Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Асинхронные машины являются наиболее широко применяемыми в современных электроприводах, это самый распространенный вид электрических машин переменного тока.
Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в двигательном , так и в генераторном режимах. Однако преобладающее применение имеют асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода.
Области применения асинхронных двигателей очень впечатляющие - от привода устройств автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц и т.п.). Поэтому 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).
Рис. 2.1
1,7 - подшипники; 2,6 - подшипниковые щиты; 3 - корпус; 4 - сердечник статора с обмоткой; 5 - сердечник ротора с обмоткой; 8 - вал;9 - коробка выводов; 10 - лапы; 11 - контактные кольца
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.
Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр (сердечник статора) с продольными пазами на внутренней поверхности, располагаемый внутри одного из элементов оболочки машины, называемого станиной. В пазах сердечника статора уложена обмотка статора. Сердечник статора изготовлен из листовой электротехнической стали, которая в отличие от электротехнической стали силовых трансформаторов является изотропной. Как и в трансформаторе, листы электротехнической стали изолированы друг от друга.
Рис. 2.2
1 - вал; 2,6 - подшипники 3,7 - подшипниковые щиты; 4 -коробка выводов;5 - вентилятор; 8 - кожух; 9 - сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 - сердечник статора с обмоткой; 11 - корпус; 12 - лапы.
Вращающаяся часть машины, называемая ротором, располагается во внутренней полости сердечника статора и состоит из сердечника ротора, обмотки и вала. Ротор и статор разделены воздушным зазором. На наружной поверхности сердечника ротора имеются продольные пазы, в которых размещается обмотка ротора. Ротора могут выполняться двух видов: фазные (рис.2.1) и короткозамкнутые (рис.2.2). Обмотка фазного ротора подобна обмотке статора, соединена в звезду и начала её фаз подключены к контактным кольцам, расположенным на валу, для введения добавочного сопротивления или добавочной ЭДС. Контактные кольца изолированы друг от друга и вала. Обмотка короткозамкнутого ротора отливается из сплава алюминия. Сплав заполняет пазы сердечника ротора и электрически соединяет их между собой торцевыми замыкающими кольцами с одновременно отливаемыми вентиляционными лопатками.
На валу расположены два подшипника, устанавливаемые в подшипниковых щитах. Подшипниковые щиты крепятся к станине. Если асинхронная машина имеет на одном из выходных концов вала вентилятор наружного обдува, то он закрывается защитным кожухом. Кожух имеет торцевые отверстия для входа охлаждающего воздуха и направляет воздушный поток вдоль оребренной станины.
На станине располагается коробка выводов, внутри которой закреплены клеммы обмотки статора и к ним подводится питающее напряжение.
Принцип действия асинхронной машины и режимы работы
Обмотка статора создает вращающийся магнитный поток Ф1, который при своем вращении пересекает проводники обмотки статора и ротора, индуктируя в них ЭДС e1, e2. ЭДС обмотки статора e1, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает ее ток.
Если обмотку фазного ротора замкнуть, то в ней под действием ЭДС e2 возникнет ток i2, частота которого при неподвижном роторе равна первичной частоте f1 (частоте тока обмотки статора). При трехфазной обмотке ротора в ней индуктируется трехфазный ток, который создает вращающийся магнитный поток ротора Ф2.
При неподвижном роторе вращающийся магнитный поток ротора Ф2, вследствие равенства числа полюсов обмоток, имеет частоту и направление вращения такие же, как у магнитного потока статора
, об/с.
Потоки Ф1 и Ф2 вращаются синхронно и образуют результирующий вращающийся магнитный поток Ф.
При короткозамкнутом роторе, в отличие от фазного ротора, в стержнях его обмотки индуктируется многофазная система токов i2. Эти токи также создают вращающийся магнитный поток Ф2, у которого число полюсов, частота и направление вращения являются такими же, как у потока фазного ротора.
ЭДС, индуктируемые в обмотках статора и ротора вращающимся магнитным потоком, можно рассматривать как действие результирующего магнитного потока Ф.
