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

Подождите немного. Документ загружается.

252

лению вращения ротора агрегата. В этом случае уравнение частоты тока ротора

(11.25) принимает вид

f2=f1(n0+n2/n0=f1(1+n/n0), (11.78)

где п0— синхронная частота вращения воля асинхронной машины с фазным ротором;

п---частота вращения ротора установки.

253

Асинхронные преобразователи повышенной частоты 75—200 Гц и более

(рис. 11.23,6) применяются наряду с другими преобраз

ователями в качестве источника

питания быстроходных короткозамкнутых асинхронных двигателей небольшой

мощности, в частности, для привода деревообрабатывающих станков,

электрифицированного ручного инструмента и электропил.

Наша промышленность д

ля быстроходных асинхронных двигателей изготовляет

асинхронные преобразователи повышенной частоты серий: ИЭ мощностью

(потребляемой) 2 и 5,8 кВт одно- и двухмашинные частотой 200 Гц; ПЧ

(однокорпусный); АЧ-100 (с приводным короткозамкнутым двигателем) и АКЧ-100

(с приводным асинхронным двигателем с фазным ротором). При необходимости

плавного регулирования частоты на выходе преобразователя в качестве первичного

используется двигатель постоянного тока.

Индукционный регулятор (называемый также поворотным

автотрансформатором) представляет собой асинхронную машину с заторможенным

фазным ротором, работающую в качестве автотрансформатора. В трехфазном

индукционном регуляторе (рис. 11.24,а) обмотки статора и ротора соединяются

между собой (рис. 11

.24,6) с помощью гибких проводов так, чтобы ротор мог свободно

поворачиваться в пределах 0

180°. Необходимый поворот ротора осуществляется

вручную маховичком посредством червячной переда-

чи, которая производит и торможение

ротора, или дистанционно электродвигателем.

Обмотка ротора является первичной (соединяется обычно звездой и подключается к

сети с напряжением U1), вторичная обмотка (статора) с ее тремя выводами А, В, С

подключается к нагрузке. Вторичное напряжение U2(также линейное) на выводах

статора плавно регулируется в широких пределах и его значение зависит не только от

соотношения чисел витков обмоток, но и от их взаимного расположения.

Если регулятор включить в сеть, то обмотка его ротора с током создаст

вращающееся магнитное поле, которое будет сцеплено с обеими обмотками и наведет в

них э. д. с. Е1 и Е2. При совпадении осей обмоток (на рис. 11 .24,в угол

) э. д. с.

ротора и статора совпадают по фазе. Э. д. с. ротора Е1 примерн

о равна приложенному

напряжению сетиU1. Э. д. с. неподвижной обмотки статора е2 при U1=соnst имеет

неизменную амплитуду (Ф = соnst), но ее фаза зависит от положения ротора: вектор

E2 вращается вокруг точки А, описывая концом на плоскости окружность.

Следовательно, регулируемое комплексное напряжение на выходе U2 является суммой

U1и Е2: U2=U1+Е2.

Таким образом, в зависимости от положения ротора выходное напряжение

индукционного регулятора U2 (см. рис. 11.24, в) плавно изменяется в пределах от

254

U2max=U1+E2(при совпадении осей обмоток,

UOB

) до U2min=U1-E2

(

180

=±

UOB

). При равенстве чисел витков обмоток ротора и статора

напряжение U2 изменяется в пределах от 2U1 до нуля.

Индукционные регуляторы, особенно трехфазные НП типов АИ6 (220 В)

мощностью до 100 кВ . А, применяются как самостоятельно, так и в схемах

автоматики для регулирования напряжения отдельных приемников, например

электропечей, одноякорных преобразователей, ртутных выпрямителей и др. Для

регулирования напряжения распределительных сетей изготовляются индукционные

регуляторы серий: МА-195 на напряжения сети от 220 В до 10 кВ мощностью до

40 000 кВ . А; ИР (ИРТ — трехфазные, ПРО — однофазные) на напряжения сети

220—380 В и б кВ мощностью до 100 кВ А.

