Вращающееся магнитное поле

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, B и C, а концы витков буквами X, Y и Z. Обозначим также направления протекания тока в витках обмоток, считая положительным направление от начала к концу обмотки. Тогда для положительных значений тока стороны A, B и C будут обозначены крестом, а стороны X, Y и Z – 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 машины

Конструктивная 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 фазным

Обмотка 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 сопротивления

В 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 обмоток

Вращающееся 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 ротора

Оптимальное 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 w и 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.