Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

212

действующую на проводники обмотки ротора, и вращающий электромагнитный

момент двигателя М, который и приводит во вращение ротор [11].

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основан на

взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые индуцируются

этим же полем в проводниках обмотки ротора.

Направление силы взаимодействия магнитного поля с током

ротора таково, что

магнитное поле как бы увлекает за собой ротор. При этом частоты вращения поля и

ротора двигателя не могут быть одинаковыми: частота вращения ротора п всегда

меньше синхронной частоты вращения потока п0 и тем более, чем больше

противодействующий или тормозной момент сопротивления Мt на валу двигателя,

создаваемый нагрузкой. Действительно, если их частоты вращения одинаковы, то

магнитное поле машины не будет пересекать обмотку ротора, в ней не будут

индуцироваться токи и вращающий момент д

вигателя исчезнет. Противодействующий

момент Мt (от нагрузки или только от сил трения при ХХ) притормозит ротор и его

обмотка опять будет пересекаться силовыми линиями магнитного поля машины.

Следовательно, для асинхронных двигателей всегда обязательно неравенство частот

вращения: п <п0.

Чтобы включенная в сеть переменного тока асинхронная машина работала в

213

режиме генератора, ее ротору каким-либо посторонним двигателем необходимо

сообщить частоту вращения, превышающую частоту вращения магнитного поля.

Следовательно, для асинхронного генератора обязательно выполнение условия п > п0.

11.2. Скольжение и частота вращения

асинхронного двигателя

В асинхронном двигателе магнитное поле статора и ротор вращаются в одну

сторону, но ротор «проскальзывает» относительно магнитного поля. Разность их

частот вращения называется частотой скольжения:

nnn

−=

, (11.4)

а отношение частоты скольжения к синхронной частоте вращения — скольжением.

Скольжение выражается в относительных единицах или в процентах:

Во время пуска двигателя (п=О) скольжение S=1. С увеличением момента

нагрузки в рабочем диапазоне оно увеличивается (частота вращения ротора

уменьшается), но незначительно: при ХХ скольжение составляет доли процента

(п

≈

п0), для номинальной нагрузки S=1-5 % (в двигателях специальной конструкции

скольжение повышается до 10 % и более).

Из уравнения (11.5) находим, что частота вращения асинхронного двигателя

n=(1-S)*n0 (11.6)

где S-скольжение, выраженное в относительных единицах; n0= 6Оf1/р, об/мин-

синхронная частота вращения; Т— частота напряжения источника; р -число пар

полюсов обмотки статора.

11.3. Устройство статора асинхронного двигателя

Статор асинхронного двигателя (см. рис. 11.1,а) состоит из корпуса —

станины,

стального сердечника и трехфазной обмотки. К о р п у с д в и г а т е л я отливается

из чугуна или стали, а при малых мощностях машины — и из сплава алюминия. В

машинах больших мощностей корпус изготовляется сварным. Между корпусом и

сердечником имеется воздушное пространство для охлаждения двигателя во время

работы. С целью увеличения поверхности охлаждения двигателя снаружи на корпусе

устроены ребра.

Се р д е ч н и к с т а т о р а (см. рис. 11.1,а и 11.6,а) является частью

магнитопровода машины. Изготовляется в виде полого цилиндра, набранного из тонких

штампованных листов (электротехническая сталь) с пазами, симметрично

располо

женными по окружности с внутренней стороны для размещения и закрепления в

них трехфазной обмотки. Листы имеют толщину -- 0,5 мм (в двигателях малой

мощности 0,35 мм) и изолируются друг от друга лаком или окалиной, что значительно

уменьшает потери на вихревые токи. У мощных двигателей ля лучшего охлаждения

сердечник статора набирается из пакетов толщиной до б см, между которыми

создаются радиальные вентиляционные каналы шириной до 1 см (дополнительно к

осевым каналам между станиной и сталью статора).

Трехфазная обмотка статора асинхронной машины служит для возбуждения в

214

ней магнитного поля. Она размещается в пазах сердечника статора. Ее выводы (три

начала С’, С2, СЗ и соответственно три конца С4, С5, С6) закрепляются на щитке,

установленном на корпусе машины в коробке выводов. Обмотка ста- тора может

соединяться звездой или треугольником.

