Магнитный поток статора: Однофазный асинхронный электродвигатель

Содержание

Однофазный асинхронный электродвигатель

Конструкция однофазного двигателя с вспомогательной или пусковой обмоткой

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор — вращающаяся часть электродвигателя, статор — неподвижная часть электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора.

Основные части однофазного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Основная обмотка называется главной (рабочей) и обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически является двухфазным, но так как рабочей является только одна обмотка, электродвигатель называют однофазным.

Ротор обычно представляет из себя короткозамкнутую обмотку, также из-за схожести называемой «беличьей клеткой». Медные или алюминиевые стержни которого с торцов замкнуты кольцами, а пространство между стержнями чаще всего заливается сплавом алюминия. Так же ротор однофазного двигателя может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Однофазный двигатель с вспомогательной обмоткой имеет 2 обмотки расположенные перпендикулярно относительно друг друга

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Для того чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотки.

Проанализируем случай с двумя обмотками имеющими по оному витку

Рассмотрим случай когда в вспомогательной обмотки не течет ток. При включении главной обмотки статора в сеть, переменный ток, проходя по обмотке, создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве, но изменяющееся от +Ф_mах до -Ф_mах.

Пульсирующее магнитное поле

Если поместить ротор, имеющий начальное вращение, в пульсирующее магнитное поле, то он будет продолжать вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип действия однофазного асинхронного двигателя разложим пульсирующее магнитное поле на два одинаковых круговых поля, имеющих амплитуду равную Ф_mах/2 и вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой:

где n_пр – частота вращения магнитного поля в прямом направлении, об/мин,
n_обр – частота вращения магнитного поля в обратном направлении, об/мин,
f₁ – частота тока статора, Гц,
p – количество пар полюсов,
n₁ – скорость вращения магнитного потока, об/мин

Разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся

Действие пульсирующего поля на вращающийся ротор

Рассмотрим случай когда ротор, находящийся в пульсирующем магнитном потоке, имеет начальное вращение. Например, мы вручную раскрутили вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к сети переменного тока. В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неодинаковым.

Будем считать, что прямой магнитный поток Ф_пр, вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Ф_обр — в противоположном направлении. Так как, частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного потока n₁, скольжение ротора относительно потока Ф_пр будет:

где s_пр – скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,
n₂ – частота вращения ротора, об/мин,
s – скольжение асинхронного двигателя

Прямой и обратный вращающиеся магнитные потоки вместо пульсирующего магнитного потока

Магнитный поток Ф_обр вращается встречно ротору, частота вращения ротора n₂ относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Ф_обр

где s_обр – скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Вращающееся магнитное поле пронизывающее ротор

Ток индуцируемый в роторе переменным магнитным полем

Согласно закону электромагнитной индукции прямой Ф_пр и обратный Ф_обр магнитные потоки, создаваемые обмоткой статора, наводят в обмотке ротора ЭДС, которые соответственно создают в короткозамкнутом роторе токи I_2пр и I_2обр. При этом частота тока в роторе пропорциональна скольжению, следовательно:

где f_2пр – частота тока I_2пр наводимого прямым магнитным потоком, Гц

где f_2обр – частота тока I_2обр наводимого обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, при вращающемся роторе, электрический ток I_2обр, наводимый обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f_2обр, намного превышающую частоту f_2пр тока ротора I_2пр, наведенного прямым полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f₁ = 50 Гц при n₁ = 1500 и n₂ = 1440 об/мин,

скольжение ротора относительно прямого магнитного потока s_пр = 0,04;
частота тока наводимого прямым магнитным потоком f_2пр = 2 Гц;
скольжение ротора относительно обратного магнитного потока s_обр = 1,96;
частота тока наводимого обратным магнитным потоком f_2обр = 98 Гц

Согласно закону Ампера, в результате взаимодействия электрического тока I_2пр с магнитным полем Ф_пр возникает вращающий момент

где M_пр – магнитный момент создаваемый прямым магнитным потоком, Н∙м,
с_M — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I_2обр, взаимодействуя с магнитным полем Ф_обр, создает тормозящий момент М_обр, направленный против вращения ротора, то есть встречно моменту М_пр:

где M_обр – магнитный момент создаваемый обратным магнитным потоком, Н∙м

Результирующий вращающий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

Справка: В следствие того, что во вращающемся роторе прямым и обратным магнитным полем будет наводиться ток разной частоты, моменты сил действующие на ротор в разных направлениях будут не равны. Поэтому ротор будет продолжать вращаться в пульсирующем магнитном поле в том направлении в котором он имел начальное вращение.

