Модернизация лабораторного стенда с преобразователем частоты фирмы АВВ. Модернизация лабораторного стенда с преобразователем частоты фирмы авв
 Скачать 3.27 Mb.
|
|
Теоретическая часть 1.1 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 [1]. 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. Разноименнополюсная 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. рисунок 1.1).  1 – вал; 2 – подшипниковый щип; 3 – корпус статора; 4 – обмотка статора; 5 – сердечник статора; 6 – сердечник ротора; 7 – обмотка ротора; 8 – вентилятор; 9 – кожух вентилятора Рисунок.1.1– Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 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. рисунок 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.  Рисунок 1.2 – Асинхронный двигатель с фазным ротором 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. Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность - от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения:  , (1.1)при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах - до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2—5% меньше синхронной; в микродвигателях - на 5-20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях). 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,  , (1.2)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. 1.1.1 Конструкция асинхронных машин с короткозамкнутым ротором Конструктивная компоновка асинхронной машины с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 1.1. В основных чертах она совпадает с типичной компоновкой вращающейся электрической машины. Ротор машины состоит из магнитопровода, в пазах которого размещается неизолированная многофазная короткозамкнутая обмотка, пристроенных к ней вентиляционных лопастей, вала и двух вентиляторов. Активными элементами ротора, принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод и обмотка ; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды. Более детально устройство активных частей ротора показано на рисунке 1.3.  Рисунок 1.3 – Магнитопровод ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой, литой из алюминия. Магнитопровод ротора 4 набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на наружной стороне которых вырублены пазы нужной формы (на рис. 1.3 - закрытые, на рис. 1.4 - полузакрытые). 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 (рисунок 1.3), 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. 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 (рисунок 1.4 б).  1 - ярмо; 2 - зубец; 3 - паз; 4 - аксиальный вентиляционный канал; 5 - отверстие для вала; 6 - ярмо статора Рисунок 1.4 – Кольцевые пластины магнитопроводов ротора (а) и статора (б) В конструкции по рисунку 1.4 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 и стяжных скоб 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 (см. рисунок 1.5 а).  Рисунок 1.5 – Разрезы пазов: а - двухслойной катушечной всыпной обмотки статора асинхронного двигателя; б - трехфазной двухслойной волновой стержневой обмотки ротора асинхронного двигателя с контактными кольцами. Для таких пазов пригодны как однослойные, так и двухслойные многовитковые катушечные всыпанные обмотки. Катушки этих обмоток наматываются из изолированного обмоточного провода круглого сечения (1 на рисунке 1.5); 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). Вал ротора опирается на подшипники качения, которые в свою очередь с помощью подшипниковых щитов и крышек подшипников сопрягаются со станиной. Шариковый подшипник 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 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. 1.1.2 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  . (1.3)Магнитное поле при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Направление индуцируемой в одном из проводников ротора ЭДС показано на рисунке. 1.6 (при определении направления ЭДС по правилу правой руки принималось, что поле неподвижно, а движение проводника происходит в сторону, противоположную вращению поля).  Рисунок. 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 .Таким образом, для рассматриваемого двигателя характерной особенностью является несинхронное (асинхронное) вращение его ротора с магнитным полем. Отсюда и его название - асинхронный двигатель. Разницу между скоростями или частотами вращения ротора и поля принято оценивать величиной, называемой скольжением  : , (1.4)где  угловая скорость поля и ротора.Так как частота вращения магнитного поля относительно ротора равна  , то частота индуцируемых в его обмотке ЭДС и тока . (1.5)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.Таблица 1.1 – Номинальные частоты вращений в зависимости от количества пар полюсов
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 . |
, об/мин