Собирается обмотка из катушек или секций (из одного либо нескольких витков).

Они наматываются на шаблонах из изолированного медного провода, обматываются

изоляционной лентой, пропитывают

ся асфальтовым лаком (компаундом) и укладываются в пазы сердечника. Затем, после

сушки статора, заклиниваются пластмассовыми или деревянными клиньями и

215

соединяются между собой в катушечные группы, в которые входят по несколько

катушек. Катушки одной катушечной группы соединяются всегда последовательно и

согласно с таким расчетом, чтобы индуцированные э. д. с. в их активных участках

действовали согласно.

Ф а з н а я о б м о т к а состоит из нескольких катушечных групп, которые

соединяются Последовательно или параллельно и в зависимости от типа обмотки

(согласно или встречно). Число катушек в катушечной группе нельзя брать

произвольным. Если, например, в статоре двухполюсного двигателя имеется 12 пазов,

то на один полюс приходится шесть пазов и в них должны разместиться активные

участки катушек всех трех фаз, образующих данный полюс, т. е. на полюс и фазу число

пазов равно двум (одна катушка в катушечной группе сосредоточенной обмотки). В

машинах большой мощности (более 500 кВт) применяются стержневые обмотки,

состоящие из стержней-полувитков [6].

Пазы в сердечнике статора в зависимости от мощности двигателя и типа

обмотки бывают различной формы (рис. 11.6,6): полузакрытые 1 и 2 с переставным

вкладышем сверху из фибры или электрокартона

для мягкой всыпной обмотки в двигателях мощностью до 100 кВт; полузакрытый З и

открытый (с деревянным клином) 4 в двигателях большей мощности с жесткими

катушками из прямоугольного провода. Статорные обмотки по способу заполнения

пазов (с пазовой изоляцией) выполняются как однослойными (рис. 11 .6,в), так и

двухслойными (см. рис. 11.1,а и 11.6,г) [б]

В настоящее время основным типом обмотки статора машин переменного тока

является наиболее совершенная двухслойная шаблонная трехфазная обмотка с

укороченным шагом. Обмотка выполняется из катушек-секций одинаковых формы и

шага. двухслойными называются обмотки, у которых в каждом пазу сердечника

статора расположены стороны двух катушек (в два этажа). При этом каждая

катушка укладывается так, что одной стороной она лежит на дне одного паза

(концом), а другой (началом) —

в верхней части другого паза, как показано на рис. 11.6,г.

11.4. Устройство ротора асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя (рис. 11 .7,а) состоит из вала, стального

сердечника-магнитопровода и обмотки. С е р д е ч н и к ротора, как и сердечник

статора, представляет собой полый цилиндр, набранный из штампованных листов

электротехниче

ской стали (рис. 11.7,6) с пазами в наружной части для обмотки. Пазы

ротора могут быть открытыми, полуоткрытыми и закрытыми. Стальной сердечник

ротора закрепляется непосредственно на валу двигателя или (при больших размерах) на

ободе специального литого колеса.

В обычном роторе с прямыми осевыми пазами в сердечнике имеются добавочные

переменные потери энергии, которые возникают при вращении ротора в результате

изменения магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором из-за

изменения относительного положения их зубцов. Для уменьшения этих потерь

сердечник ротора часто набирается со скошенными пазами (см. рис. 11.1,в).

216

Различные типы асинхронных двигателей в основном отличаются устройством

ротора, который может быть короткозамкнутым или фазным (с контактными

кольцами).

Короткозамкнутый ротор (см. рис. 11.7,а) имеет обмотку типа «беличьей

клетки» (рис. 11 .7,в) из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции

вставляются в пазы сердечника ротора и с т

орцов замыкаются накоротко кольцами из

того же материала (привариваются или впаиваются). В двигателях единых серий

мощностью до 100—200 кВт такая обмотка вместе с вентиляционными лопастями 2

(рис. 11 .7,г) изготовляется путем заливки пазов 1 ротора расплавленным алюминием.

