как в качестве генератора, так и в качест ве двигателя. Свойство элекгрической машины изменять свои пре образующие функции называется обратимостью машины.

В зависимости от рода тока, в цепи которого работает элект* рическая машина, они делятся на машины постоянного и перемен


ного тока. Последние могут быть							/1
как однофазными, так				и много
фазными.	Наиболее		широко			в	i 11 .	F,
промышленности			применяются				F*m
							\ V
трехфазные		синхронные		и	асин		тп V 7777777777777777Y ' ' ' ' ' ' ' / г	/
хронные машины. В электроуста							S	?
новках предприятий			связи		син			А
							Рис. 3.1. К принципу действия элект
хронные	машины применяются					в
основном	в	качестве	генераторов				рической машины
трехфазного		переменного тока,				а

асинхронные машины — в качестве двигателей. Машины постоян ного тока в электроустановках предприятий связи в основном при меняются в качестве двигателей.

Действие электрических машин основано на использовании законов электродинамики. Если в магнитном поле постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 3.1) поместить проводник и под действием какой-либо силы Fi перемещать его, то в нем воз

никает ЭДС, равная

	е = В /о sin а = Blv,
где В — магнитная	индукция в	месте, где находится проводник;
I — активная длина	проводника	(та его часть, которая находится
в магнитном поле);	v — скорость перемещения проводника в маг

нитном поле; а — угол между векторами максимума магнитной индукции и скорости перемещения проводника (в рассматривае мом случае sin а = 1).

Направление ЭДС, индуцируемой в проводнике, определяется по правилу правой руки.


Если этот проводник включить в замкнутую цепь,		то под дей
ствием ЭДС	потечет ток. В результате взаимодействия		тока i в
проводнике с	магнитным полем полюсов возникает	электромаг
нитная сила	направление которой определяется		по пра

вилу левой руки, т. е. эта сила будет направлена встречно силе Fu

переметающей проводник в магнитном	поле. При равенстве сил
Fi = F ■фпроводник будет перемещаться	с постоянной скоростью.

Следовательно, в такой простейшей электрической машине механи ческая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, пре образуется в электрическую энергию, которая отдается сопротив лению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генера тором.

Та же простейшая электрическая машина может работать дви гателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов возникает элект

ромагнитная сила /> , под	действием	которой	проводник начнет
перемещаться в магнитном	поле, преодолевая		силу торможения
какого-либо механического	приемника	энергии.	Таким обр.азом,

рассмотренная простейшая машина обратима и может работать как генератором, так и двшателем. В электрических машинах об мотки имеют большое число проводников, которые соединяются между собой так чтобы ЭДС в них и'м^ли одинаковое . направ ление.

Если виток проводника (рис. 3.2) вращать в магнитном поле, то в нем индуцируется ЭДС. Стороны витка аа' и bbr пересекают

линии магнитного поля (в них	индуктируется ЭДС)	и поэтому
они называются активными, т.	е участвующими в	процессе пре

образования энергии. Части витка а'Ь' и аЬ, называемые лобовы

ми .соединениями, не пересекают магнитных линий поля, и в них ЭДС не возникает. Для получения возможно большей ЭДС в витке активные стороны его должны находиться на расстоянии полюсного деления т (расстояние между центрами разноименных полюсов), т. е. под полюсами различной полярности.

Если активные стороны витка поместить под одним полюсом (или под полюсами одинаковой полярности), то ЭДС, индуцируе мые в них, будут иметь одинаковое направление и при обходе витка направлены встречно, т. е. ЭДС в витке будет мала (или равна нулю).

