Магнитные поля статора и ротора; ЭДС и реакция якоря. Генераторы постоянного и переменного тока

Ток обмотки ротора создает магнитное поле, расположенное в том же магнитопроводе, что и магнитное поле, созданное током обмотки статора. Поэтому результирующий магнитный поток двигателя будет определяться МДС обеих обмоток:

(10,32)

* Предполагается двигатель с фазным ротором.

Может показаться, что, поскольку ротор вращается, магнитные поля ротора и статора и создающие их МДС вращаются с разными частотами и выражение (10.32) несправедливо. В действительности магнитные поля ротора и статора вращаются в пространстве с одинаковой частотой n ₀ и, следовательно, неподвижны относительно друг друга. Это легко доказать. Частота вращения поля ротора n _0р в пространстве складывается из частоты вращения ротора и частоты вращения поля ротора относительно ротора:

n _0р = n + 60 f ₂/ p.

Выразив n через n ₀ и s, а f ₂ — через f _{1 s} , получим

n _0р = n ₀ - n _{0 s} + 60 f ₁ s / p = n ₀ - n _{0 s} + n _{0 s} = n ₀.

Геометрическая сумма МДС для удобства дальнейшего анализа выражается через произведение I ₀ w ₁, в котором I ₀— ток фазы обмотки статора при холостом ходе двигателя. Когда двигатель работает вхолостую, ротор вращается с частотой магнитного поля и ток обмотки ротора равен нулю. Предполагается идеальный холостой ход, а он имеет место, когда потери мощности на трение в подшипниках и ротора о воздух равны нулю. При реальном холостом ходе n ≈ n ₀, I ₂ ≈ 0.

Ток холостого хода, как и в трансформаторе, имеет две составляющие: I _p — намагничивающий ток и I _а — ток, обусловленный потерями в сердечнике статора двигателя:

I ₀ = √ I _p² + I _а².

Магнитопровод асинхронного двигателя имеет воздушный зазор между ротором и статором, ширина которого должна быть такой, чтобы ротор при вращении не задевал сердечник статора. Воздушный зазор составляет: для машин малой мощности 0,2 — 0,5 мм, средней мощности 0,5 — 1 мм и большой мощности 1 — 3 мм. В трансформаторе же зазор в магнитопроводе намного меньше и обусловлен только неточностью сборки и обработки. По этой причине намагничивающий ток асинхронного двигателя значительно больше, чем у трансформатора, и составляет 25 — 50% номинального тока двигателя:

I _p = (0,25 - 0,5) I _ном.

Ток I _а намного меньше I _p, поэтому часто считают, что

I ₀ ≈ I _p.

Разделив почленно выражение (10.32) на 3 w ₁/2, получим

Ī ₁ + Ī ₂ w ₂/ w ₁ = Ī ₀.

Отсюда

Ī ₁ = Ī ₀ + Ī' ₂, (10.33)

где I' ₂ = - I ₂ w ₂/ w ₁ — ток фазы обмотки ротора, приведенный к обмотке статора.

Таким образом, ток фазы обмотки статора складывается из тока холостого хода и приведенного тока обмотки ротора. Результирующий магнитный поток двигателя обусловлен взаимным действием МДС обмоток статора и ротора, причем, как и в трансформаторе, МДС обмотки ротора является размагничивающей относительно МДС обмотки статора.

С изменением нагрузки изменяется ток ротора и создается впечатление, что должны измениться результирующая МДС и создаваемый ею магнитный поток. Однако в действительности результирующая МДС I ₀ w ₁ и магнитный поток почти не зависят от нагрузки. С изменением тока ротора в той же степени изменяется и ток статора, а результирующая МДС почти не изменяется. Относительно малая зависимость магнитного потока и, следовательно, создающей его МДС (I ₀ w ₁) от тока ротора (нагрузки на валу двигателя) вытекает из (10.19). Действительно, если пренебречь падением напряжения в обмотке статора, то ЭДС Е ₁ будет равна напряжению сети.

U ₁ = Е ₁ ~ Ф

Если напряжение сети не зависит от нагрузки, то и магнитный поток также не будет зависеть от нагрузки.

Однако следует отметить, что в период пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором ток в цепи статора превышает номинальный в 5 — 7 раз. Вследствие этого падение напряжения в обмотке статора становится существенным: Е < U, и магнитный поток двигателя оказывается значительно меньше номинального.