Перед заливкой ротор 6 набирают на оправу-вал 1 вместе с верхней и нижней

чугунными формами 5 (рис. 11 .7,д), образующими замыкающие кольца и

вентиляционные крылья ротора, ротор фиксируют с помощью запирающей скобы З.

Отверстие 2 предназначено для заливки расплавленного алюминия, а 4 для выхода

воздуха.

Мощные асинхронные двигатели (более 200 кВт) имеют коротко- замкнутую

обмотку ротора из медных или латунных стержней и короткозамыкающих колец или

сегментов. Стержни таких обмоток могут иметь пазы круглого, прямоугольного

(глубокий паз), колбо- или клинообразного сечения.

Короткозамкнутый ротор не имеет электрической связи с внешней сетью, в

электрическом отношении его «беличья клетка» представляет собой многофазную

обмотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки т равно

числу ее стержней. На схемах асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

обозначается так, как показано на рис. 11 .7,е. -

Ф а з н ы й р о т о р, или ротор с контактными кольцами, имеет трехфазную

217

обмотку, выполненную аналогично обмотке статора (с тем же числом полюсов). В

двигателях мощностью до 100 кВт фазная обмотка ротора выполняется катушечной

(рис. 11 .8,а), в двигателях большой мощности — стержневой (рис. 11.8,6).

Обмотка ротора соединяется звездой (рис. 11 .8,в), ее концы Р1, Р2, РЗ

выводятся на латунные или медные контактные кольца, установленные на валу ротора,

надежно изолированные друг от друга и от корпуса и вращающиеся вместе с валом.

Кольца надежно касаются неподвижных щеток, которые соединяются с неподвижным

трехфазным пусковым реостатом Rп (рис. 11 .8,в и г) или набором резисторов.

Щеткодержатель укрепляется на боковом подшипниковом щите.

После пуска, по мере разгона двигателя, реостат Rп ступенчато выводится

полностью и фазная обмотка ротора закорачивается. Чтобы уменьшить износ колец и

щеток, некоторые двигатели с фазным ротором имеют приспособления для подъема

щеток и замыкания колец накоротко после пуска двигателя и выключения реостата.

Асинхронные двигатели с фазным ротором изготовляются мощностью до 1000

кВт и более, применяются в тяжелых условиях работы (где требуется большой

пусковой момент). Они конструктивно сложнее и дороже в изготовлении, чем

короткозамкнутые, требуют постоянного ухода в эксплуатации. На схемах

обозначаются так, как показано на рис. 11.8,д.

11.5. Магнитные поля и э.д.с. в асинхронном двигателе

В нормальных условиях работы между статором и ротором асинхронного

двигателя существует только электромагнитная связь, как и в трансформаторе.

Поэтому электромагнитные процессы в асинхронном двигателе и трансформаторе

218

аналогичны. В асинхронном двигателе первичной является обмотка статора,

вторичной — обмотка ротора. Электроэнергия, поступающая из сети в статор

двигателя, передается к ротору электромагнитным полем. При этом основные

электрические величины э. д. с. и токи в обмотках статора и ротора, как и в

трансформаторе, изменяются в соответствии с соотношением их чисел витков W1 и

W2 .

Однако асинхронный двигатель существенно отличается от трансформатора

следующим: 1) магнитная цепь двигателя, состоящая из сердечников статора и ротора,

включает в себя воздушный зазор (между статором и ротором), через который

замыкается поток машины Ф, что значительно увеличивает ее магнитное

сопротивление, ток ХХ (Iх = 0,2-0,5I

н) и магнитные поля рассеяния статора и ротора;

2) роторная (вторичная) обмотка двигателя в рабочем режиме замкнута на коротко

(напряжение на ее выводах равно нулю) и вращается, в результате чего двигатель

потребляемую из сети электроэнергию пре- образует в механическую энергию,

снимаемую с вала рабочей машиной; 3) из-за проскальзывания ротора относительно

магнитного поля электрические параметры ротора (частота f2, угловая частота W2,

э. д. с. Е2, индуктивное сопротивление Х2 и коэффициент мощности соsQ2 фазной

обмотки ротора), как будет показано дальше, существенно зависят от скольжения S.

