Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974
.pdfВ. Работа в режиме электромагнитного тормоза. Если ротор асинхронной машины приводится во вращение против вращения магнитного поля статора, то такой режим работы называется режимом
электромагнитного тормоза. При этом скольжение s = *!±~Ä— ^ > 1 ;
П1
следовательно, оно может изменяться от значения s = + 1, когда п — 0, и теоретически достигать значения s = + °о.
Работа асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза используется в подъемно-транспортных устройствах.
Из рассмотренных трех режимов работы асинхронной машины наибольшее значение имеет ее работа в режиме двигателя. Этому режиму работы уделяется главное внимание, тогда как режимы работы генератором и электромагнитным тормозом рассматриваются как специальные.
22-4. Конструктивные элементы трехфазного асинхронного двигателя
На рис. 22-2 и 22-3 изображены продольные разрезы двигателей с короткозамкнутой и фазной обмоткой ротора. Независимо от типа двигателя сердечники ротора и статора выполняются из листов
Рис. 22-2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора
1 — обмотка ротора, 2 — сердечник ротора, 3 — сердечник статора, 4 — обмотка статора, 5 — лопасти вентилятора, в — коробка зажимов
электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаковой пленкой, а в двигателях малой мощности — слоем окалины, образующейся на поверхности листа.
297
Пазы статора чаще всего частично открытые. Так выполнена, например, серия А2 двигателей мощностью от 0,6 до 100 кет. Откры тые пазы предпочтительнее в двигателях большой мощности повы шенного напряжения (3 и 6 кв). В первом случае применяются всып-
Рис. 22-3. Асинхронный двигатель с фазной обмоткой ротора
1 — обмотка ротора, 2 — сердечник ротора, 3 — сердечник статора, 4 — обмотка статора, 5 — контактные кольца, 6 — коробка зажимов
ные обмотки из круглых проводников (рис. 18-4), во втором случае обмотка выполняется в форме жестких катушек из проводников пря моугольного сечения. В двигателях первых габаритов, т. е. ма лой мощности, применяется однослойная обмотка (рис. 19-5),
ав двигателях большей мощности — двухслойная обмотка с
|
укороченным шагом (рис. 19-10). |
||||
|
Зазор между статором и ро |
||||
|
тором должен обеспечивать бес |
||||
|
препятственное |
вращение |
ро |
||
|
тора. В асинхронных |
двигате |
|||
|
лях |
мощностью 1—10 кенг'зазор |
|||
|
б = |
0,25—0,35 мм, в двигате |
|||
|
лях |
мощностью |
250— 350 кет |
||
|
б = |
1,0—1,5 мм. Так |
как |
ста |
|
|
тор и ротор асинхронной маши |
||||
|
ны связаны между собой магнит |
||||
|
ным |
потоком (§ 22-2), |
то |
чем |
|
Рис. 22-4. Короткозамкнутая обмотка |
меньше зазор, |
тем лучше |
эта |
||
ротора |
связьи легче получить двигатель |
с хорошими характеристиками. Простейшим видом обмотки ротора является обмотка в форме беличьей клетки (рис. 22-4). В настоящее время такая обмотка осуще ствляется путем заливки пазов ротора алюминием; пазы в этом случае выполняются закрытыми (рис. 22-5). Мостик 1, перекрываю щий паз сверху, имеет толщину 0,4—0,5 мм. Одновременно с залив-
298
I кой пазов отливаются кольца, замыкающие стержни с торцов ротора и лопасти вентилятора (рис. 22-4).
Пазы двигателей глубокопазного и с двойной беличьей клеткой показаны на рис. 28-9, а, б и 28-12, а.