Когда магнитное поле статора наводит ток в медных стержнях ротора, последний превращается в электромагнит. Магнитное поле статора взаимодействует с магнитным полем ротора. В результате этого ротор вращается. Основное преимущество двигателя асинхронного типа связано с тем, что у него нет ни щеток, ни коллектора. Такой двигатель является весьма надежным.

Взаимодействие магнитного поля статора и токов в роторе создает в проводниках обмотки ротора электромагнитные силы F, направление которых определяется по правилу левой руки. Эти силы вращают ротор в направлении вращения поля статора.

Полюсы магнитного поля статора, вращающиеся со скоростью и0, показаны штриховыми линиями, чтобы подчеркнуть, что статор не имеет конструктивно оформленных полюсов. Проводники ротора показаны кружками; указанные в них направления ЭДС и токов можно определить по правилу правой руки. Направления сил /, действующих на проводники ротора в результате взаимодействия токов в проводниках ротора с магнитным полем статора, могут быть найдены по правилу левой руки.

Скорость магнитного поля статора асинхронной машины 3000 об / мин, а скорость ротора 3150 об / мин.

Следовательно, магнитное поле статора вращается в плоскости осей катушек по направлению движения часовой стрелки с угловой скоростью со.

При этом магнитное поле статора начинает вращаться в противоположную сторону и изменяется направление вращения ротора.

Следовательно, магнитное поле статора вращается в плоскости осей катушек по направлению движения часовой стрелки с угловой скоростью со.

Скорость вращения магнитного поля статора равна скорости вращения ротора генератора.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно и направление вращения ротора, зависит от порядка следования фаз напряжения подводимого к обмотке статора.

Фазный ротор.

Скорость вращения магнитного поля статора зависит от частоты тока и числа пар полюсов.

При повороте магнитного поля статора между осями полей статора и ротора появится угол рассогласования и на ротор в соответствии с формулой (2) начнет действовать синхронизирующий момент, стремящийся переместить ротор в новое положение равновесия. Таким образом, после переключения обмоток ротор совершил шаговое перемещение на четверть окружности вслед за поворотом магнитного поля статора, причем новое положение ротора также является фиксированным и устойчивым.

В неявнополюсных синхронных машинах реакция якоря характеризуется полной величиной МДС статора (якоря) Fa, а ЭДС реакции якоря Еа пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря ха, т. е.

Кроме того, поскольку поток реакции якоря Фа и поток рассеяния Фа1 создаются одним и тем же током [сравните (5.1) и (5.4)], индуктивные сопротивления ха и хаа в неявнополюсных машинах целесообразно рассматривать совместно как сумму представляющую собой индуктивное синхронное сопротивление неявнопо-люсной машины, где ха — главное собственное индуктивное сопротивление неявнополюсной синхронной машины С 21 •

Тогда ЭДС реакции якоря Еа и ЭДС рассеяния Еаа следует рассматривать как геометрическую сумму:представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсной синхронной машины.

Реакция якоря

Для частей синхронной машины применяются те же наименования, что и для машин постоянного тока: якорем называется та её часть, в обмотке которой индуцируется ЭДС. В синхронных машинах с неподвижной обмоткой переменного тока статор служит якорем. Индуктором, т.е. той её частью, которая возбуждает основной магнитный поток, является ротор. Магнитная система синхронного генератора в режиме холостого хода состоит из магнитного потока полюсов, который индуцирует ЭДС в обмотке статора. После включения нагрузки в трёхфазной обмотке статора возникает ток, который создаёт своё вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля равна скорости вращения магнитного поля полюсов. Полный магнитный поток синхронной машины при нагрузке складывается из магнитных потоков статора и ротора. Магнитное поле статора, накладываясь на магнитное поле ротора, может либо ослаблять, либо усиливать его. Влияние магнитного поля статора на магнитное поле ротора называется реакцией якоря. Реакция якоря различна при различных нагрузках. В случае активной нагрузки общий магнитный поток генератора несколько увеличивается, и ЭДС генератора возрастает.

В случае индуктивной нагрузки общий магнитный поток генератора уменьшается.

При ёмкостной нагрузке ЭДС увеличивается.

Реакция якоря в синхронной машине приводит к изменению суммарного магнитного потока и ЭДС, что нежелательно. Для уменьшения реакции якоря увеличивают зазор между статором и ротором и одновременно увеличивают ток и число витков обмотки возбуждения. Это приводит к уменьшению магнитного потока якоря за счёт увеличения магнитного сопротивления машины при неизменном общем магнитном потоке. На практике при всяком изменении нагрузки с помощью автоматики изменяют ток возбуждения, что существенно ослабляет реакцию якоря.