lekcii

поля n1, або синхронна частота обертання ( про /мін ), прямо прямо пропорційна частоті змінного струму f1 і обернено пропорційно до числа пар полюсів трифазної обмотки :

n1 = f160/ p

Для частоти f1=50 Гц нижче приведені деякі синхронні частоти обертання магнітного поля :3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 про/мін

Якщо необхідно змінити напрям обертання магнітного поля, то змінюють порядок дотримання фаз трифазної системи струмів, що підводяться трифазній обмотці. Число полюсів асинхронного двигуна визначається конструкцією обмотки статора, при цьому число полюсів ротора дорівнює числу полюсів статора. Для пояснення принципу дії трифазного асинхронного двигуна скористаємося спрощеною моделлю, що складається з нерухомої частини 1, називається статором і частині, що обертається, 2, називається ротором, розділених повітряним проміжком . сердечник статора складається зі спинки (ярма ), через яку замикається магнітний потік магнітного поля, що обертається, і зубців, між якими знаходяться пази з розташованої в них трифазної обмотки. У розточуванні сердечника статора знаходиться ротор, що складається з валу, сердечника і обмотки, яка розташована в пазах сердечника і складається з мідних або алюмінієвих стержнів, замкнутих з обох боків кільцями. Така обмотка називається короткозамкнутою.

При включенні обмотки статора в трифазну мережу виникає магнітне поле, що обертається з синхронною частотою n1. Поле зчіплюється з обмоткою ротора і індукує в його стержнях електрорушійні сили, напрям яких визначають за правилом «правої руки». Обмотка ротора замкнута, тому ЭДС, наведені в стержнях обмотки, створять в них струми. В результаті взаємодії струмів в роторі з полем статора, що обертається, на стержнях ротора створюють електромагнітні сили Fэм S = (n1 − n2 )/ n1 риводится во вращение с частотой n2 в направлении вра-

щения магнитного поля статора. Обертання ротора через вал передається робочому механізму. Таким чином електрична енергія, що поступає з мережі в обмотку статора, перетвориться в асинхронному двигуні в механічну енергію обертання.

Відмітна ознака асинхронного двигуна полягає в тому, що частота обертання n2 ротора менше синхронної частоти обертання n1 магнітного поля статора.

Пояснюється це тим, що ЭДС в стержнях обмотки ротора індукується

тільки при нерівності частот обертання n1<n.Частота обертання поля статора відносно ротора ви-

значається частотою ковзання ns=n - n1. Відставання ротора від поля статора, що обертається, характеризується відносною величиною s, що називається ковзання :

71

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

S = (n1 − n )/ n1

Ковзання асинхронного двигуна може зміняться в діапазоні від 0 до 1, т. е. 0-100%. Якщо S≈0, то це відповідає режиму холостого ходу, коли ротор двигуна практично не випробовує протидіючого моменту ; якщо s=1 - режиму короткого замикання, при якому ротор двигуна нерухомий (n=0). Ковзання залежить від механічного навантаження на валу двигуна і з її ростом збільшується.

Ковзання, що відповідає номінальному навантаженню двигуна, називається номінальним ковзанням. Для асинхронного двигуна малої і середньої потужності номінальне ковзання змінюється в межах від 0.08 до 0.02, тобто 8-2%.

Частота обертання ротора асинхронного двигуна про/мін,

n = n1 (1 − s) = [f1 60 ) / p](1 − s)

При змінах завантаження на валу двигуна частота обертання n1 змінюється пропорційно (l - s).

Режими роботи машин двигуном, гальмом і генератором

Асинхронна машина при зміні ковзання від 1 до 0 працює як двигун. В цьому випадку електромагнітна потужність Pэм передається магнітним полем із статора ротору і частково перетвориться в механічну потужність частково — в електричну потужність Рэ2 = sРэм. При роботі машини двигуном зрушення між э.д.с., наведеної у фазі обмотки статора, і струмом в цій фазі більше 90, так само як для первинної обмотки трансформатора.

