Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения

Схема генераторов смешанного возбуждения при параллельной работе показана на рисунке 9.3. Ее отличительная особенность состоит в том, что точки « + », в которых последовательные обмотки приключены к одноименным зажимах якоря, соединены между собой уравнительным проводом. Если этот провод отсутствует, то устойчивая параллельная работа невозможна.

Допустим, ток первого генератора по какой-либо причине (например, вследствие увеличения частоты вращения) несколько увеличился, тогда магнитное поле последовательной обмотки возбуждения этого генератора усилится, его ЭДС возрастет, что вызовет дальнейшее увеличение тока и т.д. Одновременно ток и ЭДС второго генератора будут беспрерывно уменьшаться. В результате один генератор будет нагружаться, а второй разгружаться и параллельная работа их становится неустойчивой.

Рисунок 9.3 - Генераторы смешанного возбуждения при параллельной работе

При наличии уравнительного провода параллельная работа будет протекать нормально, так как случайное приращение тока якоря одного генератора распределится между последовательными обмотками возбуждения обоих генераторов и вызовет увеличение ЭДС генераторов.

Нагрузка с одного генератора на другой переводится так же, как в генераторах параллельного возбуждения. На рисунке 9.4 приведены внешние характеристики генераторов и .

Рисунок 9.4 - Распределение тока нагрузки между генераторами

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Для чего необходимо включать параллельно генераторы постоянного тока?

2. Как включить параллельно генераторы постоянного тока?

3. Чем генератор параллельного возбуждения отличается от генератора смешанного возбуждения?

4. В чем заключается перевод нагрузки с одного генератора на

другой?

5. К чему могут привести ошибочные действия оператора при переводе нагрузки с одного генератора на другой?

6. В чем преимущество схемы включения генераторов смешанного возбуждения с уравнительной шиной?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Цель работы: изучение общих сведений и конструкций асинхронных двигателей

Порядок выполнения работы:

1. Внимательно изучить основное содержание работы.

2. Подготовить краткое описания назначения и конструктивных особенностей асинхронных двигателей.

3. Ответить на контрольные вопросы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Роль и значение асинхронных машин

Асинхронные машины используются в основном как двигатели. В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими машинами. Они потребляют около 50% электрической энергии, вырабатываемой электрическими станциями страны. Потребность в асинхронных двигателях непрерывно растет. Такое широкое распространение двигатели получили благодаря конструктивной простоте, низкой стоимости и высокой эксплуатационной надежности при минимальном обслуживании. Широк диапазон мощностей, на которые выпускаются эти двигатели, — от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Они имеют относительно высокий КПД: при мощностях более 1 кВт он составляет 0,7—0,95 и только в микродвигателях снижается до 0,2—0,65.

Наряду с большими достоинствами асинхронные двигатели имеют и некоторые недостатки. К их числу следует отнести потребление из сети реактивного тока, необходимого для создания магнитного потока, в результате чего асинхронные двигатели работают с(при мощности от 1 кВт и выше, а в микродвигателях 0,3—0,7). Кроме того, по возможностям регулировать частоту вращения они уступают двигателям постоянного тока.

Асинхронные двигатели изготовляются для работы от однофазных, двухфазных и трехфазных сетей переменного тока. Но главным образом они выпускаются для работы от трехфазных сетей.

Появление трехфазных асинхронных двигателей связано с именем М. О. Доливо-Добровольского. Эти двигатели были изобретены им в 1889 г. Предложенная М. О. Доливо- Добровольским конструкция асинхронных двигателей в основных чертах сохранилась до наших дней.

2. Конструкция асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели состоят из двух частей: неподвижной части — статора и вращающейся части — ротора.

Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, набирают из отдельных листов, которые штампуют из электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм. Для сердечников асинхронных двигателей применяют холоднокатаные изотропные электротехнические стали марок 2013, 2312, 2411 н др. Перед сборкой сердечника листы изолируют друг от друга оксидированием или лакировкой или используют сталь, иыпускиемую с электроизоляционным покрытием. На внутренней поверхности статора выштамповывают пазы, в которые укладывают обмотку. Сердечник статора закрепляют в корпусе.

Роторы асинхронных двигателей выполняют двух видов: с короткозамкнутой обмоткой и с фазной обмоткой. Первый вид двигателей называют короткозамкнутыми асинхронными двигателями, а второй — асинхронными двигателями с фазным ротором или асинхронными двигателями с контактными кольцами. Наибольшее распространение имеют короткозамкнутые двигатели. На рисунке 10.1 показаны общий

1- станина; 2- сердечник статора; 3- обмотка статора; 4- сердечник ротора; 5- обмотка ротора; 6- паз статора; 7- паз ротора

Рисунок 10.1 - Короткозамкнутый асинхронный двигатель

вид и разрезы короткозамкнутого двигателя. Сердечник ротора собирают из листов, которые штампуют из высечки листов статора одновременно со штамповкой последних. В короткозамкнутых роторах применяют полузакрытые или закрытые пазы, имеющие овальную, прямоугольную или фигурную форму (рисунок 10.2). Ширину открытия пазов выбирают