В двигателях с фазной обмоткой ротора чаще всего применяются частично открытые пазы. В пазы укладывается обычно трехфазная обмотка, которая соединяется звездой или треугольником и выво дится к трем контактным кольцам 5, расположенным на валу двига теля (рис. 22-3). В двигателях средней и большой мощности приме няется двухслойная стержневая волновая обмотка. Предварительно
изолированные стержни |
заводят в паз с торцевой сто |
|
|||
роны ротора и соединяют их |
между собой по соот |
|
|||
ветствующей схеме (рис. 19-11). |
|
|
|
||
Контактные кольца с наложенными на них щетками |
|
||||
служат для включения |
реостата |
в цепь ротора. Для |
|
||
уменьшения износа |
щеток и потерь от трения |
колец |
|
||
о щетки асинхронные двигатели средней и большой |
|
||||
мощности снабжались особым щеткоподъемным приспо |
|
||||
соблением, которое |
позволяло |
по окончании |
пуска |
|
|
замкнуть накоротко кольца и приподнять над кольцами |
рис,22-5. За- |
||||
щетки. Помимо конструктивного осложнения двигателя, |
|||||
это приспособление оказалось ненадежным в эксплуа- |
крытый паз |
||||
тации. Поэтому в разработанной в последнее время |
ротора |
||||
единой серии асинхронных двигателей мощностью от |
|
100 до 1000 кет все двигатели с фазной обмоткой ротора выпол няются с постоянно налегающими щетками.
Весьма важным является вопрос об охлаждении асинхронных двигателей. В брызгозащищенных двигателях единой серии А2 мощностью от 0,6 до 100 кет применена радиальная двусторонняя система вентиляции (рис. 22-3) вместо ранее применявшейся осевой системы. На рис. 22-2 показаны лопасти 5 вентиляторов, отливаемых одновременно с заливкой пазов ротора алюминием. Закрытые обду ваемые двигатели (АО) выполняются с двумя вентиляторами, один из которых служит для обдува наружной поверхности двигателя,
адругой — для циркуляции воздуха внутри двигателя; с этой целью в сердечнике ротора предусмотрены осевые вентиляционные каналы,
ав станине — продольные каналы, соединяющие правую и левую половины двигателя.
Г л ав а д в а д ц а т ь т р е т ья
ТРЕХФАЗНАЯ АСИНХРОННАЯ МАШИНА ПРИ НЕПОДВИЖНОМ РОТОРЕ
23-1. Предварительные замечания
При неподвижном роторе асинхронная машина представляет собой трансформатор, отличающийся от трансформатора нормального исполнения только в конструктивном отношении: распределенной
299
обмоткой статора и ротора, наличием зазора и т. и. Что же касается физической сущности явлений, то в обоих случаях она одинакова, поскольку взаимодействие между статором и ротором асинхронной машины осуществляется только магнитным путем, т. е. так же как между первичной и вторичной обмотками трансформатора. С этой точки зрения целесообразно начать изучение асинхронных машин, так же как и трансформаторов, с изучения предельных режимов работы машины — холостого хода и короткого замыкания — с тем, чтобы в дальнейшем распространить представление об асинхронной машине как о трансформаторе также и на случай машины с вращаю щимся ротором.
Ниже рассматривается трехфазная асинхронная машина с фазной обмоткой ротора (рис. 22-3), так как в этом случае можно по жела нию разомкнуть цепь ротора, замкнуть ее накоротко или через некоторое сопротивление.
При анализе работы машины учитываются только первые гармо нические всех переменных величин — э. д. с., тока, намагничиваю щих сил, а в случае необходимости отмечается влияние высших гармонических.
