Какое преобладающее применение в бытовых машинах имеют асинхронные машины

Режим работы асинхронной машины

Режим работы и устройство асинхронной машины

Основные типы серийно выпускаемых асинхронных двигателей

Асинхронные машины специального назначения

Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

Пуск и регулиро­вание частоты вращения трех­фазных асинхронных двигателей

Опытное опреде­ление параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей

Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочий процесс трехфазного асинхронного двигателя

Магнитная цепь асинхронной машины

Режимы работы и устройство асинхронной машины

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Раздел

Асинхронные машины полу­чили наиболее широкое при­менение в современных элек­трических установках и явля­ются самым распространен­ным видом бесколлекторных электрических машин пере­менного тока. Как и любая электрическая машина, асин­хронная машина обратима и может работать как в генера­торном, так и в двигательном режимах. Однако преоблада­ющее применение имеют асинхронные двигатели, со­ставляющие основу совре­менного электропривода. Об­ласти применения асинхрон­ных двигателей весьма широ­кие — от привода устройств автоматики и бытовых элек­троприборов до привода круп­ного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мель­ниц и т. п.). В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых элек­тромашиностроительной про­мышленностью, составляет диапазон от долей ватт до ты­сяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфаз­ные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Асинхронные двига­тели специального примене­ния изготовляются на повы­шенные частоты переменного тока (200, 400 Гц и более). Основное внимание в данном разделе уделено изучению трехфазных асинхронных дви­гателей общего применения. Но в конце раздела рассмот­рены однофазные и конден­саторные (двухфазные) асин­хронные двигатели, а также двигатели специального на­значения — линейные, испол­нительные и др.

ГЛАВА 10

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин (см. § В.2) асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генератор­ном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим.Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя рассмотрен в § 6.2. При включении обмотки статора в сеть трех­фазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмот­кой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стерж­нях обмотки ротора появляются токи (см. рис. 6.4). В результате взаимодействия этих токов с вращаю­щимся магнитным полем на роторе возникают элек­тромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под дейст­вием которого ротор асинхронного двигателя при­ходит во вращение с частотой n₂ = 0). При этом скольжение sравно единице.

Рис. 10.1. Режимы работы асинхронной машины

В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n₁и скольжение весьма мало отличается от нуля (s ≈ 0). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжениемs_hom.Для асинхронных дви­гателей общего назначенияs_hom= 1 8%, при этом для двигателей большой мощности s_ном = 1%, а для двигателей малой мощности s_ном=8%.

Преобразовав выражение (10.1), получим формулу для опре­деления асинхронной частоты вращения (об/мин):

Пример 10.1.Трехфазный асинхронный двигатель с числом полюсов 2р = 4 работает от сети с частотой тока f₁ = 50 Гц. Определить частоту вращения двигателя при номинальной нагрузке, если скольжение при этом составляет 6%.

Решение. Синхронная частота вращения по (6.3)

n₁ = f₁ 60/ р = 50 • 60/4 = 1500 об/мин.

Номинальная частота вращения по (10.2)

Генераторный режим.Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного дви­гателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), яв­ляющегося источником механической энергии, вращать в направ­лении вращения магнитного поля статора с частотой n₂ > n₁, то направление движения ротора относительно поля статора изме­нится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы пой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁ (рис. 10.1, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ перемен­ного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и да он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся маг­нитное поле.

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Устройство

Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.

Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя

Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.

Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.

В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:

Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.

Принцип работы

Заключается в формировании электромагнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Для асинхронного электродвигателя данный процесс начинается сразу после подачи напряжения на обмотки статора, после чего в роторе наводится ЭДС взаимоиндукции, индуцирующей вихревые токи в металлическом каркасе. Наличие вихревых токов обуславливает генерацию собственной ЭДС, которая формирует электромагнитное поле ротора. Наиболее эффективный КПД асинхронной электрической машины получается при работе от трехфазной сети.