Тормозящее действие обратного поля

При работе однофазного двигателя в пределах номинальной нагрузки, то есть при небольших значениях скольжения s = s_пр, крутящий момент создается в основном за счет момента М_пр. Тормозящее действие момента обратного поля М_обр — незначительно. Это связано с тем, что частота f_2обр много больше частоты f_2пр, следовательно, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора х_2обр = x₂s_обр току I_2обр намного больше его активного сопротивления. Поэтому ток I_2обр, имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Ф_обр, значительно ослабляя его.

где r₂ — активное сопротивление стержней ротора, Ом,
x_2обр — реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности невелик, то станет, ясно, почему М_обр в режиме нагрузки двигателя не оказывает значительного тормозящего действия на ротор однофазного двигателя.

С помощью одной фазы нельзя запустить ротор

Ротор имеющий начальное вращение будет продолжать вращаться в поле создаваемом однофазным статором

Действие пульсирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n₂ = 0) скольжение s_пр = s_обр = 1 и М_пр = М_обр, поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя М_п = 0. Для создания пускового момента необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, нарушается равенство моментов М_пр и М_обр и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение .

Пуск однофазного двигателя. Как создать начальное вращение?

Одним из способов создания пускового момента в однофазном асинхронном двигателе, является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, смещенной в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A на угол 90 электрических градусов. Чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле токи I_A и I_B в обмотках должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для получения фазового сдвига между токами I_A и I_B в цепь вспомогательной (пусковой) обмотки В включают фазосмещающий элемент, в качестве которого используют активное сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор).

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, пусковую обмотку В отключают. Отключение вспомогательной обмотки происходит либо автоматически с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового или дифференциального реле, или же вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время пуска двигатель работает как двухфазный, а по окончании пуска — как однофазный.

Магнитный поток — статор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Cтраница 3

При предварительном задании напряжения или тока статора магнитный поток статора регулируется косвенно.
[31]

Во вращающихся машинах токи обратной последовательности создают магнитный поток статора, вращающийся против направления вращения ротора машины. Таким образом, этот магнитный поток имеет двойную угловую скорость по отношению к ротору машины. Магнитное сопротивление на пути этого магнитного потока несколько отличается, от соответствующего магнитного сопротивления для магнитного потока, созданного токами прямой последовательности, который вращается синхронно с ротором.
[32]

При обрыве одной фазы во время работы двигателя уменьшается магнитный поток статора, а механизм, приводимый во вращение двигателем, продолжает развивать нормальную мощность за счет увеличения тока в двух оставшихся неповрежденных фазах. Это и приводит к недопустимому перегреву обмоток двигателя.
[33]

При наличии демпферной обмотки в продольной оси ротора вытеснение внезапно изменившегося магнитного потока статора получается более интенсивным, поскольку в этом участвуют совместно обмотка возбуждения и продольная демпферная обмотка.
[34]

Чем больше замкнутых контуров на роторе, тем меньшая часть магнитного потока статора в переходном процессе может проникнуть в ротор. Очевидно, в пределе, когда магнитный поток статора совсем не проникает в ротор, реактивность статора определяется только ее потоком рассеяния и величина этой реактивности ха являемся наименьшей возможной.
[35]

Схемы включения асин — [ IMAGE ] Механические характери-хронного двигателя в тормозных стики асинхронного двигателя в тор-режимах мозных режимах.
[36]

При торможении противовключением ротор двигателя вращается в сторону, противоположную вращению магнитного потока статора. Ротор под действием запасенной кинетической энергии продолжает вращаться в прежнем направлении, а поле статора изменяет свое направление вращения.
[37]

