книги / Электротехнические устройства радиосистем
..pdfтивленис. Так как длина магнитного пути по стали магнитопровода всегда много больше, чем через немагнит ный промежуток, то увеличение зазора в определенных пределах вызывает уменьшение магнитного сопротивле ния стали в большей мере, чем увеличение магнитного сопротивления зазора, так что суммарное магнитное со противление для переменного магнитного потока умень шается.
Конструкция сглаживающих дросселей малых габа ритов подобна конструкции трансформаторов. Они, так же как трансформаторы; могут быть выполнены на бро невых и стержневых магнитопроводах. Дроссели на стержневых магнитопроводах с двумя катушками на разных стержнях обеспечивают минимальные габариты и вес, на броневых — минимальную стоимость.
Сглаживающие дроссели мощных выпрямительных устройств (например, для питания генераторных ламп вещательных передатчиков) имеют более сложное устройство. Обмотки таких дросселей находятся под вы соким напряжением (10— 12 кв) и требуют достаточно надежной изоляции. В таких дросселях обмоткам прида ют форму цилиндрических катушек, состоящих из не скольких последовательно соединенных секций, изолиро ванных друг от друга и от корпуса и помещенных рядом по высоте стержня.
Для лучшего заполнения сталью площади, охваты вающей цилиндрической обмоткой, поперечному сечению стержня придают крестообразную форму.
Г л а в а в т о р а я
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Электрические машины, являющиеся преобра зователями одного вида энергии в другой, широко при меняются во всех отраслях науки и техники.
Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и электрическую энергию в ме ханическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется г е н е р а т о р о м . Преобразование электрической энергии в механическую
осуществляется д б й г а т е л я Ми . Многие из элек'грйчёских машин могут быть использованы как в качеств^ генератора, так и в качестве двигателя. Это свойство электрической машины изменять свои преобразующие свойства называются о б р а т и м о с т ь ю ма ши н ы. Электрические машины используются для преобразова ния частоты и числа фаз в цепях переменного тока, пре. образования переменного тока в постоянный, а также для изменения уровней напряжения в цепях постоянного тока. Такие электрические машины называются п р е о б
ра з о в а т е л я м и .
Взависимости от рода тока цепи, в которой работает электрическая машина, они делятся на машины посто» янного и машины переменного тока. Машины перемен» ного тока могут быть как однофазными, так и много» фазными. Наиболее широкое применение в промышлен» ности нашли трехфазные синхронные и асинхронны^ машины, действие которых основано на использовании
вращающегося магнитного поля. В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при син хронной скорости, т. е. когда скорость ротора (вращающаяся часть машины) равна скорости вращения магнит ного поля. В асинхронных машинах процесс преобразо вания энергии происходит при асинхронной скорости, т. е. когда скорость ротора отличается от скорости вра щения магнитного поля.
Находят также применение коллекторные машины переменного тока, которые допускают экономичное ре
гулирование скорости |
вращения в широких пределах. |
||
Электрические машины находят |
также |
применение |
|
в качестве регуляторов и усилителей |
электромеханиче |
||
ских сигналов. Такие |
машины называются |
э л е к т р о - |
м а ш и н н ы м и р е г у л я т о р а м и и у с и л и т е л я м и .