Ф а з о р е г у л я т о р, или поворотный трансформатор (рис. 11 .25,а),

представляет собой асинхронную машину с заторможенным фазным ротором,

работающую в режиме трансформатора с плавным изменением фазы вторичного

напряжения относительно первичного путем поворота ротора. В отличие от

индукционного регулятора в фазорегуляторе обмотки статора и ротора между собой

электрически не связаны. Между ними имеется, только магнитная связь.

В фазорегуляторе (рис. 11.25,6) первичной обмоткой является включаемая в сеть

обмотка статора, вторичной — обмотка ротора. Так как поток полюса Ф = соnst

, то

э. д. с. Е2 постоянна по значению но при повороте ротора изменяется ее начальная

фаза. С колен ротора снимается выходное напряжение U2, фаза

которого

относительно напряжения сети U1 (рис. 11 .25,в) регулируется в пределах 0--360

поворотом ротора относительно статора при неизменном действующем значении

напряжения. Поворот ротора производится вруч-

255

ную маховичком (или дистанционно двигателем) посредством червячной передачи,

которая осуществляет и его торможение.

Фазорегуляторы применяются в схемах автоматики и

в измерительной технике.

Наша промышленность изготовляет трехфазные фазорегуляторы НП типов: ФР

мощностью 1 и 2 кВ*А с ручным управлением; ФРО (фазорегулятор обдуваемый) на

напряжения U1=220/380 В и U2 = 220 В частотой 50 Гц, мощностью 7,5 и 15 кВ*А.

11.23. Линейные асинхронные двигатели

Из различных видов линейных двигателей (асинхронных, синхронных, постоянного

тока) наибольшее распространение получили трехфазные линейные асинхронные

двигатели (ЛАД) как наиболее простые по конструкции, экономичные и надежные в

эксплуатации [14].

Линейный электродвигатель изобрел в 1902 г. английский инженер Трамбета. В

ЛАД электроэнергия преобразуется непосредственно в механическую энергию

прямолинейного перемещения рабочего органа приводимых в действие машины или

механизма. В этих агрегатах ЛАД имеют значительные преимущества перед обычными

двигателями с вращающимся ротором, так как отсутствует громоздкое

промежуточное механическое звено, преобразующее вращательное движение в

поступательное или поступательно-

возвратное движение, что существенно снижает

потери энергии, увеличивает к. п. д. и надежность установки. Особое достоинство ЛАД

состоит в том, что они могут быть выполнены бесконтактными, т. е. без

механических связей между статором и вторичным элементом двигателя.

256

Линейные асинхронные двигатели нашли применение в конвейерных линиях

предприятий легкой промышленности, в устройствах для транспортировки руды из

карьеров, управления штурвалом самолета, в приводах масляных выключателей,

подьемно-транспортных устройств, в промышленных механизмах, приборах и

устройствах автоматики, в высокоскоростном наземном электротранспорте

(скорость до 400—500 км/ч) и в других случаях.

Еще К. Э. Циолковский мечтал о поездах без колес, на воздушной подушке. Над

проблемой электротранспорта на магнитной подушке работает коллектив

Новочеркасского ВНИИэлектровозостроения. На берегу Киевского моря идут успешны

испытания ЛАД мощностью 600 кВт, предназначенного для привода вагонов новых

видов скоростного пассажирского электротранспорта, в том числе поездов

монорельсовых эстакадных дорог на воздушной подушке, которые поднимутся над

улицами больших городов страны.

По конструктивным особенностям ЛАД делятся на машины с прямолинейным

движением поперечного магнитного поля (плоские) и машины движением магнитного

поля по дуге (цилиндрические).

Двигатель (рис. 11.26) состоит из статора 1 и бегуна 2.

С т а т о р--- первичный элемент плоского двигателя, содержит трехфазную

обмотку, соединенную звездой или треугольником и развернутую в плоскость (в плоских

машинах), и плоский стальной сердечник, в пазах которого размещается обмотка.

Б е г у н ---вторичный элемент двигателя, прямолинейно движущаяся со

скоростью его часть, которая приводит в движение рабочий орган какой-

либо машины

(механизма). Бегун (см.. рис. 11.26) изготовляется в виде сплошной токопроводящей

ферромагнитной или неферромагнитной плоской пластины (чаще из алюминия) либо в

виде стального плоского сердечника с короткозамкнутой обмоткой З типа «беличья

клетка» в его пазах. Бегун свободно располагается под статором или над ним на

небольшом расстоянии с одинаковым воздушным зазором. Длина развертки статора

πτ

, где

---полюсное деление.

Принцип действия ЛАД основан на использовании бегущего магнитного поля,

создаваемого трехфазной системой токов в развернутой в плоскость трехфазной

обмотке статора. Бегущее магнитное поле статора, действующее вдоль развертки

обмотки и сцепленное с индукционными токами, вызванными им в бегуне, и токами по

закону Ампера, сообщает ускорение подвижной части машины (вторичному элементу

бегуну либо статору). Подвижная часть перемещается с проскальзыванием. Линейная

скорость перемещения магнитного поля двигателя

121

,где f1--- частота тока

257

статора. Скольжение

(12)/1

Svvv

=−

,где v2— линейная скорость бегуна.

По размерам ЛАД подразделяются на двигатели с коротким ста тором и

двигатели с коротким бегуном. По типу магнитопровода пер-

вичной части плоские ЛАД могут быть выполнены с одно- и двусторонним

статором. В

ЛАД с двусторонним статором создается более сильное магнитное поле из-за наличия

вторичного элемента.

В цилиндрическом ЛАД поверхности статора и бегуна цилиндрические. Бегун

помещается внутри статора. Магнитное поле статора, бегущее от одного полюса к

другому, наводят э. д. с. в коротко

замкнутой обмотке бегуна (или просто в его теле при

отсутствии обмотки). Обмотки ЛАД соединяются по тем же схемам, что и обмотки

обычных трехфазных двигателей.

Если вторичный элемент изготовлен из ферромагнитного материала, то между

статором и

бегуном возникают силы взаимного притяжения поперечного направления,

которые в несколько раз могут превышать полезную силу тяги ЛАД. В этом случае

вторичный элемент притягивается к статору («прилипает»). Для уменьшения силы

притяжения бегуна к статору вторичный ферромагнитный элемент покрывают

тонким слоем немагнитного материала с малым удельным электрическим

сопротивлением (так как при этом уменьшаются активное и индуктивное

сопротивления бегуна, а к. п. д. и

cos

двигателя увеличиваются) или применяют

двухиндукторный ЛАД с индукторами, расположенными по обеим сторонам бегуна.

Наша промышленность производит пока ЛАД только индивидуального

изготовления специализированного назначения, например типов ЛАД-600 и ЛДО-50---

тяговые, ЛДИ-Iм и ЛДЦ-Вм —

цилиндрического исполнения для привода короткоходовых

механизмов и др.

11.24. Основные типы изготовляемых

в СССР асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели являются основным типом современных промышленных

двигателей с массовым применением во всех отраслях народного хозяйства. Их выпуск

заводами носит характер серийного конвейерного производства (под серией

подразумевается ряд машин одинаковой конструкции с унифицированными деталями и

закономерно нарастающими мощностью и геометрическими размерами).

До Великой Октябрьской социалистической революции в России своих заводов по

изготовлению электродвигателей не было вовсе. В годы индустриализации такие

электромашиностроительные заводы, как «Электросила» в Ленинграде, «ХЭМЗ» в

Харькове, «Динамо»и им. Владимира Ильича в Москве и другие, наладили выпуск

двигателей постоянного и переменного токов, в том числе серии МА, крановые в

закрытом обдуваемом исполнении серий МТ с фазным ротором: МТК —

короткозамкнутые (с повышенным скольжением) в их модификации---МТВ, МТН, МТF

МТМ, МТКН, МТКF, МТКМ (В, Н, Р---с изоляцией классов В, Н, Р; М —

металлургические), которые изготовляются и в настоящее время.