При соединении концов витка с двумя контактными кольцами

К\ и Кг, жестко укрепленными	на валу машины и изолированны
ми кйк от вала, так и друг от Друга, на . неподвижных		щетках
Щу и Щг, соприкасающихся с	кольцами. ‘ получим ЭДС,	равную

ЭДС в витке. Если магнитное поле в пространстве распределено

равномерно, то ЭДС в витке и на щетках будет изменяться вовремени синусоидально. Такая же ЭДС будет индуцирована в не подвижном витке при вращении полюсов постоянных магнитов* или электромагнитов, что широко используется в синхронных ма шинах

Рис 3 2 и 3 3 Виток, вращающийся в маг нитном поле, р —1 для рис. 32, р=2для рис. 33

При .одной паре полюсов	(р = 1), т» е. - при двух	полюсах
(2д = 2) один, оборот витка	в пространстве-соответствует	одному

периоду изменения,ЭДС* Поэтому при-вращении ви®ка с числом

оборотов; ц ,в минуту частота индуцируемой	ЭДС. будет	60.
Поворот вцтка в,дространствеотносительно	.начального положе
ния можно характеризовать уряом aVp в пространственных		.гра
дусах или радианах. Такой поворот-витка	вызывает изменение,

фазы индуцируемой ЭДС, которую можно выразить углом а0эл в-

электрических градусах идшрадианах При	1а°эл=	а°пр-
Если виток находится в магнитном поле четырех		полюсов,(рис.

3.3-), т. е. 2р = 4 или р = 2-, то при его вращении в нем индуцирует ся неременная ЭДС, которая за один оборот витка в пространстве

дважды	изменяется. Тогда частота индуцируемой ЭДС составит
/= 2л /60	и а°эл = 2а°пр. Лри дальнейшем увеличении числа полю

сов будет увеличиваться частота ЭДС витка (при неизменной ско рости) и электрический угол аол, определяющий фазу ЭДС. Если магнитная цепь машиныимеет р- пар полюсов, то частота ЭДС f —pti/60 и а°эл= р«°пр.

.Таким образом, частота индуцируемой ЭДС зависит от скоро сти вращения витка и для получения ЭДС постоянной частоты не обходимо постоянство скорости вращения. Поэтому генераторы, работают всегда с постоянной скоростью вращения ротора.

По способу защиты от влияния внешней среды различают сле дую щ ие ,варианты исполнения электрических машин: открытое»

защищенное, брызгозащищ’енное, водозащищенное, герметическое и взрывобезопасное.

Открытой считается машина, у которой вращающиеся и токоведущие части не имеют защитных приспособлений.

Взащищенной машине есть специальные защитные приспособ ления, препятствующие проникновению в машину посторонних предметов, а также защищающие or случайных прикосновений к токоведущим или вращающимся частям.

Вбрызгонепроницаемой машине имеются специальные защит ные приспособления, предохраняющие от проникновения капель воды, падающих сверху и под углом до 45° к вертикали.

Водозащищенной считается машина, закрытая со всех сторон (негерметически плотно) и выдерживающая испытание обливани ем струей воды.

Вгерметической машине плотно закрытый корпус не допускает проникновения влаги в машину при полном погружении ее в воду.

Взрывобезопасная машина должна противостоять взрывам га за внутри машины и не передавать его во внешнюю среду.

По способу охлаждения машины также делятся на несколько типов.

Машины с естественным охлаждением не имеют никаких спе циальных приспособлений для охлаждения. Отвод тепла в них мало интенсивен и такие машины выполняются на очень малые мощности (до десятков Вт).

Вмашинах с самовентиляцией на валу помещается вентилятор, который при вращении всасывает или нагнетает в машину воз дух и прогоняет его через внутреннюю полость машины. В зави симости от того, в каком направлении движется охлаждающий воздух, различают две основные системы вентиляции: радиальную

иосевую. При радиальной вентиляции воздух перемещается в ра диальном направлении от вала к периферии ротора (вращающая

ся часть машины), через специальные промежутки между пакета ми стальных листов, образующих тело ротора. При осевой венти ляции в стали ротора делают осевые каналы, сквозь которые про гоняется воздух параллельно валу машины.

Радиальная система вентиляции конструктивно проста и на дежна, потерн энергии на вентиляцию в ней минимальны и равно мерность теплоотдачи достаточна. Однако она не компактна и не обеспечивает стабильного потока воздуха. В машинах малой и час тично средней мощности применяется осевая вентиляция, а в ма шинах средней и большой мощности — радиальная.

