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

Обмотки асинхронных машин.

Обмотка в электрической цепи машины переменного тока должна удовлетворять одновременно двум требованиям: 1) создавать требуемую для работы эдс и 2) образовывать необходимое для процесса преобразования энергии вращающееся магнитное поле.

Вращающееся поле создаётся обмоткой статора, которая подключается к сети. Большинство асинхронных машин имеют трёхфазные симметричные обмотки.

В качестве примера рассмотрим поперечный разрез двухполюсного (2р =2) асинхронного двигателя (Рис. 3.2). Рассматриваемый асинхронный двигатель имеет простейшую обмотку статора, когда каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (1 – фаза, проводники А и Х; 2 — я фаза, проводника В и У; 3 — я фаза, проводники С и Z).

Проводники каждого витка (фазы) расположены друг от друга на расстоянии полюсного деления:

где – диаметр внутренней расточки статора;

– число пар полюсов.

При = 2

соответственно угол по окружности статора 360°. Начало фаз А, В, С сдвинуты друг от друга на 120°, что соответствует, в данном случаи, трети окружности.

Приложим к фазам напряжения:

Примем положительное направление токов в началах фаз А, В, С за плоскость чертежа. Рассмотрим момент времени i_a = I_m, i_в = i_с = I_m, тогда распределение токов по окружности статора составят две зоны, каждая величиной τ. Причём направления в этих зонах будет противоположным (Рис. 3.2, б)

Фазы токов изменим на 30˚, тогда ,

Распределение токов по поверхности статора и в фазах (Рис. 3.3)

Рисунок 3.3 Распределение токов по поверхности статора а) и направление и величины токов в фазах б)

Токи распределены по поверхности статора синусоидально. Они создают магнитный поток проходящий через статор, ротор и воздушный зазор. При изменении фазы на 30˚ магнитный поток поворачивается на 30˚, а витки фазы направлены горизонтально, и ось магнитного потока при направлен горизонтально, когда магнитный поток будет направлен по оси фазы В, т.е. повернётся на 120˚, а при — по оси фазы С ещё повернётся на 120˚.

Таким образом обмотки статора двухполюсной машины при питании её трёхфазным током создаёт двухполюсное вращающееся поле. При этом за период изменения тока поле поворачивается на 2τ или на 360˚ в нашем случае. Скорость вращения поля n₁=f₁ [об/сек.] – 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 обмотки статора концы двух проводников, идущих от питающей сети.

При 2р = 4, τ составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трёхфазной обмотки статора состоит из двух витков с шагом у = τ, которые сдвинуты друг относительно друга на 2τ и могут быть соединены друг с другом последовательно и параллельно. Отдельные фазы и их начала А,В,С при это также сдвинуты на 60˚ или в данном случае на 1/6 окружности. Такая обмотка создаёт кривую распределения тока и магнитное поле с 2р = 4, это поле также является вращающимся и за один период токи поворачиваются на 2τ или в данном случае на половину окружности, вследствие чего скорость поля . В общем случае можно изготовить обмотки и с 2р = 6, 8, 10 и т.д. При это будет получаться кривая распределения тока и магнитное поле с рпарами полюсов. Магнитное поле вращается со скоростью об/секили об/мин.

Линейная скорость магнитного поля .

При конструировании обмоток переменного тока стремятся к тому, чтобы распределение индукции вращающегося поля в воздушном зазоре вдоль окружности было по возможности ближе к синусоидальному. Вес обмотки получается тем меньше, чем меньше общая длина проводников, образующих обмотку при заданных значениях тока, плотности тока и наведённой в обмотке э.д.с.

В многофазных обмотках проводники разбиваются на одинаковые группы по числу фаз, симметрично расположенные в пазовом слое. Каждая фаза образует отдельную электрическую цепь обмотки, которая при больших значениях номинального фазного тока (если по условиям переключения обмотки) в свою очередь может иметь несколько параллельных (ветвей) цепей. Общее число проводников пазового слоя:

где — число последовательно включённых витков фазы;

— число её параллельных ветвей;

– число фаз.

Обмотки статора и фазные обмотки ротора асинхронной машины выполняются одно – и двухслойные. В зависимости от мощности машины применяются петлевые или волновые двухслойные обмотки. Статорные обмотки асинхронных двигателей серии 4А выполняются только петлевыми.

По способу выполнения обмотки подразделяют на: а) катушечные и б) стержневые.

Катушечные обмотки выполняются из заранее намотанных на шаблон.