В послевоенные годы электропромышленность наладила выпуск трехфазных

асинхронных двигателей общепромышленного применения первой единой серии А,

258

охватывающей диапазон мощностей от долей ватта до 0,6 кВт (микродвигатели),

от 0,6 до 100 кВт, от 100 до

1000 кВт, более 1000 кВт. двигатели единой серии А и АО мощностью 0,6—100 кВт в

1957—1960 гг. были заменены более совершенными двигателями второй единой серии

асинхронных двигателей А2, АО2. Одновременно внедрялись двигатели трет

ьей единой

серии АЗ, А КЗ (рис. 11 .27,а) с контактными кольцами и АО3 (обдуваемые) мощностью

100—1000 кВт. Изготовлялись также асинхронные двигатели единой серии

нормального (Н) защищенного исполнения АН (с короткозамкнутым ротором) и АКН

(с фазным ротором) мощностью 200—2000 кВт.

В 70-е годы в соответствии с рекомендациями стран-членов Совета

Экономической взаимопомощи и Международной Электротехнической комиссии по

шкале мощностей и установочным размерам в СССР начали выпускаться закрытые

обдуваемые (IР44) асинхронные электродвигатели серии МО мощностью до 132 кВт с

высотой оси вращения 160—280 мм и новой единой серии 4А (рис. 11.27,6 и в)

защищенного (ТР23) и закрытого обдуваемого (IР44) исполнений с изоляцией класса

259

теплостойкости F на напряжения 220, 380 и 660 В мощностью 0,06— 400 кВт с

высотой оси вращения 50—355 мм (вместо условного номера диаметра сердечника

статора указывается в обозначении типа). Обозначение типа двигателя, например

4АНА90LВ8У3, расшифровывается (в порядке написания) так 4 --- номер серии; А---

асинхронный; Н---защищенный( для закрытых обозначения не дается); А---

алюминиевая

станина и щиты (Х---алюминиевая станина и чугунные щиты; если станина и щиты

чугунные, то обозначение не дается); 90---высота оси вращения, мм; I---установочный

размер по длине корпуса (длина статора: S---короткая, М---средняя,

L---длинная); B---длина сердечника (условная) статора (А---короткая. В---средняя;

указывается в том случае, когда при одном установочном размере двигатель имеет две

мощности);S--- число полюсов; У3---

климатическое исполнение и категория размещения

по ГОСТ 15150—69.

В серии 4А, помимо общепромышленного назначения, предусмотрены следующие

исполнения двигателей с повышенным пусковым моментом (4АР—УЗ); встраиваемые

(4АВ—); со встроенным электромагнитным тормозом (4А—Е); с повышенным

скольжением (4АС); многоскоростные; повышенной точности (4А—П); для привода

рыбообрабатывающих механизмов судов (4А—РОМ); химостойкие (4А— ХУЗ);

влагоморозостойкие (4А—У); для крайнего Севера (4А—ХЛ); тропические (4А—Т2);

сельскохозяйственные (4А—СХ УЗ); малошумные (4А—НУЗ).

Взрывозащищенные асинхронные двигатели в СССР производятся мощностью

0,25—2000 кВт. Наибольшее применение нашли асинхронные двигатели с

короткозамкнутым р

отором серии В и ВР (рудничного исполнения) и их модификации по

взрывозащите мощностью 0,25— 110 кВт, заменивших двигатели старой серии ВАО.

Наиболее совершенными являются асинхронные электродвигатели

общепромышленного назначения последних новы

х серий А4, АК4, ДА304 с изоляционными

материалами класса 1, высотой оси вращения 400 и 450 мм на напряжения до 10 кВ

мощностью 200—1000 кВт. Например, тип ДА304-1З-44-8У1 мощностью 200 кВт

расшифровывается так: двигатель асинхронный, закрытый обдуваемый с

короткозамкнутым ротором серии 4, габарита 13 см с длиной сердечника статора

44 см, 8 полюсов, климатическим исполнением У, категорией размещения 1, т. е.

предназначен для работы на открытом воздухе в районах с умеренным климатом.

Промышл

енность изготовляет также трехфазные асинхронные двигатели малой

мощности серий: единой серии АОЛ (обдуваемые, с алюминиевым корпусом) мощностью

до 0,6 кВт; УАД---специализированного назначения мощностью 1—70 Вт, в закрытом

необдуваемом исполнении ---универсальные, работающие и от однофазной сети

напряжением 220 или 127 В; АВ---встроенного исполнения мощностью 18—600 Вт и

новой серии 4А с высотами осей вращения Н, равными 45, 50, 56, 63 и 71 мм, мощностью

40—1100 Вт — основное исполнение 4АА (4АХ) с р = 1 и 2, закрытого обдуваемого

исполнения — со степенью защиты IР44 (второе А в обозначении типа и Х---

соответственно с алюминиевым и чугунным корпусом).