Виходячи з отриманих раніше співвідношень між потужностями асинхронної машини, можна показати, що при зміні ковзання від s = l до s = ∞ машина працює як гальмо. Ковзання s>l виходить при обертанні ротора проти поля. При цьому електричні втрати в ланцюзі ротора Рэ2 = sРэм будуть більше потужності Pэм і, отже, тільки частково покриваються за рахунок Рэм, що передається полемо із статора ротору. Інша частина електричних втрат в ланцюзі ротора (s - 1) Рэм покривається за рахунок механічної потужності, прикладеної до ротора. Механічна потужність ротора буде негативною. Це означає, що вона не віддається ротором, а підводиться до нього і перетвориться в електричні втрати в ланцюзі ротора, т. е. поглинається в самій машині. Тому режим роботи при s>l називається гальмівним режимом.

Електромагнітний момент при цьому діє на ротор у напрямі обертання поля, т. е. проти обертання ротора; отже, він є таким, що гальмує по відношенню до зовнішнього моменту, прикладеного до валу машини.

Можна також показати, що при негативних ковзаннях асинхронна машина працює генератором. При < 0 ротор обертається у напрямі обертання поля, але з частотою, що перевищує частоту поля (n > n1). В цьому випадку електромагнітна потужність Рэм буде негативною, що виходить з рівності

Потужність Рэм при негативному ковзанні передається полем з ротора статору. Механічна потужність Р' 2 при цьому буде також негативною, що виходить з рівності

72

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Механічна потужність, отже, прикладена до ротора. Частина її йде на покриття електричних втрат Рэ2 в ланцюзі ротора, інша частина перетвориться в електромагнітну потужність Рэм, що передається полемо статору. При роботі машини генератором зрушення між і менше 90 так само як для вторинної обмотки трансформатора.

Контрольні питання

1.Поясніть застосування асинхронних машин

2.Поясніть конструкцію короткозамкнутого ротора?

3.Поясніть конструкцію фазного ротора ротора?

4.Як отримати кругове магнітне поле, що обертається?

5.У яких режимах може працювати асинхронна машина?

6.Поясніть принцип дії асинхронного двигуна?

7.Які параметри асинхронних машин вважаються номінальними?

8.Як змінюється ковзання в генераторному режимі ?

9.Як змінюється ковзання в руховому режимі ?

10.Як змінюється ковзання в електрогальмівному режимі ?

Лекція 14 Тема: 3.2 Принцип виконання і типи обмоток машин змінного струму.

3.3 Магнітне поле асинхронного двигуна. План

1.Обмотка статора, загальні відомості

2.Одношарові обмотки

3.Двошарові обмотки

4.ЭДС обмоток

5.Магнітне поле асинхронного двигуна

Обмотки статора, загальні відомості

Обмотки і сердечники статора і ротора є основними частинами електричної машини. Вони і створюють в ній умови для електромагнітних процесів, що протікають при перетворенні електричної енергії в механічну або при зворотному перетворенні.

Розглянемо обмотки статора. Вони однакові як у асинхронних, так і у синхронних машин. Обмотки складаються з витків, закладених в пази статора і сполучених між собою за особливими правилами.

Ширина витка узята рівною t. Вона визначає крок обмотки, який позначається через у. Обмотки, що складаються з таких витків (при y = t), називаються діаметральними або обмотками з повним кроком. Обмотки з витками, ширина яких менше полюсного ділення (у<t), називаються хордовими або обмотками з укороченим кроком.

Полюсне ділення, см

73

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

де D — внутрішній діаметр статора

Одношарові обмотки.

Обмотка, представлена на мал. 3-6, не може вважатися практично придатною, оскільки лобові частини її котушок не дозволили б ні вставити, ні витягнути ротор. Їх треба відігнути.

