Вращающееся магнитное поле

Для упрощения магнитное поле электрических машин может рассматриваться как стационарное и в первом приближении — как плоскопараллельное. Электромеханическое преобразование энергии почти во всех электрических машинах связано с вращающимся магнитным полем. При этом

Вращающееся магнитное поле в трехфазной машине

Рис. 1.44. Вращающееся магнитное поле в трехфазной машине

в понятие стационарного магнитного ноля вкладывается тот смысл, что в любой момент времени амплитуда и форма магнитного поля остаются неизменными.

Вращающееся магнитное поле при неподвижных обмотках в трехфазной системе может быть создано, если разместить в пазах обмотки так, как это показано на рис. 1.44. Мгновенные значения токов в фазах для времени, соответствующего положению векторной диаграммы на рис. 1.45, равны

К = Апах и ib = гс = - -/шах. Токи в левой и правой половинах

Схема и векторная диаграмма трехфазной симметричной обмотки

Рис. 1.45. Схема и векторная диаграмма трехфазной симметричной обмотки

машины совпадают по модулю, и в воздушном зазоре создается поле, индукция Бтах которого перпендикулярна плоскости фазы обмотки, где в данный момент ток имеет максимум и смещен относительно максимума поверхностной плотности тока на 90° (см. рис. 1.45). При изменении токов во времени происходит вращение поля в воздушном зазоре. Таким образом, благодаря определенному расположению обмоток в пространстве и сдвигу токов во времени в электрических машинах образуется вращающееся магнитное поле.

Вращающееся поле создается в генераторах, в которых при вращении обмотки возбуждения в трехфазных обмотках статора наводятся напряжения и токи, сдвинутые во времени на электрический угол 120°. Вращающееся магнитное поле может быть получено также при вращении обмотки, в которой протекает постоянный ток, или при вращении постоянного магнита.

Вращающееся магнитное поле может перемещаться в воздушном зазоре с неравномерной скоростью, а форма поля может отличаться от синусоиды. При этом максимальное значение индукции будет различным по окружности внутреннего диаметра статора. Несинусоидальное поле в воздушном зазоре можно представить состоящим из основной и высших гармоник поля. В несимметричной машине поле основной и высших гармоник имеет прямую и обратную составляющие. Таким образом, в общем случае в воздушном зазоре имеются спектры гармоник, вращающихся в противоположные стороны с различными частотами. В частном случае, когда высшие гармоники отсутствуют, при равномерной частоте вращения поля и неизменной

Схема и векторная диаграмма трехфазной обмотки (р = 1, q = 3)

Рис. 1.46. Схема и векторная диаграмма трехфазной обмотки (р = 1, q = 3)

амплитуде вращающееся поле называют круговым или синусоидальным. В книге рассматривается в основном теория электромеханического преобразования энергии при круговом поле в воздушном зазоре.

Чтобы в зазоре укладывалось целое число волн магнитного поля и нс возникало отраженных волн, необходимо выбирать определенное число пазов:

где q — число пазов на полюс и фазу.

Для обмотки, показанной па рис. 1.46, число пазов равно 18, так как т = 3,р = 1,^ = 3.

Сходственные проводники каждого витка фазы расположены друг от друга на расстоянии полюсного деления

где Da — внутренний диаметр статора.

Для рассматриваемой обмотки полюсное деление составляет половину окружности. Поэтому шаг обмотки у равен полюсному делению т. Обмотки с у = т называются обмотками с диаметральным шагом. Двойному полюсному делению в двухполюсной машине 2т соответствует электрический угол 360°. Начала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 120°, что в двухполюсной машине составляет 1/з окружности. Исходя из методических соображений в книге начала обмоток обозначаются буквами А, В, С или а, Ь, с, а концы X, Y, Z или х, у, z. По ГОСТ 183—74 начала фаз обмоток статора обозначаются Ch С2, С3, а концы С4, С5, Сб; начала фаз обмоток ротора— Р,Р>, Р:>„ а концы Р4, Р5, Р6.

Из рис. 1.44 очевидно, что распределение токов по окружности статора приближается к синусоидальному закону. Если считать магнитное сопротивление стали статора и ротора равным нулю, то энергия магнитного поля сосредоточена в основном в воздушном зазоре.

Схема четырехполюсной трехфазной обмотки

Рис. 1.47. Схема четырехполюсной трехфазной обмотки

При этом закон изменения индукции в воздушном зазоре — синусоидальный.

