Чередование полюсов с помощью переменного тока
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:
Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.
Трёхфазный переменный ток
Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).
На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.
Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2. а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.
Питание в сети переменного тока
Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.
Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.
Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)
Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.
Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.
Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.
В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.
В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.
Конструкция АДФР
Фазный ротор
Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.
Фазный ротор
Статор АДФР
Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР
Обозначение выводов обмоток ротора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | K1 | K2 |
| вторая фаза | L1 | L2 |
| третья фаза | M1 | M2 |
| Соединение в звезду (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | K | |
| вторая фаза | L | |
| третья фаза | M | |
| точка звезды (нулевая точка) | Q | |
| Соединение в треугольник (число выводов 3) | ||
| первый вывод | K | |
| второй вывод | L | |
| третий вывод | M |
Обозначение выводов обмоток ротора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода |
|---|---|
| Соединение звездой (число выводов 3 или 4) | |
| первая фаза | Р1 |
| вторая фаза | Р2 |
| третья фаза | Р3 |
| нулевая точка | |
| Соединение треугольником (число выводов 3) | |
| первый вывод | Р1 |
| второй вывод | Р2 |
| третий вывод | Р3 |
Примечание: Контактные кольца роторов асинхронных двигателей обозначают так же, как присоединенные к ним выводы обмотки ротора, при этом расположение колец должно быть в порядке цифр, указанных в таблице, а кольцо 1 должно быть наиболее удаленным от обмотки ротора. Обозначение самих колец буквами необязательно.
Пуск АДФР
Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.
Применяются проволочные и жидкостные реостаты.
Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.
Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов .
Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.
При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.
ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
ГОСТ 26772-85 Машины электрические вращающиеся. Обозначение выводов и направление вращения.
А.И.Вольдек. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. заведений. изд. 2-е, перераб. и доп.-Ленинград: Энергия, 1974.
Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.
Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами
Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.
Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева — стандартная, справа обращенная.
Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.
- По конструкции ротора синхронные двигатели делятся на:
- электродвигатели с явно выраженными полюсами;
- электродвигатели с неявно выраженными полюсами.
Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.
Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.
- Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
- синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов(англ. SPMSM — surface permanent magnet synchronous motor);
- синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами(англ. IPMSM — interior permanent magnet synchronous motor).
Ротор синхронного двигателя c поверхностной установкой постоянных магнитов
Ротор синхронного двигателя со встроенными магнитами
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.
- В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
- с распределенной обмоткой;
- с сосредоточенной обмоткой.
Статор электродвигателя с распределенной обмоткой
Статор электродвигателя с сосредоточенной обмоткой
Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3,…., k.
Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС .
Схема трехфазной распределенной обмотки
Схема трехфазной сосредоточенной обмотки
Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
трапецеидальная;
синусоидальная.
Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.
Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора .
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Благодаря удобству передачи на большие расстояния и легкости преобразования переменный ток успешно стал стандартом электроснабжения.
В сфере же производства электродвигателей его способность возбуждать переменное магнитное поле в статоре и соответственно индуцировать ток в короткозамкнутой обмотке ротора позволила создать асинхронные электродвигатели. В этом типе двигателей единственным испытывающим трение узлом остаются коренные подшипники якоря.
Ротор такого электродвигателя – это металлический цилиндр, в пазы которого под углом к оси вращения запрессованы или залиты токопроводящие жилы, на торцах ротора объединенные кольцами в одно целое. Переменное магнитное поле статора возбуждает в роторе, напоминающем беличье колесо, противоток и, соответственно, отталкивающее его от статора магнитное поле.
В зависимости от числа обмоток статора асинхронный двигатель может быть:
Однофазным – в этом случае главным недостатком двигателя становится невозможность самостоятельного запуска, так как вектор силы отталкивания проходит строго через ось вращения.
Для начала работы двигателю необходим или стартовый толчок, или включение отдельной пусковой обмотки, создающей дополнительный момент силы, смещающий их суммарный вектор относительно оси якоря.