В машинах с посторонним охлаждением охлаждающий воздух (или водород) прогоняется по трубам внешним вентилятором. Так охлаждают мощные машины (тысячи пли десятки тысяч киловатт или киловольтампер),

3.2.ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Взависимости от назначения, мощности и условий работы ма шины переменного тока применяют катушечные, стержневые и

специальные обмотки. Катушечные обмотки выполняются из изо

лированного медного провода круглого поперечного сечения, стер жневые — из изолированных медных шин прямоугольного попе речного сечения, специальные — из медных или алюминиевых не изолированных стержней. Для надежного крепления обмоток, а также для уменьшения воздушного зазора между статором и ро тором обмотки укладываются в пазы статора и ротора. Пазы штампуются в стальных листах, из которых собираются сердечни ки статора и ротора.

Взависимости от расположения обмоток в пазах они выпол няются однослойными и двухслойными, в зависимости от изготов ления — ручными и шаблонными (последние изготовляются на специальных шаблонах, а затем укладываются в пазы, что умень шает стоимость обмотки), в зависимости от числа пазов на по люс и фазу q — с целым и с дробным числом q.

Вмашинах малой мощности применяются однослойные об мотки. При однослойном расположении активных сторон в пазах лобовые соединения лежат в одной плоскости, т. е. шаблонная)

обмотка не применима. Катушки (рис. 3.4а) выполнены из про-

1 2 1+у 2+у	5)	S) 1 2	1+у 2+У
1 2 1+у 2+у	1 2 1+у 2+у		o r

Рис. 3.4. Обмотки машин переменного тока: а, б) однослойные; в) двухслойные

водников, отстоящих друг от друга на шаг обмотки у, примерно* равный полюсному делению т. Каждая катушка состоит из не скольких, последовательно соединенных витков.

Из рис. 3 4а видно, что при укладке обмотки лобовые соедине ния между проводами 1 и 1 + у, 2 и 2+у и т. д. лежат в одно??

плоскости, и, следовательно, при намотке эти лобовые соединения необходимо выгибать в различных направлениях вручную (актив ные стороны обмоток ограничены пунктирными линиями).

Можно сделать однослойную обмотку, в которой лобовые сое* динения будут лежать в различных плоскостях, если изменить по рядок соединения активных сторон, как это показано на рис. 3.46. Однако катушки с такой обмоткой имеют различные размеры и„ следовательно, необходимо несколько шаблонов для выполнения; такой обмотки.

В электрических машинах обмотки выполняются преимущест венно двухслойными. При таком выполнении обмоток активная сто рона, лежащая в верхнем слое паза, соединяется со стороной, ле жащей в нижнем его слое, отстоящем от начального на расстоя

нии «л На рис. ЗЛв активные стороны, лежащие в верхнем слое па

за, показаны сплошными линиями, а	в нижнем — пунктирными.
В этом случае лобовые соединения не	пересекаются (рис. 3:4а),

т. е. можно обеспечить шаблонную обмотку для катушек одинако вых размеров и формы.

3.3. ЭДС МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

При перемещении магнитного поля относительно неподвижной катушки изменяется магнитный поток, пронизывающий витки этой

катушки, в результате чего в катушке индуцируется ЭДС е =

d Ф

= —wK—rr, где wK — число последовательно соединенных витков dt

катушки. Предполагая изменение магнитного потока во времени синусоидальным Ф= Фт$\пЫ, получим

е= — (о WKФт cos (о t =г2nfwкФmsin((йt — я/2),

т.е. ЭДС катушки синусоидальна и отстает по фазе от магнитного потока на я/2.

Амплитудное значение ЭДС кагушки Ет=2лгю^Фт, следова

тельно, действующее значение ЭДС

E = w = w w*f0m = 4»44

где Фт — амплитудное значение магнитного потока, Вб.