23-2. Холостой ход при разомкнутой обмотке ротора
Обмотка статора включена в сеть, цепь ротора разомкнута. Под действием подведенного к статору напряжения иг по обмотке статора течет ток холостого хода г0, создающий вращающийся со скоростью
|
|
|
щ = 6 0 ftp |
магнитный поток, |
|||||
|
|
|
часть |
которого |
фа сцепляется |
||||
|
|
|
с обеими обмотками, а часть |
||||||
|
|
|
фСТ1 — только |
|
с |
обмоткой |
ста |
||
|
|
|
тора (рис. 23-1). Поток фб на |
||||||
|
|
|
зывается, так |
|
же |
как |
и в |
||
|
|
|
трансформаторе, |
основным |
по |
||||
|
|
|
током, |
поток |
|
фСТ1 — потоком |
|||
|
|
|
рассеяния. |
Первый |
наводит |
||||
|
|
|
э. д. с. ег и е2 |
в |
обмотках |
ста |
|||
Рис. 23-1. Потоки статора асинхронной |
тора и ротора, |
второй — э. д. с. |
|||||||
машины при разомкнутом роторе |
рассеяния еС1 только |
в обмотке |
|||||||
|
|
|
статора. Кроме того, при про |
||||||
хождении тока по обмотке с активным сопротивлением гг |
возникает |
||||||||
падение напряжения і0гг. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Взаимозависимость между подведенным напряжением иѵ паде |
|||||||||
нием напряжения |
и э. д. |
с. ег, |
еаі определяется |
так же, как и |
|||||
в трансформаторах |
(§ 11-2), |
уравнением |
равновесия напряжения, |
||||||
а именно: |
t/1= |
|
|
|
|
|
|
(23-1) |
|
или |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ü1= —É1- { - I |
0r1— ~ Ё1-\- i0Zi, |
|
|
|
|||||
где Zx = гг + ]хх — полное сопротивление |
обмотки |
статора. |
|
300
В рассматриваемых условиях асинхронная машина представляет собой трансформатор при холостом ходе. Но при этом нужно учесть, что асинхронная машина имеет зазор, и поэтому ее намагничиваю щий ток / п гораздо больше, чем в трансформаторах, а именно: в дви гателях большой и средней мощности 100 / 0//„ = 25 ч- 35%, а в дви гателях малой мощности (начиная от 0,6 кет) — 35 -ь 60%. Относи тельно больше (по сравнению с трансформатором) и сопротивления гх и хх. Поэтому падения напряжения / 0гх и I 0xj, исчезающе малые при холостом ходе трансформаторов, в асинхронной машине состав ляют в зависимости от мощности машины, 2 -н 8% напряжения Uv Ріо все же и здесь основной поток и соответственно э. д. с. Ех имеют главное значение, а потому в приближенных рассуждениях можно считать, что
(23-2)
Поэтому векторная диаграмма холостого хода неподвижной асинхронной машины строится совершенно так же, как для транс
форматоров, и имеет тот же вид (рис. 11-8, |
в и г). |
Согласно формуле (20-18), |
|
Е1 = 4,Ыш1кобі/Ф6т, |
(23-3) |
где іѵх — число последовательно соединенных витков фазной обмотки
статора; %б1 — обмоточный коэффициент обмотки статора; |
Фет — |
амплитуда основного магнитного потока. |
|
Если считать, что / = const, то в исполненной машине |
|
Яі = Фбт. |
(23-4) |
Сопоставляя эту зависимость с формулой (23-2), можно видеть, что в асинхронной машине, так же как в трансформаторе, основной магнитный поток статора определяется главным образом приложен ным напряжением. В дальнейшем этот вывод распространяется и на режимы работы под нагрузкой, вплоть до номинальной.
Основной поток наводит в фазе ротора э. д. с.
Е2 —4,44ш2/с0б2/Фбт, |
(23-5) |
где w2 — число витков одной фазы, последовательно |
соединенных |
между собой; /тоб2 — обмоточный коэффициент обмотки ротора. Отношение
Ех
(23-6)
Е2 ^2^002
называется коэффициентом трансформации э. д. с. и отличается от коэффициента трансформации трансформатора только отношением обмоточных коэффициентов.