Двухфазный электродвигатель имеет две обмотки, в которых фазы смещены на угол, соответствующий геометрическому углу между обмотками. В этом случае в электродвигателе создается так называемое вращающееся магнитное поле (спад напряженности поля в полюсах одной обмотки происходит синхронно с нарастанием его в другой).
Такой двигатель становится способным к самостоятельному запуску, однако имеет трудности с реверсом. Поскольку в современном электроснабжении не используются двухфазные сети, фактически электродвигатели этого рода применяются в однофазных сетях с включением второй фазы через фазовращающий элемент (обычно – конденсатор).
Трехфазный асинхронный электродвигатель – наиболее совершенный тип асинхронного мотора, так как в нем появляется возможность легкого реверса – изменение порядка включения фазных обмоток изменяет направление вращения магнитного поля, а соответственно и ротора.
Коллекторные двигатели переменного тока используются в тех случаях, когда требуется получение высоких частот вращения (асинхронные электродвигатели не могут превышать скорость вращения магнитного потока в статоре – для промышленной сети 50 Гц это 3000 об/мин).
Кроме того, они выигрывают в пусковом крутящем моменте (здесь он пропорционален току, а не оборотам) и имеют меньший пусковой ток, меньше перегружая электросеть при запуске. Также они позволяют легко управлять своими оборотами.
Обратной стороной этих достоинств становится дороговизна (требуется изготовление ротора с наборным сердечником, несколькими обмотками и коллектором, который к тому же сложнее балансировать) и меньший ресурс. Помимо необходимости в регулярной замене стирающихся щеток, со временем изнашивается и сам коллектор.
Синхронный электродвигатель имеет ту особенность, что магнитное поле ротора индуцируется не магнитным полем статора, а собственной намоткой, подключенной к отдельному источнику постоянного тока.
Благодаря этому частота его вращения равна частоте вращения магнитного поля статора, откуда и происходит сам термин «синхронный».
Как и двигатель постоянного тока, синхронный двигатель переменного тока является обратимым:
- при подаче напряжения на статор он работает как электродвигатель;
- при вращении от внешнего источника он сам начинает возбуждать в фазных обмотках переменный ток.
Основная область использования синхронных электродвигателей – высокомощные приводы. Здесь увеличение КПД относительно асинхронных электромоторов означает значительное снижение потерь электроэнергии.
Также синхронные двигатели используются в электротранспорте. Однако, для управления скоростью в этом случае требуются мощные частотные преобразователи, зато при торможении возможен возврат энергии в сеть.
Как работают двигатели
Принцип работы всех видов электродвигателей состоит во взаимодействии магнитных полей ротора и статора. При этом магнитное поле может создаваться постоянным магнитном или обмоткой (катушка-электромагнит).
В зависимости от мощности и типа мотора обмотки могут быть расположены только на статоре или и на статоре и на роторе. Попытаемся объяснить устройство и принцип работы для чайников в электрике.
Начнем с того, что рассмотрим устройство коллекторных электродвигателей. Например, в маленьких коллекторных двигателях постоянного тока, как для радиомоделей, на статоре расположены постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медного провода. Ток к катушкам ротора такого электродвигателя подаётся через щеточный узел, состоящий из щеток и коллектора. На коллекторе расположены ламели, к которым присоединены выводы обмоток.
После включения питания ротор (якорь) начинает вращаться, на нём закреплен коллектор, а неподвижные щетки касаются попеременно разных пар ламелей коллектора. Через щетки и ламели к обмоткам ротора подаётся ток то на одну обмотку, то на другую, таким образом создавая изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. В результате полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваются, из-за чего и происходит вращение.
Если опустить некоторые нюансы, то чем больше ток ротора, тем больше это поле и тем быстрее вращается ротор. Однако это применимо в основном для коллекторных машин постоянного и переменного токов (они универсальны).
Если говорить об асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором — это электродвигатель переменного тока без щеток. В нем обмотки расположены на статоре (а), а ротор представляет собой стержни (б), замкнутые на коротко кольцами — так называемая беличья клетка.