На мал. 3-10 показана одна фаза трифазної обмотки чотириполюсної машини з відігнутими лобовими частинами. Вона складається з двох котушкових груп при їх послідовному з'єднанні. На мал. 3-11 приведена повна схема-розгортка тієї ж обмотки при 2р = 4 і q = 2. Така схема виходить, якщо подумки розрізати внутрішню циліндричну поверхню статора по тій, що утворює і розгорнути її в площину. Вона дає наочне уявлення про розміщення котушок, з'єднання їх в групи і з'єднання котушкових груп окремих фаз між собою. Розміщення її лобових частин показане на рис

Розглянута обмотка називається котушковою концентричною з лобовими частинами в двох площинах. Вона нині застосовується порівняно рідко — головним чином для невеликих машин (при Р £ 7 кВт). При великій потужності вона вимагає більше матеріалів (обмотувальній міді і ізоляції), ніж двошарова обмотка, оскільки має довші лобові частини.

З одношарових обмоток знаходять собі також застосування, зазвичай для машин невеликої потужності (до 7 — 10 кВт), равнокатушечные обмотки, схеми яких аналогічні схемам двошарових обмоток.

Двошарові обмотки.

Нині для статорів асинхронних і синхронних машин переважне застосування отримали двошарові обмотки. З них найчастіше зустрічаються петлеві двошарові обмотки. Вони складаються з однакових котушок, також об'єднаних в групи. Котушкові сторони закладаються в пази одна над іншою.

Для машин потужністю до 50 100 кВт на статорі беруться напівзакриті (мал. 3-13, б), для машин до 250 300 кВт — напіввідкриті (мал. 3-13, в) і для великих машин — відкриті пази (мал. 3-13, г). Напівзакриті пази по мал. 3-13, а і б застосовуються також і для одношарових обмоток. В цьому випадку ізоляційне прокладення (мал. 3-13, б) не потрібне.

74

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Мал. 3-13. Пази статора.

а і б — напівзакриті; в-полуоткрытый, г-открытый.

Число котушок обмотки, очевидно, дорівнює числу пазів Z. Число котушок в котушковій групі при q, рівному цілому числу, рівне q. Для асинхронних машин, як правило, q рівно цілому числу. Тому тут виходять групи з однаковими числами котушок. Для статорів синхронних машин великої потужності при великому числі полюсів часто q рівно дробовому числу, яке ми можемо представити у виді : де з і d — числа взаємно прості. В цьому випадку котушкові групи матимуть неоднакові числа котушок : частина з них матиме b котушок, а інша частина — (b+1) котушок. Ті і інші групи мають бути розподілені між фазами обмотки так, щоб фазні э.д.с. були рівні за величиною і зрушені по фазі на 120 .

Розглядатимемо петлеві двошарові обмотки при q, рівному цілому числу. Схема-розгортка однієї з таких обмоток показана на

При виконанні обмотки в пази закладаються Z котушок. Потім робляться междукатушечные з'єднання так, щоб отримати котушкових груп (для малих машин котушки часто закладаються цілими групами, тому тут не доводиться робити междукатушечные з'єднання). Після цього виконуються междугрупповые з'єднання, т. е. з'єднуються між собою групи, що становлять фази обмоток.

До переваги двошарової обмотки треба віднести те, що її котушки можна заготовити поза машиною, добре їх ізолювати (просочити лаками або особливим асфальтобітумним складом) і абсолютно готовими закласти в пази. При цьому застосовуються відкриті пази, що дозволяють виконати надійну ізоляцію на високу напругу (до 20000 24000 B). При напівзакритих і напіввідкритих пазах обмотка зазвичай виконується на напрузі до 660 B. В цьому випадку провідники котушок доводиться закладати в пази по одному через відкриття (щілина) паза.

75

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Іншою важливою перевагою двошарової обмотки є те, що її можна виконати з укороченим кроком. При укороченні кроку обмотки крива наведеної в ній э.д.с. при несинусоїдальному полі виходить ближчою до синусоїди, чим при повному кроці; крива поля, створеного такою обмоткою, теж буде ближчою до синусоїди. Крім того, при двошаровій обмотці з укороченим кроком скорочується витрата міді і ізоляційних матеріалів в порівнянні з одношаровою обмоткою (мал. 3-11) за рахунок зменшення довжини лобових частин (ср. на мал. 3-5, би лобові частини витків при у = t і y < t).