Включение пускового сопротивления в цепь обмотки статора, что способствует уменьшению магнитного потока статора и уменьшению индуцированных в гюторе токов, от чего вращающий момент двигателя резко увеличивается.
[38]

Токи в успокоительных обмотках создают маги итный поток, который почти полностью компенсирует обратную составляющую магнитного потока статора. Благодаря этому резко снижается величина токов двойной частоты, наводимых в обмотке возбуждения, а следовательно, и нагрев последней.
[39]

Схема, объясняющая [ IMAGE ] Блок-схема магнитной системы ста.
[40]

При протекании электрического тока по обмотке якоря возникает магнитный поток, который, взаимодействуя с магнитным потоком статора ( постоянным магнитом), обуславливает появление механического момента, приводящего во вращение ротор. В системах с моментным магнитопро-водом роль ротора выполняет одна или несколько обмоток с протекающим по ним электрическим током, а роль статора — магнитное поле Земли.
[41]

Разрез по синхронному двигателю с постоянными магнитами.

| Конструкция ротора реактивного синхро иного двигателя.
[42]

Для пуска в ход синхронного двигателя ротор его необходимо раскрутить до скорости, близкой к скорости магнитного потока статора. Основным свойством синхронного двигателя является постоянство скорости его вращения. В схемах автоматики, где в основном используются двигатели малой мощности, синхронные двигатели нормальной конструкции не применяются.
[43]

Схема соединения генератора и стабилизирующего устройства крана КС4161А. 1 — реостат установки, 2 — компаундирующее сопротивление, 3 — выводы обмоток генератора, 4, 7 — дополнительная и основная обмотки статора, 5 — — кремниевый выпрямитель, 6 — обмотка ротора, 8 — выводы от стабилизирующего устройства, 9 — компаундирующие трансформаторы, 10 — выводы от компаундирующих трансформаторов к нагрузке.
[44]

При подключении к зажимам генератора нагрузки по основной обмотке 7 статора протекает ток, создающий в генераторе соответствующий магнитный поток статора. Этот поток направлен против магнитного потока, образованного обмоткой ротора. Для компенсации размагничивания потока статора и сохранения напряжения генератора на уровне номинального значения ток обмотки ротора при нагрузке должен быть увеличен тем больше, чем больше нагрузка.
[45]

Страницы:

Магнитное поле статора и ротора

Что такое магнитные поля статора и ротора?Вращающееся магнитное полеРотор статораКонтекст и приложения. Практические задачи

Магнитное поле статора и ротора — это результирующее магнитное поле, создаваемое системой симметрично расположенных катушек. Они питаются многофазными токами. Магнитное поле создается многофазным (две или более фаз) током или однофазным током. В последнем случае запитываются две обмотки статора возбуждения и за пределами ступени генерируются два результирующих электромагнитных поля.

Эти электромагнитные поля часто используются в электромеханических устройствах. Например, асинхронные двигатели, электрические генераторы, синхронные генераторы и индукционные регуляторы.

Вращающееся магнитное поле

В работе асинхронных машин вращающееся магнитное поле играет жизненно важную роль. Асинхронный двигатель состоит из ротора и статора. Двухфазный ток, например, представляет собой группу неподвижных обмоток в статоре, предназначенных для создания вращающегося магнитного поля с угловой скоростью, определяемой частотой переменного тока. Катушки намотаны в пазах ротора или якоря, которые замкнуты накоротко и индуцируют переменный магнитный поток, генерируемый полюсом возбуждения. Ток якоря создает поток и реагирует на четыре полюса поля, а якорь вращается в определенном направлении.

Симметричное вращающееся магнитное поле может быть создано с помощью двух катушек с обмоткой полярности, работающих под прямым углом. Однако почти всегда используются три набора катушек, поскольку они совместимы с симметричной трехфазной системой переменного тока со знаком. Три катушки работают в фазе 120 градусов от одного набора к другому. В этом примере магнитное поле считается линейной функцией тока катушки.

