Асинхронник в режиме СЕ

Размышленя о работе асихронного двигателя
в режиме СЕ
Igor
Асинхронный двигатель представлет собой электрическую машину, состоящую из
двух основных частей: неподвижной - статора и подвижной ротора.
Статор представляет собой набор из пластин электротехнической стали круглых
снаружи и с выраженным зубцовым слоем внутри. Между зубцами укладываются
обмотки. Обмотки статора (в случае двухполюсной машины, для простоты понимания)
состоят из двух половин, расположенных напротив друг друга диаметрально и
образующих пары. Каждая половина состоит, в свою очередь, из группы обмоток. Пары
ориентированы друг относительно друга на 120 град. центрально симметрично.
Ротор представляет собой набор круглых пластин того же металла, что и статор,
насаженных на вал, который свободно вращается во внутреннем отверстии статора.
Воздушный зазор между ротором и зубцами статора обычно не превышает 1 мм даже для
крупных (более 100 кВт) машин. Обмотка ротора представляет собой группу
алюминиевых стержней, ориентированных вдоль вала и находящихся у самой
поверхности ротора в теле набора стальных пластин. С торцов стержни электрически
замкнуты алюминиевыми же кольцами, образуя вместе знаменитое «беличье колесо».
Обычно его получают путем заливки расплавленного алюминия в форму, в которую
заранее вставляется набор пластин с отверстиями. Заодно отливается и крыльчатка
охлаждения ротора. В некоторых двигателях пазы под стержни выполнены открытыми и
алюминиевые стержни "беличьей клетки" можно увидеть. Все это можно прочесть в
любой книжке по электротехнике, чего я очень рекомендую.
Статор и ротор АД вместе составляют магнитную цепь машины. Основной
магнитный поток, назовем его Ф1, создается обмотками статора. Ф1 преодолевает два
воздушных зазора с обеих сторон ротора и, замыкаясь, образует букву Ф. Напомню, что
это справедливо для двухполюсного двигателя (на 3000 об/мин.). В других моторах форма
потока иная, но идея та же самая. Ф1 вращается благодаря разности фаз между тремя
токами, которые его создают. Понятно, что сам статор и ротор (в момент включения)
физически не вращаются, но положим, что вращаются домены магнитопровода. Все
видели живые картинки на трибунах стадиона. Люди поднимают по выученному
сценарию над головой цветные платки. Люди сидят на месте, картинка меняется,
«движется». Итак Ф1 «вращается».
Ф1, вращаясь, наводит в обмотках неподвижного ротора ЭДС. Поскольку стержни
«беличьей клетки» замкнуты накоротко, в них немедленно возникают сильнейшие токи.
И вот здесь и начинаются некоторые сомнения, которые я осмелюсь выложить. В
книжках по электротехнике сказано, что проводники с током, в данном случае стержни
клетки, взаимодействуют с полем машины, т.е. на них начинает действовать сила Ампера.
Возникает вращающий момент, ротор приходит в движение. По мере нарастания угловой
скорости вращения ротора, частота пересечений стержней клетки потоком Ф1 снижается,
ЭДС ротора падает, ток соответственно тоже падает. Двигатель запустился. Известно, что
скольжение ротора относительно потока Ф1 при номинальной нагрузке обычно не
превышает 6%, т.е. частота наведенного тока не превышает 3 Гц ( при частоте сети 50 Гц).
Однако, следует заметить, что именно в том месте, где физически находятся
стержни обмотки ротора, поля-то как раз и нет! Алюминиевые стержни – участки с
намного более высоким магнитным сопротивлением, нежели железо ротора, и поток
преспокойно замыкается мимо полостей с алюминием, "обруливая» их. Говорят также
частенько о возникновении таинственных пондеромоторных сил на границе сред с разной
проницаемостью. Что ж, очень может быть. Однако, следуя такой логике, при наибольшем
токе в роторе должен быть наибольшим вращающий момент, т.е. при скольжении 100%
или при неподвижном роторе. Экспериментально же установлено, что зависимость
момента вращения от скольжения имеет вид, напоминающий букву Л. На мой взгляд,
картина взаимодействия значительно проще. Наведенные токи ротора образуют в железе
ротора свой поток, назовем его Ф2. Он всегда перпендикулярен Ф1, т.е. вращается
синхронно с ним. По своему значению Ф2 значительно меньше Ф1, порядок отличия 10^2.
