Электрические машины

Общие

вопросы

теории

электрических

машин

Теория, конструкция и эксплуатация различных типов машин имеют свои специфические особенности и поэтому первоначальное их изучение происходит раздельно, от простого к сложному, т. е. обычно начинается с трансформаторов и заканчивается наиболее сложными машинами постоянного тока. Однако в теории, методах расчета и конструирования машин различных типов много общего. Поэтому и с теоретической и с практической точек зрения полезен общий подход к изучению всех типов машин.

1.1. Обобщенная электрическая машина

Основные типы машин можно привести к обобщенной электрической машине [5, 8], имеющей на роторе и на статоре по две симметричные обмотки ах, by и АХ, BY соответственно, причем в каждой паре обмотки сдвинуты на 90° (рис. 1.1). Любую многофазную симметричную машину можно привести к двухфазной, а однофазную обмотку получить из двухфазной, соединив пару обмоток последовательно. Каждая из обмоток должна быть выполнена так, чтобы распределение магнитодвижущей силы (МДС) в пространстве было близким к синусоидальному.

Асинхронная машина из обобщенной машины получается тогда, когда к обмоткам статора АХ и BY подводятся синусоидальные напряжения с частотой fi, сдвинутые во времени на 90°. Обмотки ротора при этом замыкаются накоротко или на какое-то сопротивление.

Синусоидальные токи, проходящие по обмоткам статора с частотой fi, создают вращающийся магнитный поток, частота вращения которого

а угловая скорость

где р — число пар полюсов машины.

Вращающийся магнитный поток статора пересекает проводники

обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС с частотой

fi=sfu (1.3)

где s=(n_l—n₂)ln_l= (coi—<02)/wi — скольжение

Токи, замыкающиеся в обмотках статора, создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора со скоростью

2- (1-4)

Так как числа полюсов статора и ротора делаются всегда равными Р\ = р2=р, то угловая скорость магнитного поля ротора

(O=C0₂-|-U) =O>₂-|-l0l$=:lDi₁ (1.5)

Рис 1 1 Схема обобщенной машины

т. е. магнитные поля ротора и статора взаимно неподвижны.

Взаимная неподвижность полей ротора и статора является первым фундаментальным положением в теории электрических машин и, естественно, соблюдается во всех типах машин. Только при выполнении этого условия может создаваться вращающий момент и передаваться энергия из статора в ротор и наоборот.

Возникновение электромагнитного момента в асинхронной машине иллюстрируется рис. 1.2. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцируют в них ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Если toi> >о)₂, то направление ЭДС в проводниках ротора такое, как показано на рис. 1.2, а. Активная составляющая тока в обмотке ротора, совпадающая по фазе с ЭДС, обусловливает появление электромагнитных усилий, увлекающих ротор за вращающимся магнитным полем (направление усилий определяется правилом левой руки). Следовательно, рис. 1.2, а иллюстрирует режим двигателя.

Если ©2>(1)ь то, как показано на рис. 1.2, б, направление ЭДС в обмотке ротора меняется на противоположное и к ротору прикладывается тормозящий момент, значит, рис. 1.2, б соответствует генераторному режиму работы.

Принцип обратимости электрических машин, т. е. возможность работы одной и той же машины то в генераторном, то в двигательном режиме, является вторым фундаментальным положением теории электрических машин.

Электромагнитный момент М определяется из условия сохранения энергии Р_Эм=М(д1:

М = Р_9Ы/ш_и (1.6)

где Р_эм — электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ротору (или наоборот).

Рис. 1.2. Схематический чертеж асинхронной машины

Синхронная машина (рис. 1.3) получается из обобщенной машины, если к одной паре обмоток на роторе или на статоре подводить постоянный ток. При этом достаточно иметь только одну обмотку постоянного тока (обмотку возбуждения), у которой результирующая МДС равна геометрической сумме МДС двух обмоток.

Если обмотка возбуждения расположена на роторе, вращающемся с частотой п, то обмотки статора пересекаются магнитным потоком Фив них индуцируются ЭДС, имеющие частоту f=pn/60, сдвинутые по фазе на угол 90°. При прохождении по обмоткам статора переменного тока создается поле статора (якоря), вращающееся с той же скоростью, что и ротор, и в том же направлении.

Таким образом, и в синхронной машине магнитные поля статора и ротора взаимно неподвижны. Это имеет место при любой угловой скорости ротора, так как частота ЭДС обмоток статора изменяется с изменением скорости ротора.

Рис. 1.3. Схема синхронной машины

Следовательно, синхронная машина может работать только со скольжением, равным нулю.

Машина постоянного тока образуется из синхронной, если ее якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты (рис. 1.4). Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем,— постоянный. Своеобразие работы коллекторной машины по

сравнению со статическими выпрямителями и преобразователями частоты будет показано ниже.

Общность электрических машин всех типов порождает сходство и в отдельных вопросах теории и в конструкции машин. Не только вал, подшипники, вентиляторы, станина, подшипниковые щиты имеют сходную конструкцию у всех электрических машин. Якорь машин постоянного тока набирается из тонких (0,35— 0,5 мм) листов электротехнической стали так же, как якорь синхронной машины и сердечники ротора и статора асинхронной машины. Сходную конструкцию имеют и зубцовые зоны всех машин. Особняком стоит коллектор машины постоянного тока — весьма специфичный и трудоемкий узел машины. Однако в производстве машин малых мощностей постоянного тока и синхронных и даже машин постоянного тока и асинхронных (машин постоянного тока с распределенными обмотками) возможна существенная унификация.

Трансформатор получается из обобщенной машины, если ротор неподвижен и оси соответствующих обмоток статора и ротора совпадают. При этом можно рассматривать отдельно каждую пару рядом расположенных обмоток, так как если ротор неподвижен, то отсутствует магнитная связь между обмотками, смещенными в про-странстве на 90°.

Хотя физические процессы в трансформаторе и в электрических машинах других типов сходны, неподвижность ротора обусловила конструктивные различия между ними: ликвидирован воздушный зазор в магнитопроводе и обе обмотки располагаются на одном стержне. Правда, в особых случаях (вращающийся трансформатор, индукционный регулятор и т. п.) трансформатор имеет конструкцию асинхронной машины.

Рис. 1.4. Схема образования машины постоянного тока из синхронной

Содержание
Предыдущий § Следующий