1. Копылов Б.В. Электрические машины. М., 1988 г.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. Мультимедийная установка

Обсуждено на заседании кафедры

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 R_доб.

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

Устройство и принцип действия асинхронной машины

Устройство асинхронной машины.Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть —

ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали (рис. 19-1), которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком. Сердечники машин малой мощности иногда собираются из листов без лакового покрытия, так как в этом случае достаточной изоляцией является естественный или искусственно созданный слой окислов на поверхности листов стали.

На рис. 19-2 представлена фотография асинхронного двигателя малой мощности в разобранном виде, на которой видны статор, ротор и подшипниковые щиты. На рис. 19-3 дан чертеж асинхронного двигателя средней мощности.

Рис. 19-1. Листы сердечников статора (1) и ротора (2) асинхронной машины малой и средней мощности

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора -на валу^ (машины малой и средней мощности) или на ободе с кое-стовинои и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности) Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины ковых «стопках 11 М0ЩН0Сти) ‘ или на сдельно стоящих подшнпни

На ^внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы,

Рис. 19-2. Фотография асинхронного Двигателя с короткозамкнутым ротором типа А71-6 мощностью 14 кет в разобранном виде

в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной (см. гл. 21); присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой. Обмотка ротора тоже может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу (рис. 19-3). Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов магнитного поля, как и статор.

Другая разновидность обмотки ротора —обмотка в виде беличьей клетки (рис, 19-4). При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней

с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. В машинах мощностью до 1QG к&п стержни и кольца вместе с крылышками для вентиляции обычно изготовляются путем заливки ротора алюминием

Рис 19-3 Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором 180 кет,

1 — кабельная муфта, 2 — выводная коробка концов обмотки статора, 3 — кольце—вые шпонки крепления сердечника ротора, 4 — нажимные шайбы сердечника ротора, 5 — вал рртора, 6 и 30 — шариковый и роликовый подшипники, 7 — медные соедини* тельные хомутики стержней обмотки ротора, 8 —^ диффузоры для направления поступающего, через подшитшковые щиты охлаждающего воздуха, 9 — стержни обмотки^ ротора, ’10 — бандажные кольца, // — обмотка статора, 12 — проволочные бандажи,! ротора, 13 — подъемные кольца, /* — дуговые шпонки, 15 — кольцевые изоляционный прокладки, 16 — радиальные вентиляционные каналы, 17 — сердечник ротора, IS —>j литой корпус „статора, 19 — сердечник ст»тора, 20 и 21 — нажимные мдьщы и кольцу сердечника статора, 22 — кольцо для соединения концов обмотки ротора в звезду, 23 —« междукатушечные и междугрупповые соединения обмотки статора, 34 — выводы кок* цов обмотки ротора к контактным кольцам,. 25 и 27 — коробка и колпак контактных колец, 26 — контактные кольца, 28 — подвижная втулка с контактами для замыкана^. выводов обмотки ротора накоротко, 29 — муфта для вывода кондов обмотки ротрра

(см. рис. J9-2). Такая асинхронная машина называется машиной е короткозамкнутым ротором. Большинство аснш хронных машин, в особенности машины малой и средней мощности, выпускается с короткозамкнутым gpTopOM.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины. В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора

составляет 0,4—0,5 мм, а в машинах большой мощности — несколько миллиметров.

Асинхронные машины, как правило, охлаждаются воздухом. Системы вентиляции в принципе являются такими же, как и у машин постоянного тока (см. § 8-5).

Вращающееся магнитное поле. На рис. 19-5 представлены поперечные разрезы двухполюсного (2р — 2) асинхронного двигателя и показан характер магнитного поля статора для двух моментов времени.

На рис. 19-5 изображена простейшая обмотка статора, когда каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (1-я фаза — проводники А и X, 2.-я фаза — проводники В и Y, 3-я фаза — проводники С и Z) 1 . Проводники каждого витка (фазы) расположены -друг от друга на расстоянии полюсного деления

где D_a — диаметр внутренней расточки статора, ар — число пар полюсов.

На рис. 19-5 полюсное деление составляет замкнутая обмотка ро-половину окружности. Шаг витка или обмот- тора в виде беличьей ки у поэтому является полным <у = т). Двои- клетки

ному полюсному делению 2т соответствует угол по окружности статора 360° эл. Начала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в данном случае составляет треть окружности.

На рис. 19-5, а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени, когда i_a — I_m и i_b = i_c =

— — *>т- Токи фаз на рис. 19-5 считаются положительными, когда

они в началах фаз (проводники А, В, С) направлены за плоскость чертежа. На рис. 19-5, б показаны направления токов для момента времени, когда фазы токов изменились на 30° и

Из рис. 19-5 видно, что распределение токов по окружности статора составляет две зоны, каждая Величиной т, причем направ-

1 Согласно ГОСТ 183—66, начала фаз обмоток статора обозначаются С₁₍ С₂, С₃, их концы — соответственно С₄, С₈, C_g, а начала фаз обмоток ротора — Pi, P₂> ^з-В данной книге в методических целях начала трехфазных обмоток всюду обозначаются А, В, С или а, Ь, с, а концы — соответственно Л, Y, Z или х, у, г.

ления токов в этих зонах противоположны. В нижней части рис. 19-5 изображены кривые распределения токов вдоль развернутого статора.

|Из этих кривых видно, что токи распределены на поверхности статора по синусоидальному закону.

