Однофазные двигатели переменного тока

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 18Следующая ⇒

Итак, генераторы однофазного переменного тока были созданы раньше генераторов постоянного тока и развивались вполне успешно. Была доказана обратимость электрических машин (Пачинотти, Якоби, Ленц). Почему же не развивались однофазные электродвигатели? Они существовали, но имели очень серьезный недостаток. Рассмотрим упрощенную схему электродвигателя переменного тока - рисунок 1.3. На рисунке показана часть машины переменного тока с внешними полюсами - электромагнитами, питаемыми постоянным током, либо постоянными магнитами. На подвижной части машины - роторе расположена обмотка, подключенная к сети переменного тока.

Рисунок 1.3 - Принцип работы однофазного электродвигателя

Пусть один из полюсов ротора находится в положении а и протекающий по обмотке ротора ток создает на нем южный магнитный полюс. Тогда полюс ротора будет отталкиваться от южного полюса статора и притягиваться к северному - то есть ротор поворачивается по часовой стрелке. Когда полюс ротора займет положение б, ток в его обмотке становится равным нулю, а затем меняет свое направление. В положении в полюс ротора перемагнитится, будет соответствовать северному магнитному полюсу, то есть будет отталкиваться от северного полюса статора и притягиваться к южному.

Следовательно, вращение ротора будет происходить только в том случае, если скорость вращения - строго определенная величина. Она должна быть такой, чтобы время, необходимое для прохождения каждым полюсом ротора расстояния между двумя соседними одноименными полюсами статора, точно равнялось периоду переменного тока. Как говорят, ротор должен вращаться синхронно с изменением переменного тока (термин ввел Ч. Штейнмец). Прежде чем синхронный двигатель начнет работать, его ротор необходимо раскрутить до требуемой скорости. Для запуска таких двигателей использовались паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания (система Ферранти), естественно, что такие электроприводы не получили широкого распространения.

Более продуктивной оказалась идея питания однофазным переменным током коллекторного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. В этом случае направление основного магнитного потока изменяется одновременно с изменением направления тока в якоре, поэтому вращающий момент имеет постоянное направление. Изменение направления тока в якоре приводит к сильному искрению на коллекторе, поэтому такие двигатели не нашли широкого применения. В настоящее время они используются в бытовом электроприводе (электродрели, стиральные машины), на электрифицированных железных дорогах однофазного тока.

Многофазные системы переменного тока

Двухфазная система переменного тока

К 90-м годам 19-го века было доказано, что экономически выгодно строить мощные электростанции, способные снабжать электрической энергией большие районы, передавая электроэнергию на большие расстояния. Производство и передача энергии возможно осуществлять на переменном токе. Механическая работа в стремительно развивающейся промышленности осуществлялась паровыми машинами и дорогими электродвигателями постоянного тока, для которых строились местные электростанции. Электромеханическое преобразование энергии оказывалось неэкономичным. Нужен был электродвигатель переменного тока. Но однофазный электродвигатель не решал проблемы. Получалось, что электротехника зашла в тупик.

Снова вернемся к самым истокам. Опыт Араго: вращение магнита над металлическим диском заставляло этот диск вращаться. Объяснение этого явления Фарадеем: вращающиеся магнитные силовые линии пересекают радиальные проводники, из которых состоит диск, и в этих проводниках возникают индуктированные токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приводит к возникновению сил вращения. Чтобы получить электродвигатель, нужно было получить вращающееся магнитное поле без приложения внешних механических сил.

История создания вращающегося магнитного поля крайне запутана: слишком много претендентов, оспаривающих друг у друга пальму первенства. Скандальные судебные процессы отдельных изобретателей и крупных фирм (только американская фирма "Вестингауз" провела более 25 судебных процессов) свидетельствуют о накале борьбы, но мало проясняют суть дела: счет идет на месяцы и даже дни.

Наибольшую известность и наиболее строгие теоретические исследования выполнили независимо друг от друга инженер фирмы "Вестингауз" серб (по другим источникам - хорват) Николо Тесла и итальянский профессор физик Галилео Феррарис . Тесла утверждал, что идея вращающегося магнитного поля родилась у него в 1882 г. Феррарис говорил, что осознал принцип его получения в 1885 г. Доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле состоялся в Туринской академии 18 марта 1888 г. Доклад Тесла в Американском институте электроинженеров - 16 мая 1888 г. Заявку на получение патента на многофазную систему Тесла подал 12 октября 1887 г. Лабораторные образцы двухфазных асинхронных электродвигателей Феррарис создал в 1885 г.

Рисунок 1.4 - Получение двухфазного тока

Для получения вращающегося магнитного поля требуется получить два переменных тока, сдвинутых относительно друг друга по фазе. Принцип получения двухфазного тока показан на рисунке 1.4.

