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
Теоретические сведения
Неподвижная часть асинхронного двигателя — статор — имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного гене ратора. В расточке статора расположена вращаю щаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (Рисунок 1). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами. Ротор и статор разделены воздушным зазором. При вклю чении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения ко торого определяется как .
Вращающееся поле статора (полюсы N1 и S1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложен ному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в об мотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с по лем статора создает на роторе электромагнитные силы FЭМ. Из рисунка 1 видно, что силы FЭМ стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил FЭM создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во враще ние с частотой . Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.
Рисунок 1 Принцип действия асинхронного двигателя
Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вра щения ротора двигателя.
Направление вращения магнитного поля статора, а следова тельно, и направление вращения ротора зависят от порядка сле дования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Часто та вращения ротора п2, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля п1, так как только в этом случае проис ходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.
Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появление в обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС.
В соответствии с принципом обратимости электри ческих машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генера торном режимах. Кроме того, возможен еще и ре жим электромагнитного торможения противовключением.
Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфаз ного 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 вращаю щимся магнитным полем на роторе возникают эле ктромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действи ем которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой п2<п1 в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя ме ханически соединить с валом какого-либо исполни тельного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, пре одолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр. исполнительного механизма, приведет меха низм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механиче скую мощность Р2 и передается исполнительному механизму ИМ (рисунок 2, б).
Весьма важным параметром асинхронной маши ны является скольжение — величина, характеризую щая разность частот вращения ротора и вращаю щегося поля статора:
(3)
Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. В последнем случае величину, получен ную по (3), следует умножить на 100.
Вполне очевидно, что с увеличение нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора n2 уменьшается. Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигателя и может изменяться в диапазоне .
Рисунок 2 Режимы работы асинхронной машины
При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием сил инерции неподвижен (n2=0). При этом скольжение s равно единице. В режиме рабо ты двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n1 и скольжение весьма мало отличается от нуля (). Скольжение, соответствующее номинальной нагруз ке двигателя, называют номинальным скольжением Sном. Для асинхронных двигателей общего назначения Sном=1-8%, при этом для двигателей большой мощности Sном=1%, а для двига телей малой мощности Sном=8%
Преобразовав выражение (3), получим формулу для опре деления асинхронной частоты вращения (об/мин):
(4)
Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигате ля ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), являю щегося источником механической энергии, вращать в направле нии вращения магнитного поля статора с частотой п2> п1, то направление движения ротора относительно поля статора изме нится на обратное (по сравнению с двигательным режимом ра боты этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Элек тромагнитный момент на роторе М также изменит свое направ ление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращаю щемуся моменту приводного двигателя M1 (рисунок 2, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р2 переменного тока. Особенность работы асинхронно го генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в ко торую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р2. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключе нии к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.
Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне , т. е. оно может при нимать 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 направле нии. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной ма шины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тор мозящее действие (рисунок 2, в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противо включением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию меха нической мощности вращающегося ротора, т. е. на его тормо жение.
В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобре тает положительные значения больше единицы:
(5)
Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне , т. е. оно может принимать любые положительные значения боль ше единицы.
Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной маши ны, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора п1 и ротора п2, т. е. наличие скольже ния, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора ЭДС и на роторе возникает электро магнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхрон ной 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 состав ляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и высокой на дежностью.
Как уже отмечалось выше, асинхронный двигатель со стоит 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 ро тора — 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 асин хронного двигателя с короткозамкнутым ротором рисунок 3. Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.
Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпу са 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое об дуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.
Рисунок 3 Устройство трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
1 – вал; 2,6 – подшипники; 3,7 – подшипниковые щиты; 4 – коробка выводов; 5 – вентилятор; 8 – кожух вентилятора; 9 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 – сердечник статора с обмоткой; 11 – корпус; 12 – лапы;
В корпусе расположен сердечник 10 статора, имеющий шихто ванную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты сло ем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специаль ными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в про цессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмот ки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.
В расточке статора расположена вращающаяся часть двига теля — ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или мед ных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами рисунок 4 а. Сердечник ротора также имеет шихтованную конструк цию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является до статочной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора.
Рисунок 4 Короткозамкнутый ротор
а – обмотка «беличья клетка»; б – ротор с обмоткой, выполненной методом литья под давлением; 1 – вал; 2 – короткозамыкающие кольца; 3 – вентиляционные лопатки
Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигате лей выполняется заливкой со бранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновремен но со стержнями обмотки отли ваются короткозамыкающие кольца и вентиляционные ло патки рисунок 4 б.
Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипни ковых щитах 3 и 7.
Охлаждение двигателя осу ществляется методом обдува наружной оребренной поверх ности корпуса. Поток воздуха создается центробежным венти лятором 5, прикрытым кожу хом 8. 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 име ются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вен тилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя.
При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердеч ники) 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 вы полнять посредством перемычек, без перекрещивания последних рисунок 5. В некоторых двигателях небольшой мощности в ко робке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двига тель может быть включен в сеть на одно напряжение (соедине ние обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).
Рисунок 5 Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединение обмотки статора звездой и треугольником (б)
Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12 (рисунок 3), либо посредством флан ца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со сто роны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электри ческим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух). Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пока зана на рисунке 6 а.
Рисунок 6 Принципиальные схемы включения трёхфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором
Другая разновидность трехфазных асинхронных двигате лей — двигатели с фазным ротором — конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ро тора рисунок 7. Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трёхфазной 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 шихто ванный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной анало гично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, распо ложенным на валу и изолиро ванным друг от друга и от вала.
Рисунок 7 Устройство трёхфазного 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
Для осуществления электриче ского контакта с обмоткой вра щающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 рисунок 8 накладывают обычно две щет ки 2, располагаемые в щетко держателях 3. Каждый щётко держатель снабжён пружинами, обеспечивающими прижимание щёток к контактному кольцу с определённым усилием.
Рисунок 8 Расположение щёткодержателей
Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более слож ную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с ко роткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке 6 б. Обмотка ротора этого двигате ля соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи рото ра добавочное сопротивление Rдоб.
На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год вы пуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).
Подготовка к лабораторной работе.
Рисунок 9 Исследование механических характеристик при изменении частоты вращения магнитного поля.