ЛЕКЦІЯ 28

ТЕМА 4.2 МАГНІТНЕ КОЛО АСИНХРОННОЇ МАШИНИ

В машині змінного струму, як і в машині постійного струму, крім електричного є також магнітне коло, в якому створюються та замикаються просторові гармоніки МРС. Магнітне коло асинхронної машини можна поділити на коло статора, обмоткою якого створюється основне поле, та аналогічне йому магнітне коло ротора.

4.2.1 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ, ЩО СТОСУЮТЬСЯ МАГНІТНОГО КОЛА

МРС обмотки статора створює магнітний потік, що замикається через елементи магнітної системи асинхронної машини. Конструктивно магнітна система в такій машині не має, як у машині постійного струму (рис. 1.19), явно виражених магнітних полюсів, тому вона називається неявнополюсною. Число полюсів 2 р в такій магнітній системі визначається числом полюсів обмотки статора, яка створює основне магнітне поле. Багатофазна обмотка короткозамкненого ротора завжди повторює число пар полюсів обмотки статора, а трифазна обмотка фазного ротора виконується з числом пар полюсів обмотки статора.

Магнітна система асинхронної машини складається із осердь статора та ротора і уявляє собою розгалужене симетричне коло. Наприклад, магнітна система чотириполюсної машини складається із чотирьох однакових віток [одна з них показана на (рис. 4.8)], в кожній із яких замикається половина магнітного потоку одного полюса. У двополюсній машині таких віток дві, в шестиполюсній, відповідно, шість і так далі. Кожна з цих віток утворює нерозгалужене коло, яке і необхідно розрахувати при конструюванні машини. Як і в машині постійного струму, це коло складається із п’яти ділянок: повітряний проміжок δ, зубцева зона статора h_z1, спинка статора L_c1, зубцева зона ротора h_z2 і спинка ротора L_c2. Замикаючись у магнітному колі, магнітний потік проходить повітряний проміжок і зубцеві зони статора та ротора двічі.

Кожна перерахована ділянка спричиняє магнітному потоку деякий магнітний опір, тому на кожній з них витрачається частина МРС (магнітна напруга ділянки) обмотки статора:

ΣF = 2 F_δ + 2 F_z1 + 2 F_z2 + F_c1 + F_c2, (4.4)

де ΣF – МРС обмотки статора на пару полюсів в режимі НХ, А; F_δ, F_z1, F_z2, F_c1 та F_c2 – магнітні напруги відповідно повітряного проміжку, зубцевих зон та спинок статора і ротора, А.

Таким чином, розрахунок МРС обмотки статора на пару полюсів зводиться до розрахунку магнітних напруг на всіх ділянках магнітного кола. А отримане в результаті розрахунку магнітного кола значення МРС на пару полюсів ΣF дозволяє визначити, користуючись (3.44) намагнічувальний струм (основної гармоніки) обмотки статора:

I_1р = р _* ΣF /0,45 m_{1 *} W_{1 *} k_об1; (4.5)

Вихідним параметром при розрахунку магнітного кола асинхронної машини найчастіше приймається максимальне значення магнітної індукції в повітряному проміжку В_δ. Ця величина приймається за рекомендованими значеннями в залежності від числа пар полюсів р та від зовнішнього діаметра осердя статора D_зов1 (рис. 4.8). Так, при зовнішньому діаметрі D_зов1 = (300 – 800) мм рекомендується індукція В_δ від 0,8 до 1,1 Тл відповідно, при цьому для двигунів з більшими значеннями р приймаються і більші значення магнітної індукції.

Магнітна індукція визначає магнітне навантаження машини: при надто малих її значеннях магнітна система виявляється недовантаженою, а тому габарити машини виходять невиправдано великими, якщо ж задати надмірні значення магнітної індукції, то різко зростає магнітне навантаження на ділянках магнітного кола, особливо в зубцевих зонах статора і ротора, як результат, суттєво зростає намагнічувальний струм I_1р та знижується ККД машини.

Для виготовлення осердь статора і ротора асинхронних машин звичайно використовується

холоднокатана ізотропна (на відміну від трансформаторів, де застосовується анізотропна сталь) з однаковою магнітною проникністю вздовж та поперек прокатування листів марки 2013, 2312, 2411 з добавками кремнію від 0,4 до (2,8 –3,8) %. Сталь 2013 використовується для двигунів потужністю (60 – 90) кВт, напругою 660 В; для двигунів потужністю (100 – 400) кВт тієї ж напруги – сталь 2312, а для двигунів потужністю більше 400 кВт напругою (6 – 10) кВ застосовується сталь 2411. Листи осердя виготовляються шляхом штампування з подальшим відпалюванням для зняття механічних напруг, що виникають при штампуванні.