Конструктивно обмотки статора имеют смещение в пространстве друг относительно друга на 120°, что показано на рисунке 2 ниже:

Рис. 2. Геометрическое смещение фаз в статоре

Такой прием позволяет отстроить магнитное поле рабочих обмоток в строгом соответствии с напряжением трехфазной сети, которое имеет аналогичную разность кривых электрической величины.

Рис. 3. Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя

На рисунке 3 выше все три фазы изображены в разных цветах для упрощения понимания процесса, также здесь изображена кривая токов, протекающих в фазах асинхронного электродвигателя. Теперь рассмотрим физические процессы в обмотках двигателя для трех позиций показанных на рисунке:

По данному принципу магнитное поле статора вращается в асинхронной электрической машине в течении периода. За счет магнитного взаимодействия с полем статора асинхронного электродвигателя происходит поступательное движение ротора вокруг своей оси. Можно сказать, что ротор пытается догнать поле статора. Именно за счет разницы во вращении полей данный тип электрической машины получил название асинхронной.

Отличие от синхронного двигателя

Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.

Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:

где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n₁ – частота, с которой вращается поле статора, n₂ – частота, с которой вращается ротор.

Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.

По количеству питающих фаз выделяют:

По типу ротора различают:

По способу подачи питания:

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

Трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Применение

Область применения асинхронных электродвигателей охватывает достаточно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных типах станочного оборудования – токарных, шлифовальных, фрезерных, прокатных и т.д. В работе грузоподъемных кранов, талей, тельферов и прочих механизмов.

Их используют для лифтов, горнодобывающей техники, землеройного оборудования, эскалаторов, конвейеров. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновках, хлебопечках и прочих вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей обусловлена их весомыми преимуществами.

Преимущества и недостатки

К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:

Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.

Источник

Применение асинхронных электродвигателей в промышленности

Подписка на рассылку

Агрегат, преобразующий электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем. Эти машины могут применяться в бытовой технике (маломощные асинхронные двигатели) и в промышленности (краны и лебедки общепромышленного значения и прочее).

На сегодняшний день именно этот тип электрических машин наиболее распространен. Объясняется это простотой эксплуатации, надежностью этих машин, небольшим весом и удачными габаритными размерами.

Электродвигатель с короткозамкнутым ротором используется в электроприводах разных станков (металлообрабатывающих, грузоподъемных, ткацких, деревообрабатывающих), в вентиляторах, землеройных машинах, в лифтах, насосах, бытовых приборах и т.д.

Электродвигатель асинхронный с короткозамкнутым ротором позволяет значительно снизить энергопотребление оборудованием, которое он питает, обеспечить высокий уровень его надежности, увеличить срок службы. Совокупность этих характеристик, как правило, сразу положительно отражается на модернизации всего производства.

Основные виды и некоторые характеристики электродвигателя асинхронного однофазного и трехфазного

Сегодня самыми востребованными в разных отраслях промышленности и любого производства являются следующие виды машин:

Рисунок 2. Двигатель с фазным ротором — крановый серии МТF. Электродвигатели прочно вошли в современную промышленность. От их надежности и качества зависит все производство. Не важно, стиральная машина или ткацкий станок, складское оборудование или система вентиляции — работа многих машин невозможна без исправной работы электромотора. В этой связи важно не просто купить электродвигатель, например у надежного поставщика, но и неукоснительно соблюдать все указанные в сопроводительных документах условия эксплуатации. Для северного сурового климата, к примеру, требуются специальные двигатели, которые рассчитаны на эксплуатацию в условиях низких температур. Для эффективной работы в электродвигателях может использоваться встроенная температурная защита. Такое конструктивное решение позволяет отключить двигатель от сети, если температура обмоток или подшипников превысит норму, или включить дополнительные вентиляторы обдува.

Источник

АСИНХРОННЫХ МАШИН

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой , а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота является функцией угловой скорости ротора , которая в свою очередь зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели, в качестве генераторов они применяются редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименно-полюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели (см. рис.1.1).

Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2—5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5—7 раз превышающих номинальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами (см. 1.2) избавлены от этих недостатков ценой усложнения кон­струкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необ­ходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за зна­чительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распро­странения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоеди­няются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприка­сающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить доба­вочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины. Щетки поз­воляют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к уве­личению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облег­чает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специаль­ным устройством, которое позволяет после завершения пуска замк­нуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназнача­ются для работы в определенных условиях с определенными техни­ческими данными, называемыми номинальными.

К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указыва­ются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

— механическая мощность, развиваемая двигателем ;

— частота сети ;

— линейное напряжение статора ;

— линейный ток статора ;

— частота вращения ротора ;

— коэффициент мощности ;

— коэффициент полезного действия ;

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз, то она может быть включена в звезду или треугольник. В этом случае ука­зываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений ( Y/ ) в виде дроби и .

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения. При мощности более 0,5 кВт КПД составляет 0,65-0,95, в микродвигателях 0,2-0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потреб­ляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двига­телей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7—0,9; в микро­двигателях 0,3—0,7.

КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Конструктивная компоновка асинхронной машины с короткозамкнутым ротором представлена на рис. 39.1. В основных чертах она совпадает с типичной компоновкой вращающейся электриче­ской машины.

Статор машины состоит из магнитопровода 2, трехфазной разноименнополюсной обмотки 20, выводные концы которой с помощью выводной коробки 13 присоединяются к сети переменного тока, и станины 1.

Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод 2 и обмотка 20; станина выполняет только конструктив­ные функции, фиксируя активные части в определенном положении (с помощью лап 14 станина неподвижно закрепляется на фунда­менте).

Магнитопровод 2 набирается из изолированных пластин элек­тротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм. Пластины штампуются из листо­вой или рулонной электротехнической стали со стандартизован­ными размерами и изолируются с обеих сторон лаком. При наруж­ном диаметре магнитопровода менее 1 м, что имеет место во всех асинхронных двигателях, за исключением самых крупных, его набирают из цельных кольцеобразных пластин, на внутренней стороне которых вырублены пазы нужной формы (рис. 1.3б).

В конструкции по рис.1.3 радиальные каналы в магнитопроводе отсутствуют. В этом случае кольцевые пластины собираются в пакет и прессуются вне станины на специальной цилиндрической оправке. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается с помощью нажимных колец 6 и стяжных скоб 5 и лишь после укладки обмотки вставляется в станину.

При наружном диаметре магнитопровода более 1 м он набира­ется из отдельных сегментов и конструкция статора получается такой же, как в крупных синхронных машинах.

С целью уменьшения пульсаций магнитного поля и добавочных потерь, связанных с зубчатостью магнитопровода, обмотка статора, как правило, укладывается в асинхронных машинах в полузакрытые пазы (рис. 1.4а).

Для таких пазов пригодны как однослойные, так и двухслойные многовитковые катушечные всыпные обмотки. Катушки этих обмоток наматываются из изолированного обмоточного провода круглого сечения (1 на рис. 1.4); каждый проводник катушки «всыпается» в паз по отдельности.

Для изоляции витков катушки друг от друга оказывается достаточной собственная изоляция обмоточных проводников. Изо­ляция обмотки от заземленных частей, называемая корпусной изоляцией, делается в зоне пазовых и лобовых частей по-разному. Корпусная изоляция пазовой части катушки выполняется в виде «пазовой коробочки», образованной из нескольких слоев 2-4 изоляционных материалов, которая закладывается в паз перед укладкой обмотки. Обмотка закрепляется в пазах с помощью клиньев 7 из изоляционного материала. Под клинья подкладываются изоляционные прокладки 6. Изоляцией между слоями обмотки служит прокладка 5 (в однослойной обмотке эта прокладка отсут­ствует).

Ротор машины состоит из магнитопровода 3 (рис. 1.1), в пазах которого размещается неизолированная мно­гофазная короткозамкнутая обмотка 19, пристроен­ных к ней вентиляционных лопастей 7, вала 15 и двух вентилято­ров 8 и 11. Активными элементами ротора, принимающими уча­стие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод 3 и обмотка 19; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал 15 передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы 7, 8 и 11 обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды. Более детально устройство активных частей ротора пока­зано на рис. 1.5.

