Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Двухфазные асинхронные двигатели

Реферат

по специальности - электротехника

на тему - возникновение многофазных систем;

асинхронные двигатели.

Выполнил студент группы………………..

ФИО…………………………………………

Владимир 2011г.

Содержание

Введение

Возникновение многофазных систем
Двухфазные асинхронные двигатели

Заключение

Список литературы

Введение

Начало современного этапа развития электротехники относится к 90-ым годам прошлого столетия, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединявшая в себе технические основы электропередачи и электромеханики. Это решение было найдено в применении различных многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу цепей трехфазных. Наиболее интересными и новыми элементами трехфазной системы явились электродвигатели, действие которых основано на использовании явлении вращающего магнитного поля. Ранее упоминался опыт Араго, в котором содержался принцип асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

Долгое время явление, открытое Араго, не находило себе практического применения. Только в 1879 г. У. Бейли (Англия) сконструировал прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотке электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так что через каждые 8 переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 3600. Над полосами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвижен медный диск. Прибор Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее, он был некоторым связующим звеном между опытом Араго и более поздними исследователями.

1. Возникновение многофазных систем

В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработанная более совершенная электрическая система – трехфазная. Изучение документальных материалов показывает, что в 1887 – 1889 гг. многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М.О. Долтво-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником трехфазной техники.

Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводом о практической непригодности индукционного электродвигателя. Еще до этого Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть на коротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении, то возникает тормозящий момент большой величины.

Так Доливо-Добровольский пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением при котором ротор имел бы скольжение около 50%. В стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный вращающий момент.

Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки. С точки зрения уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог бы быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигатель Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного потока статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный ток резко возрастает, но вместе с тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди, и поэтому КПД опять не может высоким. Выход из этого противоречия состоял в том, чтобы выполнить ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора). На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены друг с другом.

Важнейшим этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? В середине 80-х годов были построены первые вращающиеся одноякорные преобразователи. Эти преобразователи очень просто получались из обычной машины постоянного тока: от двух диаметрально противоположных точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки, которые выводились на контактные кольца. В этом случае к коллектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался переменный ток. Если в этом же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстающих точек, то на четырех соответственно кольцах легко получить двухфазную систему токов.

Доливо-Добровольский в результате исследования схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 1200. Сохранив в этой машине коллектор можно использовать в качестве одноякорного преобразователя. Таким путем была найдена связанная трехфазная система, которая отличается той особенностью, что она требует для передачи и распределения энергии только три провода.

Трехфазная система не получилась бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на расстояние. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случаи переменного тока получается при помощи трансформатора. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовало трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать стремление найти более удовлетворительное решение.

В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников. Его конструкция еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода. Наконец, в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

В электроэнергетике, системах электроснабжения и электропитания, а также в генераторных датчиках широкое распространение получили многофазные системы токов и напряжений.

Многофазной системой токов (напряжений, ЭДС) и соответственно многофазной цепью называют систему, в которой действует несколько источников периодических напряжений (токов) с одним и тем же периодом, имеющие кратные сдвиги начальных фаз. Наибольшее применение нашли трехфазные цепи с синусоидально изменяющимися источниками напряжений.

Отдельные электрические цепи, входящие в состав многофазной электрической цепи, называются фазами. Число фаз многофазной системы цепей будет обозначаться через m. Обычно электрические цепи, образующие многофазную систему цепей, тем или иным способом электрически совпадают друг с другом. При этом многофазную систему электрических цепей мы будем кратко называть многофазной цепью. В частности, при

m = 3 мы имеем трёхфазную цепь.

Совокупность ЭДС, действующих в фазах многофазной цепи, а также совокупность токов и напряжений в многофазной цепи называют многофазной системой, соответственно, ЭДС, токов и напряжений.

Рассмотрим основные признаки классификации многофазных систем ЭДС, напряжений и токов.

Различают системы симметричные и несимметричные.

Симметричной называют многофазную систему ЭДС, в которой ЭДС в отдельных фазах равны по амплитуде и отличны по фазе друг от друга на углы, равные , где q – любое целое число.

рис. 3

Для трёхфазной цепи (m=3) при q=1 получаем систему трёх равных по амплитуде ЭДС, сдвинутых друг относительно друга на угол (рис. 1,а).