Это можно понять из простого рассуждения. Пусть работает на холостом ходу двигатель
мощностью 5 кВт, обмотки включены звездой, т.е. приложенное напряжение 220 В.
Активное сопротивление обмотки 1 Ом. Ток в каждой фазе на ХХ - 3 А, скольжения почти
нет, Ф2 соответственно тоже нет. Понятно, что если бы не наводилась в обмотке ЭДС
самоиндукции, ток был бы равен 220В/1 Ом=220 А. Однако он равен 3А. Это значит, что к
обмотке прилагается 3В, очевидно, что 3В/1 Ом=3А. Это значит, что Ф1, наводит ЭДС в
размере 217 В. Она как бы «подпирает» сетевую ЭДС, а разница прикладывается к
обмотке. Нагрузили двигатель. Ток стал 10 А. Это значит, что появился Ф2 и его действие
привело к увеличению тока потребления. Однако, применив ту же логику рассуждений,
что и для ХХ, приложенное напряжение стало 10 В. Т.е. 10В/1 Ом = 10А. Т.е. ЭДС
самоиндукции стала теперь 210 В. Т.е. Ф2 навел 210В – 217В = -7В. Итак, Ф1 – 217В, Ф2
– 7В. Известно из закона Фарадея, что наведенная ЭДС первая производная Ф по времени.
Тогда Ф1/Ф2 = Е1/Е2, т.е. в нашем случае, 217/7 = 31 раз.
Тем не менее Ф2 существует и образует в роторе с роторным участком Ф1
векторную сумму. Результирующий Фрот отклоняется от основной оси Ф1 и всегда
стремится его догнать, «притянуться», как это делают все магниты. Такова природа
вращающего момента в АД. Кстати, при чрезмерном отклонении Фрот от Ф1 сила
взаимодействия ослабевает, уменьшается плечо приложения силы и вращ. момент
снижается, как было уже сказано выше.
Эта версия прекрасно согласуется с возникновением момента в синхронных
машинах. Только там отклонение Фрот возникает непосредственно за счет механической
нагрузки на валу. Поле статора как бы тянет за собой намагниченный ротор на магнитной
веревочке, пока хватает ее прочности. Она растягивается и в какой-то момент "рвется",
двигатель выпадает из синхронизма.
Но продолжаю. Как же все таки Ф2 действует на первичные токи в статоре?
Обычно АД в этом смысле отождествляют с трехфазным трансформатором и пишут для
него такие же уравнения напряжений и токов. Но вот тут-то зарыта такая собака, от
которой у всех создателей ВД и рвет башню! Можно писать какие угодно уравнения, но
очень полезно качественно представить физические процессы в АД.
Итак, известно, что при ХХ Ф2 настолько мал, что его можно не учитывать. На ХХ
каждая обмотка АД обладает индуктивностью L хх. При появлении нагрузки появляется
Ф2, который, как и любой магнитный поток является замкнутым ( в природе нет
незамкнутых магнитных потоков). Тут принципиальное отличие АД от трансформатора.
Ф2 в АД :
- во-первых, всегда перпендикулярен Ф1 и имеет всегда для заданного режима работы АД
постоянное значение. Это объясняется тем, что обмотки ротора закорочены,
индуктивность их незначительна, а частота перемагничивания составляет единицы герц.
Можно считать, что обмотка ротора нагружена на активную нагрузку, Т.е. сама на себя.
