Zagryadtskiy_elektr_mashiny_2

от пуска до номинальных оборотов скольжение s изменяется в пределах от 1 до 0 (практически до величины s = 0,02…0,09). Все вышесказанное относится и к двигателю с фазным ротором (рис. 1.9, б).

Рис. 1.9. Режимы работы асинхронной машины с вращающимся ротором:

а) двигатель с короткозамкнутым ротором; б) двигатель с фазным ротором; в) обращенный двигатель с фазным ротором; г) асинхронный генератор; д) электромагнитный тормоз;

е) асинхронный преобразователь частоты

В формуле (1.17) скольжение может быть выражено в процентах. Если двигатель выполнен с фазным ротором, то он может работать и при питании со стороны фазного ротора. Обмотка статора должна при этом быть замкнута накоротко. Вэтом случае ротор будет вращаться навстречу вращению магнитного поля ротора (рис. 1.9, в). Относительно статора магнитное поле вращается с частотой вращения n1 − n. Такой асинхронный двигатель называется обращенным.

Двигательный режим асинхронной машины является основным.

20

Асинхронный генератор. Этот режим (рис. 1.9, г) можно осуществить, если ротор подключенного к сети двигателя привести во вращение посторонним приводным двигателем с моментом М в сторону вращения магнитного поля статора с частотой вращения n > n1.

В этом случае, согласно уравнению (1.17), скольжение s становится отрицательным. Теоретически в режиме асинхронного генератора диапазон скольжения лежит в пределах от 0 до - ∞.

Момент, развиваемый асинхронным генератором, изменяется на противоположный по сравнению с моментом двигателя и становится тормозным.

Электромагнитный тормоз. Приведем ротор асинхронного двигателя во вращение посторонним приводным двигателем с числом оборотов n навстречу вращению магнитного поля (рис. 1.9, д).

Скольжение s будет:

Момент электромагнитного тормоза противоположен моменту приводного двигателя. Такой режим может быть использован при кратковременном торможении движущихся частей производственных механизмов.

Асинхронный преобразователь частоты. Этот режим можно осуществить в асинхронной машине с фазным ротором. Для этого необходимо привести ее ротор во вращение посторонним двигателем против направления вращения в режиме двигателя. Обмотка ротора замыкается на нагрузочное сопротивление R (рис. 1.9, е) Скольжение будет определяться формулой (1.18). С колец машины можно снять ЭДС повышенной, по сравнению с частотой сети, частотой

Режимы двигателя, асинхронного генератора, электромагнитного тормоза, асинхронного преобразователя частоты осуществляются при вращении ротора.

Нижеследующие режимы имеют место при неподвижном роторе с кольцами. Ротор затормаживается при помощи механического устройства или каким-либо другим способом.

21

Трансформатор. Пусть два плотно посаженные статор и ротор имеют трехфазные обмотки. Обмотка статора подключена к питающей сети. В обмотке ротора, благодаря трансформаторной связи обмоток можно получить трехфазное напряжение (рис. 1.10, а) В отличие от трансформаторов с пульсирующим магнитным потоком, полученный трехфазный трансформатор основан на использовании вра-

щающегося магнитного поля. Очевидно в этом случае s =1.

Конструкция такого трансформатора не нуждается в воздушном зазоре. Устройство, однако, обладает тем недостатком, что на ротор действует вращающий момент, обусловленный взаимодействием токов ротора с вращающим полем статора. Это необходимо учитывать при креплении ротора.

Преобразователь числа фаз.

Уложив, например, на роторе обмотку с числом фаз m 2 отличным от числа фаз статора m1, получим устройство, называемое трансформаторным преобразователем числа фаз. На рис. 1.10, б приведена схема с m1 = 3 и m 2 = 6.

Индукционный регулятор.

Затормозим асинхронную машину, например, с помощью механи-

гческого устройства, которое, од-

нако, обладает способностью поворачивать ротор с фиксацией его положения. Соединим обмотки так, как показано на рис. 1.10, в. Нетрудно убедится, что эта схема аналогична схеме трехфазного ав-

тотрансформатора. Поворачивая ротор, можно изменять напряжение на нагрузке без разрыва цепи тока. В приведенной схеме при регулировании напряжения меняется его фаза.

22

Устройство, однако, обладает тем недостатком, что на ротор действует вращающий момент (как и в трансформаторе). Чтобы устранить этот недостаток, применяется сдвоенный регулятор. Вращающий момент у сдвоенного регулятора отсутствует.