Схеми одношарових равнокатушечных обмоток, q пазів, що мають, на полюс і фазу, можуть бути отримані з схем петлевих двошарових обмоток, q/2 пазів, що мають, на полюс і фазу. Для цього треба уявити собі, що між сусідніми пазами двошарової обмотки поміщено ще по одному пазу і в ці пази винесені усі котушкові сторони, що лежать в нижньому шарі Тоді виходить схема так званої ланцюгової обмотки.

Розглянута двошарова обмотка застосовується також для фазних роторів асинхронних машин при потужностях до 100 кВт. У цих випадках зазвичай застосовуються обмотки з повним кроком, щоб отримати довші лобові частини для поліпшення умов охолодження машини.

Хвилеві двошарові обмотки знаходять собі застосування для фазних роторів асинхронних машин при потужностях понад 50100 кВт. Вони виконуються із стержнів, що закладаються з торцевого боку в напівзакриті пази. Число фаз m2 такої обмотки, як правило, береться рівним трьом.

Звичайна схема хвилевої двошарової обмотки представлена на мал. 3-17. Тут почала і кінці фаз рівномірно зміщені по кола ротора, так само як і перемички фаз (I — II, III — IV, V — VI), що полегшує виконання відведень до контактних кілець і в той же час дозволяє зберегти статичну урівноваженість ротора (збіг центру тяжіння ротора з його віссю обертання). Останніми роками хвилеві двошарові обмотки застосовуються також для статорів великих синхронних машин, що мають велике число полюсів (генератори, працюючі на потужних гідроелектричних станціях). В цьому випадку вони зазвичай виконуються при q, рівному дробовому числу.

Електрорушійна сила обмоток

На мал. представлена крива поля (суцільна лінія), створеного, наприклад, полюсами, що обертаються.

76

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Мал. Крива поля і її гармоніки.

Її можна розкласти на гармоніки, причому внаслідок симетрії кривої відносно осі абсцис і максимальної ординати в розкладанні матимуть місце тільки синусоїди непарного порядку, показані на рис 3-21 пунктиром.

Усі гармоніки поля обертаються відносно статора з однією і тією ж частотою, рівній частоті обертання полюсів. Полюсне ділення першої або основної гармоніки рівне t, полюсне ділення -ої гармоніки рівне t/ν. Таким чином, ν-а гармоніка поля має в ν раз більше полюсів, ніж перша гармоніка.

Обмотувальний коефіцієнт k01 для першої гармоніки, очевидно, не відрізняється від k0, розглянутого нами раніше; k0ν для вищих гармонік відрізняється від k01, оскільки зрушення по фазі э.д.с. сторін витка і э.д.с. котушок, що становлять котушкову групу, залежить від номера гармоніки v.

Зрушення по фазі э.д.с. сторін витка, наведених v -ою гармонікою поля, рівний, де γ — зрушення сторін витка в електричних градусах для першої гармоніки поля; отже

Оскільки в звичайних випадках амплітуди вищих гармонік порівняно з амплітудою першої гармоніки невеликі, ми можемо практично вважати:

де f1 і k01 визначаються для першої гармоніки, а Ф (індекс «м» тут і в подальшому опускаємо)

— по першій гармоніці кривої поля (чи приблизно по дійсній кривій поля).

Гармоніки фазних э.д.с. трифазної обмотки з номером, кратним трьом, співпадають по фазі, інші гармоніки фазних э.д.с. (5, 7, 11, 13. 17, ...) тієї ж обмотки будуть зрушені по фазі на 120 .

Отже, при сполученні обмотки зіркою в лінійній э.д.с. усі гармоніки з номером, кратним трьом, пропадають:

При з'єднанні обмотки трикутником ми також не матимемо в лінійній напрузі гармонік з номером, кратним трьом, оскільки при такому з'єднанні усі ці гармоніки по контуру, складеному з трьох фаз об мотки, будуть у будь-який момент часу спрямовані в одну і ту ж сторону (фази обмотки для гармонік з номером, кратним трьом, можуть розглядатися як послідовно сполучені генератори).