-во-вторых, в основном диапазоне нагрузок Ф2 не замыкается через статор. Это
объясняется тем, что для того, чтобы замкнуться через статор маленькому Ф2 нужно
преодолеть 2 воздушных зазора. Кроме этого, над стержнями клетки в роторе имеется
тонкий магнитопроводящий слой, «магнитный шунт» (обычно не более 1,5 мм), вполне
достаточный для замыкания Ф2, так сказать, «по малому кругу». Это значит, что Ф2 не
пересекает обмоток статора и ничего в них не наводит. Однако Ф2 двигается синхронно с
Ф1 и пересекает стержни клетки. Если принять, что закороченные стержни – активная
нагрузка, то Ф2 в свою очередь наводит в клетке третий поток Ф3, перпендикулярный Ф2
и противоположный Ф1.
Ф3 просто ослабляет Ф1, т.е. полностью совпадает с ним по фазе, хотя и отличаясь
знаком. Мы знаем, что Ф – линейная функция тока. Это значит, что вторичный ток в
противофазе с первичным. Т.е. иными словами, действие Ф2 в АД эквивалентно
уменьшению эффективного сечения магнитопровода, т.е. снижению индуктивности. Это
значит, что ток при нагрузке хоть и растет, но остается реактивным.
В трансформаторе же это справедливо только при малых нагрузках или при
индуктивных нагрузках во вторичной цепи. При нормальных активных нагрузках Ф2
тормозит первичный ток, заставляя его отставать от первичного напряжения больше чем
на П/2, т.е. появляется участок на диаграмме токов с токами противоположного
направления. Если нарисовать на бумаге синусоиду (вторичный ток ), а вторую синусоиду
(первичный ток) нарисовать на кальке или п/эт пленке, наложить друг на друга и как
следует подвигать туда-сюда, станет понятным механизм возникновения в первичке
трансформатора активного тока. В электротехнике принято считать, что в трансформаторе
разность фаз между первичным напряжением и первичным же током уменьшается при
активных нагрузках во вторичке. Однако отставание и опережение при периодических
токах и напряжениях - суть одно и то же, как посмотреть.
Отличие трансформатора от АД в том, что поток Ф1 находится в последнем под
постоянной опекой полей трех первичных токов. Если считать что каждая обмотка создает
собственный поток f, то если внимательно разобраться, выяснится, что векторная сумма
потоков трех обмоток равна 1,5 f в любой момент времени, отличаясь лишь угловым
состоянием.
Итак в трансформаторе под нагрузкой
параллельно первичке появляется
эквивалентный воображаемый резистор, ток которого немедленно преобразуется в тепло.
А в АД под нагрузкой просто снижается индуктивность обмоток статора.
Это приводит к грандиозному по своему значению следствию. Асинхронный
двигатель под нагрузкой возможно использовать в режиме, например, резонанса токов,
присоединив к каждой обмотке параллельно по одинаковой соответствующей емкости,
или резонанса напряжений, соединив эти емкости последовательно с обмотками. В первом
случае при нормальном напряжении можно снизить ток потребления, например, в 10 раз
( вот тебе и ВД), во втором случае питать двигатель напряжением в 10 меньшем ( 22В)
при том же токе. В обоих случаях потребляемая мощность снижается в 10 раз.
Также легко понять, что проделал с двигателем дядя Вася. Он соединил две
обмотки с батареями конденсаторов, так чтобы получилось два контура последовательный и параллельный. Сами эти контура соединил последовательно. Третью
обмотку не использовал. При пуске под нагрузкой на время подсоединял к каждому
конденсатору еще емкости для раскрутки. К концам этой цепи подключал 220 В. (или 380
В). Оба контура настроены в резонанс при данной нагрузке (читай, данной
индуктивности). Последовательный контур при резонансе теряет индуктивное
сопротивление и не дает фазового сдвига тока относительно напряжения. Параллельный
контур, наоборот приобретает сопротивление, для внешнего тока оно активное. Т.е.
