Ответ на экзамен. Лекция 2. Концы Рисунок 1
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
Асинхронные машины Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания. Неподвижная часть машины называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рисунке 1 показан сердечник статора в сборе. Устройство трёхфазной асинхронной машины Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия. Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами c 1 ,c 2 ,c 3 , концы – Рисунок 1 1 Начала и концы фаз выведены на клеммник рисунок 2 а, закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда (рисунок 2 били треугольник рисунок 2 в. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с U л =660В по схеме звезда или в сеть с U л =380В – по схеме треугольник. Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля. Обмотка ротора бывает двух видов короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами. Рисунок 2 2 Магнитопровод короткозамкнутого ротора трехфазного АД также набирается из пластин электротехнической стали (рисунок а, изолированных друг от друга. В пазы, выполненные по внешней стороне цилиндрического ротора укладывается или заливается короткозамкнутая обмотка (беличья клетка) (рисунок 3, б. Обмотка может быть выполнена из медных или латунных неизолированных стержней и короткозамыкающих колец (рисунок 3, в. Для машин до 100 кВт наиболее широко применяется литая алюминиевая обмотка с углубленными пазами рисунок 3, г, для более мощных машин может применятся двойная беличья клетка (рисунок 3, д. Рисунок 3 3 Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов. На рисунке 4 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал. Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором. Рисунок 4 4 На рисунке 5 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки. У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, стем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными навалу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и отвала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рисунке 6 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (аи фазным (б) ротором. Рисунок 5 Рисунок 6 5 На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные н, н, н, на также тип машины. н – это номинальная полезная мощность (навалу) ни н – номинальные значения линейного напряжения и тока для указанной схемы соединения. н – номинальная частота вращения в об/мин. Тип машины, например, задан в виде 4AH315S8. Это асинхронный двигатель (А) четвёртой серии защищённого исполнения. Если буква Н отсутствует, то двигатель закрытого исполнения. 315 – высота оси вращения в мм S – установочные размеры (они задаются в справочнике 8 – число полюсов машины. 6 Получение вращающегося магнитного поля Условия получения 1. наличие не менее двух обмоток 2. токи в обмотках должны отличаться по фазе 3. оси обмоток должны быть смещены в пространстве. В трёхфазной машине при одной паре полюсов (p=1) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 120°, при двух парах полюсов (p=2) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 60° и т.д. Рассмотрим магнитное поле, которое создаётся с помощью трёхфазной обмотки, имеющей одну пару полюсов (p=1) (рисунок 7). Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120° и создаваемые ими магнитные индукции отдельных фаз (B A ,B B ,B C ) смещены в пространстве тоже на угол 120°. Магнитные индукции полей, создаваемые каждой фазой, как и напряжения, подведённые к этим фазам, являются синусоидальными и отличаются по фазе на угол 120°. Приняв начальную фазу индукции в фазе A (φ A ) равной нулю, можно записать Рисунок 7 B A =B m sin(ωt), B B =B m sin(ωt−120°), B C =B m sin(ωt−240°). 7 Приняв начальную фазу индукции в фазе A (φ A ) равной нулю, можно записать B A =B m sin(ωt), B B =B m sin(ωt−120°), B C =B m sin(ωt−240°). Магнитная индукция результирующего магнитного поля определяется векторной суммой этих трёх магнитных индукций: Найдём результирующую магнитную индукцию (рисунок 8) с помощью векторных диаграмм, построив их для нескольких моментов времени. Рисунок 8 8 Как следует из рисунка 8, магнитная индукция B результирующего магнитного поля машины вращается, оставаясь неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое вращающееся магнитное поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования фаз. Величина результирующей магнитной индукции Частота вращения магнитного поля n 0 зависит от частоты сети f и числа пар полюсов магнитного поля p. n 0 =(60f)/p, [об/мин] Причем частота вращения магнитного поляне зависит от режима работы асинхронной машины и её нагрузки. При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω 0 , которая определяется соотношением ω 0 =(2πf)/p=πn 0 /30, [рад/сек]. B=3/2×B m 9 Режимы работы трёхфазной асинхронной машины Асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза. Режим двигателя Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую. Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n 0 в указанном направлении (рисунок 9). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке. В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора стоком и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки. В данном режиме электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора, нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, те. переключить две фазы. Рисунок 9 10 Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n=n 0 ). При этом в обмотке ротора ЭДС E 2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I 2 =0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки навалу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки навалу двигатель должен развивать больший вращающий момента это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поляне зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n 0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах ив процентах. S=(n 0 −n)/n 0 или S=[(n 0 −n)/n 0 ]100%. Припуске вход асинхронного двигателя n=0, S=1. В режиме идеального холостого хода n=n 0 , S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах 0 хх =(0,2÷0,7)%. 11 Режим генератора Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, те. асинхронная машина должна развивать навалу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n 0 ). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора. Пусть n>n 0 . При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать навалу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, те. направление передачи электрической энергии. При n=n 0 , S=1. При n→−∞,S→+∞. Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах 0<S<∞. 12 Рисунок 10 Процессы в асинхронной машине Цепь статора а) ЭДС статора. Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, вращается относительно неподвижного статора с частотой n 0 =60f/p и будет наводить в обмотке статора ЭДС. Действующее значение ЭДС, наводимой этим полем водной фазе обмотки статора определяется выражением E 1 =4,44w 1 k 1 fΦ, где k 1 =0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент f 1 =f – частота сети w 1 – число витков одной фазы обмотки статора Φ – результирующее магнитное поле в машине. 13 б) Уравнение электрического равновесия фазы обмотки статора Это уравнение составлено по аналогии с катушкой с сердечником, работающей на переменном токе. Здесь Ú и Ú 1 – напряжение сети и напряжение, подведённое к обмотке статора. R 1 – активное сопротивление обмотки статора, связанное с потерями на нагрев обмотки. x 1 – индуктивное сопротивление обмотки статора, связанное с потоком рассеяния. z 1 – полное сопротивление обмотки статора. I 1 – ток в обмотке статора. При анализе работы асинхронных машин часто принимают I 1 z 1 =0. Тогда можно записать U 1 ≈E 1 =4,44w 1 k 1 fΦ. Из этого выражения следует, что магнитный поток Φ в асинхронной машине не зависит от её режима работы, а при заданной частоте сети f зависит только от действующего значения приложенного напряжения U 1 . Аналогичное соотношение имеет место ив другой машине переменного тока – в трансформаторе. 14 Цепь ротора а) Частота ЭДС и тока ротора При неподвижном роторе частота ЭДС f 2 равна частоте сети f. f 2 =f=(n 0 p)/60. При вращающемся роторе частота ЭДС ротора зависит от частоты вращения магнитного поля относительно вращающегося ротора, которая определяется соотношением n'=n 0 −n. Тогда частота ЭДС вращающегося ротора Частота ЭДС ротора изменяется пропорционально скольжению ив режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска вход. Пусть при Гц, номинальное скольжение н. Тогда при номинальной частоте вращения ротора f 2 =f×S н =1Гц. Таким образом, в обмотке ротора асинхронной машины частота наводимой ЭДС зависит от частоты вращения ротора. 15 б) ЭДС ротора При неподвижном роторе f 2 =f и действующее значение ЭДС определяется по аналогии с E 1 E 2 =4,44w 2 k 2 fΦ, где w 2 и k 2 – соответственно число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора. Если ротор вращается, тони ЭДС вращающегося ротора определяется соотношением E 2S =4,44w 2 k 2 f 2 Φ=E 2 S. ЭДС, наводимая в обмотке ротора, изменяется пропорционально скольжению ив режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска вход. Отношение ЭДС статора к ЭДС неподвижного ротора называется коэффициентом трансформации асинхронной машины. k = E 1 = w 1 k 1 E 2 w 2 k 2 16 в) ток ротора Запишем уравнение равновесия для одной фазы короткозамкнутого ротора. При неподвижном роторе. где x 2 =2πfL 2 – индуктивное сопротивление обмотки неподвижного ротора, связанное с потоком рассеяния R 2 – активное сопротивление обмотки ротора, связанное с потерями на нагрев обмотки. При вращающемся роторе. где x 2S =2πf 2 L 2 =2πfL 2 S=x 2 S – индуктивное сопротивление обмотки вращающегося ротора. Для тока ротора в общем случае можно получить такое соотношение Отсюда следует, что ток ротора зависит от скольжения и возрастает при его увеличении, но медленнее, чем ЭДС. 17 г) поле ротора Обмотка ротора, как и обмотка статора, является многофазной и при появлении в ней тока создаёт своё вращающееся магнитное поле. Обозначим через частоту вращения магнитного поля ротора относительно ротора. n 2 =(60f 2 )/p=(60fS)/p. Здесь p – число пар полюсов обмотки ротора, оно всегда равно числу пар полюсов обмотки статора. Относительно статора магнитное поле ротора вращается с частотой Из полученного соотношения следует, что магнитное поле ротора относительно статора вращается стой же частотой, что и магнитное поле статора. Таким образом, магнитные поля ротора и статора относительно друг друга неподвижны. Поэтому при анализе работы асинхронной машины можно применить те же соотношения, что и трансформаторе. 