В этом случае вращающееся магнитное поле статора порождает ток в стержнях ротора, из-за которого также возникает еще одно магнитное поле. А что происходит, когда рядом расположены два магнита?
Они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Так как ротор закреплен на концах в подшипниках, то ротор начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, и скорость вращения вала у него зависит от частоты тока и числа полюсов в обмотках статора, подробнее этот вопрос мы рассмотрим в статье об асинхронных электродвигателях.
Но для начала вращения вала такого двигателя важно либо толкнуть его (придать начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Оно создаётся с помощью расположенных определенным образом обмоток, подключенным к трёхфазной электросети (например, 380В), или с помощью пусковых и рабочих конденсаторов (в т.н
конденсаторных асинхронных двигателях).
Кроме взаимодействия магнитных полей в во вращении вала электродвигателя участвует и сила Ампера.
Поэтому нужно понимать, что момент на валу абстрактного двигателя и число оборотов зависят от конструкции и вида электромашины, а также от силы тока и его частоты. Повторюсь, что в этой статье мы не будем углубляться подробно в особенности устройства каждого из видов и типов электродвигателей, а сделаем отдельные статьи для этого.
Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве, в приводах строительных машин. Они используются везде, как для движения промышленных механизмов, так и для автомобилей, электротранспорта и используемых в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.
Принцип действия и устройство синхронного двигателя
Название синхронные относится к электрическим машинам переменного тока, в которых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной и той же скоростью, т.е. синхронно.
Как и все электрические машины синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Трехфазные синхронные машины это обычно машины большой мощности.
По устройству статора синхронная машина не отличается от асинхронной. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Отличие синхронной машины от асинхронной заключается в различной конструкции ротора.
Ротор синхронной машины представляет собой постоянный магнит. В машинах средней и большой мощности ротор превращается в постоянный магнит с помощью электрического тока, т.е. это электромагнит. Для этого на роторе располагается отдельная обмотка (сосредоточенная), которая называется обмоткой возбуждения, по ней протекает постоянный ток, который называется током возбуждения. Обмотка ротора вращается вместе с ротором, поэтому требуется устройство подвода тока. На роторе располагается 2 медных кольца, к которым подсоединены выводы обмотки ротора, к неподвижной части крепятся графитовые щетки в щеткодержателях, эти щетки скользят по кольцам, обеспечивая контакт.
Источник постоянного тока, служащий для создания тока возбуждения обычно называется возбудителем. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, генератор переменного тока с выпрямителем, полупроводниковый выпрямитель управляемый или не управляемый.
По конструкции ротора синхронные машины делятся на два типа:
· машины, имеющие ротор с неявно выраженными полюсами, в этом случае ротор имеет вид гладкого цилиндра.
· синхронные машины, имеющие ротор с явно выраженными полюсами. Такой ротор делается в тихоходных машинах с большим числом пар полюсов.
Формула электромагнитного момента такая же как и для асинхронного двигателя:
Синхронный двигатель, как и асинхронный имеет физическое ограничение по моменту. Если к валу ротора приложить тормозной момент, то двигатель его преодолеет, но оси полюсов ротора и статора разойдутся на некоторый угол.
Изобразим условно вращающееся магнитное поле в виде магнита.
При увеличении момента сопротивления увеличивается угол расхождения полюсов ротора и статора.
Обычно угол Θ берут ≤ 30°, поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя: больше чем у асинхронного двигателя.
Перегрузочную способность можно изменить воздействуя на ток возбуждения увеличивая ток возбуждения Iв увеличивается магнитный поток Ф. увеличивается ЭДС E и увеличивается максимальный момент Mмакс .
Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, при любом моменте сопротивления скорость его вращения одна и та же. Если Mс ≥ Mмакс. двигатель такой момент не преодолеет и остановится.
185.154.22.117 studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.
Главная | О нас | Обратная связь