Так как п — 0, то мощность Р0, подводимая к двигателю из сети, идет только на покрытие потерь в двигателе, а именно: потерь в обмотках статора Рэ1, потерь в стали статора РС1 и потерь в стали ротора РС2. Следовательно,
Р0 — Рэ1~\- РС1 % Р02' |
(23-7) |
301
23-3. Короткое замыкание асинхронной машины
Если обмотка ротора асинхронного двигателя замкнута накоротко и ротор заторможен, то будет иметь место режим короткого замыка ния, при котором асинхронная машина подобна трансформатору с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Разница только та, что при номинальном напряжении установившийся ток короткого замы кания /„ двигателя превышает его номинальный ток / н в 4—7 раз, тогда как в трансформаторе / к — (10—18) Ік. Тем не менее двигатель нельзя длительно оставлять при коротком замыкании под полным напряжением во избежание чрезмерного нагревания и повреждения
Рис. 23-2. Потоки статора асинхроп- |
Рис. 23-3. Намагничивающие силы |
ной машины при коротком замыка- |
при коротком замыкании асиііхрон- |
ннн |
ной машины |
изоляции обмоток. Поэтому для определения параметров короткого замыкания делают опыт короткого замыкания, т. е. к двигателю подводят такое пониженное напряжение, при котором ток / к да Іа или в некоторых случаях на короткое время был больше
Физическая сущность явлений при коротком замыкании асин хронной машины принципиально та же, что и в трансформаторе. Поэтому в обоих случаях будут одинаковые уравнения напряжения и э. д. с. и намагничивающих сил [формулы (13-4), (13-5), (13-8)], одинаковые схемы замещения при коротком замыкании и одинаковые диаграммы (рис. 13-3, г и 13-4).
Картина потоков при коротком замыкании асинхронной машины показана на рис. 23-2. Если пренебречь, так же как в трансформато
рах, намагничивающей силой F0, то- |
|
Ft + F2 = 0. |
(23-8) |
Если учитывать, согласно условию, только первые гармониче ские намагничивающих сил, то будут две синусоидальные волны с равными по величине амплитудами І'\ и F2, вращающиеся в зазоре машины в одном и том же направлении и с одной и той же скоростью
пі — 60 ftp (рис. 23-3).
302
Равенство (23-8) после подстановки значений F1 и F2 по формуле (21-12) примет вид:
О ,OtHj w |
J I |
Q,Qm2w2ko62f 2 |
P |
~ |
P |
откуда
(23-9)
т2іѵгк0б2
Здесь к{ — коэффициент трансформации токов; т1 и т2 — число фаз обмоток статора и ротора в общем случае.
23-4. Приведенная асинхронная машина при п — 0
Так же как в трансформаторах, одну из обмоток, обычно обмотку ротора, приводят к обмотке статора. Под приведенной обмоткой ротора понимают такую обмотку, которая имеет то же число фаз, то же число витков в фазе и то же расположение обмотки, что и об мотка статора.
А. Приведенная э. д. с. ротора. Согласно формуле (23-6),
Е2 = Ег = Е2ке = Е2^ . |
' |
(23-10) |
|
|
w 2K OÜ2 |
|
|
Э. д. с. Е'і называется приведенной к статору э. д. с. ротора. |
|||
Б. Приведенный ток ротора. Из формулы (23-9) |
следует, |
что |
|
/і = |
т2т2коб2 |
|
(23-11) |
»ЧМіКбі |
|
||
|
|
|
Ток І2 называется приведенным током ротора.
В. Приведенные сопротивления ротора. При определении при веденных активного и индуктивного сопротивлений ротора г2 и х2
исходят из того, что при приведении |
г2 |
потери |
в обмотке |
ротора, |
||||
а при приведении х2 угол сдвига между э. |
д. с. Е2 и током І2 должны |
|||||||
остаться без изменения. Тогда |
т2Гіг2 = |
m j 2r2, |
откуда |
|
||||
|
'»2^1 _ |
т 2 I |
r |
w ikp6i |
т і т ікрбі |
|
|
|
Г 9 = |
Wlj/j2 |
2 т 1 \ W 2If2Ä'o62/ ___ |
2 w 2 ^ o 6 2 |
m 2W 2k 0 Q2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
= r2kcki = r2k. |
(23-12) |
|
|
Коэффициент к — keki называется коэффициентом трансформации |
|||||||
асинхронного двигателя. |
|
определяют х2, |
а именно: |
|
||||
|
Пользуясь |
вторым условием, |
|
|||||
|
|
|
= ^ = |
|
|
|
|
|
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
•9х % — |
|
|
|
(23-13) |
t
303
Тогда по аналогии с трансформатором (§ 13-6)
и |
Гк = Гі + Г2 |
(23-14а) |
|
хк— х1-\-Х2 . |
(23-146) |
Сопротивления гк и хи называются параметрами короткого замы кания асинхронной машины.