18 Ток статора Так как результирующее магнитное поле асинхронной машины не зависит от её режима работы, можно составить для одной фазы уравнение магнитодвижущих сил, приравняв магнитодвижущую силу в режиме холостого хода к сумме магнитодвижущих сил в режиме нагрузки. Отсюда Здесь I 0 – ток в обмотке статора в режиме идеального холостого хода, I' 2 =−I 2 (w 2 k 2 )/(w 1 k 1 ) – составляющая тока статора, которая компенсирует действие магнитодвижущей силы обмотки ротора. Полученное выражение для тока статора отражает свойство саморегулирования асинхронной машины. Чем больше ток ротора, тем больше ток статора. В режиме холостого хода ток статора минимальный. В режиме нагрузки ток статора возрастает. Ток реального холостого хода асинхронной машины ни значительно больше по сравнению с номинальным током, чему трансформатора. Это объясняется тем, что величина тока I 0 зависит от магнитного сопротивления среды, в которой создаётся магнитное поле. У асинхронной машины, в отличие от трансформатора, есть воздушный зазор, который создаст большое сопротивление магнитному полю. 19 20 Электромагнитный момент асинхронной машины Электромагнитный момент возникает при наличии магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Можно показать, что электромагнитный момент определяется соотношением Здесь - конструктивный коэффициент ω 0 =2πf/p – скорость вращения магнитного поля ψ 2 – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора I 2 cosψ 2 – активная составляющая тока ротора. Таким образом, величина электромагнитного момента зависит от результирующего магнитного поля Φ и активной составляющей тока ротора. 21 В режиме двигателя при изменении нагрузки навалу изменяется частота вращения ротора, что приводит к изменению скольжения, частоты тока ротора, индуктивного сопротивления ротора и cosψ 2 . В результате изменяется вращающий момент. Наибольшие значения ЭДС и частота тока ротора имеют в момент пуска вход, когда скольжение S=1. При этом f 2 =f 1 , X 2 >>R 2 , угол ψ 2 близок к 90°. За счет малого cosψ 2 в момент пуска вход асинхронные двигатели имеют ограниченный пусковой момент. Кратность пускового момента (по сравнению с номинальным) у них составляет M пуск /M н =0,8÷1,8. Причем большие цифры относятся к двигателям специальной конструкции с улучшенными пусковыми свойствами. По мере разгона ротора двигателя частота тока ротора падает, уменьшается индуктивное сопротивление ротора X 2S и угол ψ 2 уменьшается. Это приводит к увеличению вращающего момента и дальнейшему разгону двигателя. Подставим в выражение для электромагнитного момента соотношения для I 2 , cosψ 2 и Φ, полученные ранее 22 Тогда Используя соотношение где k тр – коэффициент трансформации асинхронной машины. Выразим E 2 =E 1 /k тр , а E 1 приравняем к напряжению U 1 , подведенному к обмотке статора (E 1 ≈U 1 ). В результате получим другое выражение для электромагнитного момента, которое удобно использовать при анализе работы машины, при построении ее характеристик Из полученного выражения для электромагнитного момента следует, что он сильно зависит от подведенного напряжения (M∼U 1 2 ). При снижении, например, напряжения на 10%, электромагнитный момент снизится на 19% (M∼(0,9U 1 ) 2 =0.81U 1 2 ). Это является одним из недостатков асинхронных двигателей, так как приводит на производстве к снижению производительности труда и увеличению брака. 23 Зависимость электромагнитного момента от скольжения Выражение для электромагнитного момента справедливо для любого режима работы и может быть использовано для построения зависимости момента от скольжения при изменении последнего от +∞ до −∞ (рисунок 11). Рассмотрим часть этой характеристики, соответствующая режиму двигателя, те. при скольжении, изменяющемся от 1 до 0. Обозначим момент, развиваемый двигателем припуске вход) как пуск. Скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения, называют критическим скольжением кр, а наибольшее значение момента – критическим моментом M кр Отношение критического момента к номинальному называют перегрузочной способностью двигателя M кр /M н =λ=2÷3 Рисунок 11 24 Из анализа формулы электромагнитного момента на максимум можно получить соотношения для кр икр Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора, но зависит от подведенного напряжения. Приуменьшении снижается перегрузочная способность асинхронного двигателя. Из выражения электромагнитного момента , разделив M на кр, можно получить формулу, известную под названием формула Клосса», удобную для построения M=f(S). Если в эту формулу подставить вместо M и S номинальные значения момента и скольжения (ни н, то можно получить соотношение для расчета критического скольжения. 25 Участок характеристики (рисунок 11), на котором скольжение изменяется от 0 до кр, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом участке располагается точка номинального режима (н, н. В пределах изменения скольжения от 0 до кр изменение нагрузки навалу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки навалу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электромагнитного вращающего) момента. Рисунок 11 Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится. Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от кр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит припуске входи при торможении. |