77

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Магнітне поле асинхронного двигуна

Між статором і ротором двополюсної асинхронної машини роблять повітряним проміжком, який завжди робиться рівномірним для асинхронних машин. На статорі в пазах поміщена тільки одна котушка, що має ширину, рівну полюсному діленню. Якщо пропустити по котушці струм, то вона створить двополюсне магнітне поле, індукційні лінії якого показані на мал.

Сила, що намагнічує, діюча по замкнутому контуру, утвореному будь-якою індукційною лінією, дорівнює повному струму, охопленому цим контуром. Отже, усе н.з, будуть однакові.

Оскільки обидві частини машини симетричні відносно площини, що проходить через котушкові сторони, то на кожну половину магнітного ланцюга доводитиметься половина н.с. котушки і її можна рахувати за н.с. що доводиться на полюс.

Розгорнемо внутрішнє коло статора в пряму лінію. Тут жирна лінія є кривою розподілу н.с. уздовж кола статора. Із сказаного виходить, що н.с. розподілена рівномірно. Якщо нехтувати магнітним опором сталевих ділянок, то під кривою н.с. можна розуміти криву розподілу магнітної напруги повітряного проміжку. Такий же вид в цьому випадку матиме крива розподілу індукції в повітряному проміжку або крива поля машини.

Якщо по котушці проходить змінний синусоїдальний струм, то поле буде також змінним; воно пульсуватиме по осі котушки.

Таким чином магнітне поле проходить через сердечника статора, обмотку статора, повітряний проміжок, обмотку ротора, сердечника ротора, знову обмотка якоря повітряний проміжок, обмотка статора, сердечник статора і замикаючись по станині повертається назад - магнітний ланцюг.

Контрольні питання

1.Як виконуються одношарові обмотки?

2.Як виконуються двошарові обмотки?

3.Якими кроками характеризується обмотка7

4.Навіщо роблять укорочення кроку обмотки?

5.Що називається полюсним діленням ?

6.На яку формулу схожа ЭДС обмотки статора?

7.На яку формулу схожа ЭДС обмотки ротора ПЕКЛО?

8.Який проміжок роблять між статором і ротором ПЕКЛО?

9.Що називається магнітним ланцюгом ПЕКЛО?

10.Який паз називається реальним?

78

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Лекція 15 Тема: 3.4 Робочий процес трифазного асинхронного двигуна

План

1.Аналогія між АМ і трансформатором

2.Втрати потужності, ККД

Аналогія між АМ і трансформатором

Аналізуючи принцип дії трифазного асинхронного двигуна помітимо, що в асинхронному двигуні багато спільного з трансформатором.

Між обмотками статора і ротора двигуна, як і між первинною і вторинною обмотками трансформатора, існує тільки магнітний зв'язок. Як і в трансформаторі, в асинхронному двигуні електроенергія з мережі поступає в первинну обмотку (обмотку статора) і за рахунок електромагнітних процесів передається у вторинну обмотку (обмотку ротора).

Така аналогія між асинхронними двигунами і трансформаторами добре видно при нерухомому роторі (n2= 0; s= 1), що відповідає режиму пуску двигуна (обмотка статора включена в мережу, а ротор в початковий момент залишається нерухомим). В цьому випадку відмінність асинхронного двигуна від трансформатора тільки конструктивне, таке, що стосується передусім особливої конструкції сердечників і обмоток статора і ротора, наявності повітряного проміжку в магнітопроводі (між статором і ротором), замкнутої накоротко обмотки ротора. Незважаючи на це, електромагнітні процеси в асинхронному двигуні аналогічні електромагнітним процесам в трансформаторі, що дозволяє основні співвідношення, виведені для трансформатора у вигляді рівнянь напруги для первинної і ланцюгів, а також рівняння струмів) застосувати до асинхронного двигуна. Виходячи з цього, рівняння напруги для обмотки фази статора асинхронного двигуна