2-2. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Принцип действия электрических машин осно ван на использовании явлений электромагнитной индук ции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле по люсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 2-1) поместить проводник и под действием какойлибо силы Fi перемещать его, то в нем возникает э. д. с., равная
e = Blv sin a —Blv, |
( 2- 1) |
’где В — магнитная индукция |
в месте, где Находится про |
|||
водник; |
/ — активная длина |
проводника |
(та |
его часть, |
которая |
находится в магнитном поле); v — скорость пе |
|||
ремещения проводника в |
магнитном |
поле; |
а — угол |
между векторами максимума магнитной индукции и ско
рости |
перемещения провод |
|
|
||||
ника |
('в рассматриваемом |
//./ / / (/ / / / / / / Y /./Y-, A |
|
||||
случае sin а = 1). |
|
|
|
||||
|
ин- Ff |
© |
fj |
||||
Направление |
э. д. с., |
||||||
|
|||||||
дуктируемой |
в |
проводнике, |
Щ |
|
|||
определяется |
согласно |
пра |
|
|
|||
вилу правой руки. |
|
р Н€ 2. к Принцип действия |
|||||
Если ЭТОТ проводник за- |
электрической машины, |
|
|||||
мкнуть на пассивный .прием |
|
|
ник энергии (сопротивление), то в замкнутой цепи под действи ем э. д. с. возникнет ток. В результате взаимодействия то ка i в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила F^ = Bil, направление которой опре
деляется по правилу левой руки, т. е. эта сила будет на правлена встречно силе В,, перемещающей проводнике маг
нитном поле. При |
равенстве сил FX= F^ проводник будет |
|
перемещаться с |
постоянной скоростью. |
Следовательно, |
в такой простейшей электрической машине |
механическая |
энергия, расходуемая на перемещение проводника, пре образуется в энергию электрическую, воспринимаемую приемником энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может рабо тать двигателем. Если под действием постороннего ис точника электрической энергии через проводник проте кает ток, то в результате взаимодействия тока в провод нике с магнитным полем полюсов создается электромаг нитная сила под действием которой проводник будет
перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу тор можения какого-либо механического приемника энергии. Таким образом, рассмотренная простейшая машина об ратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. В электрических машинах обмотки имеют большое число проводников, которые соединяются меж ду собой так, чтобы э. д. с. в них имели одинаковое на правление и суммировались.
Если виток проводника (рис. 2-2) вращать в магнит ном поле, то в нем индуктируется э. д. с. Стороны витка ааг и вв' пересекают линии магнитного поля, в них на-
водится э. д. с., и поэтому они называются а к т и в н ы ми с т о р о н а м и , непосредственно участвующими в про
цессе преобразования энергии. Части витка а'в' |
(или а в ) у |
называемые л о б о в ы м и с о е д и н е н и я м и , |
не пересе |
кают магнитных линий поля, и в них э. д. с. не создает ся. Они служат для соединения активных сторон. Для получения возможно большей э. д. с. в витке активные стороны его должны находиться на расстоянии полюс ного деления т (расстояние между центрами разноимен
ных полюсов), т. е. под по люсами различной .полярно сти.
Есл(И активные стороны витка поместить под одним полюсом (или под полюсами одинаковой полярности), то э. д. с., индуктруемые в них, будут иметь одинаковое на правление и при обходе* вит ка направлены «встречно, т. е. э. д. с. в -витке будет мала (или 'равна нулю).
При соединении концов витка с двумя контактными кольцами Ki и Къ жестко укрепленными на валу маши
ны и изолированными как от вала, так и один от дру гого, получим на неподвижных щетках Щ\ и Щ2, со прикасающихся с кольцами, напряжение, равное э. д. с. в витке. Если магнитное поле в пространстве распреде лено равномерно, то э. д. с. в витке будет изменяться во времени синусоидально. Такая же э. д. с. будет ин дуктирована в неподвижном витке при вращении полю сов постоянных магнитов или электромагнитов, что ши
роко используется в синхронных машинах. |
|
|
При одной |
паре полюсов ( р —1) один оборот |
витка |
в пространстве |
вызывает один период изменения |
э. д. с. |
Поэтому при вращении витка с числом оборотов п в ми нуту частота индуктируемой э. д. с. будет / ===/г/60 гц. Поворот витка в пространстве относительно начального положения можно характеризовать углом а0Пр в про странственных градусах или радианах. Такой поворот витка вызывает изменение фазы индуктируемой э. д. с., которую можно выразить углом а'пл в электрических
градусах или радианах. При /;= 1 авЛ— аиР-
54
Если |
виток вращается в магнитном поле четырех полю |
|||||||||
сов (2/7 = |
4 или /? = |
2; |
рис. |
2-3), то в нем индуктируется |
||||||
переменная э. д. с., которая |
за |
один |
оборот |
витка |
в |
|||||
пространстве |
претерпевает два |
периода изменения. Тогда |
||||||||
частота |
индуктируемой |
э. |
д. |
с. |
составит f = |
2nJ60, |
а |
|||
соотношение |
между |
углами |
примет вид |
a^ = |
2anp. При |
дальнейшем увеличении числа полюсов при неизменной скорости вращения увеличивается частота э. д. с. витка.