В фазе работающей асинхронной машины, как и в нагруженном

трансформаторе, действуют токи: в обмотке статора —i1, в обмотке ротора-i2

. Все

фазные токи создают м. д. с. в статоре к в роторе я соответствующие магнитные

поля. Основная часть силовых линий вращающегося поля замыкается по сердечникам

статора и ротора и сцеплена с их обмотками. Поскольку частота индукционного тока

ротора 12 равна частоте скольжения асинхронной машины

nnn

=−

(см. п. 11.2),

частота вращения магнитного поля, создаваемого токами ротора, относительно

ротора будет равна этой частоте скольжения n0, а относительно неподвижного

статора

200

nnnnnnn

=+=−+=

Таким образом, поле, создаваемое токами ротора, вращается в пространстве с

той же синхронной частотой n0 и в ту же сторону, что и поле, создаваемое токами

статора. Эти магнитные поля формируются общим магнитопроводом, фактически не

существуют раздельно, а складываются, образуя единое магнитное поле машины (см.

рис. 11.5 а), сцепленное со всеми ее обмотками. Именно оно и переносит энергию от

статора к ротору, которые механически не связаны между собой.

Силовые линии магнитного поля машины, пересекая провода обмоток статора и

вращающегося ротора, в каждой из них индуцируют фазные э. д. с., действующие

значения которых определяются, как и для трансформатора, по формуле (9.1), но с

учетом того, что обмотка ротора проскальзывает относительно вращающегося поля

статора

120

()

Ω=Ω

, а также с учетом обмоточных коэффициентов обмоток

об

которые определяют уменьшение э. д. с. из-за сдвига фаз между

219

э. д. с. отдельных катушек или секций в распределенной обмотке (ввиду

синусоидального распределения магнитной индукции в зазоре):

где Ф — поток полюса машины; f1и f2 -частоты статорной и роторной э. д. с. (f2=f1s

)

соответственно;

ωω

— число витков соответственно обмотки статора и ротора

(число фаз короткозамкнутого ротора принимают равным числу его стержней, т. е.

m2=N, а число витков в каждой такой фазе w2= 0,5);

обоб

— обмоточные

коэффициенты соответственно статорной и роторной обмоток (kоб1 —

практически

составляют 0,92—0,98; kоб2 для короткозамкнутой обмотки равен 1);

Ω

- угловая

скорость поля статора относительно ротора;

Ω

— синхронная скорость; S—

скольжение.

Э. д. с. в обмотках статора и ротора е1 и е2, как и э. д. с. в индуктивной катушке,

отстают по фазе от вызвавшего их потока Ф на четверть периода, т. е. на угол 90°.

Кроме рабочего поля, в асинхронной машине (как и в трансформаторе) токи в

обмотках статора и ротора возбуждают сравнительно небольшие поля рассеяния.

Силовые линии магнитного поля рассеяния статора сцеплены только с обмоткой

статора в замыкаются лишь вокруг ее проводов как по сердечнику, так и по воздуху с

большим магнитным сопротивлением. Потокосцепление поля рассеяния статорной

обмотки

111

расрас

ψ = ,также изменяющееся по закону синуса и совпадающее по фазе с

током i1, индуцирует в ней синусоидальную э. д. с. рассеяния

рас

, отстающую по фазе

от тока i

на 90°.

В комплексной форме

где w - угловая частота статорного тока; Хiрас= Liрас*w-

индуктивное сопротивление

рассеяния статора;L1рас-индуктивность рассеяния обмотки статора.

Аналогично в роторе поле рассеяния сцеплено только с проводами обмотки

ротора. Силовые линии поля рассеяния ротора также замыкаются в основном по

воздуху. Его потокосцепление

222

расрас

ψ = , совпадающее по фазе с током i2,

создает э.

д. с. рассеяния ротора е2раc, отстающую по фазе от тока i2 на 90. В комплексной

форме

где w2- угловая частота роторного тока;

222

расрас

XLi

= -—

индуктивное сопротивление

рассеяния ротора; L2рас- — индуктивность рассеяния обмотки ротора.