U&1 = (−Ε& 1 ) + jΙ&1 x1 + Ι&1 r1

Рівняння напруги для короткозамкнутої обмотки фази нерухомого ротора (U2=0)

0 = E&2 − jΙ&2 x2 − &Ι2 r2

Рівняння струмів двигуна

&Ι1 = &Ι0 + (−&Ι′2 )

Де &Ι′2 -приведенное значення струму ротора;

Ι′2 = Ι2 | ki

ki - коефіцієнт трансформації струму, для трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутою обмоткою ротора);

ki = 2m1w1kоб1 / m2

Тут w1 - число послідовно сполучених витків в обмотці фази статора;kоб1 - обмотувальний коефіцієнт обмотки статора, що враховує особливість його конструкції (для двигунів малої потужності kоб1=0,95 ÷ 0,96); m2 -число фаз обмотки ротора, рівне кількості стержнів в короткозамкнутій обмотці Z2.

79

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

У рівняннях напруги індуктивні опори розсіяння обмоток статора х1 і ротора х2 обумовлені магнітними потоками розсіяння статора і ротора відповідно. Електрорушійна сила обмотки фази статора Е1, наведена основним потоком Ф, що обертається

Е1= 4,44Фf1w1kоб1

Електрорушійна сила обмотки фази нерухомого ротора, наведена основним потоком Ф

Е2=4,44Фf1w2kоб2,

Де w2 - число витків в обмотці фази ротора (для короткозамкнутого ротора обмоткою фази є стержень, у якого w2=0,5).

В процесі роботи асинхронного двигуна його ротор обертається у напрямі обертання магнітного поля статора з частотою обертання n2<n1;при цьому основний магнітний потік, що обертається, обганяючи ротор з частотою ковзання ns=n1 - n, індукує в обмотці ротора ЄДС Е 2S, частота якої f2=sf1. Враховуючи це, а також), ЭДС, наведену в обмотці фази ротора, що обертається, запишемо у виді

Е2 s=4,44Фw2f1s=E2s

Де Е2ЭДС, наведена основним потоком, що обертається, в нерухомому роторі, т. е. при s=1.

Індуктивний опір розсіяння обмотки ротора, що обертається, також пропорційно ковзанню: х2 s=x2s. Враховуючи усе це, з отримаємо рівняння напруги для ротора, що обертається

0= E&2 s − j&Ι2 x2 s − Ι&2r2 ,

чи, розділивши рівняння на ковзання s, отримаємо

0 = Ε& 2 − j&Ι2 x2 − &Ι2r2 / s

Зрівняння струмів асинхронного двигуна виходить, що струм статора I1 має дві складові: I0

-струм намагнічення магнітної системи двигуна, не залежний від навантаження двигуна, тобто

I0≈const; (- Ι′2 )- струм, компенсуючий розмагнічуючу дію струму ротора і визначуваний навантаженням на валу асинхронного двигуна. Таким чином, будь-яка зміна механічного навантаження на валу двигуна супроводжується відповідною зміною струму ротора I2 за рахунок його складової -

Ι′2 = −Ι2 / ki . Такий вплив механічного навантаження на валу двигуна на споживаний з мережі струм I1 обумовлений тим, що зміна ковзання. Це, у свою чергу, впливає на ЭДС обмотки ротора E2s=E2s

[см.(3.12)]а отже, і на струм ротора, вираження для якого отримаємо з (3.14) :

&Ι2 = Ε& 2 /( jx2 + r2 / s)

Так, в режимі холостого ходу (відсутнє механічне навантаження на валу двигуна) ковзання s≈0, тому струм ротора I2=0 і струм статора рівний такою, що тільки намагнічує состовляющей I1≈I0. Якщо ротор двигуна нерухомий (n2=0, s=1), що відповідає початковому періоду пуску двигу-

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com