CC BY-SA 3.0 | Кредиты изображений: https://commons.wikimedia.org | Оксиман

В таком поле постоянный магнит вращается, сохраняя свое выравнивание с внешним полем. Этот эффект использовался в первых электродвигателях переменного тока. Вращающееся магнитное поле может быть создано с помощью двух ортогональных катушек с разницей фаз 90 градусов в их переменных токах. На практике, однако, такая система питается по трехпроводной схеме с неравными токами. Это неравенство постоянного магнита может вызвать серьезные проблемы при проверке размеров проводников. Чтобы преодолеть это, используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют разность фаз на 120 градусов. Три одинаковые катушки с геометрическими углами 120° друг к другу образуют в этом случае вращающееся магнитное поле. Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемое в электродвигателях, является одной из основных причин, по которой трехфазные системы доминируют в мировых системах электроснабжения.

Вращающееся магнитное поле также используется в асинхронных двигателях. Магниты в асинхронных двигателях со временем изнашиваются. В асинхронных двигателях используются короткозамкнутые роторы, которые следуют за вращающимся магнитным полем разноцветного статора. В этих двигателях короткозамкнутые витки ротора создают вихревые токи во вращающейся области статора. Это помогает в перемещении ротора под действием силы Лоренца. Эти типы двигателей обычно не синхронизированы, но необходимо учитывать степень «скольжения» для выработки электроэнергии за счет относительного движения поля и ротора.

В зависимости от конфигурации вращающегося электродвигателя или асинхронного двигателя поле статора может играть различные роли. Он может вести себя как магнит, взаимодействовать с якорем для создания движения или получать энергию от катушек возбуждения, движущихся по ротору. Эти эффекты могут быть достигнуты. Первые генераторы постоянного тока (называемые динамо-машинами) и шунтирующие двигатели размещали катушки возбуждения на статоре. Катушки выработки электроэнергии или реактивные катушки двигателя на роторе также размещаются на двигателях постоянного тока. Это необходимо, потому что для правильного выравнивания поля во вращающемся роторе требуется постоянно движущийся выключатель питания, называемый коммутатором. Коммутатор должен становиться больше и сильнее по мере увеличения тока.

Статор этих устройств может быть постоянным магнитом или электромагнитом. Если статор представляет собой электромагнит, катушка, питающая его, называется катушкой возбуждения статора или обмоткой возбуждения статора.

Катушка может быть с железным или алюминиевым сердечником. Для уменьшения нагрузочных потерь в двигателях производители используют медь в качестве токопроводящего материала в обмотках. Алюминий имеет низкую электропроводность. Это альтернативный материал для двигателей малой мощности. Особенно, когда асинхронные двигатели используются в течение очень короткого промежутка времени.

Генератор переменного тока может генерировать энергию на нескольких сильноточных выходных катушках, соединенных параллельно, что устраняет необходимость в коммутаторе. Для передачи мощности высокого напряжения и слабого тока на катушку вращающегося поля это можно сделать, разместив катушки возбуждения на роторе, что позволяет использовать недорогой механизм с контактными кольцами.

Ротор

В трехфазной асинхронной машине переменный ток, подаваемый на обмотку статора, создает магнитный поток и момент, вращающий ее. Магнитное поле создается в воздушном зазоре между статором и ротором с помощью потока. Он также создает напряжение, которое индуцирует ток через стержень ротора. Цепь ротора короткая, и ток течет по проводникам ротора. Действие вращающегося потока и тока создает силу, которая создает крутящий момент для запуска двигателя.

Ротор генератора состоит из проволочной катушки, намотанной на железный сердечник. Магнитная часть ротора изготовлена из куска стали, чтобы облегчить прорези проводника определенной формы и размера. По мере того как токи протекают по проволочной катушке, вокруг сердечника создается магнитное поле, называемое током поля. Сила тока поля ротора контролирует уровень напряженности магнитного поля. Постоянный ток (DC) управляет током возбуждения в одном направлении и передает его на проволочную катушку через набор щеток и контактных колец. Как и любой магнит, генерируемое магнитное поле имеет северный и южный полюса. Нормальное направление движения двигателя ротором по часовой стрелке можно изменить с помощью магнитов и магнитных полей, установленных в конструкции ротора. Так что двигатель намагничивается и работает в обратном направлении или против часовой стрелки.