При изменении фазы токов, что соответствует повороту векторной диаграммы токов, кривые распределения токов по окружности статора и магнитного потока в воздушном зазоре будут вращаться в направлении следования фаз. Таким образом, в зазоре электрической машины создается вращающееся магнитное поле.

В двухполюсной машине частота вращения магнитного поля равна частоте напряжения и тока статора /,.

При увеличении числа полюсов полюсное деление составляет часть окружности: для 2р = 4 оно равно 1/4, для 2р = 6 оно равно >/б и г.д.

На рис. 1.47 приведена схема четырехполюсной трехфазной обмотки с q = 1. В этом случае, так же как и в двухполюсной машине, образуется вращающееся поле, но за один период поле поворачивается на половину окружности и частота вращения поля равна

Для магнитного поля с р парами полюсов

или в оборотах в минуту

При этом линейная окружная скорость поля

При частоте 50 Гц получаются стандартные частоты вращения поля, указанные в табл. 1.2. Магнитное поле вращается в направлении, определяемом токами фаз А, В, С обмотки, к которой подводятся напряжения, соответствующие векторной диаграмме трехфазной системы А, В, С. Для изменения направления вращения поля достаточно изменить порядок следования фаз — подключение выводов обмотки к сети.

Таблица 1.2

р

1

2

3

4

5

6

8

10

30

50

Щ, об/мин

3000

1500

1000

750

600

500

375

300

100

60

Распределение магнитного поля в воздушном зазоре имеет периодический характер. Кривая индукции в зазоре многополюсной машины повторяется через каждые два полюса.

Вращающееся магнитное ноле может быть создано нс только трехфазной, но и двухфазной, и многофазными обмотками.

Двухфазная симметричная обмотка (т = 2,р= 1, q = 3, 2= 12)

Рис. 1.48. Двухфазная симметричная обмотка = 2,р= 1, q = 3, 2= 12)

На рис. 1.48 представлена схема двухфазной обмотки, обеспечивающая в зазоре вращающееся поле при сдвиге токов в фазах А и В и сдвиге обмоток в пространстве па электрический угол, равный 90°. В двухфазной обмотке на рис. 1.48 z = 2mpq = 2 - 2 -1 - 3 = 12. Как и в трехфазной системе, при изменении токов поле в воздушном зазоре будет вращаться, следуя за максимумом тока. Вместо двухфазной обмотки в тех же пазах на рис. 1.48 можно выполнить трехфазную обмотку. Согласно уравнению (1.48) q = 2. Объем меди при этом в трехфазной и двухфазной обмотках не изменяется, а при одной и той же плотности тока МДС обмоток будет одной и той же. Двухфазная и трехфазиая машины, выполненные в тех же габаритах, будут развивать тот же электромагнитный момент.

Нетрудно убедиться, что в общем случае в том же объеме зубцовой зоны можно выполнить и многофазные обмотки. Поэтому в общем виде формула для определения электромагнитного момента (1.100) имеет коэффициент т/2. В этом, по существу, и заключается приведение симметричных многофазных машин к двухфазным.

Вращающееся поле нельзя создать одной неподвижной обмоткой. Если однофазную обмотку питать переменным напряжением, в воздушном зазоре будет пульсирующее поле, которое состоит из двух вращающихся в противоположные стороны магнитных полей: прямого и обратного.

Амплитуды прямого и обратного полей одинаковые. Частоты вращения прямого и обратного полей одни и те же. Таким образом, в однофазных машинах электромеханическое преобразование энергии происходит при наличии в зазоре двух вращающихся полей.

Однофазная обмотка может быть получена из двух- или трехфазной обмотки, если соединить по определенным правилам фазы обмоток, а также при использовании одной фазы в двухфазной машине или одной или двух фаз в трехфазпой.

В воздушном зазоре электрической машины могут быть два поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой синхронной частотой вращения, но имеющих различные амплитуды. Такое поле называется эллиптическим. Эллиптическое поле появляется в симметричной электрической машине при питании фаз машины несимметричными напряжениями. Эллиптическое поле в воздушном зазоре появляется также из-за несимметрии машины.

До сих пор рассматривалось поле машины, которое создавалось одной обмоткой (обмоткой статора или ротора). При нагрузке результирующее ноле создается токами, протекающими в обмотках статора и ротора электрической машины. Токи ротора создают поле ротора, неподвижное относительно поля статора. Таким образом, в воздушном зазоре машины при нагрузке имеет место результирующее вращающееся магнитное поле, созданное токами статора и ротора. Как и при холостом ходе, вращающееся поле можно представить в виде вектора индукции В или (условно) потока Ф, вращающегося в зазоре машины с синхронной частотой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >