Zagryadtskiy_elektr_mashiny_2

В.И. Загрядцкий

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ЧАСТЬ 2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – УЧЕБНО-НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

В.И. Загрядцкий

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ЧАСТЬ 2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» для использования в учебном процессе в качестве учебника для высшего профессионального образования

Орел 2011

1

УДК 621.313.333(075) ББК 31.261.63я7

314

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханические системы и электроснабжение»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

К.Е. Кононенко,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрооборудование и энергосбережение»

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно- производственный комплекс»

А.Н. Качанов

Загрядцкий, В.И.

З14 Электрические машины: учебник для высшего профессионального образования: в 3 ч. Ч. 2: Асинхронные машины / В.И. Загрядцкий. – Орел: ФГБОУВПО«Госуниверситет-УНПК», 2011. – 143 с.

Книга является второй частью учебника по дисциплине «Электрические машины» и содержит в соответствии с программой общие вопросы теории асинхронных машин, их конструктивные исполнения, основные характеристики, а также особенности применения в различных отраслях промышленности, на транспорте, в жилищном и капитальном строитель-

заций и учреждений, изучающим дисциплину «Электрические машины», может быть полезен аспирантам и преподавателям вузов, инженернотехническим работникам, занятым в области электрических машин.

УДК621.313.333(075) ББК 31.261.63я7

© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2011

2

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вторая часть учебника посвящена теории асинхронных машин и знакомству с их разновидностями и областями применения. Общие вопросы и особенности теории изложены в первой главе. При этом изложение этих вопросов дано на базе физического анализа явлений с использованием необходимых аналитических выражений. Ряд формул, как известных из технической литературы, в учебнике приводятся без вывода. Во второй главе излагаются основные требования к конструкции двигателей общепромышленного применения. В третьей главе рассматриваются некоторые виды двигателей специального назначения, такие как крановые, взрывозащищенные, сверхскоростные, торцовые и другие.

Материал второй части книги, как и первой части, сопровождается числовыми примерами расчета, а также вопросами для самоконтроля.

Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору К.Е. Кононенко и профессору А.Н. Качанову, рецензировавшим рукопись учебника, канд. техн. наук доценту С.Ю. Свидченко за замечания, способствующие улучшению книги, а также студентам Ф.С. Загрядцкому и А.В. Лысикову за помощь в работе.

5

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные машины являются машинами переменного тока. Для них, как впрочем и для всех других электрических машин, характерен принцип обратимости. Они могут работать как двигателями, так и генераторами.

Асинхронные машины используются преимущественно в качестве двигателей. Они служат преобразователями электрической энергии в механическую энергию. Наибольшее распространение в промышленности в настоящее время получили трехфазные двигатели, в быту

– однофазные, в устройствах автоматики – двухфазные. Асинхронные двигатели обладают высокими электрическими ха-

рактеристиками, например КПД, а также высокими эксплуатационными качествами – надежностью и простотой конструкции, большим сроком службы, высоким крутящим моментом, низкой стоимостью, удобством в обслуживании и ремонте.

Немаловажным достоинством их является хороший дизайн. Перечислим лишь некоторые области применения двигателей:

-в машиностроении (насосы, компрессоры, вентиляторы, моторредукторы, транспортеры и конвейеры, подъемно-транспортные механизмы);

-в станкостроении (металлообрабатывающие и деревообрабатывающие станки и автоматы);

-в пищевой и обрабатывающей промышленности (агрегаты по переработке и приготовлению пищевых продуктов);

-в строительстве и средствах механизации (бетоносмесители, растворомешалки, виброинструмент);

-в судостроении (краны, лебедки, якорно-швартовые установки на судах морского и речного флота);

-в нефтяной промышленности (станки-качалки, буровое оборудование);

-в сельском хозяйстве (кормоизмельчители, зернодробилки);

-на транспорте (тяговое и вспомогательное оборудование);

-в металлургии (рольганги, газодувки, лебедки);

-в горной промышленности (конвейеры, компрессоры, буровые станки);

-в бытовой технике (стиральные машины, холодильники, пылесосы, кондиционеры);

-в химической промышленности (мешалки, центрифуги, насосы)

идр.

6

Требования к характеристикам двигателей в указанных областях применения значительно отличаются. Так двигатели для привода циркуляционных насосов АЭС, допускают регулировку частоты вра-

щения в диапазоне 100…990 мин−1 , а двигатели для шлифовальных

станков в ряде случаев развивают частоту вращения 60×103 мин−1 . Другой пример. Двигатель мощностью 0,09 кВт с частотой вращения

2740 мин−1 имеет номинальный момент на валу 0,31 Нм, а двигатель мощностью 110 кВт с частотой вращения 490 мин−1 – 2143,9 Нм.

Имеются существенные различия в требованиях к подводимому напряжению, пусковым и максимальным моментам, механическим характеристикам и другим параметрам двигателей.

Асинхронные двигатели условно можно разделить на следующие группы:

-двигатели общего назначения,

-средние и крупные двигатели,

-двигатели с контактными кольцами на роторе.

Двигатели общего применения – двигатели, которые удовлетворяют техническим требованиям большинства областей их применения. Они являются наиболее распространенными. Их мощность составляет от 0,09 до 675 кВт и выше, напряжение до 1000 В, число полюсов 2р = 2…8, частота питающего напряжения 50 или 60 Гц. Двигатели изготовляются с короткозамкнутым ротором. В настоящее время двигатели общепромышленного применения выпускаются в виде серий машин. Машины, входящие в серию, изготовляются с нарастающей мощностью и размерами и имеют подобные конструкции. Сейчас в России находятся в эксплуатации двигатели серий 4А, АИ, RA, 5А, 6А, а также машины ранее выпускаемых серий.

На их основе (базовом исполнении) разрабатываются различные модификации (разновидности) двигателей, например: многоскоростные, лифтовые, малошумные и др. Двигатели специализированного назначения должны удовлетворять специальным требованиям потребителей к этим машинам. Это могут быть двигатели для сельскохозяйственного производства, химических производств, для тропиков и других областей применения. Например, двигатели для тропического климата отличаются от двигателей общепромышленного применения изоляционными материалами, защитой от коррозии и т.п.

Двигатели с короткозамкнутым ротором средней и большой мощности с воздушным охлаждением выпускаются на напряжения 2…10 кВ. Их мощность колеблется от 200 до 2500 кВт, число по-

люсов 2р = 2…12.

7

Высоковольтные двигатели с комбинированной системой охлаждения воздух/вода на напряжение 2…10 кВ изготовляются на мощности от 2000 до 14000 кВт, число полюсов 2р = 2…24.

Асинхронные двигатели с контактными кольцами на роторе применяются в качестве двигателей с регулируемой частотой вращения, а также в случаях тяжелого затяжного пуска исполнительных механизмов (для случаев, когда короткозамкнутый двигатель непригоден).

Для практики имеет большое значение способность двигателя изменять частоту вращения. В зависимости от способа регулирования частоты вращения, двигатели делятся на группы:

-с неизменной частотой вращения, например, двигатели для привода насосов, центрифуг и других механизмов;

-с изменяющейся по ступеням частотой вращения, к ним относятся двигатели для некоторых типов металлорежущих станков и др;

-с плавно регулируемой частотой вращения, – это лебедки, волочильные станки и др.

По способу соединения двигателя с исполнительным механизмом различают:

-непосредственное;

-через зубчатые или фрикционные передачи, карданные валы,

ит.д; через гидравлические передачи;

-через электромагнитные муфты.

При этом привод может быть горизонтальным, вертикальным, наклонным.

Двигатели, как автономные единицы, могут быть встроены в исполнительные механизмы; они могут иметь общие узлы и детали совмещаемых конструктивных блоков.

В последнее время для выработки электрической энергии в автономных энергоустановках небольшой и средней мощности, таких как ветровые турбины, гидрогенераторы и так далее, все шире начинают применяться асинхронные генераторы. Асинхронные генераторы характеризуются высокой надежностью и сравнительно невысокой стоимостью.

8

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ АСИНХРОННЫХ МАШИН

1.1. Вращающееся магнитное поле

Под вращающимся магнитным полем электрической машины понимается магнитное поле с постоянной амплитудой, которое перемещается (вращается) относительно неподвижной обмотки, что приводит к возникновению в ней ЭДС.

1.1.1. Магнитное поле, создаваемое трехфазной системой токов

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля. Магнитное поле может быть создано тремя сдвинутыми в пространстве на 120º сосредоточенными катушками А, В, C (рис. 1.1). Катушки уложены на внутреннюю поверхность ферромагнитного сердечника, выполненного в виде тора (бублика) и к ним подводится трехфазный ток

(рис. 1.2).

Рис. 1.1. Создание вращающегося магнитного поля

9