Генератор переменного тока содержит две независимые (не соединенные друг с другом) обмотки: 1-3 и 2-4, размещенные на полюсах, сдвинутых в пространстве на 90⁰. Во внутреннем пространстве, образованном этими полюсами, вращается ротор (постоянный магнит). При пересечении витков обмоток магнитным полем в них наводится ЭДС, полярность которой меняется через каждые 180⁰ поворота ротора. Кроме того, ЭДС, наводимая в обмотке 2-4, будет отставать от ЭДС обмотки 1-3 на время, необходимое ротору для поворота на 90⁰.

, (1.3)

w - угловая скорость вращения ротора.

Если выводы обмоток подсоединить к нагрузочным сопротивлениям, то получим две цепи переменного тока, в которых протекают токи, сдвинутые относительно друг друга на 90⁰. Это двухфазная система переменного тока (двухфазный ток) - рисунок 1.5.

Так как для электрических явлений важна только разность потенциалов, то один из проводов, подсоединяющих нагрузку, можно сделать общим.

Рисунок 1.5 - Двухфазная система токов

Если потенциал провода 2-3 принять за нуль, то потенциал провода 1 (напряжение в линии 1) равен , а потенциал провода 4 - Напряжение между линиями 1 и 4 соответственно равно

(1.4)

так как .

Таким образом можно получить систему из трех однофазных токов, но третий будет отличаться по амплитуде и сдвигу фазы. Кроме того, уменьшение числа проводов до трех дает меньшую экономию металла, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода необходимо увеличить в раз по сравнению с двумя другими проводами.

Технические решения Феррариса и Теслы проблемы получения двухфазного тока несколько отличались друг от друга. Описанный выше принцип близок к методике Теслы.

С помощью двухфазного тока можно получить обратное преобразование - создать вращающееся магнитное поле - рисунок 5.3. Если к двухфазному генератору вместо нагрузочных сопротивлений подключить обмотки такой же по конструкции машины, то протекающий по ним переменный ток создаст переменные магнитные поля:

и , (1.5)

сдвинутые относительно друг друга в пространстве, соответственно с расположением обмоток, и во времени, соответственно с временным сдвигом протекающих по ним токов. Абсолютная величина результирующего магнитного поля, созданное внутри машины взаимодействием этих полей, равняется

. (1.6)

Рисунок 1.6 - Получение вращающегося магнитного поля в двухфазном электродвигателе

Вектор результирующего магнитного поля равномерно вращается в пространстве с угловой скоростью w. Таким образом получается вращающееся магнитное поле, подобное полю вращающегося постоянного магнита. Создав такую машину Феррарис разместил внутри ее ротор, представляющий собой полый медный цилиндр. Двухфазные асинхронные электродвигатели с полым ротором назвали двигателями Феррариса.

Основное отличие опытов Тесла состояло в том, что он получал многофазный ток от многофазного источника (Феррарис пользовался фазосмещающими устройствами). Многофазный генератор Тесла имел магнитную систему из двух постоянных магнитов. В их магнитном поле вращались две взаимно перпендикулярные катушки, концы обмоток выводились на кольца. Генератор создавал два сдвинутых на 90⁰ тока. От этих токов получали питание катушки возбуждения электродвигателя, также расположенные на его статоре перпендикулярно друг другу Ротор тоже имел подобную систему катушек, замкнутую саму на себя. Основным недостатком двигателя Тесла была полюсная система статора и ротора (выступающие полюса с сосредоточенными обмотками). Двигатель имел большое магнитное сопротивление, неравномерное распределение магнитного поля, плохие рабочие характеристики. Достаточно сказать, что пусковой момент зависел от начального положения ротора.

Основное достоинство системы Тесла - идея создания многофазной системы из независимых токов. Основное достоинство системы Феррариса - более удачная конструкция электродвигателя.

Фирма Вестингауз (в которой работал Тесла) построила несколько электростанций двухфазного переменного тока (в том числе крупнейшая для того времени Ниагарская ГЭС - 1885 г.), но все попытки Тесла усовершенствовать ее (он получил 41 патент по двухфазной системе) не имели большого успеха.

Что же касается Феррариса, то он, создав довольно удачную конструкцию двухфазного электродвигателя, пришел к выводу, что такая система не имеет перспектив для промышленного электропривода. Дело в том, что Феррарис (как и большинство других ученых) в своих разработках придерживался принципов работы слаботочной техники - злополучной теоремы о максимальной мощности приемника. В соответствии с режимом передачи приемнику (двигателю) максимальной мощности Феррарис создал электродвигатель, ротор которого имел сопротивление равное сопротивлению источника тока. Во-первых, такой электродвигатель мог вращаться со скоростью, равной половине скорости вращения магнитного поля, имел КПД меньше 50%, ротор во время работы нагревался до высоких температур. Ошибочное распространение методов слаботочной техники на мощные электротехнические установки и привело Феррариса к такому заключению.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 448; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!