Крутящий момент ротора

Крутящий момент создается силой, возникающей при взаимодействии магнитного поля и тока. Силу и крутящий момент ротора можно рассчитать следующим образом:

F=(B×I)LT=F×r

Где F — сила, T — крутящий момент, r — радиус колец ротора, B — магнитное поле, I — ток, L — длина стержня ротора.

Контекст и приложения

Эта тема важна для профессиональных экзаменов как на курсах бакалавриата, так и на курсах последипломного образования, таких как:

Бакалавр технологии электротехники
Магистр технологии электротехники

Практические задачи

1. Какова скорость, с которой вращается вращающееся магнитное поле?

Синхронная скорость
Скорость вращения
Индукционная скорость
Крутящий момент статора

Ответ: Вариант a

900 65 Объяснение : Синхронная скорость — это скорость, с которой вращается вращающееся магнитное поле.

Q2 . Какие из следующих утверждений верны для каждой фазы магнитодвижущей силы (МДС) во вращающихся машинах?

Это вращающаяся волна МДС.
Это не вращающаяся волна ММП, но ее амплитуда практически не пульсирует.
Крутящий момент, генерирующий синусоидальные волны МДС.
Ничего из вышеперечисленного.

Ответ: Вариант б

Пояснение: Каждая фаза МДС не является вращающейся волной МДС, ее амплитуда пульсирует вертикально и перпендикулярно или чередуется с осью ее фазы.

Q3. Если возбуждение однофазной обмотки происходит переменным током, какое из следующих утверждений верно?

Производит множество стационарных волновых индуктивностей МДС.
Произведенный ММП пульсирует вдоль своей магнитной оси.
И a, и b.
Ничего из этого.

Ответ: Вариант b

Объяснение: Это однофазный распад МДС, который трансформируется в две орбитальные МДС-волны, но не генерируется и производит единую сплошную МДС-волну, которая движется вдоль своей сгенерированной магнитной оси.

Q4. Что из следующего верно, в любой момент времени величина вращающегося потока и когда он достигает крутящего момента в начале?

Изменения
Пульсации
Остаются постоянными
Ничего из перечисленного

Ответ: Вариант c

Объяснение: Fr = 3 / (2Fm) (в 3-фазной машине). Непрерывная вращающаяся амплитуда МДС или вращающегося поля создается в воздушном зазоре трехфазной машины.

Q5. От чего из нижеперечисленного не зависит синхронная скорость линейного асинхронного двигателя?

Ширина шага полюсов
Количество двухполюсников
Частота питания синусоидально
Все вышеуказанное

Ответ: Опция a

90 002 Объяснение: Синхронная скорость линейного асинхронного двигателя не не зависит от ширины шага полюсов.

Мы предоставим вам пошаговые решения для миллионов задач из учебников, круглосуточную помощь экспертов в данной области, если вы запутались, и многое другое.

Ознакомьтесь с примером решения вопросов и ответов по электротехнике здесь!

*Время ответа зависит от темы и сложности вопроса. Среднее время отклика составляет 34 минуты для платных подписчиков и может быть больше для рекламных предложений.

Изучайте умный доступ к миллионам пошаговых учебников, нашей библиотеке вопросов и ответов и математическому решателю на основе искусственного интеллекта. Кроме того, вы ежемесячно получаете 30 вопросов, которые нужно задать эксперту.

МашиностроениеЭлектротехника

Электрические машины

Основы машин переменного тока

Магнитное поле статора и ротора

Что такое магнитные поля статора и ротора? магнитное поле статора и ротора результирующее магнитное поле, создаваемое системой катушек, расположенных симметрично. Они питаются многофазными токами. Магнитное поле создается многофазным (две или более фаз) током или однофазным током. В последнем случае запитываются две обмотки статора возбуждения и за пределами ступени генерируются два результирующих электромагнитных поля.