Условие.

Два асинхронных электродвигателя получают питание от сети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Синхронные скорости вращения электродвигателей составляют соответственно 3000 об/мин и 1500 об/мин.

Определить количество пар полюсов каждого электродвигателя.

Решение.

1. Определяем количество пар полюсов первого электродвигателя из (1):

.

2. Определяем количество пар полюсов второго электродвигателя из (1):

.

Продолжили объяснение материала.

Ротор электродвигателя всегда вращается медленнее магнитного поля, то есть магнитное поле как бы «скользит» относительно ротора (в том случае, если магнитное поле и ротор вращаются одновременно, то изменения магнитного поля относительно обмотки ротора не будет и в этой обмотке не будет наводиться э.д.с. и протекать электрический ток). Разность между скоростями магнитного поля и ротора называют абсолютным скольжением:

n = n₀ – n , (2)

где n – абсолютное скольжение, об/мин;

n – скорость вращения ротора, об/мин.

Если разделить абсолютное скольжение магнитного поля асинхронного электродвигателя на скорость вращения магнитного поля, то получим относительное скольжение:

, (3)

где s – относительное скольжение.

Относительное скольжение можно выразить через угловые скорости:

, (4)

где  – абсолютное скольжение, рад/с;

₀ – угловая скорость вращения магнитного поля, рад/с;

 – угловая скорость вращения ротора, рад/с.

Затем разобрали еще один пример.

Условие.

Асинхронный электродвигатель с двумя парами полюсов работает в номинальном режиме со скоростью вращения равной 1450 об/мин, получая питание от сети с частотой 50 Гц.

Определить абсолютное и относительное скольжения электродвигателя.

Решение.

1. Определяем абсолютное скольжение электродвигателя по (2):

n = n₀ – n = 1500 – 1450 = 50 об/мин.

2. Определяем относительное скольжение электродвигателя по (3):

.

Затем Вы объяснили подробно устройство асинхронного двигателя.

Как уже отмечалось, асинхронный двигатель 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. Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. 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 10 статора, 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 молем. 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 1 и сердечника 9 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. 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.

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.

Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипни­ковых щитах 3 и 7.

Вы предложили студентам ответить на следующие вопросы:

1. Из каких основных частей состоит трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором?

2. Как расположены обмотки статора?

3. Каково назначение обмоток статора?

4. Как используется явление электрического тока в принципе действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

5. Как используется явление электромагнетизма в принципе действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

6. Как создается вращающееся магнитное поле?

7. Как используется явление электромагнитной индукции в принципе действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

8. Как используется явление электромагнитной силы в принципе действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

9. Что такое синхронная скорость электродвигателя?

10. Что такое абсолютное скольжение электродвигателя?

11. Что такое относительное скольжение электродвигателя?

Вы объяснили физические явления и процессы, наблюдаемые в элементах конструкции двигателя.

При работе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в элементах его конструкции наблюдаются следующие физические явления и процессы.

В обмотке статора:

• явление электрического тока;

• явление электромагнетизма;

• явление электромагнитной индукции;

• явление теплового действия тока;

• процесс нагрева обмотки.

В обмотке ротора:

• явление электромагнитной индукции;

• явление электрического тока;

• явление электромагнитной силы;

• явление электромагнетизма;

• явление теплового действия тока;

• процесс нагрева обмотки.

В магнитопроводе:

• явление электромагнитной индукции;

• явление вихревых токов;

• явление теплового действия вихревых токов;

• явление гистерезиса;

• явление теплового действия гистерезиса;

• процесс нагрева магнитопровода.

В механической системе:

• явление трения в подшипниках;

• явление трения ротора о воздух.

• процесс нагрева механической системы.

Помимо этого происходит обмен тепловой энергией между элементами конструкции электродвигателя и окружающей средой.

Объяснили энергетическую диаграмму двигателя.

При работе асинхронный электродвигатель потребляет из сети электрическую энергию, а отдаёт рабочей машине механическую энергию. При протекании этого процесса (преобразования электрической энергии в механическую энергию) происходят потери энергии в виде тепла в элементах конструкции электродвигателя (как показано выше): потери в обмотках, потери в магнитопроводе, потери в механической системе, добавочные потери. Рассмотрим данный процесс преобразования энергии на энергетической диаграмме асинхронного электродвигателя.

На энергетической диаграмме обозначено:

Р₁ – электрическая мощность, потребляемая электродвигателем, Вт;

Р_эл.1 – электрические потери в обмотке статора (в результате теплового действия протекающего в ней тока), Вт;

Р_мг – потери в магнитопроводе электродвигателя (в результате теплового действия вихревых токов и гистерезиса), Вт;

Р_эл.2 – электрические потери в обмотке ротора (в результате теплового действия протекающего в ней тока), Вт;

Р_мх – механические потери (в результате трения в подшипниках и ротора о воздух), Вт;

Р_д – добавочные потери (в результате других не учтённых явлений), Вт.

Р₂ – механическая мощность, отдаваемая электродвигателем рабочей машине (мощность на валу), Вт.

Сумма потерь активной мощности в асинхронном электродвигателе равна:

Р_ = Р₁ – Р₂ = Р_эл.1 + Р_мг + Р_эл.2 + Р_мх + Р_д =

= Р_const + Р_var ; (5)

Р_const = Р_мг + Р_мх ; (6)

Р_var = Р_эл.1 + Р_эл.2 + Р_д , (7)

где Р_const – постоянные потери в электродвигателе, которые прямо пропорциональны квадрату напряжения (U²),подводимого к обмоткам статора, Вт;

Р_var – переменные потери в электродвигателе, которые прямо пропорциональны квадрату силы тока (I²) в обмотках, Вт.

Коэффициент полезного действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором равен:

. (8)

Коэффициент мощности асинхронного электродвигателя равен:

, (9)

Где Р₁ – активная мощность, потребляемая асинхронным электродвигателем из сети, Вт;

S₁ – полная мощность, потребляемая асинхронным электродвигателем из сети, ВА.

Предложили студентам ответить на следующие вопросы:

1. Какие явления в обмотке статора приводят к появлению вращающегося магнитного поля?

2. Какое явление приводит к появлению электрического тока в обмотке ротора?

3. Какое явление приводит к появлению вращающего момента электродвигателя?

4. Какое явление приводит к нагреву обмотки статора?

5. Какое явление приводит к нагреву обмотки ротора?

6. Какие явления приводят к нагреву магнитопровода электродвигателя?

7. Какие явления приводят к нагреву механической системы?

8. Какие электрические потери мощности наблюдаются в электродвигателе?

9. Какие потери мощности наблюдаются в магнитопроводе?

10. Какие потери мощности наблюдаются в механической системе?

11. Как изменится режим работы электродвигателя при набросе нагрузки?

Вы предложили студентам выполнить творческое конструкторско-экспериментальное задание.

1. Спроектировать и изготовить устройство контроля скольжения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Предлагается самостоятельно найти вариант выполнения задания.

2. Испытать устройство в лабораторных условиях, для чего разработать методику и выбрать аппаратуру для испытания.

Задание 4

Анализ электромагнитных и тепловых явлений

в трансформаторе