Мощность Рк, потребляемая машиной при коротком замыкании, практически идет только на покрытие потерь в обмотках статора и ротора, т. е.
Р , = Л* + Ло = т1І]г1-f rnj'^r^ = mJlrK. |
(23-15) |
В противоположность трансформаторам параметры гк и хк асин хронных машин не всегда постоянны. Так, например, в двигателях с закрытыми пазами хІ( сильно зависит от величины тока, причем зависимость = / (/) представляет собой кривую гиперболического вида. В глубокопазных двигателях г„ и хѵ зависят от частоты / (§ 28-6). Способы определения этих параметров излагаются в посо биях по испытанию электрических машин.
23-5. Работа заторможенной асинхронной машины при нагрузке
При включении последовательно с каждой фазной обмоткой ротора добавочного сопротивления Za, асинхронную машину можно рассматривать как трансформатор под нагрузкой.
Соответственно этому имеют тот же вид, что и в трансформаторах, уравнения равновесия напряжения и э. д. с. и намагничивающих сил, схема замещения и векторная диаграмма. Ниже они приводятся главным образом для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность сопоставить явления и процессы в неподвижной и вращающейся асинхронной машине.
Уравнение равновесия напряжений и э. д. с. статора повторяет
собой уравнение (14-1) |
|
Ul —h ri — — (Л 4“ Л п )= / Л 4" А*і- |
(23-16) |
Если ротор приведен к статору и в цепь ротора введено сопротив ление Zj, на котором напряжение равно ?/•>, то уравнение равновесия
напряжения и э. д. с. напишется аналогично (14-2а)
Ё'ч— i%Z' = Щ
или
^ = /2(Z' + Z'). |
(23-17) |
При работе асинхронной машины под нагрузкой намагничиваю щей составляющей I0w1 нельзя пренебречь. Поэтому уравнение намагничивающих сил имеет вид:
Л + |
Л = / ’0. |
(23-18) |
В приведенной асинхронной |
машине |
|
Л4 -4 = jo- |
(23-19) |
304
Г л ав а д в а д ц а т ь че т в е р т а я
РАБОТА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ПРИ ВРАЩЕНИИ РОТОРА
24-1. Основные соотношения при работе вращающейся асинхронной машины
Если асинхронная машина работает двигателем, то ротор машины вращается в направлении вращения поля со скоростью п, всегда меньшей, чем скорость поля статора пх (22-ЗЛ). Пусть двигатель имеет нулевую нагрузку, т. е. преодолевает только тормозной момент холостого хода МТ0. Если иметь в виду двигатели с шарикоподшип
никами, |
то этот момент весьма невелик, |
и |
|
01' |
|
|
|
||||||
скорость вращения ротора очень близка |
к |
|
|
п’ |
|
||||||||
|
; |
|
|
||||||||||
скорости поля щ. |
|
|
|
|
|
|
! |
||||||
|
|
|
|
|
1 0is<*/ |
||||||||
Поток Фбт! создается намагничиваю |
|
1 |
|
n |
W n |
||||||||
щей |
составляющей |
тока холостого хода |
|
) |
|
||||||||
/ од |
(рис. |
11-8, |
в); следовательно, Іт также |
|
6), _ |
|
|
|
|||||
не изменяется |
при |
переходе от п = 0 |
до |
|
.... |
n'____ J |
|||||||
п « |
пх. При |
неподвижном роторе имеют |
|
1 |
0>S>-°° |
1 |
|||||||
место потери в обмотке статора и потери |
|
1 |
|
n |
|
||||||||
в стали |
статора |
и |
ротора. Если ротор |
|
в) |
|
|
|
|||||
вращается со скоростью, близкой |
к синх |
|
|
|
|
||||||||
|
u |
|
|
|
|||||||||
ронной, |
то |
потери в стали ротора почти |
\ |
|
|
|
|||||||
1 |
|
|
|
||||||||||
отсутствуют, |
|
но |
возникают механические |
1 |
! |
/7,-/7 |
|
||||||
потери |
Риуі |
и добавочные потери в стали |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
Рд, приблизительно равные потерям в |
Рис. 24-1. |
Диаграмма ско |
|||||||||||
стали ротора. |
Поэтому 'активная |
состав |
|||||||||||
ляющая |
тока |
/ оа |
практически |
остается |
ростей |
асинхронной маши |
|||||||
ны: а — двигателя, б — ге |
|||||||||||||
без изменений |
при |
переходе от холостого |
нератора, |
в — электромаг |
|||||||||
хода с неподвижным |
ротором к холостому |
|
нитного тормоза |
||||||||||
ходу с вращающимся ротором. |
|
|
|
|
|
|
|
Дальше рассматриваются явления в роторе в общем случае, когда асинхронная машина работает при скольжении ротора, равном s.