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины создают, как следует из рис. 19-5, двухполюсный магнитный поток

Рис. 19-5. Простейшая обмотка статора асинхронной машины с 2р = 2 и ее магнитное поле

Ф₁₍ проходящий через статор, ротор и воздушный зазор между ними. Из сравнения рис. 19-5, аи б видно, что при изменении фазы токов на 30° кривая распределения токов и магнитный поток поворачиваются в направлении следования фаз также на 30° эл.

Ось витка (обмотки) фазы А на рис. 19-5 направлена горизонтально, и ось магнитного потока при i_a = l_m (рис. 19-5, а) также направлена горизонтально. Ясно, что если фаза токов по сравнению с рис. 19-5, а изменится на 120° и поэтому будет i_b = I_m, то магнитный поток будет направлен по оси фазы В, т. е. повернется на 120° эл. В момент времени, когда i_c — I_m, ось магнитного потока совпадает с осью фазы С и т. д.

Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся магнитное поле.

При этом за один период изменения тока поле поворачивается на 2 т или 360° эл.

Скорость вращения поля

где fi — частота тока статора.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное достаточно переменить местами на зажимах обмот- У ки статора концы двух проводников, идущих от питающей сети.

При 2р = 4 полюсное деление составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трехфазной обмотки статора (рис. 19-6) состоит из двух витков с шагом у = х, которые сдвинуты относительно друг друга на 2т и могут быть соединены друг с другом последовательно или параллельно. Отдельные фазы и их начала А, В, С при этом также сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. или в данном случае на 1 /₆ окружности. Из рис. 19-6 видно, что такая обмотка создает кривую распределения тока и магнитное поле с 2р = 4. Это поле также является вращающимся и за один

период тока поворачивается тоже на 2т или в данном случае на половину окружности, вследствие чего скорость поля

В общем случае можно изготовить обмотку с 2р = 6, 8, 10 и т. д. При этом будет получаться кривая распределения тока и магнитное поле с р парами полюсов. Магнитное поле вращается со скоростью

Рис. 19-6. Простейшая обмотка

статора асинхронной машины с

2р — 4 и ее магнитное поле

Линейная окружная скорость вращения поля вдоль окружности статора

При стандартной в СССР частоте промышленного тока / = 50 гц получаются скорости вращения поля, указанные в табл. 19-1.

Скорость вращения магнитного поля обмоток с различными числами пар полюсов р при Л = 50 гц

При конструировании обмоток переменного тока стремятся к тому (см. гл. 21), чтобы распределение индукции вращающегося поля в воздушном зазоре вдоль окружности было по возможности ближе к синусоидальному.

Ниже в данной главе будет предполагать, что это распределен ление является синусвидальным.

Принцип действия асинхронной машины.Магнитный поток Ф₁₍ создаваемый обмоткой статора (рис. 19-5 и 19-6), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с. е_п, и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи ц, частота которых f₂ при неподвижном роторе (я = 0) равна первичной частоте f_t.

Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индуктируется трехфазных ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, число полюсов 2 р, направление и скорость вращения которого при п = 0

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф_г и Ф_а вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. При короткозамкнутом роторе в его стержнях индуктируется многофазная система токов % со сдвигом в соседних Стержнях по фазе на угол

где Z₂ — число стержней ротора. Эти токи также создают вращающийся поток Ф₂, число полюсов, направление и скорость вращения которого являются такими же, как и у потока фазного ротора. Поэтому и в данном случае в двигателе образуется общий магнитный поток Ф. Ввиду существования общего вращающегося магнитного поля можно рассматривать э. д. с, индуктируемые в обмотках этим полем.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М.

В верхней части рис. 19-7 показаны вращающаяся со скоростью i>i синусоидальная волна общего магнитного поля В мащины и направления э. д. с. е₂, индуктируемых этим полем в стержнях неподвижного короткозамкнутого ротора. В нижней части рис. 19-7 показаны направления токов стержней, ц и действующих на них сил F для двух случаев: когда угол сдвига фаз’фа между е, и г₂ равен нулю и когда ■ф₂ = 90 , При % = 0 все силы действуют в сторону вращения- поля. Поэтому вращающий момент

Рис 19-7. Токи в стержнях обмотки ротора и действующие на них силы

отличен от нуля и также действует в сторону вращения поля. В то же время при т|э_а = 90° силы действуют в разные стороны

Отсюда следует, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора

Этот вывод имеет общий характер и справедлив также для других видов машин переменного тока.

Цепь ротора асинхронного двигателя всегда обладает определенным активным сопротивлением, и поэтому при пуске двигателя <п = 0) всегда 0 Q, и если он больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью п s>0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей tii — п и частота тока в обмотке ротора

Подставив сюда значение п из формулы (19-7) и затем значение п_х из (19-2), получим

т. е. вторичная частота пропорциональна скольжению.

При частоте тока /₂ п_г), то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в обмотке ротора токов по сравнению с изображенными на рис. 19-7 изменяется на обратные. При этом изменяется на обратные также направления электромагнитных сил F и электромагнитного момента М. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. Согласно выражению (19-6), в режиме генератора s 1.

Более подробно режимы работы асинхронной машины рассматриваются в последующем разделе. Здесь, однако, надо отметить, что соотношение (19-11), как нетрудно усмотреть, сохраняется при любом режиме работы, при любом значении s, т. е. поля статора и ротора вращаются синхронно в любом режиме работы асинхронной машины.

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-17; Просмотров: 834; Нарушение авторского права страницы