В машинах переменного тока обмотки выполняются распреде ленными и с укороченным шагом. Распределение и укорочение ша га обмотки уменьшает ЭДС фазы машины. При распределенной обмотке (рис. 3.5) оси катушек, последовательно включенных в

Рис. 3.5 Распределенная обмотка: а) схема; 6) векторная диаграмма

одну фазу, не совпадают и, следовательно, не совпадают по фазе

ЭДС в этих катушках. ЭДС катушри Ai—	опережает ЭДС ка
тушки Аг— на угол между осями этих	катушек а = 2 дя/Q в

электрических градусах. ЭДС катушки Аз—Х2 опережает ЭДС катушки Аз—.Y3 на тот же угол а.

Таким образом, ЭДС фазы найдется как геометрическая сум ма ЭДС катушки, которая окажется меньше арифметической сум мы ЭДС этих катушек.

При диаметральном шаге (у —х) катушка пронизывается всем магнитным потоком полюса, а при укороченном шаге (у<.т) ка

тушки этот магнитный поток уменьшается, т. е. уменьшается ЭДС.

Произведение коэффициентов	распределения и укорочения
представляет собой обмоточный	коэффициент Коб= КрК?> учиты

вающий уменьшение ЭДС фазы машины переменного тока и за счет распределения и за счет укорочения шага обмотки.

Таким образом, действующее значение ЭДС фазы машины пе ременного тока определится следующим выражением:

£ = 4,44 Коб wf Фщ,

где w — общее число последовательно соединенных витков одноГз

фазы

3.4НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ СИЛА ОБМОТКИ МАШИНЫ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

При распределенной обмотке кривая НС представится ступен чатой зависимостью, причем с увеличением q число ступеней уве

личивается и в пространственном распределении НС содержание высших гармоник уменьшается.

Ограничиваясь рассмотрением основной гармоники распреде ления НС в пространстве (рис. 3.6), можно записать

Fx = FmxCOS — Л.

Если ток синусоидален, т. е i = / msin,co/, то Fmx=Fmsin a>t.

Однофазная обмотка при прохождении по ней переменного то ка создает пульсирующее магнитное ноле, неподвижное в про странстве и изменяющееся во времени с частотой тока сети.

Вектор НС, направленный по какой-либо прямой (например пооси у) и синусоидально изменяющийся во времени, может быть

Fmsino)t

Рис. 3	6 Р аспределение ос	Рис.	3 7.	Зам ена	пульсирую
новной	гармоники НС в про	щ его	магнитного		поля д в у
	странстве		мя	вращ аю щ имися

представлен геометрической суммой двух векторов, равных и не изменных по величине, вращающихся с одинаковой скоростью в различных направлениях (рис. 3.7).

При условии Fi=Fz=Fm/2 и a\ — az=a для любого момента вре

мени можно записать равенство

Fmsina>t = y rFj + Fl — 2 Рг F2cos 2	а =
= V2 ( F j2 f - 2 ( F j 2 f cos 2a = Fm V(l -	cos 2 a)/2,
откуда sino>/ = sin a, T. e. a=(o/.		векторов F* и
Это показывает, что углы между направлением

F2 *и осью абсцисс а линейно изменяются во времени, т. е. век торы Fi и F2 поворачиваются равномерно. НС пульсирующего по

ля однофазной обмотки машины переменного тока может быт^ лредставлено выражением

Ft; х = Fmsin со t cos (х/х) л

или

Ft; х = 0,5 Fmsin [со t + (х/т) л ] + 0,5 Fmsin [со t — (х/т) я].

Каждое из полученных слагаемых представляет собой синусои дальную волну НС, перемещающуюся вдоль окружности статора. Скорости перемещения этих волн (их нулевых точек) найдутся из выражений

со t + (*/т) л = 0

со t — (х/г) л = 0.

Откуда

Vnp^xft — сот/я = 2Д т;

Кобр = x/t = — сот/я = — 2 /хт.

Учитывая, что V=njDni/60 и x —nD/2p,

где

— число оборо

тов магнитного поля в

минуту; D — диаметр

статора,

получим

2 /? T /ii/6 0 =

± 2 f i t .

Отсюда число оборотов ь минуту прямого и обратного магнит

ного

поля

определится

выражением ящр, о^р= ±60fi/p,

где Д —

‘частота

тока; р — число

пар

полюсов.