Рис. 2-3. Электродвижущая сила в витке, вра щающемся в магнитном поле четырех полюсов.
Электрический угол ,а'эл, определяющий фазу э. д. с., также будет увеличиваться по сравнению с пространст венным углом ххпрЕсли магнитная цепь машины имеет
р пар полюсов, |
то частота |
э. д. с. будет f = pti/60 и |
|
!• |
• |
|
|
а |
=/7<х . |
|
|
ел |
г пр |
|
|
Таким образом, частота индуктируемой э. д. с. зави сит от угловой скорости вращения витка (ротора) и чис ла пар полюсов в машине. Для получения э. д. с. посто янной частоты необходимо постоянство угловой скорости вращения.
При перемещении катушки в магнитном поле или магнитного поля относительно неподвижной катушки из меняется величина магнитного потока, пронизывающего витки этой катушки, в результате чего в катушке индук тируется э. д. с., равная
|
е — |
» |
где |
wи — число витков катушки. |
|
ни |
Предполагая изменение магнитного потока во време |
|
синусоидальным ф = ф макс sin со/, получим: |
||
|
е = — сос&кФмакс COS a>f= |
2тс/шкФмпкс sin U >t---- ^-Л, |
т. е. "э. д. с. катушки имеет синусоидальную форму и от стает по фазе от магнитного потока на угол п/2.
Амплитуда э. д. с. катушки равна EMattC = 2nw,tf— —Фмаке, а действующее значение э. д. с. составляет:
Е = |
= |
шк/«рм;,ке = 4,44дак/([)макс, |
I ле ф макс — амплитуда магнитного потока.
А •
Рис. 2-4. Схема распределенной обмотки.
В машинах переменного тока обмотки выполняются распределенными и с укороченным шагом. Распределен ными обмотки в машинах переменного тока делают с целью улучшения формы кривой пространственного распределения магнитного поля (уменьшения содержа ния в кривой высших гармонических составляющих). Укорочение шага обмотки позволяет уменьшить содер жание высших гармоник в кривой э. д. с. машины. Од нако распределение и укорочение шага обмотки умень шает величину э. д. с. фазы машины.
При распределенной обмотке (рис. 2-4) оси катушек, последовательно включенных в одну фазу, не совпадают и, следовательно, не совпадают по фазе э. д. э., индуктиоованные в этих катушках. Электродвижущая сила катушки Л, — Х х опережает э. д. с. катушки Л2 — Х 3 на угол сме
щения осей этих катушек а = -^£р- в электрических граду
сах. |
Электродвижущая сила катушки Л2— Х 2 опережает |
э. д. |
с. катушки Л3— Х 9 на тот же угол а. |
56
Таким образом, э. д. с. фазы равна геометрической сумме э. д. с. катушек, которая окажется меньше ариф метической суммы э. д. с. этих катушек.
При |
диаметральном шаге (у = т) |
катушка пронизы |
|||
вается |
всем |
магнитным .потоком |
полюса, а при |
укоро |
|
ченном |
шаге |
(у < т ) катушки |
этот |
магнитный |
поток |
уменьшается.
Таким образом, действующее значение э. д. с. фазы машины переменного тока определится следующим вы ражением:
Е = 4,44/гобда/Фмакс, |
(2-2) |
где w — общее число последовательно соединенных вит ков одной фазы; k0o — обмоточный коэффициент, учиты вающий уменьшение э. д. с. фазы машины переменного тока за счет распределения и за счет укорочения шага обмотки.
2-3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Как и любая электрическая машина, асин хронная обладает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в ре жиме двигателя. В силу ряда существенных недостат ков асинхронные генераторы практически почти не при меняются, тогда как асинхронные двигатели получили очень широкое распространение.
Поэтому мы будем рассматривать работу асинхрон ной машины в режиме двигателя, т. е. процесс преобра зования электрической энергии в энергию механическую.