4.2.2 РОЗРАХУНОК МАГНІТНОГО КОЛА АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

Розрахунок магнітного кола будь-якої електричної машини, в тому числі і асинхронного двигуна, ґрунтується на законі повного струму і полягає у визначені суми магнітних напруг окремих ділянок кола. Магнітна напруга довільної ділянки магнітного кола F_і визначається добутком напруженості поля Н_і цієї ділянки на її довжину l_i:

F_і = Н_{і *} l_i. (4.6)

Ділянки магнітного кола відрізняються конфігурацією, розмірами та матеріалом. Найбільша магнітна напруга має місце у повітряному проміжку δ. Напруженість магнітного поля в повітряному проміжку Н_δ = В_δ / μ ₀, де μ ₀ = 4π/10^–7 Гн/м – магнітна стала. Довжина повітряного проміжку l_δ розраховується через коефіцієнт повітряного проміжку к_δ, який враховує збільшення магнітного опору проміжку за рахунок зубчатих поверхонь статора та ротора, що обмежують повітряний проміжок асинхронного двигуна (к_δ > 1). Враховуючи все це, магнітна напруга F_δ в повітряному проміжку визначається за таким співвідношенням, А:

F_δ = 796 В_{δ *} δ _* к_δ, (4.7)

де δ – значення одностороннього повітряного проміжку, мм.

Звичайно магнітна напруга двох повітряних проміжків, що входять у розрахункове магнітне коло асинхронної машини, складає до (70 – 85) % від сумарної МРС на пару полюсів ΣF (4.4). Із цього витікає, наскільки важливий вплив величини повітряного проміжку на властивості двигуна. Зростання δ значно збільшує сумарну МРС ΣF, що, в свою чергу призводить до збільшення намагнічувального струму I_1р (4.5) та погіршення інших експлуатаційних властивостей машини. Навпаки, зниження повітряного проміжку зменшує сумарну МРС, покращуючи економічні показники при експлуатації. Але при значному зниженню повітряного проміжку суттєво ускладнюється виготовлення двигуна (він стає менш технологічним), тому що виникає потреба у більш високій точності при обробці та складанні. До того ж знижується надійність двигуна, тому що при дуже малому повітряному проміжку зростає ймовірність нерівномірності проміжку і, як наслідок, можливість зачеплення при обертанні ротора об статор. Це конструктивне протиріччя є одним з недоліків асинхронного двигуна.

Окрім повітряного проміжку решта ділянок магнітного кола виготовлені із електротехнічної сталі (зубцеві зони статора h_z1 та ротора h_z2, спинки статора L_c1 і ротора L_c2). Безпосередній розрахунок магнітних напруг на цих ділянках ускладнений, так як через магнітну насиченість сталі між напруженістю поля Н_і цих ділянок і магнітною індукцією В_і в них немає прямої пропорційності. Тому для визначення напруженості поля Н_і за отриманим значенням магнітної індукції В_і необхідно використовувати таблиці або криві намагнічування Н = f (В) для даної марки електротехнічної сталі.

Асинхронні двигуни проектуються таким чином, щоб їхня магнітна система була насиченою. Магнітна характеристика асинхронного двигуна Ф = f (ΣF) зображена на (рис. 4.9). Ця характеристика уявляє залежність основного магнітного потоку від результатного значення МРС (див. 1.3.1). Тут Ф_ном та ΣF_ном – номінальні значення магнітного потоку та результатної МРС в режимі НХ, що відповідають заданому значенню магнітної індукції в повітряному проміжку В_δ. На початковій стадії магнітна характеристика прямолінійна, а потім, коли в магнітній системі наступає насичення, вона викривляється.

Як і для магнітної характеристики машини постійного струму (рис.1.20), ступінь насичення магнітного кола асинхронного двигуна кількісно характеризується коефіцієнтом магнітного насичення, що може бути визначений по магнітній характеристиці. Із початку координат проводиться пряма – дотична до магнітної характеристики – в точку с перетину з відрізком аb (рис. 4.9). Коефіцієнт магнітного насичення визначається відношенням відрізка аb, що уявляє собою номінальне значення результатної МРС в режимі НХ ΣF_ном, до відрізка bс, що представляє магнітну напругу подвоєного повітряного проміжку 2 F_δ:

k_μ = аb / bс = ΣF_ном /2 F_δ. (4.8)

Звичайно для асинхронних машин коефіцієнт магнітного насичення лежить в межах від 1,2 до 1,5. Якщо в результаті розрахунку машини k_μ виходить за вказані межі, слід відповідно змінити вибране значення індукції повітряного проміжку В_δ (в бік збільшення, якщо k_μ < 1,2 і навпаки, в бік зменшення В_δ, при k_μ > 1,5) і провести новий розрахунок магнітного кола.