А. Частота скольжения. Ток Іх, текущий по обмотке статора, создает намагничивающую силу Fx и соответственно магнитное поле, вращающиеся в статоре со скоростью пх = 60 f/p [см. (21-18)].
Скорость вращения ротора п зависит от режима работы машины (рис. 24-1, а, б, в). Ріо независимо от этого можно себе представить, что ротор неподвижен (п = 0), а поле статора вращается относительно
ротора со скоростью |
|
|
|
пз = геі — та = |
iii |
- = nxs. |
(24-1) |
|
|
|
Соответственно этой скорости в обмотке ротора наводится э. д. с.,
имеющая частоту скольжения |
|
|
рщ. - P ü i s - i s |
(24-2) |
|
■60 |
fiO Ä—Г' |
|
60 |
|
305
Таким образом, частота э. д. с., наводимой полем в обмотке ротора, равна частоте сети, умноженной на скольжение. Такой же будет и частота тока в обмотке ротора.
При работе асинхронной машины двигателем частота /2 обычно
мала. Например, если / = 50 |
гц, а скольжение s при номинальной |
||||
нагрузке |
составляет 1—4%, |
то /2 = |
50 (0,01 -н0,04) |
= 0,5-т-2 гц. |
|
В режиме |
электромагнитного |
тормоза |
s ^ + 1 |
и /2 ^ |
50 гц. |
Б. Э. д. с. и сопротивления обмотки ротора. |
Э. д. с. |
E2s в обмотке |
|||
вращающегося ротора |
|
|
|
|
|
|
Eis = 4,44/2ш2&об2Фбпг— E2s, |
|
(24-3) |
или э. д. с., наводимая во вращающемся роторе, равна э. д. с., наводимой в неподвижном роторе, умноженной на скольжение.
Индуктивное сопротивление x2s обмотки ротора
x2s” 2л/г/.2а “ 2nfsL20 = x2s. |
(24-4) |
Здесь Ь20 — индуктивность обмотки ротора, |
соответствующая ее |
рассеянию.
Таким образом, индуктивное сопротивление вращающегося ротора равняется индуктивному сопротивлению неподвижного ротора, умно женному на скольжение.
Для простоты можно считать, что активное сопротивление обмотки
ротора |
|
г2 == const, |
(24-5) |
хотя в ряде конструкции оно зависит от скорости пересечения маг нитным потоком проводников обмотки ротора, т. е. от скольжения
(см. гл. 28).
В. Токи и намагничивающая сила обмотки ротора. По закону Ома
Е„
(24-6)
2s
При протекании по обмотке ротора ток / 2 образует намагничиваю щую силу F2 и соответственно магнитное поле, вращающееся относи тельно ротора со скоростью п2 = n^s [формула (24-1)].
Кроме того, сам ротор вращается со скоростью п, причем из формулы (22-Іа)
п = п1(1 — s). |
(24-7) |
Поэтому скорость вращения намагничивающей силы ротора относительно статора, т. е. в пространстве, равна сумме скоростей вращения
n2-f- п = Пі (1 —s) — пъ (24-8)
т. е. намагничивающая сила ротора вращается в статоре с такой же скоростью и в ту же сторону, что и намагничивающая сила
306