Пластины магнитопровода ротора набираются на специальную оправку, спрессовываются на ней и удерживаются в запрессован­ном состоянии в процессе изготовления короткозамкнутой обмотки. Короткозамкнутая обмотка отливается из алюминия и не изоли­руется от магнитопровода. Торцевые кольца 2 (рис 1.5), замыкаю­щие с двух сторон стержни обмотки 1, отливаются как одно целое со стержнями. Одновременно в виде приливов к короткозамыкающим кольцам отливаются вентиляционные лопасти 3.

Кроме своего основного назначения, короткозамкнутая обмотка служит также для стягивания пластин ротора после удаления оправки. Это позволяет обойтись без специальных прессующих деталей, удерживающих листы ротора в осевом направлении.

Вал ротора 15 (см. рис. 1,1) опирается на подшип­ники качения 12, 17, которые в свою очередь с помощью подшипниковых щитов 9, 21 и крышек подшипни­ков 16, 18 сопрягаются со станиной 1.

Шариковый подшипник 12 центрирует ротор не только в ради­альном, но и в осевом направлении, воспринимая наряду с ради­альными усилиями также и осевые. Консистентная смазка под­шипников закладывается в камеру между подшипниковыми крыш­ками 16, 18 и не нуждается в замене в течение нескольких лет эксплуатации. Поскольку зазор между магнитопроводами ротора и статора при мощности более 0,5 кВт обычно не превышает 0,3-1 мм (в микромашинах 0,02-0,3 мм), вал ротора должен быть достаточно жестким, а механическая обработка конструктивных частей, обеспечивающих правильное положение оси вала в пространстве, должна производиться с высокой точностью.

Подъем двигателя при монтаже производится с помощью рыма 4.

КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Конструктивная компоновка асинхронной машины с контакт­ными кольцами представлена на рис. 1.2. Двигатели этого типа отличаются от короткозамкнутых только устройством ротора.

Статор двигателя может иметь те же разновидности кон­структивных исполнений, что и в короткозамкнутом двигателе. Статор двигателя по рис. 1.2 с радиальными каналами в магнитопроводе. Статор состоит из станины 1, в кото­рой с помощью нажимных шайб 5 и шпонок 7 укреплены пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин 2. Для образо­вания каналов между пакетами служат распорки 4. В пазы магнитопровода статора уложена двухслойная обмотка, катушки 30 которой связаны между собой соединениями 8. Выводные концы обмотки статора сосредоточены в выводной коробке 23. К фунда­менту станина крепится лапами 22. Для подъема двигателя при монтаже служат рымы 6.

Ротор двигателя состоит из вала 26, на котором с помощью нажимных колец 24, шпонки 21 и разрезной шпонки 20 укреплены в запрессованном состоянии пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин 3 (см. рис. 1.3а). Радиальные вентиля­ционные каналы между пакетами образуются дистанционными распорками, помещенными на каждом зубцовом делении. В полузакрытых пазах магнитопровода ротора, показанных в разрезе па рис. 1.4. б, размещается трехфазная двухслойная волновая стержневая обмотка 29, соединенная обычно в звезду, выводные концы которой посредством электрических кабелей 19, проведен­ных через отверстие в валу, присоединены к контактным коль­цам 15.

Стержни 1 обмотки с заранее наложенной витковой изоляцией 2, 3 (рис. 1.4.б) вставляются в пазы с торцевой сто­роны магнитопровода. Предварительно в пазы вводится пазовая коробочка 4, играющая роль корпусной изоляции. Для укрепления стержней в радиальном направлении и усиления витковой и кор­пусной изоляции используются изоляционные прокладки 5,6. Центробежная сила, действующая на пазовую часть обмотки, вос­принимается клиньями 7 из изоляционного материала.

Лобовые части обмоток укладываются на нажимные шайбы 24 (рис. 1.2), которые одновременно выполняют роль обмоткодержателей, и охватываются снаружи кольцевыми бандажами 32, рас­считанными на восприятие центробежной силы.

