Тема: "Трансформаторы" Работа однофазного трансформатора вхолостую (стр. 10 )

Под действием момента ротор приходит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле:

n = (0,92 ч 0,98) n0*.

*Для двигателей общего назначения.

Рис. 10.12. К пояснению принципа действия асинхронного двигателя

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера — взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МОЩНОСТЬ И ПОТЕРИ В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ

Мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется по формуле  Р1 = √3 U1I1cos ц1.

Часть этой мощности (рис. 10.16) теряется в обмотке статора:  ДРобм1 = 3 I12r1,

Рис. 10.16. Потери мощности в асинхронном двигателе

а часть, ДРст1, составляет потери в сердечнике статора от перемагничивания и вихревых токов.

Мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору, называется электромагнитной мощностью и составляет

(10,34)

Рэм = P1 - ДРобм1 - ДРст1 = 3Е2кI2 cos ш2.

Часть электромагнитной мощности теряется в обмотке ротора:

(10,35)

ДРобм2 = 3 I22r2,

а часть, ДРст2, составляет потери в сердечнике ротора от гистерезиса и перемагничивания.

Мощность, преобразуемая в механическую, равна

(10,36)

Рмех = Рэм - ДРобм2 - ДРст2.

Небольшая часть механической мощности теряется на тре-ние в подшипниках ротора о воздух и вентиляцию.

Мощность, развиваемая двигателем на валу,

(10,37)

Рв = Рмех - ДРмех.

Все потери мощности, кроме вентиляционных, которые представляют собой затраты мощности на продувание воздуха внутри двигателя с целью лучшего охлаждения, превращаются в теплоту и нагревают двигатель.

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

МОМЕНТ, РАЗВИВАЕМЫЙ ДВИГАТЕЛЕМ

Известно, что мощность равна произведению момента на частоту вращения:

Р = Мщ.

В асинхронном двигателе произведение электромагнитного момента, возникающего в результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем, на частоту вращения поля представляет собой электромагнитную мощность:

(10,38)

Мэмщ0 = Рэм.

Механическая мощность, развиваемая двигателем, равна произведению электромагнитного момента на частоту вращения ротора.

(10,39)

Мэмщ = Рмех.

Если пренебречь потерями мощности в сердечнике ротора вследствие их малости относительно потерь в обмотке ротора, то разность электромагнитной и механической мощностей, как следует из (10.36), будет равна потерям мощности в обмотке ротора1:

(10,40)

Рэм - Рмех = ДРобм2 = 3 I22r2.

Подставив в (10.40) вместо мощности их значения из (10.38) и (10.39), получим

Мэмщ0 - Мэмщ = 3 I22r2,

откуда

Мэм =	3 I22r2	.
щ0 - щ

Заменив щ0 - щ через щ0s, что вытекает из (10.23), получим выражения электромагнитного момента

(10.41)

Мэм =	3 I22r2	.
щ0s

1 Короткозамкнутая обмотка ротора имеет не три, а m фаз. Для общности выводов обмотка ротора приведена к трем фазам, которые имеют обмотки статора и ротора двигателя с фазным ротором.

и электромагнитной мощности

(10.42)

Pэм =	3 I22r2	.
s

Момент, развиваемый двигателем на валу, будет меньше электромагнитного момента на величину ДМмех, обусловленную силами трения в подшипниках, ротора о воздух и вентиляционными потерями:

М = Мэм - ДМмех.

Потери момента ДМмех для асинхронных двигателей средней и большой мощности относительно малы, и ими обычно пренебрегают. В практических расчетах часто принимают, что

(10,43)

М = Мэм.

В выражении (10.41) отсутствует магнитный поток, что на первый взгляд противоречит принципу действия двигателя. Однако легко показать, что это не так: магнитный поток вошел в уравнение в неявном виде.