Проводники обмоток размещаются в пазах сердечника на внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора (имеется в виду обычная конструктивная схема машины с внешним статора и внутренним ротором). В асинхронных машинах пазы имеют относительно небольшие размеры и равномерно распределены по обе стороны воздушного зазора, форма пазов бывает различной: прямоугольной, трапецеидальной, круглой, овальной и др. По степени открытия паза, т.е. ширине отверстия паза, различают пазы: а) открытые; б) полуоткрытые; в) полузакрытые и г) закрытые (Рис. 3.4)

Выполнение обмоток переменного тока имеет большое многообразие. Некоторые особенности построения схем симметричных однослойных и двухслойных обмоток.

Однослойные обмотки. Если заданы число пазов Z, число полюсов 2р, число фаз m, причём равно целому числу, то при однослойной обмотке распределение пазов между фазами может быть произведено достаточно просто и практически безвариантно. Например z = 24, 2р = 4 и m = 3, тогда q = 2.

При выполнении обмотки возникает вопрос: как соединить последовательно проводники катушек каждой фазы? Здесь может быть много вариантов и надо выбрать тот, который даёт наименьшую затрату проводникового материала на лобовые и межкатушечные соединения, обеспечивает удобную укладку обмотки при её изготовлении, возможность простой замены повреждённых катушек в случае их ремонта и достаточную механическую прочность лобовой части. Кроме того необходимо стремятся тому, чтобы активные и соответственно индуктивные сопротивления фаз мало отличались друг от друга.

Двухслойные обмотки. В машинах переменного тока широкое применение получили двухслойные обмотки, обладающие по сравнению с однослойными рядом преимуществ. Двухслойные обмотки выполняют из катушек и секций одинаковой формы и размеров, что создаёт технологические удобства при изготовлении обмоток машины и обеспечивает полную электромагнитную симметрию фаз.

Следует отметить некоторые недостатки двухслойных обмоток: более сложная укладка секций в пазы, более сложный ремонт катушек, особенно при повреждении изоляции нижнего слоя, и невозможность при наличии двухслойной обмотки осуществлять разъёмный сердечник без демонтажа секций в местах разъёма.

Изоляция обмоток. Надёжность и экономичность электрической машины во многом зависит от качества изоляции обмоток, и её электрической и механической прочности и нагревостойкости.

Для длительной безаварийной работы машины необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность изоляции между витками обмотки, между витками и стенками пазов и другими заземлёнными частями сердечника и корпуса, между фазами внутри паза и в лобовых соединениях, где проводники различных фаз располагаются близко друг к другу. При работе электрической машины изоляция обмотки находится под длительным воздействием переменного электрического поля. При переходных и аварийных процессах изоляция может кратковременно подвергаться ещё более значительным воздействиям электрического поля. Поэтому при изготовлении машины изоляции витков, изоляции между фазами и изоляция обмотки и корпуса согласно ГОСТ испытываются повышенным напряжением.

Изоляция обмоток испытывается в течении 5 минут путём повышения напряжения машины на 30%. Изоляция относительно корпуса между фазами при номинальном напряжении U_н до 3000 В испытывается в течении одной минуты напряжением 2U_н + 1000В при U_н, в пределах 3000 – 6000В – напряжением 2.5 U_н и при U_н > 6000В напряжением 2U_н + 3000В.

Способность изоляции обмотки длительно работать при температуре, имеющей место при номинальном режиме машины, определяется нагревостойкостью изоляционных материалов. В настоящее время для основных изоляционных материалов используемых в обмотках электрических машин, установлены классы нагревостойкости (ГОСТ 8865): А — 105°С, Е- 120°, В — 130°C, F — 155°C; Н 180°С; С- больше 180°С.

В последние годы в конструировании электрических машин наметилась тенденция широкого использования электроизоляционных материалов из синтетики, обладающей при меньшей толщине более высокими электрическими, механическими показателями.

Обмотка ротора осуществляется путём заливки пазов ротора алюминием, пазы в этом случае выполняются закрытыми. Одновременно с заливкой пазов отливаются кольца, замыкающие стержни с торцов ротора и лопасти вентилятора. В двигателях с фазной обмоткой ротора в пазы ротора укладывается трёхфазная обмотка, которая соединяется звездой или треугольником и выводится к трём контактным кольцам, расположенным на валу двигателя.

В пазы статора укладывается обмотка из круглых проводников или из проводников прямоугольного сечения. В двигателях малой мощности применяется однослойная обмотка, а в двигателях большей мощности – двухслойная обмотка.

Дата добавления: 2015-09-18 ; просмотров: 1770 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