4.2.3 МАГНІТНІ ПОТОКИ РОЗСІЯННЯ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

Крім основного магнітного потоку Ф, який зчіплюється з обмотками статора та ротора, в асинхронній машині (у двигуні в тому числі) існує ще два магнітних потоки, що називаються потоками розсіювання: магнітний потік розсіювання статора Ф_σ1 та магнітний потік розсіювання ротора Ф_σ2 (рис. 4.10). Кожен із цих потоків розсіяння зчіплюється лише з власною обмоткою і наводить в ній ЕРС розсіювання: Е_σ1 в обмотці статора і Е_σ2 в обмотці ротора.

Наявність магнітних потоків розсіюваннязумовлює індуктивності розсіювання в обмотці статора L_σ1 та в обмотці ротора L_σ2, а відповідно і індуктивні опори, що називаються індуктивними опорами розсіювання: Х₁ = ω_{1 *} L_σ1 – індуктивний опір розсіювання обмотки статора; Х₂ = ω_{2 *} L_σ2 – індуктивний опір розсіювання обмотки ротора. Тут ω₁ і ω₂ – кутові частоти струмів в обмотках статора і ротора. В загальному випадку опори Х₁ та Х₂ пропорційні частоті струмів статора, розрахунковій довжині статора та ротора, квадрату їх числа витків та коефіцієнту магнітної провідності розсіювання відповідних обмоток і зворотно пропорційні числу пар полюсів та числу пазів на полюс і фазу відповідної обмотки.

4.2.4 РОЛЬ ЗУБЦІВ ОСЕРДЯ В НАВЕДЕННІ ЕРС ТА СТВОРЕННІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО МОМЕНТУ

Відомо, що поверхня осердя статора і ротора складається із зубців та пазів, при цьому активні сторони провідників розташовуються в пазах, де магнітна індукція набагато менша, ніж у зубцях. Не зважаючи на це, умови наведення ЕРС в обмотці залишаються такими ж, якими вони були б, якби активні сторони обмотки розташовувались на гладкій поверхні осердя. Пояснюється це властивістю неперервності магнітних ліній. Згідно цій властивості, магнітні лінії обертового магнітного поля переходять із одного зубця в інший не перериваючись і перетинають активні провідники, що лежать в пазу, наводячи в них ЕРС.

Також відомо, що при протіканні струму по провіднику розташованому в магнітному поля на провідник діє електромагнітна сила – сила Ампера. Цікаво, що при розташуванні провідника у пазу, ця сила головним чином діє не на провідник, а на зубці, що утворюють стінки паза. Це явище переносу механічних сил з провідників на зубці пояснюється виникненням так званих пондеромоторних сил, що з’являються в магнітному полі на межі розділу двох середовищ з різною магнітною проникністю. Пондеромоторні сили завжди направлені від середовища з більшою магнітною проникністю до середовища з меншою магнітною проникністю, тобто від зубця в паз.

Щоб пояснити це явище, розглянемо два зубці з напруженістю поля Н₀ в кожному і відносною магнітною проникністю μ та паз між ними з висотою h_z і довжиною l. При відсутності струму в провіднику (рис. 4.11, а) пондеромоторні сили F₁ та F₂, пропорційні квадрату напруженості поля Н₀², магнітній проникності μ_о і відносній магнітній проникності μ, висоті паза h_z та його довжині l, будуть рівними і протилежно направленими, а їх результатна пондеромоторна сила F_п відповідно рівна нулю.

При появі струму в провіднику (рис. 4.11, б), його магнітне поле буде створювати додаткову напруженість поля Н, направлену за напрямом поля (визначається правилом буравчика). В результаті напруженість поля в лівому зубцю знизиться до значення Н₁ = Н₀ – Н, а в правому зросте до значення Н₂ = Н₀ + Н. Таким чином сила F₁ виявиться набагато більшою ніж сила F₂, а їх результатна F_п = F₁ – F₂. Враховуючи, що сили, які діють на провідник і на зубець, пропорційні магнітній проникності середовища, а вона для зубця в десятки разів вища ніж для паза, то відповідно і сили, що діють на провідник будуть набагато менші від сил, що діють на зубець. При реальних значеннях магнітної індукції в зубцях осердя сила, що діє на зубець F_п, в (50 – 100) разів перевищує силу, що діє на провідник, розташований у пазу.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– асинхронна машина окрім електричного кола має розгалужене магнітне коло, що складається з п’яти ділянок: повітряний проміжок, зубцеві зони осердь статора і ротора, а також спинки осердь статора і ротора;

– розрахунок магнітного кола, що ґрунтується на законі повного струму, дозволяє визначити намагнічувальний струм, який протікає обмоткою статора;

– магнітна характеристика асинхронної машини визначає ступінь насиченості магнітної системи машини;

– окрім основного магнітного поля в асинхронній машині мають місце два поля розсіювання: поле розсіювання обмотки статора і поле розсіювання обмотки ротора, які зчіплюються тільки з власними обмотками;

– завдяки неперервності магнітних ліній обертового поля, ЕРС в провідниках пазів наводиться так, як би вона наводилась при розташуванні активних провідників на гладкій поверхні осердя;

Дата добавления: 2015-07-14