11.6. Уравнение электрического состояния цепей

статора и ротора

Уравнение второго закона Кирхгофа в комплексной форме для фазы статорной цеп

имеет вид

220

где R1 и Х1рас — активное сопротивление и индуктивное сопротивления рассеяния

фазной обмотки статора. Отсюда уравнение электрического состояния цепи статора

Таким образом, в асинхронном двигателе, как и в трансформаторе, напряжение,

подведенное к статору от сети, идет на компенсацию э. д. с. и падения напряжения в

сопротивлениях его обмотки.

В уравнении асинхронного двигателя (11.10) падения напряжения R1*I1 и

Х1рас*I1

небольшие. Поэтому

114.44*1*1*

об

UEfkω

≈=Φ

.Отсюда вытекает важный практический вывод: если

] 1

Uconst

, то и

const

Так как напряжение сети практически не зависит от нагрузки, то

поток полюса

асинхронного двигателя (как и в трансформаторе, пропорциональный напряжению) не

зависит от нагрузки.

Как и в трансформаторе, м. д. с. статора асинхронного двигателя

уравновешивает размагничивающее действие м. д. с. р

отора (с изменением нагрузки от

нуля до номинальной изменение совокупной м. д. с. не превышает 2—З %).

Поскольку магнитный поток полюса асинхронного двигателя практически не

зависит от нагрузки, его можно выразить через действующее значение тока ХХ I1x ,

но с учетом обмоточного коэффициента kоб1, среднего значения магнитной индукции

под полюсом (Вср = 2Bm!л), числа пар полюсов р и числа фаз обмотки статора т1= 3:

где Rm — магнитное сопротивление магнитной цепи машины; I1x- ток идеального ХХ

(при п = п0).

В рабочем режиме асинхронного двигателя обмотка ротора замкнута накоротко

и ее э. д. с. Е2 уравновешивается падением напряжения на сопротивлении ротора

где R2- активное сопротивление; Х2рас-индуктивное сопротивление рассеяния.

Уравнение электрического равновесия роторной цепи имеет вид

11.7. Уравнения м.д.с. и токов асинхронного двигателя

при заторможенном роторе

В асинхронной машине магнитные поля, создаваемые токами статора и ротора,

221

вращаются в пространстве с одинаковой частотой, т. е. неподвижны друг

относительно друга при любой нагрузке Однако при определении потока полюса Ф

рассматривать синусоидально изменяющиеся м. д. с., его создающие, как комплексные

векторы и складывать их нельзя, так как м. д. с. (как и токи i1 и i2, их создающие)

статора и ротора имеют разные частоты f1к f2. Их можно складывать векторно

только для режима работы двигателя с неподвижным ротором (S = 1), когда токи

статора и ротора (как и в трансформаторе) имеют одинаковую частоту. При этом

учитываются их обмоточные коэффициенты и число фаз: для трехфазной обмотки

статора и фазного ротора т1= т2= 3, для короткозамкнутого ротора т2

равно числу

стержней клетки, а число пар полюсов ротора асинхронного двигателя всегда равно

числу пар полюсов статора.

Уравнение м. д. с. асинхронного двигателя с заторможенным ротором в

комплексной форме имеет вид

т. е. м. д. с. двигателя равна сумме комплексных м. д. с. обмоток статора и ротора.

М. д. с. двигателя (как и поток полюса) практически не зависит от нагрузки

(токов статора 11 и ротора 12).

Поэтому ее можно выразить через м. д. с. машины на

ХХ Fx, создаваемой током ХХ статора Ix, когда частота вращения ротора п = п0(S =

О), а э. д. с. Е2 и ток I2 ротора отсутствуют. Следовательно,

и уравнение м. д. с. двигателя (11.14) принимает вид

На основании закона для магнитной цепи (2.24 с учетом числа фаз

обмоток двигателя в обмоточных коэффициентов k (в случае двигателя

с эквивалентным неподвижным ротором —- для значения тока ротора

12 при частоте f1=f2,, т. е. при скольжении S = 1, как будет сказано

в п. 11.9), уравнение м. д. с. асинхронного двигателя (11.16) принимает вид

Отсюда

Соотношение для токов асинхронного двигателя получим, если левую и правую

части уравнения (11.18) разделим на

1*1*1

mkоб

или ток статора