ГЛАВА 5. Машины переменного тока.

Электрические машины переменного тока делятся на два основных типа: синхронные машины и асинхронные машины. И в том и другом случае в машинах переменного тока используется вращающееся магнитное поле.

В синхронных машинах скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения поля. В асинхронных машинах скорость вращения ротора несколько меньше скорости вращения поля.

Во всех машинах переменного тока используется вращающееся магнитное поле. Для получения вращающегося поля можно  использовать  двухфазную систему токов:   

При протекании двух токов (I₁, I₂) по двум рамкам плоскости которых взаимно перпендикулярны возникает вращающееся магнитное поле величиной

Наиболее эффективно для создания вращающегося магнитного поля использовать трехфазную систему токов

При использовании трех катушек, расположенных под углом 120⁰, скорость вращения поля составляет 3000 оборотов в минуту.

5.1 Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных  частей:

Статор представляет собой полый металлический цилиндр, собранный из тонких пластин для уменьшения потерь в "стали". На внутренней поверхности цилиндра имеются пазы, в которых располагаются обмотки статора. Обмотки статора включаются либо звездой, либо треугольником  в зависимости от напряжения, подводимого к статору (³⁸⁰/₂₂₀).

Ротор цилиндрической формы состоит из пластин электротехнической стали. На его внешней поверхности  имеются пазы, в которых расположена обмотка ротора. Существует два типа обмоток ротора:

1)Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней, расположенных в пазах ротора, замкнутых на его торцах двумя металлическими кольцами.

2) Фазная обмотка. На роторе с фазной обмоткой располагаются три обмотки, находящиеся в пазах ротора. Концы обмоток присоединяются к трем контактным кольцам, расположенным на валу ротора. Для создания тока в обмотках к кольцам прижаты графитовые щетки, соединенные со внешней электрической схемой, состоящей, как правило, из трех реостатов. 

5.2 Принцип действия асинхронного двигателя.

При включении в сеть обмотки статора возникает трехфазная система токов, создающая вращающееся магнитное поле.

2. Вращающееся магнитное поле создает в обмотке ротора переменную ЭДС, которая будет максимальна при покоящемся роторе. Возникающая в роторе ЭДС создает в обмотке ротора значительные токи, которые порождают магнитное поле, неподвижное в начальный момент времени.

3. При взаимодействии вращающегося поля статора и неподвижного поля ротора возникают силы  взаимодействия, а следовательно, крутящий момент. Под действием крутящего момента ротор приводится во вращение. При увеличении скорости вращения ротора уменьшается скорость пересечения силовыми линиями магнитного поля обмотки ротора, что приводит к уменьшению ЭДС, а следовательно, тока и крутящего момента. Поэтому ротор при вращении достигает скорости несколько меньшей скорости вращения поля.

4. При увеличении тормозного момента, действующего на ротор, уменьшается число оборотов, что приводит к увеличению ЭДС, возникающей в обмотке ротора, магнитного поля ротора, что вызывает увеличение крутящего момента при любой постоянной скорости вращения:

М_кр.= М_торм        (5.1)

Обозначим: n₁ - cкорость вращения поля, n₂ - cкорость вращения ротора, s - скольжение (проскальзывание):

        (5.2)

n₁ >n₂  , s =2¸5%

6. При неподвижном роторе частота индуктируемой в его обмотке ЭДС равна частоте тока в сети f₁=50 Гц.

>При увеличении скорости вращения ротора относительная скорость поля и ротора уменьшается, что приводит к уменьшению частоты ЭДС, возникающей в роторе: f₂ =S f₁ , где f₂ - частота ЭДС возникающей в роторе, f₁ - частота сети,  s - скольжение.

Для практических применений асинхронных двигателей большое значение имеет зависимость частоты вращения от тормозного момента М_торм, которая называется механической характеристикой.

С увеличением механической нагрузки (тормозного момента М_торм.), число оборотов незначительно уменьшается (“жесткая” характеристика), а затем двигатель останавливается (рис.5.2а). На рис. 5.2б показана обратная зависимость М=f(n, s) момента от числа оборотов n или скольжения s . На этом графике приведена зависимость тока, потребляемого двигателем, от числа оборотов или скольжения. В момент пуска (n=0, s=1) пусковой момент М_пуск должен быть больше, чем начальный момент М_торм, если двигатель пускается под нагрузкой. Ток, потребляемый двигателем в момент пуска, приобретает максимальное значение, в 5-7 раз большее номинального тока. С ростом числа оборотов или уменьшения скольжения, крутящий момент сначала растет до критического значения, а затем уменьшается до нуля (при s=0). Также до нуля уменьшается и ток, потребляемый двигателем.

Одним из недостатков асинхронного двигателя является значительный пусковой ток. Для его уменьшения используются следующие способы:

1) Использование двигателя с фазным ротором имеющим на роторе три обмотки, концы которой, соединяются с контактными кольцами, с которыми соприкасаются графитовые щетки, связанные с реостатами:

В момент пуска сопротивление реостатов устанавливают максимальным, что приводит к значительному уменьшению тока в обмотках ротора, а, следовательно, тока потребляемого двигателем.

