Общие сведения о машинах переменного тока

Электрические машины пере­менного тока составляют ос­нову современ­ной электроэнергетики, как в сфере производства, так и в сфере потребления электрической энергии. За небольшим ис­ключением все эти машины явля­ются бесколлекторными. Существует два вида бесколлекторных машин пе­ременно­го тока: асинхронные и син­хронные машины. Отличаясь рабочими свойствами, эти машины имеют конструктив­ное сходство, и в основе их тео­рии лежат некоторые об­щие вопросы, касающиеся процессов и явлений, свя­зан­ных с рабочей обмоткой — обмоткой статора.

Как асинхронные, так и синхронные машины обла­дают свойством обра­тимости, т. е. каждая из них может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Кроме указанных двух режимов работы, как синхронные, так и асинхронные машины могут работать и в третьем режиме. Для асин­хронных машин, это режим электромагнитного тормоза, для синхронных – режим компенсатора.

Асинхронные машины используются главным образом в качестве двига­телей, и подавляющее число применяемых в промышленности электри­ческих двигателей являются асинхронными.

Синхронные машины используются главным образом в качестве источ­ников электрической энергии переменного тока, их устанавливают на тепло­вых, гидравлических и атомных электростанциях. Синхронные машины при­меняются также в качестве двигателей и синхронных компенсаторов, предна­значенных для регулируемой генерации и потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности и регулирования напряжения электрической сети.

На практике в основном применяются трехфазные машины перемен­ного тока, рассчитанные на работу при синусоидальном напряжении и токе.

Коллекторные машины переменного тока также вращаются несинхронно с магнитным полем, и в этом смысле они являются асинхронными. Однако ввиду наличия коллектора и связанных с этим особенностей они выделяются в отдельный вид машин переменного тока. Наибольшее применение коллекторные машины находят в качестве двигателей. Однако их использование ограничено, и поэтому основными видами машин переменного тока являются асинхронные и синхронные машины.

Принцип действия машин переменного тока основан на принципе вращающегося магнитного поля, и поэтому их теория является общей.

В синхронных машинах ротор вращается с такой же скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле, т.е. синхронно, откуда и происходит название этого вида машин.

Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к магнитному полю, чем и обусловлено их название.

Вращающееся магнитное поле

Принцип образования вращающегося магнитного поля в машине пере­менного тока рассмотрен на примере статора с простейшей обмоткой (рис. 52), в которой каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (первая фаза – проводники А и Х, вторая фаза – проводники В и Y, третья фаза – проводники С и Z).

 

А

Х

Х

Х

Z

Y

Y

Z

Z

Y

Z

Y

Х

2

1

С

В

А

С

В

2

1

С

В

2

1

А

С

В

2

1

А

Рис.52

a)

б)

в)

г)

Проводники каждого витка (фазы) расположены друг от друга на рас­стоянии полюсного деления

,

где  диаметр расточки статора, а число пар полюсов.

На рис. 52 полюсное деление составляет половину окружности. Шаг витка или обмотки поэтому называют полным (). Двойному полюс­ному делению  соответствует угол по окружности статора в 360° эл. На­чала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в дан­ном случае составляет треть окружности.

На рис.52 а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени , когда  и . Через четверть пе­риода токи изменят фазу на 90°, рис.52 б:

,

где  амплитудное значение тока фазы обмотки статора.

Токи фаз считаются положительными, когда они в началах фаз (провод­ники А, В, С) направлены за плоскость рисунка.

Из рис.52  видно, что распределение токов по окружности статора со­ставляет две зоны, каждая величиной , причем направление токов в этих зо­нах противоположны.

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины создают (рис.52) двухполюсный магнитный поток , проходящий через статор, ро­тор и воздушный зазор. При изменении фазы токов на 90° кривая распреде­ления токов и магнитный поток поворачиваются в направлении следования фаз на 90°. При изменении фазы токов еще на 90° ось магнитного потока по­вернется еще на 90°. Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся маг­нитное поле. При этом за период изменения тока поле поворачивается на  или на 360°.

Частота вращения магнитного поля

,

где  частота тока обмотки статора.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С об­мотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное дос­таточно переменить местами на зажимах обмотки статора концы двух про­водников, идущих от питающей сети.

При  полюсное деление составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трехфазной обмотки статора состоит из двух витков с ша­гом , которые сдвинуты относительно друг друга на  и соединены по­следовательно или параллельно. Отдельные фазы и их начала А, В, С при этом также сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., составляющих в данном случае 1/6 окружности (рис.53 а).

Такая обмотка, как видно из рис.53, создает магнитное поле с . Это поле также является вращающимся и за один период тока поворачива­ется на величину двойного полюсного деления , что в данном случае состав­ляет половину окружности (рис.53 б), вследствие чего частота враще­ния магнитного поля 

В общем случае можно изготовить обмотку с  и т. д. При этом получается магнитное поле с  парами полюсов. Магнитное поле враща­ется со скоростью в оборотах в секунду

 

или в оборотах в минуту

 

.

 

 

 

В табл. 1 приведены частоты вращения магнитного поля обмоток  с различными числами полюсов при стандартной частоте промышленного тока  = 50 Гц.

Таблица 1

	1	2	3	4	5	6	8	10
, об/мин	3000	1500	1000	750	600	500	375	300

 

Вывод: для получения с помощью обмотки статора вращаю­щегося магнитного поля необходимо выполнение сле­дующих условий:

1. В пазах сердечника статора должна быть уложена трехфазная симметричная (т.е. имеющая в каждой фазе одинаковые активные и индуктивные сопротив­ления) обмотка.

2. Начала фаз обмотки статора должны быть сдвинуты относи­тельно друг друга на 120⁰  эл., что соответствует углу  по внут­ренней окружности статора.

3. По трехфазной обмотки статора должна протекать трехфазная симметрич­ная (т.е. токи должны быть одинаковы в каждой фазе по ве­личине и сдви­нуты во времени на 1/3 периода) система токов.