Как видно из рис.3, ЭДС в фазах проходят через максимум в порядке номеров фаз (1, 2, 3, 1, 2, 3). Такую систему называют симметричной системой прямой последовательности.

Приняв q = 2, получим симметричную систему обратной последовательности (рис. 3,б), в которой ЭДС проходят через максимум в обратном порядке номеров фаз (1, 3, 2, 1, 3, 2).

Положив q = 0, получим систему нулевой последовательности (рис. 3,в), в которой все три ЭДС проходят через максимум одновременно.

Всё это относится в равной степени к симметричным системам напряжений и токов.

Несимметричными системами называют многофазные системы, не удовлетворяющие вышеуказанным условиям симметрии. Нередко фазы обозначают буквами A, B, C (или a, b, c). В таком случае при прямом следовании фаз, ЭДС проходят через максимум в порядке алфавита (A, B, C, A, B, C…). Другим важным признаком классификации является зависимость или независимость мгновенного значения мощности многофазной системы от времени.

Уравновешенными называют многофазные системы, мгновенное значение мощности которых не зависит от времени.

Неуравновешенными называют многофазные системы, мгновенное значение мощности которых является функцией времени.

Асинхронные двигатели

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы А. э. основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Т. о., ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский физик Д. Ф. Араго (1824). Он показал, что укрепленный на вертикальной оси медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский учёный У. Бейли получил вращение магнитного поля поочерёдным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые, практически одновременно и независимо друг от друга, было дано в 1888 итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и учёным Н. Тесла.

Двухфазный А. э. был изобретён Н. Тесла в 1887 (английский патент № 6481), публичное сообщение об этом изобретении он сделал в 1888. Распространения этот тип А. э. не получил главным образом из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трёхфазный А. э., в котором применил ротор типа «беличье колесо» (германский патент № 51083), а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 Доливо-Добровольский изобрёл фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами (патенты английский № 20425 и германский № 75361). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего А. э. с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками.

Конструктивное оформление А. э., их мощность и габариты зависят от назначения и условий работы.

Например, двигатели с воздушным и водяным охлаждением (общего применения); герметичные, маслонаполненные (для электробуров) и взрывобезопасные (для работы в шахтах, взрывоопасных помещениях и др.); пыле-, брызгозащищённые (для применения в морских условиях и тропическом климате) и т. д. Некоторые виды А. э. (например, шаговые, для следящих систем, схем автоматики и телемеханики, со ступенчатой регулировкой скорости и пр.) разрабатываются и выпускаются комплектно с блоками управления и пускозащитной аппаратурой, с встроенными редукторами. Трёхфазные А. э. сравнительно с однофазными обладают лучшими пусковыми и рабочими характеристиками. Основные конструктивные элементы А. э.: статор — неподвижная часть (рис.1 а) и ротор — вращающаяся часть (рис.1 б, в). В соответствии со способом выполнения роторной обмотки А. э. делятся на двигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. Воздушный зазор между статором и ротором у А. э. делается по возможности малым (до 0,25 мм). Частота вращения ротора А. э. зависит от частоты вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов двигателя.

При пуске А. э. с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, сила которого превышает силу номинального тока в 4—7 раз. Поэтому прямое включение в сеть применяется только для двигателей мощностью до 200 квт. Более мощные А. э. с короткозамкнутым ротором включают сперва на пониженное напряжение, чтобы сила пускового тока снизилась в 3—4 раза. С этой же целью применяют пуск А. э. через автотрансформатор, включенный на время пуска последовательно с обмоткой статора. Силу пускового тока двигателей с фазным ротором ограничивают пусковым сопротивлением в цепи ротора, которое в процессе разбега ротора постепенно уменьшают. После запуска А. э. обмотку ротора замыкают накоротко. Для уменьшения потерь на трение и износа щёток их обычно поднимают щёткоподъёмным приспособлением, которое перед этим замыкает накоротко обмотку ротора через кольца.

Частоту вращения А. э. регулируют в основном изменением числа пар полюсов, сопротивления, включенного в цепь ротора, изменением частоты питающего тока, а также каскадным включением нескольких машин. Направление вращения А. э. изменяют переключением любых двух фаз обмотки статора.