Выразив в (10.41) потери мощности в обмотке I22r2 через ЭДС, ток и cos ш2 ротора

	/\
3I22r2 = 3E2I2 cos (	E2, I2	) = 3E2I2 cos ш2,

получим

(10.44)

Mэм =	3E2I2 cos ш2	.
щ0s

Подставляя в (10.44) вместо ЭДС Е2 ее значение из (10.27) и учитывая (10.42), получаем

(10.45)

Mэм =	3E2кsI2 cos ш2	=	3•4,44f1w2Фk02I2 cos ш2	= CФI2 cos ш2,
щ0s	щ0

где С = 3 • 4,44f1w2k02/щ0 - конструктивный коэффициент, обусловливающий момент двигателя.

Используя выражения (10.40), (10.42), можно получить два соотношения:

потери в обмотке ротора

ДPобм2 = Pэмs;

механическая мощность, развиваемая двигателем,

Pмех = Pэм(1 - s)

Из этих выражений вытекает, что при неподвижном роторе, когда s = l, вся электромагнитная мощность преобразуется в теплоту в обмотке ротора, а механическая мощность равна нулю. При номинальном режиме работы, когда s ≈ 0,02 — 0,08, почти вся электромагнитная мощность (0,92 — 0,98) преобразуется в механическую и только небольшая ее часть (0,02 — 0,08) преобразуется в теплоту в обмотке ротора.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО СИНХРОННЫХ МАШИН

Синхронные машины используются в качестве генераторов, двигателей и синхронных компенсаторов. Устанавливаемые на тепловых электростанциях генераторы приводятся во вращение паровыми турбинами и называются турбогенераторами. Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Кроме электростанций синхронные генераторы находят применение в установках, требующих автономного источника электроэнергии. Примером могут служить автомобильные электрические краны, на которых синхронные генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.

Области применения синхронных двигателей рассматриваются после изучения их свойств в § 11.12.

Синхронный компенсатор представляет собой машину, предназначенную для повышения коэффициента мощности электротехнических установок (см. § 3.8 и 11.10).

Трехфазные синхронные генераторы, двигатели и синхронные компенсаторы имеют в принципе одинаковое устройство.

Неподвижная часть машины, называемая статором (рис 11.1, а), состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический сердечник 2 статора. Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи его набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника статора уложена трехфазная обмотка 3, выполняемая так же, как и обмотка статора асинхронных двигателей. Сердечник статора в совокупности с обмоткой статора называется якорем машины. В подшипниковых щитах, прикрепленных с торцевых сторон к корпусу, либо в стояках, закрепленных на фундаменте, расположены подшипники, несущие вал 4 вращающейся части машины — ротора или индуктора. Синхронные генераторы гидроэлектростанций выполняют обычно с вертикальным расположением вала. На валу размещен цилиндрический сердечник 7 ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора уложена обмотка возбуждения 8, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи на валу укрепляют два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка 8 служит для возбуждения основного магнитного поля машины.

Рис. 11.1. Устройство синхронной машины с неявновыражен- ными полюсами (а) и ротора машины с явновыраженными полюсами (б)

Питание обмотки возбуждения осуществляется от генератора постоянного тока (возбудителя), вал которого соединен с валом синхронной машины, от полупроводникового преобразователя переменного тока в постоянный либо от других источников постоянного тока. Мощность для питания обмотки возбуждения составляет 1 — 3 %мощности машины.

На рис. 11.1, а показан разрез двухполюсной синхронной машины с неявновыраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на частоты вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин. Машины, предназначенные для работы с меньшими частотами вращения (750, 600, 500 об/мин и т. д.), имеют явновыраженные полюсы, число которых тем больше, чем меньше частота вращения. На рис. 11.1, б показано устройство ротора восьмиполюсной машины с явновыраженными полюсами. Ротор вписан в окружность 5, представляющую собой условно внутреннюю окружность сердечника статора. Явновыраженные полюсы 1 изготовляют из стальных листов или реже массивными и закрепляют на ободе 2 ротора. Обод ротора в совокупности с явновыраженными полюсами представляют собой сердечник ротора. Отдельные катушки обмотки возбуждения 3, расположенные на явновыраженных полюсах, соединены между собой так, что северные и южные полюсы чередуются. Трехфазная обмотка якоря синхронных машин выполняется таким образом, что возбуждаемое ею вращающееся магнитное поле имеет такое же число полюсов, как ротор.