Электрические машины переменного тока

6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. Назначение машин переменного тока

Машины переменного тока работают от сети переменного тока, они являются обратимыми и могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Большинство предприятий используют электрические двигатели, которые получают электроэнергию из сети переменного тока. Производство электроэнергии на переменном токе является более дешевым и простым, чем на постоянном токе. Это обстоятельство, а также простота конструкции многих типов двигателей предопределили широкое применение машин переменного тока. Все машины переменного тока имеют схожие черты, как в конструкции, так и в принципе действия. Машины переменного тока делятся на две большие группы: асинхронные и синхронные.

2. Принцип действия асинхронной машины

На рис. 1 изображен один виток обмотки ротора и магнитное поле статора, показаны направление ЭДС, наводимое в проводниках витка, ток витка i, электромагнитные силы F, действующие на виток, и частота вращения витка ротора n_р. Полюса N и S являются полюсами вращающегося магнитного поля с угловой частотой ω_с. Под действием силы F виток начнет вращаться с частотой вращения n_р. Частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора n_с (синхронной частоты), т.е. n_р<n_с.

Рис. 1. Принцип действия асинхронного двигателя

Разность между частотами вращения статора и ротора характеризует скольжение s двигателя:

s=(n_с-n_р)/n_с =(ω_с-ω_р)/ω_с .

Обычно скольжение не превышает 5–6 % частоты вращения магнитного поля n_с. Из-за того, что частота вращения ротора n_р не совпадает с частотой вращения магнитного поля n_с, двигатель называется асинхронным.

На статоре реального асинхронного двигателя расположены три одинаковых обмотки. Обмотки сдвинуты в пространстве статора на 120° и подключены к трехфазной сети. Токи в обмотках создают вращающееся магнитное поле с угловой частотой ω_с, равной частоте питающей сети. Ротор двигателя содержит обмотку, витки которой обычно короткозамкнуты. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ЭДС электромагнитной индукции, которая вызывает токи в замкнутых витках обмотки ротора. Взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем создает электромагнитные силы F, направление которых определяется по правилу левой руки.

3. Общие сведения и назначение

Основное применение асинхронных машин – двигатели (80% всего парка электродвигателей). Такое широкое распространение асинхронные двигатели получили из-за простоты конструкции и хороших эксплуатационных характеристик. Они надежны в работе и требуют минимального технического обслуживания. Различают несколько вариантов асинхронных двигателей: трехфазные, двухфазные, однофазные и линейные. Выпускают асинхронные двигатели в диапазоне мощностей от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Основное назначение асинхронных двигателей – привод различных механических устройств, к которым не предъявляются особые требования по регулированию частоты вращения. Если эти двигатели дополнить преобразователями частоты и регуляторами напряжения, то их регулировочные свойства резко возрастают.

4. Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки.

В простейшем случае статор асинхронной машины содержит три обмотки (катушки), которые сдвинуты в пространстве статора на 120°. Если по катушкам пропустить трехфазный синусоидальный ток, то в пространстве статора возникнет магнитное поле, вращающееся с угловой частотой ωс, равной частоте питающей сети. Результирующее магнитное поле от действия всех катушек характеризуется индукцией B, постоянной по значению, и угловой частотой ω_с. Возникновение вращающегося магнитного поля является