2) Первоначальное соединение обмоток двигателя звездой, а затем переключение их после пуска на соединение треугольником. В этом случае пусковые токи уменьшаются в три раза.

Еще одним недостатком асинхронных двигателей является невозможность плавного изменения их скорости вращения, которая определяется скоростью вращения магнитного поля и зависит от частоты тока и от числа пар полюсов обмотки статора.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя приведены на рис. 5.3а. Они получены при номинальной частоте сети и номинальном напряжения питания U ₁

Известно, что механическая мощность P₂ определяется соотношением P₂= Mw где w - частота вращения ротора, M - крутящий момент. С ростом мощности  P₂ , развиваемой на валу двигателя, возрастает и крутящий момент M . Вследствие того, что асинхронный двигатель обладает «жесткой» характеристикой, скольжение s лишь немного возрастает, поэтому крутящий момент практически линейно увеличивается с ростом P₂ так как частота вращения w лишь немного уменьшается. С ростом P₂ возрастает также электрическая мощность P₁ потребляемая двигателем от сети, а, следовательно, и потребляемый ток. I₁ Величина h , как и в трансформаторе, определяется соотношениями потерь в «стали» и в «меди», и при их равенстве  оказывается максимальным.

Важным параметром асинхронных двигателей является cos j где j - фазовый сдвиг между напряжением U ₁ приложенным к статору и током I ₁ возникающим в этих обмотках. Этот фазовый сдвиг растет с ростом нагрузки, достигая максимума при номинальной нагрузки, а затем несколько уменьшается.

5.3 Однофазный асинхронный двигатель

На статоре размещается одна, рабочая, обмотка, которая питается переменным током, и которая создает пульсирующее магнитное поле. Подобное пульсирующее поле можно представить в виде двух вращающихся в противоположном направлении магнитных потоков и (рис. 5.3б). При неподвижном роторе возникают два крутящих момента, одинаковые по величине и противоположно направленные, поэтому результирующий крутящий момент равен нулю. При предварительной раскрутке ротора в нем будет возбуждаться две ЭДС. Одна ЭДС будет возбуждаться тем магнитным потоком, который следует за ротором, а другая противоположным.

Частота одной ЭДС- мала (~1ГЦ), а частота другой ЭДС- велика(~100 ГЦ). Поэтому индуктивное сопротивление

Х_L= L                    (5.3)

в первом случае будет очень мало. Это, в свою очередь, порождает значительный ток при малых сопротивлениях, а следовательно, создает максимальный крутящий момент действующий в сторону предварительной раскрутки.

Для пуска подобных двигателей на статоре располагается вторая пусковая обмотка которая питается током сдвинутым по фазе на 90⁰, для этого она питается через конденсатор, который и создает фазовый сдвиг близкий к 90⁰(рис.5.4).

5.4 Синхронный генератор.

Статор машины состоит из трех обмоток, которые располагаются точно также как на статоре трехфазного асинхронного двигателя. В обмотках статора создается трехфазная  ЭДС, с помощью ротора. Для этой цели ротор должен обладать постоянным магнитным полем, для чего на роторе располагаются обмотка, концы которой присоединяются к двум контактным кольцам, располагающимся на роторе: с кольцами соприкасаются графитовые щетки к которым подключается источник постоянного тока (рис.5.5). Подобная обмотка ротора носит название обмотки возбуждения. При вращении ротора в статоре возбуждается трехфазная переменная ЭДС, которая пропорциональна величине магнитного потока Ф, создаваемого ротором и пропорциональна  числу оборотов п ротора.

E = C Фn                      (5.4)

где C - конструктивный коэффициент пропорциональности, Ф -магнитный поток, n-  число оборотов ротора.

Синхронные генераторы широко распространены и используются на электростанциях для получения переменного тока промышленной частоты, а также для получения постоянного напряжения на автомобилях, тракторах, мотоциклах и т.п. Для этого они снабжаются встроенными трехфазными выпрямителями.

5.5. Синхронный двигатель.

Статор подобного двигателя устроен точно также как и статор трехфазного асинхронного двигателя (три обмотки питаются трехфазным током) и создает вращающееся магнитное поле.

В качестве ротора используется электромагнит, поле которого создается постоянным током, который подводится к обмотке с помощью двух контактных колец и щеток (аналогично ротору синхронного генератора).

Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора приводит к появлению крутящего момента.

Таким образом, скорость вращения ротора соответствует скорости вращения магнитного поля, что приводит к появлению жесткой механической характеристики (т.е. независимости числа оборотов ротора от тормозного момента).

Основным недостатком синхронного двигателя является сложность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения магнитного поля создаваемого статором. Для этой цели наиболее часто используют короткозамкнутую обмотку, которая дополнительно располагается на роторе и поэтому в момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда скорость ротора приближается к скорости вращения поля, ротор входит в синхронизм и далее двигатель работает как синхронный.