Электротехника и электроника (стр. 15 из 19)

вращения ротора немногим меньше этой синхронной скорости.

В тех случаях, когда требуется асинхронный двигатель с меньшей скоростью, применяется многополюсная обмотка статора состоящая из шести, девяти и т.д. катушек. Соответственно вращающееся магнитное поле будет иметь две, три и т.д. пары полюсов.

В общем случае, если поле имеет р пар полюсов, то его скорость вращения будет

n

p мин

8.3.2 Устройство асинхронного двигателя. Магнитная система (магнитопровод) асинхронного двигателя состоит из двух частей: наружной неподвижной, имеющей форму полого цилиндра (рис.8.5) и внутренней - вращающегося цилиндра.

Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака.

Неподвижная часть машины называется статором, а вращающаяся – ротором (от латинского stare – стоять и rotate – вращаться).

a) б)

1 - статор; 2 - ротор; 3 - вал; 4 - витки обмотки статора;

5 - витки обмотки ротора

Рисунок 8.5 - Схема устройства асинхронного двигателя:

поперечный разрез (а); обмотка ротора (б)

В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вращающимся магнитным полем.

Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.

Роторы асинхронных двигателей изготавливаются двух видов: короткозамкнутые и с контактными кольцами. Первые из них проще по устройству и чаще применяются.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рис.8.5,б). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.

Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец.

8.3.3 Характеристики асинхронного двигателя. Скорость вращения вращающегося магнитного поля определяется либо угловой частотой

, либо числом оборотов n в минуту. Эти две величины связаны формулой

(

8 n .

6

)

Характерной величиной является относительная скорость вращающегося магнитного поля, называемая скольжением S :

S или S ,

n

где

- угловая частота ротора, рад/с; n_p - число оборотов в минуту, об/мин.

Чем ближе скорость ротора n_p к скорости вращающегося магнитного поля n_p , тем меньше ЭДС, индуктируемые полем в роторе, а следовательно, и токи в роторе.

Убывание токов уменьшает вращающий момент М_вр , воздействующий на ротор, поэтому ротор двигателя должен вращаться медленнее вращающегося магнитного поля – асинхронно.

При увеличении механической нагрузки асинхронного двигателя тормозящий момент на валу становится больше вращающегося и скольжение S возрастает.

Увеличение скольжения вызывает возрастание ЭДС и токов в обмотке ротора, благодаря чему увеличивается вращающий момент М_вр и восстанавливается динамическое равновесие вращающего М_вр и тормозящего М_т моментов:

М_вр

Таким образом, увеличение нагрузки асинхронного двигателя вызывает увеличение его скольжения.

У современных асинхронных двигателей скольжение даже при полной нагрузке невелико – около 0,04 (четыре процента) у малых и около 0,015…0,02 (полтора-два процента) у крупных двигателей.

Характерная кривая зависимости М от скольжения S показана на рисунке 8.6,а.

Максимум вращающегося момента разделяет кривую М f(S ) на устойчивую часть от S0 до S_k и неустойчивую часть от S_k до S 1, в пределах которой вращающий момент уменьшается с ростом скольжения.

На участке от S0 до S_k при уменьшении тормозящего момента

М_т на валу асинхронного двигателя увеличивается скорость вращения, скольжение уменьшается, так что на этом участке работа асинхронного двигателя устойчива.

На участке от S_k до S1 с уменьшением М_т скорость вращения увеличивается, скольжение уменьшается и вращающий момент увеличивается, что приводит к еще большему возрастанию скорости вращения, так что работа двигателя неустойчива.

Таким образом, пока тормозящий момент М_тM_max, динамическое равновесие моментов автоматически восстанавливается. Когда же ^М_т^M_max, при дальнейшем увеличении нагрузки возрастание скольжения приводит к уменьшению вращающегося момента M и двигатель останавливается вследствие преобладания тормозящего момента над вращающим.

Для практики большое значение имеет зависимость скорости двигателя n_p от нагрузки на валу n_pF( M ). Эта зависимость носит название механической характеристики (рис.8.6,б).

Как показывает кривая рисунка 8.6,б, скорость асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении вращающего момента в пределах от нуля до максимального значения М_max . Такую зависимость называют жесткой.

a) б)

Рисунок 8.6 - Зависимость вращающего момента на валу асинхронного двигателя от скольжения (а) и механическая характеристика (б)

При перегрузке свыше максимального момента М_max двигатель входит в область неустойчивого режима и останавливается.

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря следующим достоинствам:

- простоте устройства;

- высокой надежности в эксплуатации; - низкой стоимости.

С помощью асинхронных двигателей приводятся в движение подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

К недостаткам асинхронных двигателей относятся:

-

ток при пуске асинхронного двигателя в 5-7 раз превышает ток в номинальном режиме I_п(5...7 )I_н;

-

пусковой вращающий момент относительно момента в номинальном режиме мал М_п(1,2....1,6 )М_н;

- регулирование скорости вращения ротора затруднено.

8.4 Синхронные машины

8.4.1 Назначение и устройство синхронных машин. Синхронные машины используются в качестве:

- источников электрической энергии (генераторов);

- электродвигателей;

- синхронных компенсаторов.

С помощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.

Синхронные генераторы приводятся во вращение:

- на тепловых электростанциях (ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и др.) с помощью паровых турбин и называются турбогенераторами;

- на гидроэлектростанциях (ГЭС) с помощью гидротурбин и называются гидрогенераторами.

Синхронные генераторы применяются также в установках, требующих автономного источника электрической энергии

(автомобильные электрические краны и др.).

Синхронная машина – электрическая машина, скорость вращения n которой находится в строго постоянном отношении к частоте f сети синусоидального тока, с которой эта машина работает:

n

, p

где p - число пар полюсов машины.

Синхронный компенсатор – синхронный двигатель, работающий вхолостую и дающий в сеть регулируемый реактивный ток, что дает возможность поддерживать высокий сos

промышленных установок, заменяя громоздкие батареи конденсаторов.

Статор синхронной машины (рис.8.7) состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический магнитопровод 2. Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничевание, магнитопровод набирают из листов электротехнической стали. В пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка 3. В подшипниковых щитах расположены подшипники, несущие вал 4. На валу размещен цилиндрический магнитопровод 7 ротора, выполняемый из сплошной стали, в пазах которого уложена обмотка возбуждения (ОВ) 8, питаемая постоянным током через два изолированных друг от друга и от вала контактные кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка возбуждения с магнитопроводом ротора по существу являются электромагнитом. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1-3% от мощности всей машины.