Электрическое соединение вращающейся обмотки ротора с внеш­ними (неподвижными) электрическими цепями производится с по­мощью контактных колец, на которые выведены обмотки, и щеточ­ного устройства, связанного с неподвижными электрическими цепями. Контактные кольца выполняются как отдельный узел машины. Кольца 15, изготовленные из стали, отделяются друг от друга и от корпуса с помощью изоляционных прокладок 17.

Все эти детали стягиваются вместе изолированными шпильками 16 и крепятся с помощью фланца к торцу вала. К кольцам плотно прижима­ются щетки, электрически соединенные с токоподводящими ши­нами 12 щеточной траверсы (кроме этих шин, на рис. 1.2 показаны болты 11 щеточной траверсы и ее изоляционные детали, а также корпус 13 и крышка 14; щетки и щеткодержатели не показаны). Необходимый электрический контакт щеток с кольцами обеспе­чивается с помощью щеткодержателей, укрепленных на шинах 12. Соединение токоподводящих шин 12 щеточной траверсы с пусковым реостатом производится в выводной коробке контактных колец 18.

Правильное расположение оси ротора по отношению к статору и возможность вращения ротора обеспечиваются с помощью таких же деталей, как в короткозамкнутом двигателе по рис. 1.1 (под­шипников качения, роликового 25 и шарикового 10, подшипнико­вых крышек 27 и подшипниковых щитов 31).

По способу охлаждения и защиты от воздействия внешней среды двигатель по рис. 1.2 имеет продуваемое каплезащищенное исполнение. Внутри машины воздух перемещается аксиально-радиально. Наружный воздух поступает в машину с двух сторон через отверстия в подшипниковых щитах 31 и направляется диффузорами 9 к вентиляционным лопастям 28, промежуткам между лобовыми частями стержней обмотки ротора и к аксиальным каналам в магнитопроводе ротора; далее воздух из аксиальных каналов попадает в радиальные каналы в магнитопроводе ротора и статора; воздух от вентиляционных лопастей 28 и лобовых частей ротора омывает лобовые части обмотки статора. Нагретый потерями в машине воздух попадает в пространство между ярмом статора и корпусом станины, откуда он выбрасывается наружу через боко­вые отверстия в корпусе. Необходимый для циркуляции воздуха напор создается радиальными каналами в роторе, которые играют роль центробежных вентиляторов.

Принцип действия асинхронной машины.

Предположим, что ротор асинхронного двигателя непо­движен и к его валу не приложен тормозной момент. Если трехфазную обмотку статора подключить к трехфазной се­ти, то токи, протекающие по обмотке, создадут вращающее­ся магнитное поле. Угловая скорость этого поля, называе­мая синхронной, равна , ( — частота сети). Маг­нитное поле при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Направление ин­дуцируемой в одном из проводников ротора ЭДС показано на рис. 20.7 (при определении направления ЭДС по пра­вилу правой руки принималось, что поле неподвижно, а дви­жение проводника происходит в сторону, противоположную вращению поля).

Рис. 1.6. Направление электромагнитного момента, созданно­го током ротора

Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток , активная составляющая которого будет по направ­лению совпадать с ЭДС. Ток , взаимодействуя с магнит­ным полем, создаст вращающий момент , под действием которого ротор придет во вращение. Как можно установить по правилу левой руки, направление момента и вращения ротора будут совпадать с направлением вращения поля.

По мере разгона ротора его угловая скорость будет увеличиваться, но даже при отсутствии нагрузки на валу (холостой ход) он не сможет достигнуть скорости враще­ния поля. Объясняется это тем, что ток в роторе, а следо­вательно, и вращающий момент могут возникать только в том случае, если магнитное поле пересекает проводники ротора, т.е. когда . Так как при холостом ходе в ма­шине существует небольшой тормозной момент , обуслов­ленный механическим трением в подшипниках, трением ротора о воздух и потерями на перемагничивание стали, то для его преодоления двигатель должен создавать вращающий момент, а поэтому должно выпол­няться неравенство .

Ток и момент двигателя увеличиваются с ростом ЭДС в роторе, которая пропорциональна разности . При увеличении момента нагрузки на валу двигателя должен увеличиваться электромагнитный момент двигате­ля , вследствие чего возрастает разность .

,

где угловые скорости поля и ротора.

Так как частота вращения магнитного поля относитель­но ротора равна , то частота индуцируемых в его обмотке ЭДС и тока

.

Откуда следует, что частота в роторе не постоянна, а из­меняется пропорционально скольжению.

Найдем диапазон изменения скольжения в двигатель­ном режиме. При (ротор неподвижен) = l. Если в идеальном случае , то = 0. Следова­тельно, в двигательном режиме работы машины скольже­ние изменяется в пределах от 0 до 1. При номинальной нагрузке скольжение обычно находится в пределах 0,015- 0,05 или 1,5-5 %. При холостом ходе оно равно долям про­цента.

Скорость ротора , выраженная через скольжение , , а частота вращения . Отсюда видно, что частота вращения ротора близка к частоте вращения поля и мало изменяется при возрастании нагрузки.

Номинальная частота вращения двигателя зависит от частоты вращения магнитного поля и не может быть выбрана произвольно. При стандартной частоте промышленного тока = 50 Гц возможные частоты вращения магнитного поля приведены ниже.

, об/мин

В зависимости от необходимой номинальной частоты вращения обмотки двигателя выполняют на соответствую­щее число пар полюсов . Асинхронные двигатели общего назначения выпускаются с синхронными частотами враще­ния 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин.

Асинхронная машина может работать также в генера­торном режиме и режиме электромагнитного тормоза.

Генераторный режим возникает в том случае, когда ротор с помощью посторон­него двигателя будет вращаться в направлении поля со скоростью, большей скорости поля. Скольжение в этом ре­жиме будет отрицательным. Теоретически можно как угод­но увеличивать скорость ротора относительно вращающе­гося поля. Поэтому при работе асинхронной машины в ге­нераторном режиме скольжение находится в пределах от =0 до =- .

Если ротор под действием посторонних сил начнет вращаться в сторону, противоположную вращению поля, то возникает режим электромагнитного тормоза. Так как скорость ротора отрицательна, то скольжение в этом режиме будет >1. Ре­жим электромагнитного тормоза начинается при и может продолжаться теоретически до , при этом скольжение изменяется от 1 до . Таким образом, пределы изменения скольжения в асин­хронной машине от до . На рис. дана шкала скольжений, а также показаны направления скоро­стей ротора и поля для различных режимов работы машины.

Электромагнитный момент асинхронной машины

Выражение для электромагнитного момента асинхрон­ной машины может быть получено через электромагнитную мощность (1)

. Из Г-образной схемы замещения асинхронной машины найдем приведенный ток ротора , (2)

где — активные сопротивления обмотки статора и приведенной обмотки ротора;

— индуктивные сопротивления рассеяния обмотки статора и приведенной обмотки ротора;

— фазное напряжение обмотки статора,

— комплексный коэффициент, модуль которого равен отношению первичного напряжения к первичной ЭДС при идеальном холостом ходе.

Поделим на угловую скорость поля и заменим ток его значением из. Тогда выражение для электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид

(3).

Если принять, что параметры машины являются постоянными, то момент при = const является функцией только скольжения s. Поэтому эта формула удобна для построе­ния механической характеристики машины = f( ). Выяс­ним характер изменения этой зависимости. При малых значениях скольжения (s 0. Они показывают, что с увеличением максимум момента смещается в об­ласть больших скольжений, сохраняя при этом свое зна­чение.

В соответствии с (5) пропорционален квадрату приложенного к обмотке статора напряжения. Поэтому снижение напряжения приводит к более сильному уменьше­нию кратности максимального момента и перегрузочной способности двигателя.

В асинхронных машинах активное сопротивление стато­ра в несколько раз меньше индуктивных сопротивлений . Поэтому для практических целей, полагая = 0 из (4) и (5) получим

(6)

(7).