параллельный контур как двухполюсник также не дает фазового сдвига тока, однако
внутри самого контура ток в индуктивности отстает от общего тока на П/2. После
раскрутки отключал, возможно автоматически.
При определенном подборе нагрузки и емкостей возможно получить в
магнитопроводе два сдвинутых по времени на П/2 магнитных потока, т.е. вращающееся
поле как в двухфазной системе Теслы. Жаль только обмотки сдвинуты на 2П/3. При входе
в режим двигателя на третьей отключенной обмотке появляется ЭДС индукции. Ее можно
быстро переключить вместо сети на рабочие обмотки, и если повезет с фазовым моментом
включения, двигатель будет продолжать работать. Ток «генераторной" обмотки будет
совпадать с током обмотки в последовательном контуре.
Откуда энергия? Из эфира. Вихри газообразного эфира – атомы вещества. Сумма
поляризованных вихрей – магнитный поток. При индукции напряжения и тока в
проводнике вихри теряют энергию и хотят развалиться, но огромное наружное давление
эфира не дает им это сделать и немедленно восстанавливает их до прежних размеров. Или
близких к ним ( магитопровод может терять немного массу). Читайте Ацюковского
«Общая эфиродинамика» «Энергетика газового вихря".
Прошу всех прочитавших статейку, не бросаться тотчас за паяльник, но за книжки.
И размышления. Понимание дороже слепой удачи. Кстати, удачи!
Работающая схема дяди Васи хоть и явилась бы блестящим доказательством
энергосодержащего эфира, но для ее устойчивой работы требуется совпадения целой кучи
параметров.
Начнем со статических параметров главного элемента схемы - двигателя. Поскольку речь
идет о резонансных контурах на базе его обмоток, понятно, что они должны обладать
высокой добротностью. Выражение для добротности есть такое Q=1/r2ПfC, где r активное сопротивление контура. Понятно, что для получения больших токов через
параллельный контур (именно он определяет ток во всей цепи) нужно поменьше L и
побольше С. Значит, для эффективного накопления энергии нужно малое r. Хотя бы
меньше 1 Ом. Это бывает у сравнительно больших двигателей ( от 10 кВт)
Что касается динамических параметров , нужно выбрать нагрузку ( т.е. индуктивность)
такой, чтобы ток именно в последовательном контуре был достаточно большим для
создания вращ. момента.(Внутри параллельного при резонансе он в любом случае будет
достаточно
большим).Нагрузка
должна
быть
постоянной.
Кроме этого, необходимо угадать полярность "генераторной" обмотки,чтобы при
переключении от сети не попасть в противофазе с током контуров.
Недогруженный АД даст лучшие результаты чем нормально нагруженный в смысле
отношения потребляемых мощностей без резонанса и при резонансе. Как я уже говорил в
своей заметке на стр 117, в АД в определенном интервале нагрузок нет механизмов
возникновения активных токов в статоре ( что на самом деле очень хорошо). Однако при
больших нагрузках первое: Ф2 может преодолевать воздушные зазоры и замыкаться через
статор, второе: при больших нагрузках возрастает частота перемагничивания ротора (
увеличивается скольжение), соответственно растет индуктивное сопротивление беличьей
клетки, стало быть угол между Ф1 и Ф2 может превышать 90 град. Два этих фактора
приводят
к
появлению
активных
токов
в
статоре.
Кстати, на шильдике указан именно максимальный cosФmax, т.е. для максимальных
нагрузок. На самом деле большой cosФ только для энергетиков хорошо - у них
трансформаторы и генераторы не размагничиваются. Для потребителя же
электромагнитная машина, потребляющая активный ток – плохая машина. Это даже
скорее электронагревательный прибор. Если внимательно полистать книжки по
электрическим машинам, выяснится, что поле (суть рабочее тело машины) в них создают
именно реактивные токи. Стало быть, нам следует искать пути не как превратить их в
активные того же значения, а как их компенсировать, т.е. избавиться вовсе от токов
потребления.