А. э. благодаря простоте в производстве и надёжности в эксплуатации широко применяют в электрическом приводе. Основные недостатки А. э. — ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности в режиме малых нагрузок. Создание регулируемых статических полупроводниковых преобразователей частоты существенно расширяет область применения А. э. в автоматических регулируемых электроприводах.

Конденсаторный асинхронный двигатель

1) асинхронный электродвигатель, питаемый от однофазной сети и имеющий на статоре две обмотки, одна из которых включается в сеть непосредственно, а другая — последовательно с электрическим конденсатором для образования вращающегося магнитного поля. Конденсаторы создают сдвиг фаз между токами обмоток, оси которых сдвинуты в пространстве. Наибольший вращающий момент развивается, когда сдвиг фаз токов составляет 90°, а их амплитуды подобраны так, что вращающееся поле становится круговым. При пуске К. а. д. оба конденсатора включены, а после его разгона один из конденсаторов отключают; это обусловлено тем, что при номинальной частоте вращения требуется значительно меньшая емкость, чем при пуске. К. а. д. по пусковым и рабочим характеристикам близок к трёхфазному асинхронному двигателю. Применяется в электроприводах малой мощности; при мощностях свыше 1 квт используется редко вследствие значительной стоимости и размеров конденсаторов.

2) Трёхфазный асинхронный электродвигатель, включаемый через конденсатор в однофазную сеть. Рабочая ёмкость конденсатора для 3-фазного двигателя определяется по формуле Ср = 2800 (мкф), если обмотки соединены по схеме «звезда», или Ср = 4800 (мкф), если обмотки соединены по схеме «треугольник». Ёмкость пускового конденсатора Сп=(2,5 — 3)×Ср. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше напряжения сети; конденсаторы устанавливаются обязательно бумажные.

Рис 2. Схема (а) и векторная диаграмма (б) конденсаторного асинхронного двигателя: U, UБ, UC — напряжения; IA, IБ — токи; А и Б — обмотки статора; В — центробежный выключатель для отключения С1 после разгона двигателя; C1 и C2 — конденсаторы.

Рис 3. Схема включения в однофазную сеть трёхфазного асинхронного двигателя с обмотками статора, соединёнными по схеме «звезда» (а) или «треугольник» (б): B1 Переключатель направления вращения (реверс), В2 — Выключатель пусковой ёмкости; Ср — рабочий конденсатор; Cп — пусковой конденсатор; АД — асинхронный электродвигатель.

Заключение

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученный Феррарис и югославский ученый и изобретатель, работавший в Америке Н. Тесла. Феррарис и Тесла показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать двумя переменными синусоидными токами, отличающимися друг от друга только на фан, и если этот фазовый сдвиг составляет 900, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек получает равномерное вращательное поле, не изменяясь, однако, по абсолютной величине. Так было установлено, что с помощью двух или более переменных токов можно получить непрерывно вращающееся магнитное поле. Минимально необходимое для этого число токов равно двум. В свое теоретическом исследовании Феррарис предположил, что электрический двигатель так же, как это принято в технике передачи, не при максимальном КПД, а при максимальной полезной мощности. Простые математические преобразования показывали, что такому условию удовлетворяет двигатель, ротор которого имеет скольжение 50%, т.е. вращается со скоростью, вдвое меньшей чем скорость вращающегося магнитного поля. Такой ротор должен иметь обмотку с большим сопротивлением. Дальнейший математический анализ привел Феррариса к тому, что двигатель, построенный на исследовании свойств вращающего магнитного поля, принципиально не может иметь КПД выше 50%. Естественно, столь низкий КПД не мог удовлетворять электротехников-практиков, и интерес к работам Феррариса заметно ослабел. Так ошибочное начальное условие в теоретическом на некоторое время задержало развитие прогрессивной по своему существу технической идеи.

Список литературы

Кузовкин В.А. Теоретическая электротехника : Учебник.- М.: Университетская книга, Логос, 2005
Касаткин А.С. Электротехника : Учеб. для вузов/ А.С.Касаткин, М.В.Немцов.- 9-е изд.,стер.- М.: Изд.центр «Академия» 2005г.
Веселовский О.Н. Шейнберг Я.А.Очерки по истории электротехники. 1993г.
Полякова Т.А. История электротехники и электрической энергетики.
Шейнберг Я.А. Титаны электротехники. Очерки жизни и творчества 2004г.

Двухфазные асинхронные двигатели 📙 Реферат → 🆔 74078