Таким

образом,

НС

пульсирующего магнитного

поля однофаз

ной обмотки может быть представлена в ви

де двух вращающихся с одинаковыми ско

ростями и в противоположных направле

ниях НС (прямой и обратной), амплитуды

которых равны между собой и вдвое мень

ше амплитуды НС пульсирующего поля, а

скорости вращения их зависят от частоты и

числа пар полюсов машины.

Для пуска в ход однофазных асинхрон

ных двигателей в конденсаторных двигате

лях применяется двухфазная обмотка. Про-

Р и с.

3.8.

П ростейш ая

стейшая

двухфазная обмотка

состоит

из

двухф азная

обмотка:

двух катушек (рис. 3.8), оси которых сме-

i -ось Фазы^г-ось Фа-

щены в пространстве

на

90°

(электрйче-

ских). Если по этим катушкам с одинаковым числом витков про пустить равные по величине и сдвинутые ло фазе на четверть пе риода синусоидальные токи

то НС этих катушек будут также синусоидальны и сдвинуты по фазе на четверть периода, т. е.

При этом вектор НС FA. направлен по оси катушки А—X, а вектор НС FB — по оси катушки В— Y. В любой момент резуль

тирующая НС найдется как геометрическая сумма НС катушек

А и В FP= FA + Fs, т. е. численное значение результирующей НС

в любой момент

Следовательно, в любой момент результирующая НС двухфаз ной обмотки имеет неизменное значение, равное амплитуде НС одной фазы. Можно записать

откуда a = ©/, т. e. угол между вектором	результирующей НС и
осью ординат линейно изменяется во времени и,		следовательно,
этот вектор вращается с постоянной скоростью.		определить НС
Ограничиваясь основной гармоникой,	можно
фазы А:

НС фазы В сдвинуты по фазе на я/2 относительно НС фазы А и катушка В— Y повернута относительно катушки А—X на я/2 в пространстве. Следовательно, выражение для НС фазы В имеет

вид

Пульсирующая НС одной фазы можно представить в виде двух вращающихся в различных направлениях НС, т. е.

Откуда результирующая НС равна

Л> =	- j^sin^©/ + -^-я\| + sin^©/ — — я\| +

		Так как sin(©/+ (x/T)jt]+sinX
		Х[©/+ (х/т) я + л ]= 0 , то результи
		рующая НС равна Fv=Fmsiv{(ot—
		— (дг/х) зт], т. е. двухфазная обмот
		ка создает вращающееся магнит
		ное поле, НС которого равна ам
	fA	плитуде НС одной фазы, и число
		оборотов в минуту nt=60/i/p.
		Для	изменения	направления
		вращения этого поля		необходимо
		изменить	направление НС одной
		из катушек, т. е. надо изменить
		направление тока в одной из ка
		тушек, поменяв местами провод-
Рис. 3.9. Простейшая	трехфазная	ники, подключающие эту катуш-
обмотка:		ку к сети, или поменять местами
/ - ось фазы ^ 2 -- ось	фазы В, 3 -	ПРОВОДНИКИ, ПОДКЛЮЧЭЮЩИе			КЭ-
		тушки А и В к сети.			(рис.
		Если	через три катушки

3.9) пропустить равные по величине и взаимно сдвинутые по фазе •на 1/3 периода токи, т. е.

iA= /«sin©f,

iB = / т sin (со/ — 2я/3),

ic = Imsin ((оt — 4я/3).

то и НС этих катушек будет иметь сдвиг по фазе на 1/3 периода. Ограничиваясь основной гармоникой НС и учитывая смещение катушек фаз А, В, С на 2я/3 в пространстве, выражению НС трех

фаз можно придать следующий вид:

Представляя пульсирующую НС каждой фазы в виде двух вращающихся в различных направлениях, получим следующие вы ражения:

PB = Y FTsin(<°* + -^-я— -y-j + ^ -^ sin ^ ©©/ — — я'
T	)•

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 336 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги