Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
Лекция8-2011. Лекция 8 по дисциплине Электрические машины для студентов специальности 160903 тема 6 Принцип действия, конструкция асинхронных электрических машин, основные соотношения
 Скачать 2.34 Mb.
|
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ КАФЕДРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ЛЕКЦИЯ №8 по дисциплине Электрические машины для студентов специальности 160903 ТЕМА №6 Принцип действия, конструкция асинхронных электрических машин, основные соотношения, режимы работы, характеристики Иркутск, 2011 г.Иркутский филиал МГТУ ГА Кафедра Авиационных электросистем и пилотажно- навигационных комплексов Лекция №7 По дисциплине: Электрические машины Тема лекции: Принцип действия, конструкция асинхронных электрических машин, основные соотношения, режимы работы, характеристики СОДЕРЖАНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО
1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ АСИНХРОННЫХ МАШИН Асинхронная машина состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора - вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками. По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.1). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.  Рис.1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1, 11 - подшипники; 2 - вал; 3, 9 - подшипниковые щиты; 4 - коробка выводов; 5 - сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 6 - сердечник статора с обмоткой; 7 - корпус; 8 - обмотка статора; 10 - вентилятор; 12 - кожух вентилятора; 13 – наружная оребренная поверхность корпуса; 14 – лапы; 15 – болт заземления Неподвижная часть двигателя - статор - состоит из корпуса 7 и сердечника 6 с трехфазной обмоткой 8. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя. В корпусе расположен сердечник статора 6, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам. В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя - ротор, состоящий из вала 2 и сердечника 5 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами (рис.2, а). Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50 Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.  Рис.2. Короткозамкнутый ротор: а – обмотка «беличья клетка»; б – ротор с обмоткой, выполненной литьем под давлением; Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рис.2, б). Вал ротора вращается в подшипниках качения 1 и 11, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 9. Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса 13. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 10 прикрытым кожухом 12. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве. Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в  раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних (рис.3). В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя). Рис.3. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б) Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 14 (см. рис.1), либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления 15 (не менее двух). Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис.4, а.  Рис.4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей - двигатели с фазным ротором - конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рис.5). Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 (рис.6) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис.4, б. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление Rдоб. На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).  Рис.5. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: 1, 7 - подшипники; 2, 6 – подшипниковые щиты; 3 - корпус; 4 – сердечник статора с обмоткой; 5 – сердечник ротора; 8 - вал; 9 – коробка выводов; 10 - лапы; 11 – контактные кольца  Рис.6 Расположение щеткодержателей 2. принцип действия асинхроннЫХ МАШИН Трехфазные асинхронные двигатели находят самое широкое применение в различных областях техники. Не менее 90% всех электродвигателей, применяемых в народном хозяйстве, являются асинхронными. Такое широкое использование эти двигатели получили благодаря простоте конструкции и надежности в работе. В устройствах автоматики они применяются главным образом для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения. Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля n1, или синхронная частота вращения (об/мин), прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки:  (1)Для частоты f1=50Гц ниже приведены некоторые синхронные частоты вращения магнитного поля:  Если необходимо изменить направление вращения магнитного поля, то изменяют порядок следования фаз трехфазной системы токов, подводимых к трехфазной обмотке. Число полюсов асинхронного двигателя определяется конструкцией обмотки статора, при этом число полюсов ротора равно числу полюсов статора. Для объяснения принципа действия трехфазного асинхронного двигателя воспользуемся упрощенной моделью, состоящей из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором, разделенных воздушным зазором (рис.7).  Рис.7 Создание вращающегося магнитного поля Сердечник статора состоит из спинки (ярма), через которую замыкается магнитный поток вращающегося магнитного поля, и зубцов, между которыми находятся пазы с расположенной в них трехфазной обмоткой (рис.8). В расточке сердечника статора находится ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми медных или алюминиевых стержней, замкнутых с обеих сторон по торцам медными или алюминиевыми кольцами (см. рис.2). Такая обмотка называется короткозамкнутой.  Рис.8 Расположение катушек обмотки в пазах магнитопровода статора: 1 – активные стороны катушек, 2 – лобовые части катушек При включении обмотки статора в трехфазную сеть возникает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n1. Поле сцепляется с обмоткой ротора и индуцирует в его стержнях электродвижущие силы, направление которых определяют по правилу «правой руки». Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС, наведенные в стержнях этой обмотки, создадут в них токи. В результате взаимодействия токов в роторе с вращающимся полем статора на стержнях ротора создаются электромагнитные силы Fэм, направление которых определяют по правилу «левой руки». Совокупность электромагнитных сил Fэм образует на роторе электромагнитный момент М, под действием которого ротор приводится во вращение с частотой n2 в направлении вращения магнитного поля статора. Вращение ротора через вал передается рабочему механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в асинхронном двигателе в механическую энергию вращения. Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения n2 ротора меньше синхронной частоты вращения n1 магнитного поля статора. Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2<n1. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения ns = n1 – n2. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:  (2)Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т.е. 0-100%. Если s≈0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=l - режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n2 = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 0,08 до 0,02, т. е. 8-2%. Частота вращения ротора асинхронного двигателя согласно (2), об/мин,  При изменениях нагрузки на валу двигателя частота вращения n2 изменяется пропорционально (1-s). Пример 1. Трехфазный асинхронный двигатель с числом пар полюсов р = 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 (1)  об/минНоминальная частота вращения по (3)  об/мин.3. Электромагнитный момент асинхронной машины Важнейшим вопросом в работе асинхронного двигателя является процесс преобразования электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую. Диаграмма, характеризующая этот процесс преобразования, называется энергетической диаграммой (рис.2.7).  Рис.2.7. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя Пусть к статору из сети подводится мощности Р1 Часть этой мощности тратится на покрытие электрических потерь в активном сопротивлении обмотки статора ΔРэ1 и магнитных потерь в его магнитопроводе ΔРм1. Оставшаяся часть мощности – электромагнитная. Она посредством вращающегося магнитного поля передается в ротор:  Если бы в роторе отсутствовали потери, то эта мощность целиком преобразовывалась в механическую Рмех. Однако часть электромагнитной мощности тратится на покрытие электрических потерь в его обмотке - ΔРэ2. Магнитные потери в стали ротора из-за малой частоты перемагничивания при номинальной частоте вращения отсутствуют. Поэтому:  .Полезно отдаваемая мощность меньше мощности механической на величину механических потерь и добавочных:  Электромагнитный момент в асинхронной машине, как было отмечено выше, создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля и токов, наведенных полем в обмотке ротора:  (2.1) , (2.2)где  4. Механическая характеристика Наибольшее значение для оценки свойств асинхронной машины, в особенности для двигателя, отводится механической характеристике, представляющей собой графическую зависимость частоты вращения ротора от электромагнитного момента. Часто пользуются другой формой механической характеристики – зависимостью электромагнитного момента Мэм от скольжения S. Таким образом, полученное выше уравнение (2.2), является математическим описанием механической характеристики асинхронного двигателя. Для определения максимального значения момента, который может развивать двигатель при изменении скольжения от 1 до 0, найдем величину скольжения, при котором этот момент наступает. С этой целью возьмем производную dM/dS и приравняем ее к 0. После преобразований получим:  (2.3)Это скольжение называется критическим. Решая совместно уравнения (2.3) и (2.2), получим выражение для максимального электромагнитного момента:  (2.4)Знак плюс в уравнениях (2.3) и (2.4) соответствует двигательному, а знак минус – генераторному режимам работы асинхронной машины. На рис.2.8 показана механическая характеристика авиационной асинхронной машины М=f(S) с указанием зон, соответствующих различным режимам работы: двигательный режим (0 При переходе в генераторный режим скольжение меняет свой знак на обратный, соответственно чему момент становится отрицательным, т.е. тормозным. Характер изменения кривой момента такой же, как и двигателя, но максимум момента несколько больше. Кривая электромагнитного момента в режиме электромагнитного тормоза представляет собой продолжение кривой момента двигателя. Анализ выражения (2.4) показывает, что в случае изменения величины активного сопротивления цепи ротора изменяется величина критического скольжения при сохранении максимума электромагнитного момента, т.е. механическая характеристика сдвигается вправо. Характерной особенностью асинхронной машины является то, что устойчивая работа ее возможна лишь при определенной величине скольжения. Под статической устойчивостью машины понимают ее способность при весьма малых возмущениях продолжать работу в установившемся режиме. На механической характеристике можно выделить область статической устойчивости, которая включает в себя скольжение от –Sкр до +Sкр. Область всех остальных скольжении является областью статической неустойчивости (рис.2.9).  Рис.2.8. Механическая характеристика асинхронной машины  Рис.2.9. К вопросу о статической устойчивости асинхронного двигателя Действительно, установившийся режим работы, характеризуется равновесием моментов, при постоянстве частоты вращения: Мэм =М2 + М0 где М0- момент обусловлен потерями в роторе, момент холостого хода. В случае нарушения моментов на ротор действует динамический момент, вызывающий изменение частоты вращения асинхронной машины. Рассмотрим (см. рис.2.9) поведение двигателя при скольжениях соответствующих точками 1 и 2, когда МД=Мст=М2 +М0 (установившийся режим работы). При работе двигателя в точке 1 случайное увеличение скольжения ведет к появлению динамического момента положительного знака. В результате ротор получает положительное ускорение ведущее к увеличению частоты вращения, а значит к восстановлению скольжения. В тоже время при работы двигателя в точке 2 увеличение скольжения создает отрицательную разность моментов, которая обуславливает дальнейшее уменьшение скорости вращения, до тех пор пока двигатель не остановится. Таким образом точка 1 является точкой устойчивого режима работы двигателя, а точка 2 - точкой неустойчивого режима работы. Режимы работы асинхронной машины В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением. Двигательный режим. 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. 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<n1 в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр, исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность P2 и передается исполнительному механизму ИМ (рис.9, б).  Рис.9 Режимы работы асинхронной машины 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 этой 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.9, 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 куда 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 генераторном режиме может изменяться в диапазоне - ∞ < s < 0, т.е. оно может принимать любые отрицательные значения. Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис.9, в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможение. В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы:  >1Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1 < s < -∞, т.е. оно может принимать любые положительные значения больше единицы. Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной машины, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора n1 и ротора n2, т.е. наличие скольжения, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора ЭДС и на роторе возникает электромагнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхронной машины соответствует определенный диапазон изменений скольжения, а следовательно, и частоты вращения ротора. Из рассмотренных режимов работы наибольшее практическое применение получил двигательный режим асинхронной машины, т.е. чаще используют асинхронные двигатели, которые составляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и высокой надежностью. Поэтому теорию асинхронных машин принято излагать применительно к асинхронным двигателям. Контрольные вопросы 1. Что такое скольжение асинхронной машины? 2. Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины в различных режимах ее работы? 3. С какой целью обмотку статора асинхронного генератора подключают к сети трехфазного тока? 4. Каким образом асинхронный двигатель можно перевести в режим электромагнитного торможения? 5. Объясните конструкцию короткозамкнутого и фазового роторов. 6. Трехфазный асинхронный двигатель предназначен для работы при напряжениях сети 220/380 В. Как следует соединить обмотку статора этого двигателя при напряжении сети 220 В и как - при напряжении 380 В? 7. Какие способы охлаждения применяются в электрических машинах? 8. Какие применяются формы исполнения электрических машин по способу зашиты и как они маркируются? 9. Какие формы исполнения по способу монтажа применяются в электрических машинах? 10. Что такое серия электрических машин? 11. Какой диапазон мощности охватывает серия 4А и каковы формы их конструктивного исполнения по защите и вентиляции? 12. Какие существуют модификации серии 4А и каково их назначение? 13. Почему асинхронные двигатели большой мощности делают высоковольтными? 14. Каковы области применения асинхронных двигателей краново-металлургических серий, и какими особыми свойствами обладают эти двигатели? 15. Почему в двигателях для привода механизмов металлургического производства применена изоляция класса Н? |