Действие всякой многофазной машины переменного тока основано на использовании вращающегося магнит ного поля. Многофазная обмотка переменного тока со здает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого равна:
|
|
|
п% |
60f, |
(2-3) |
|
|
|
Р |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Если ротор вращается со скоростью Пг, равной ско |
|||||
рости |
вращения |
магнитного поля (n2= n i), т. е. синхрон |
|||
но с полем, такая |
скорость |
называется с и н х р о н н о й . |
|||
Если скорость ротора не равна скорости вращения |
|||||
поля |
(п2ф п (), |
то |
такая |
скорость называется а с и н |
|
х р о н н о й . |
|
|
|
|
В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной скорости, т. е. при скорости вращения ротора, не равной скорости враще ния магнитного поля.
Скорость ротора может очень мало отличаться от скорости поля, но при работе двигателя она будет всег да меньше (п2Кп\). В этом заключается основное прин
ципиальное отличие асинхронных машин от синхронных, у которых скорость ротора всегда равна скорости вращения магнит
ного поля статора.
Работа асинхронного двигателя основана на принципе электромаг нитной индукции. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое то ками в обмотке статора, пересекает проводники обмотки ротора и ин дуктирует в этой обмотке э. д. с. Если обмотка ротора замкнута на
какое-либо сопротивление или накоротко, то в ней под действием индуктируемых э. д. с. возникнут переменные токи. В результате взаимодействия токов в обмотке ро тора с магнитным полем обмотки статора создается вра щающий момент, под действием которого ротор прихо дит во вращение.
Направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. По этому токи в проводах обмотки ротора стремятся задер жать вращающееся поле статора, но, не имея возмож ности сделать это, приводят ротор во вращение так, что он следует за полем статора.
На рис. 2-5 выделена часть окружности ротора, на которой находится один проводник его обмотки. Поле статора условно представлено северным полюсом N, который перемещается в пространстве и вокруг ротора по часовой стрелке со скоростью /гь Следовательно, по люс N перемещается относительно проводника обмотки ротора слева направо, в результате чего в этом провод нике индуктируется з. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки и указано на рисунке знаком точки. Если обмотка ротора замкнута, то под действием э. д. с. в этой обмотке возникнет ток, направленный в выбранном нами проводнике так же, как и э. д. с.
В результате взаимодействия тока в проводнике об мотки ротора с магнитным полем возникает сила F, ко торая перемещает проводник в направлении, определяе мом по правилу левой руки, т. е. слева направо. Вместе с проводником начинает перемещаться и ротор.
Если силу F, действующую на проводник обмотки ро тора, умножить на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо приложения силы), то мы получим вра щающий момент, создаваемый током данного проводни ка. Так как на роторе помещено большое количество проводников, то сумма произведений сил, действующих на каждый из проводников, на расстоянии этих провод ников от оси ротора определяет вращающий момент, раз виваемый двигателем. Под действием вращающего мо мента ротор приходит во вращение по направлению вра щения магнитного поля. Для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения ротора, не обходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается в трехфазных двигателях изменением чередования фаз обмоток статора. Реверсивные двигатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и
направление вращения ротора. |
|
|
Вне зависимости |
от направления вращения |
ротора |
его скорость п2, как |
уже упоминалось, всегда |
меньше |
скорости магнитного поля статора. Если бы эти скоро сти почему-либо оказались одинаковыми, то магнитное поле статора не пересекало бы проводников обмотки ро тора и, следовательно, в них не возникали бы токи, т. е. не было бы вращающего момента.
2-4. УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Статор трехфазного асинхронного двигателя показан на рис. 2-6. Сердечник статора набирается из стальных пластин. Пластины штампуются с впадинами (пазами) и изолируются лаком, окалиной или тонкой бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Пластины собираются в отдельные пакеты и крепятся в станине двигателя. К станине прикрепляются также боковые щиты с помещенными на них подшипниками, на которые опирается вал ротора.
В продольных пазах статора укладываются провод ники его обмотки, которые соответствующим образом