В результате взаимодействия проводников с током, размещенных в пазах ротора, с результирующим магнитным потоком Ф возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М.
Изобразим на рис.2.7 упрощенную развертку двухполюсной асинхронной машины. В верхней части рисунка представлена вращающаяся слева направо синусоидальная волна индукции В результирующего магнитного потока Ф, и направления ЭДС e2 в проводниках обмотки неподвижного короткозамкнутого ротора, индуктируемых этим потоком. Ниже показаны направления токов проводников i2 и действующих на них сил F, когда угол сдвига фаз между e2 и равен нулю и 90 эл.град.
При =0 все механические силы действуют в сторону вращения магнитного потока. Поэтому создается электромагнитный вращающий момент, действующий в сторону вращения магнитного потока.
При = механические силы действуют на проводники обмотки ротора таким образом, что не создается результирующий электромагнитный вращающий момент. Это позволяет сделать вывод, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора
.
Так как обмотка ротора асинхронного двигателя обладает активным и индуктивным сопротивлениями, то в первый момент пуска (при неподвижном роторе) всегда , в результате создается электромагнитный вращающий момент. Если он больше статического момента на валу, ротор придет во вращение в том же направлении, что и поток, но с несколько меньшей частотой вращения n. Причина этого заключается в том, что ротор является симметричным в электрическом и магнитном отношении. Поэтому не создается "реактивный" момент, как в синхронных машинах, и синхронизма вращения ротора и потока нет. Это и заставило назвать рассматриваемые электрические машины асинхронными.
Относительная разность частот вращения потока и ротора называется скольжением и может рассчитываться в относительных единицах или в процентах
, о.е.,
, %.
Частота вращения ротора определяется через скольжение в о.е. следующим образом , через скольжение в % .
В первый момент пуска (при неподвижном роторе) скольжение равно единице. Если ротор вращать синхронно с потоком , вращающееся магнитное поле относительно ротора неподвижно и скольжение равно нулю. ЭДС в обмотке ротора в этом случае не индуктируется, ток в обмотке ротора отсутствует, поэтому электромагнитный момент не создается.
Таким образом, асинхронная машина в режиме двигателя обладает частотой вращения ротора и скольжением в следующих диапазонах:
; .
Рис. 2.7
Ранее было отмечено, что потоки обмоток статора и ротора в первый момент пуска (при неподвижном роторе) вращаются синхронно. Рассмотрим, изменится ли ситуация при вращающемся роторе.
При вращении ротора в сторону вращения потока частота пересечения потоком проводников обмотки ротора пропорциональна разности их частот вращения , поэтому частота тока в обмотке ротора будет равна
.
Т.е. частота тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению.
При частоте тока в обмотке ротора частота вращения поля ротора относительно самого ротора также меньше
.
Частота вращения потока обмотки ротора относительно статора
,
т.е. частота вращения потока обмотки ротора относительно статора при любой частоте вращения ротора n равна частоте вращения потока обмотки статора n1.
К выше сказанному остается добавить следующее. Если ротор асинхронной машины с помощью дополнительного устройства привести во вращение в направлении вращения потока с частотой выше синхронной (n>n1), то ротор будет обгонять поток и направления индуктируемых в обмотке ротора ЭДС и токов изменятся на обратные. Также изменятся на обратные направления сил F и электромагнитного момент М.
Момент теперь будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. Скольжение для генераторного режима S<0.
Если ротор вращать в направлении обратном направлению вращения потока, то направления , , F сохраняются такими же, как в двигательном режиме. Электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения потока, но будет теперь тормозить вращение ротора. Этот режим асинхронной машины называется режимом противовключения или режимом электромагнитного тормоза. В этом режиме .
Параметры обмотки ротора приводят к обмотке статора, чтобы векторы ЭДС, напряжений и токов обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме. При этом обмотку ротора с числом фаз m2, с числом витков фазы w2 и обмоточным коэффициентом заменяют обмоткой сm1,w1, коб1, а мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора должны остаться без изменений. Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняются по формулам, аналогичным формулам приведения параметров вторичной обмотки трансформатора.