Фазорегулятор. Асинхронная машина в заторможенном состоянии может работать в качестве фазорегулятора (рис. 1.10, г) При совпадении осей фазы статора А-Х и фазы ротора а-х магнитный поток пересекает их одновременно. В этом случае ЭДС первичной и вторичной обмоток имеют одинаковую фазу. При сдвиге оси фазы ротора на угол α против направления вращения магнитного потока статора, поток вначале набегает на фазу а ротора, а затем на аналогичную фазу статора. Вследствие этого ЭДС фазы ротора опережает ЭДС фазы статора на угол α. Поворачивая ротор в другую сторону, можно получить опережение фазы статора по отношению к фазе ротора. В рассматриваемых случаях ЭДС ротора запишется

Пример 2. Трехфазный двигатель с числом пар полюсов р =2 питается напряжением с частотой f1=50 Гц. При моменте, направ-

ленном в сторону вращения магнитного поля статора, частота вращения ротора составляет n 2 =1480 мин−1; при моменте, направленном по направлению вращения магнитного поля статора, ротор вращается с частотой вращения n3 =1585 мин−1.

Определить величины скольжений в обоих случаях и режимы работы двигателя.

Решение:

Синхронное число оборотов магнитного поля статора

Скольжение в первом случае

Режим со скольжением s 2 = 0,013 – режим асинхронного двигателя.

23

Скольжение во втором случае

s3 = n1 − n2 =1500 −1585 = - 0,056. n1 1500

Режим со скольжением s3 = - 0,056 – режим работы асинхронного генератора.

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение номинального режима работы асинхронной машины.

2.Какие величины относятся к номинальным данным и где они указываются в асинхронной машине?

3.Дайте определение термину «асинхронный двигатель».

4.Почему при скольжении s = 0 асинхронный двигатель не развивает вращающего момента?

5.Назовите основные элементы конструкции асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, с фазным ротором.

6.Объясните принцип действия асинхронного двигателя.

7.Дайте определение термину «скольжение».

8.Что называется нагрузкой асинхронного двигателя?

9.Какие режимы работы асинхронной машины Вы знаете при вращающемся роторе, при неподвижном роторе?

10. В чем заключаются конструктивные отличия неподвижной трехфазной асинхронной машины с фазным ротором от трехфазного трансформатора?

11. Почему в трехфазном двигателе магнитный поток вращается,

ав трехфазном трансформаторе нет?

12.Что Вы понимаете под обращенным асинхронным двигателем?

1.5.Обмотки машин переменного тока.

Электродвижущие силы

1.5.1. Обмотки асинхронных машин

Обмотки статоров асинхронных и синхронных машин (машин переменного тока), а также обмотки асинхронных машин с фазным ротором имеют много общего. Они укладываются в пазы, расположенные на внутренней цилиндрической поверхности статора, или на наружной цилиндрической поверхности фазного ротора асинхронной машины.

24

Основным элементом обмотки является виток, стороны которого расположены в двух отстоящих на некотором расстоянии друг от

заполняет паз. В двухслойной обмотке в пазу размещаются стороны двух катушек. По числу фаз обмотки бывают однофазные, двухфазные и трехфазные.

Обмотки характеризуются следующими параметрами:

-числом пазов магнитопровода статора (ротора) Z;

-числом пар полюсов р, образуемых обмоткой статора (ро-

тора);

-числом фаз т;

-числом пазов на полюс qп = Z/2р;

-числом пазов на фазу qф = Z / т;

-шагом обмотки у;

-числом пазов на полюс и фазу q = Z /(2рm);

-числом параллельных ветвей 2а;

-электрическим углом между соседними пазами α =360º·р/ Z. Если шаг обмотки у равен полюсному делению τ, то такая об-

мотка называется обмоткой с диаметральным (полным) шагом, если

25

у < τ – это обмотка с укороченным шагом, если у > τ – обмотка с удлиненным шагом. Чаще всего обмотки изготовляются с укороченным шагом.

Катушечные группы в пределах фазы могут образовывать петлевые и волновые обмотки. В петлевой обмотке катушечные группы можно соединить последовательно, параллельно и последовательнопараллельно. В волновой обмотке осуществляется q обходов последовательно и согласно соединенных катушек.

Все фазы обмотки в трехфазной симметричной машине выполняются одинаково.

Обмотка электрической машины переменного тока строится в следующем порядке.

По известным Z, 2р, т определяются τ, у, qф , q, α.

Производится построение развертки поверхности расточки машины с указанием пазов и расположенных в них активных сторон катушек обмотки.

Строится звезда пазовых ЭДС.

Осуществляется распределение пазов между фазами обмотки.

Схемы трехфазных двухслойных обмоток Трехфазные двух-

слойные обмотки электрических машин переменного тока получили наибольшее распространение. Их преимущество заключается в том, что все катушки, входящие в обмотку, изготовляются одинаковой формы, что облегчает изготовление и укладку катушек.

Проиллюстрируем построение трехфазной двухслойной обмотки на примере простейшей обмотки с диаметральным шагом у = τ, числом полюсов 2р = 4, числом пазов Z = 24, числом фаз т = 3, числом параллельных ветвей 2а = 2.

Обмотку удобно представить в виде развернутой схемы, изображающей стороны катушек в пазах, соединение отдельных катушек между собой в катушечную группу, а также соединение катушечных групп в фазу и отдельных фаз между собой.

На рис. 1.13 показаны 24 паза этой обмотки. Каждый паз содержит стороны двух катушек. Сторона катушки, которая расположена в верхней части паза (ближе к воздушному зазору), показана сплошной линией. Сторона катушки, расположенная на дне паза, показана пунктирной линией и обозначается цифрой паза со штрихом.

Определим число пазов на полюс. Оно равно qп = Z/2р=24/4 = 6. Следовательно, под каждым полюсом лежат 6 пазов. Каждый полюс

26

создается тремя фазами, на одну фазу приходится 6 / т пазов, т.е. 2. Число 2 – это число пазов на полюс и фазу. Оно также показывает число катушек в катушечной группе под одним полюсом. Его можно рассчитать по формуле

q = Z /(2р т).

Определим число пазов, приходящее на одну фазу. Оно равно qф = Z / т = 24/3 = 8.

Рис. 1.13. Схема трехфазной двухслойной обмотки с диаметральным шагом y =τ

Построение обмотки и соединение катушек возможно с помощью векторной диаграммы пазовых ЭДС. С этой целью определим электрический угол между пазами α = 360·р/ Z = 360·2/24 = 30º.

На рис. 1.14 изображена векторная диаграмма пазовых ЭДС катушек в предположении, что максимальная ЭДС фазы А совпадает с первым пазом.

Построение ведется в следующем порядке. Приняв вертикальный вектор 1 за вектор ЭДС верхней стороны катушки первого паза, нумеруем векторы звезды. Соседний с первым вектором (по часовой стрелке) вектор 2 откладывается под углом 30º к первому вектору. Это будет ЭДС стороны катушки, лежащей во втором пазу. От второго вектора под углом 30º откладывает третий вектор и т.д. Получается 12-лучевая звезда ЭДС пазов с 1 паза по 12 включительно. Сто-

27

ронам катушек в пазах с 13 по 24 будет соответствовать такая же 12лучевая звезда ЭДС, как и сторонам катушек в пазах с 1 по 12. Такие же 12-лучевые звезды ЭДС будут для нижних сторон катушек

часть паза 2 и на дно паза 8. Обе катушки соединяются последовательно, образуя первую катушечную группу.

Отметим, что стороны катушечной группы образуют так называемую фазную зону. В нашем случае она равна 2×30º = 60º электрических градусов.

Следующие две стороны катушек 7 и 8 фазы А помещаются в верхней части пазов, а две другие их стороны 7 + 6 = 13′ и 8 + 6 = =14′ пазов на дно 13 и 14 пазов. Катушки также соединяются последовательно и образуют вторую катушечную группу.

Верхние стороны катушек 13 и 14 помещаются в верхней части пазов 13 и 14, а две другие стороны 13 + 6 = 19′ и 14 + 6 = 20′ на дно 19 и 20 пазов. Эти катушки образуют третью катушечную группу.

Верхние стороны катушек 19 и 20, расположены в верхней части пазов 19 и 20, а нижние стороны этих катушек 1′ и 2′ в пазах 1 и 2. Это четвертая группа. Таким образом, число катушечных групп равно числу полюсов.

Между собой катушечные группы соединяются следующим образом. Для того чтобы сохранить направление токов как в схеме (рис. 1.13), необходимо конец первой группы соединить с концом второй, начало второй соединить с началом третьей, конец третьей соединить с концом четвертой. Таким образом начало фазы А лежит в первом пазу, а конец фазы Х – в девятнадцатом пазу.

28

ношению к первой смещено на угол 240º/30º = 8 пазов и лежит в 9 пазу, конец фазы Z – в 3 пазу.

Характерной особенностью правильно выполненной обмотки является то, что конец третьей фазы размещается между началами первой и второй фаз. В свою очередь, фазы машины могут соединяться между собой или в звезду или в треугольник.

В электрических машинах обмотки с диаметральным шагом применяются довольно редко.

Зато широко используются укороченные обмотки, у которых шаг обмотки меньше диаметрального. Это делается с целью приближения кривой МДС обмотки (речь об этом пойдет ниже) к синусоидальной кривой. При этом принцип соединения схемы остается таким же, как и обмотки с диаметральным шагом.

На рис. 1.15 показана одна фаза двухслойной петлевой трехфазной обмотки (Z = 24, 2р = 4, т = 3) с шагом по пазам, равным 0,8 τ. Определим шаг обмотки. Он равен у = 0,8 τ = 0,8·6 = 4,8.

Рис. 1.15. Схема трехфазной трехслойной обмотки фазы А с укороченным шагом y <τ

Примем шаг катушки у = 5.

29