Из (7) видно, что максимальный момент обратно про­порционален индуктивным сопротивлениям рассеяния об­моток статора и ротора . Поэтому при проектировании машины для увеличения в первую очередь следует уменьшать эти сопротивления.

Начальный пусковой электромагнитный момент соответ­ствует значению электромагнитного момента в начальный момент пуска двигателя, т. е. при = 1, Согласно выражению (3)

(8).

Пусковой момент при данных значениях параметров машины также пропорционален квадрату приложенного напряжения.

Из выражения (8) следует, что с увеличением момент растет до тех пор, пока при = 1 не будет = . При этом, согласно равенству (4),

.

При дальнейшем увеличении момент будет снова умень­шаться.

Механическая характеристика асинхронного двигателя и эксплуатационные требования к ней.

Полезный вращающий момент на валу двигателя меньше электромагнитного момента М на величину

, которая соответствует механическим и добавочным потерям, покры­ваемым за счет механической мощности на роторе. Поэтому .

Механическая характеристика двигателя представляет собой зависимость или, наоборот .

Так как при нагрузке момент мал по сравнению с и , то можно положить 0 или включить в значение статиче­ского тормозного момента , который развивается рабочей ма­шиной или механизмом, приводимым во вращение асинхронным двигателем. Поэтому ниже в качестве механической характеристики двигателя будем рассматривать зависимость между (или s) и электромагнитным моментом :

. Изображенные на рис.1.7 и рис.1.8 кривые момента при ука­занных условиях и представляют собой механические характери­стики асинхронного двигателя с постоянными параметрами.

Очевидно, что вид механических характеристик существенно зависит от значения вторичного активного сопротивления.

Процесс пуска и установившийся режим работы асинхронного двигателя

Рассмотрим процесс пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой вторичной об­моткой при его включении на полное напряжение сети. Так производится пуск подавляю­щего большинства находящих­ся в эксплуатации асинхрон­ных двигателей. При рассмот­рении процесса пуска не будем принимать во внимание электромагнитные переходные процессы, связанные с тем, что при включении любой электрической цепи электромагнитного механизма под напряжение и при измене­нии режима его работы токи достигают практически установившихся значений не сразу, а после истечения некоторого времени, которое пропорционально электро­магнитной постоянной времени Т, зависящей от индуктивности и активного сопротивления цепи.

Обычно при пуске асинхронного двигателя время его разбега до нормальной скорости значительно больше длительности электромагнитных переходных процессов, и поэтому влияние этих процессов на процесс пуска невелико. Сле­довательно, процесс пуска можно рассматривать на основе полу­ченных выше зависимостей для вращающего момента и токов в условиях работы двигателя при установившемся режиме с за­данным скольжением.

На рис. 1.9 показана механическая характеристика асинхронного двигателя и механическая характеристика некоторого производственного механизма, приводимого во враще­ние двигателем.

Уравнение моментов агрегата «двигатель — производственный механизм» имеет вид

,где

представляет собой динамический вращающий момент агрегата, пропорциональный моменту его инерции . Если при = 0, как это показано на рис. 1.9, пусковой момент > , то > 0, > 0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область на рис. 1.9) = — >0.

В точке 1 (рис. 1.9) достигается равновесие моментов.

При этом =0, =0 и наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения и сколь­жением . Величина будет тем больше, чем больше и чем больше, следовательно, нагрузка двигателя. Если при работе дви­гателя его нагрузку (статический момент производственного меха­низма ) увеличить (кривая 2 на рис. 1.9), то возрастет, а уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 на рис. 1.9), наоборот, уменьшится, а увеличится.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим обра­зом. Если возрастет, то будет , двигатель будет быстро затормаживаться и либо остано­вится, либо перейдет в устой­чивый режим работы при малой скорости вращения. В обоих слу­чаях, если двигатель не будет отключен, возникает опасный в от­ношении нагрева режим.

Таким образом, в принципе работа асинхронного двигателя возможна при 0 3 = 0,72 или 72 % от своего первоначального значения.

В связи с изложенным, должно выполняться > .

Отношение максимального момента при номинальном напря­жении к номинальному

(25-35)

Источник