11.25. Однофазные асинхронные двигатели

260

общего применения

Однофазные двигатели широко применяются в автоматических устройствах, в

электроприводах мелкого инструмента и маломощных станков, в различных бытовых

приборах и машинах (холодильники, стиральные и швейные машины, вентиляторы и

др.), где не требуется регулирование частоты вращения [11, 19]. Они изготовляются

мощностью до 600 Вт на напряжения 127, 220 и 380 В частотой 50 Гц.

К основным недостаткам двигателей относятся низкие к. п. д. и коэффициент

мощности (

= 22--70 %,

cos

= 0,6--0,77).

О д н о ф а з н ы й а с и н х р о н н ы й д в и г а т е л ь (рис.11.28,

а и б) состоит

из статора с однофазной рабочей обмоткой и короткозамкнутого ротора.

Синусоидальный переменный ток в одно фазной обмотке статора (см. рис. 11 .2,а и п.

11.1) возбуждает пульсирующее магнитное поле.

Из-за отсутствия вращающегося поля в статоре такой однофазный

асинхронный двигатель не и

меет начального пускового момента: если обмотку статора

261

двигателя подключить к сети, то при n=0 ротор остается неподвижным. Если же в

момент включения ротор вращается, то создается электромагнитный момент.

Это объясняется следующим образом. Пульсирующее магнитное поле статора

двигателя с магнитной индукцией

*sin

BBmt

можно разложить на два поля, которые

вращаются в пространстве в противоположные стороны с частотой один оборот за

период пульсации поля, т. е. с одинаковыми синхронными частотами вращения

n0=

60f1/p, (11.79)

где f1— частота тока; р — число пар полюсов статора.

Эпюры распределений магнитной

индукции таких встречно вращающихся полей в

зазоре показаны на рис. 11.28,в.

Замена пульсирующего поля в зазоре машины двумя одинаковыми полями,

вращающимися в противоположные стороны с одинаковой частотой, позволяет

использовать эквивалентную замену реального Однофазного асинхронного двигателя

двумя одинаковыми трехфазны-

ми асинхронными двигателями 1 и 11, роторы которых установлены на одном валу, а

обмотки статоров подключены к общей трехфазной сети, но с разным чередованием

фаз, т. е. с разным направлением бегущих нолей в зазоре. В этом случае для анализа

свойств однофазного асинхронного двигателя можно воспользоваться

характеристиками трехфазных асинхронных двигателей, с которыми мы

познакомились раньше.

Пусть ротор эквивалентного двигателя вращается по ходу часовой стрелки.

Тогда он будет вращаться в сторону прямого поля 1

и против вращения обратного поля

II двигателя, работающего в режиме электромагнитного торможения. Механические

характеристики трехфазных двигателей показаны штриховыми линиями на рис. 11.28,

г. Так как электромагнитные моменты этих двигателей М1 и М11

действуют встречно

при одинаковой частоте вращения, то их результирующий момент, т. е. момент,

действующий на ротор однофазного двигателя,

М(п)=М1 (п)—М11(п). (11.80)

Таким образом, асинхронный двигатель с одной фазной обмоткой не имеет

пускового момента, но обладает вращающим моментом при

≠

, т. е. если ротор

каким-либо образом приведен во вращение.

По этой причине в условиях эксплуатации работающие трехфазные асинхронные

двигатели в случае обрыва одной фазы (перегорание предохранителя) переходят на

режим работы однофазного двигателя. В таком аварийном случае двигатель не

останавливается, а продолжает работать на двух фазах. При этом возможны

перегрузка двигателя, что сопровождается перегревом его изоляции, и выход двигателя

из строя. Обрыв фазы в работающем трехфазном двигателе, т. е. переход его на

однофазную работу, можно обнаружить по резкому характерному гудению,

значительному увеличению тока, перегреву и снижению частоты вращения.

Однофазные асинхронные двигатели с пусковой обмоткой. Для