При неподвижном роторе приведенная ЭДС ротора равна , где - коэффициент трансформации напряжения в асинхронной машине при неподвижном роторе.
Приведенный ток ротора , где - коэффициент трансформации тока асинхронной машины.
В отличие от трансформаторов в асинхронных двигателях коэффициенты трансформации напряжения и тока не равны (). Объясняется это тем, что число фаз в обмотках статора и короткозамкнутого ротора не одинаково (). Лишь в двигателях с фазным ротором, у которых , эти коэффициенты равны.
Приведенные сопротивления фазы обмотки ротора ;
.
Для короткозамкнутой обмотки ротора имеется специфика определения числа фаз и числа витков фазы . Каждый стержень этой обмотки рассматривают как одну фазу, поэтому число витков фазы ; обмоточный коэффициент такой обмотки , а число фаз равно числу стержней в короткозамкнутой обмотке ротора, т.е. .
Уравнение напряжения обмотки ротора в приведенном виде
.
Величину можно представить в следующем виде
,
в результате уравнение напряжения для обмотки ротора в приведенном виде
.
Рис. 2.8
Отсюда следует вывод, что асинхронный двигатель в электрическом отношении подобен трансформатору, работающему на чисто активную нагрузку.
Для асинхронного двигателя, так же как и для трансформатора, векторная диаграмма строится по уравнениям токов и напряжений обмоток статора и ротора (рис.2.8).
Угол сдвига фаз между ЭДС и током .
Уравнениям напряжений и токов, а также векторной диаграмме соответствуют электрические схемы замещения асинхронного двигателя. На рис. 2.9,а представлена Т-образная схема замещения. Магнитная связь обмоток статора и ротора заменена электрической связью, как и в схеме замещения трансформатора. Активное сопротивление можно рассматривать как внешнее переменное сопротивление, включенное в обмотку неподвижного ротора. Значение этого сопротивления определяется скольжением, т.е. механической нагрузкой на валу двигателя.
Для практического применения более удобна Г-образная схема замещения (рис.2.9,б), у которой намагничивающий контур вынесен на входные клеммы схемы замещения. Чтобы ток холостого хода не изменил своего значения, в этот контур последовательно включают сопротивления фазы обмотки статора и .
Рис. 2.9
Полученная таким образом схема удобна тем, что она состоит из двух параллельно соединенных контуров: намагничивающего - с током и рабочего - с током .
Расчет параметров рабочего контура Г-образной схемы замещения требует уточнения введением в расчетные формулы коэффициента c1, как отношение фазного напряжения сети U1 к ЭДС фазы обмотки статора при идеальном холостом ходе (s=0). Так как в этом режиме ток холостого хода относительно мал, то U1оказывается не на много больше, чем ЭДС E1, и коэффициент c1 мало отличается от единицы. Для двигателей мощностью 3 кВт и более .
Энергетическая диаграмма активной мощности асинхронного двигателя (рис.2.10) может быть представлена в следующем виде.
Рис. 2.10
Двигатель потребляет из сети активную мощность .
Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки статора , другая часть теряется в виде магнитных потерь в сердечнике статора .
Оставшаяся часть активной мощности представляет собой электромагнитную мощность , передаваемую магнитным полем со статора на ротор
.
Часть электромагнитной мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки ротора
.
Остальная часть электромагнитной мощности превращается в механическую мощность, развиваемую на роторе
.
Часть механической мощности теряется внутри самой машины в виде механических потерь (на вентиляцию, на трение в подшипниках и на щетках машин с фазным ротором, если эти щетки при работе не поднимаются) и добавочных потерь (от высших гармоник МДС обмоток и от зубчатости статора и ротора).
Полезная механическая мощность на валу.
Сумма потерь в двигателе
, .
КПД двигателя .
Необходимо назвать еще следующие важные соотношения:, , из которых следует, что для уменьшения и повышения КПД требуется, чтобы скольжение s двигателя было малым.