Рисунок 10.2 - Пазы ротора асинхронного двигателя

около 1 мм. Закрытые пазы перекрывают сверху стальным мостиком толщиной 0,3—0,5 мм. Обмотку ротора (рисунок 10.3) выполняют путем

Рисунок 10.3 – Короткозамкнутый ротор с литой обмоткой

РРРРРРРРРРРРРР

заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы. Одновременно с обоих торцов ротора отливают алюминиевые кольца 2, замыкающие стержни пазов 1. Для усиления охлаждения двигателя вместе с кольцами отливают примыкающие к ним вентиляционные лопатки. Иногда, главным образом в крупных машинах, используется сварная обмотка — в пазы вставляют медные стержни 1, которые на торцах присоединяют к медным короткозамыкающим кольцам 2 (рисунок 10.4).

Рисунок 10.4 – Короткозамкнутый ротор со сварной обмоткой

Отдельно обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой конструкцию наподобие беличьей клетки (рисунок 10.5). В электрическом

Рисунок 10.5 – Обмотка ротора асинхронного двигателя в виде беличьей клетки

отношении она является многофазной обмоткой с числом фаз, равным числу стержней (пазов).

В двигателях с фазным ротором (рисунок 10.6) в пазы укладывают

1- пакет статора; 2- обмотка статора; 3- сердечник ротора; 4- обмотка ротора; 5- контактные кольца; 6- подшипники

Рисунок 10.6 - Асинхронный двигатель с фазным ротором

трехфазную обмотку аналогично обмотке статора. Обмотку соединяют в звезду, а три вывода от нее подсоединяют к контактным кольцам, расположенным на валу машины. Кольца изолированы друг от друга и от вала машины. К ним через неподвижные щетки подсоединяют пусковой или регулировочный реостат. Для фазных роторов применяют полузакрытые пазы овальной или прямоугольной формы.

Вал ротора вращается в подшипниках, укрепленные в боковых щитах, называемых подшипниковыми щитами. В асинхронных машинах главным образом применяют подшипники качения и только в машинах большой мощности используют иногда подшипники скольжения.

Подшипниковые щиты прикрепляют к корпусу статора. В корпусе крепят сердечник статора.

В асинхронных двигателях воздушный зазор между статором и ротором выбирают минимально возможным из механических соображений (чтобы ротор при вращении не задевал о статор). В машинах небольшой и средней мощности он составляет доли миллиметра, а у более крупных машин — миллиметры. С уменьшением зазора снижается потребляемый из сети намагничивающий ток, что способствует повышению двигателя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.На какие типы делят асинхронные двигатели ?

2.Основные конструктивные элементы короткозамкнутого асинхронного ? двигателя ?

3. Назовите основные типы обмотки ротора асинхронных двигателей ?

4. Основные конструктивные элементы асинхронного двигателя с фазным ротором ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

СПЕЦИАЛЬНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Цель работы: изучение конструкций асинхронных машин специального назначения

Порядок выполнения работы

1. Внимательно изучить основное содержание работы.

2. Подготовить краткое описание назначения, принципа действия и конструктивных особенностей асинхронных машин специального назначения.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Основное содержание работы

СПЕЦИАЛЬНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

1. Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы применяются в автоматических и счетно-решающих устройствах. Они служат для получения переменного напряжения, представляющего собой определенную функцию угла поворота а. Обычно требуется, чтобы это напряжение было пропорционально, или самому углу поворота а. Различают синусные, косинусные, синус-косинусные и линейные вращающиеся трансформаторы.

Конструктивно вращающиеся трансформаторы подобны асинхронным машинам с фазным ротором. У них как на статоре, так и на роторе имеются по две симметричные обмотки, сдвинутые относительно друг друга на электрический угол, равный 90°. Во вращающихся трансформаторах принимаются меры к тому, чтобы распределение магнитной индукции вдоль воздушного зазора было по возможности ближе к синусоидальному. Достигается это путем применения специальных обмоток, выбора числа пазов статора и ротора, применения скоса пазов и тщательного изготовления магнитопровода. На рисунок 11.1 представлена принципиальная схема вращающегося трансформатора.

вращающийся трансформатор

Рисунок 11.1 - Синусно-косинусный

Обмотка статора включается в сеть переменного тока со стабилизированным напряжением. Эта обмотка является обмоткой возбуждения. Пульсирующий магнитный поток, обусловленный током этой обмотки, индуцирует в обмотках ротора ЭДС, значения которых будут зависеть от угла поворота ротора. Угол будем отсчитывать от положения ротора, когда ось его обмотки будет перпендикулярна оси обмотки статора. В этом случае в обмотке будет индуцироваться ЭДС, пропорциональная , а в обмотке— пропорциональная . В зависимости от того, какая обмотка будет использоваться, получим синусный или косинусный, а при использовании обеих обмоток ротора — синусно-косинусный вращающийся трансформатор.

При нагрузке по обмоткам ротора протекают токи, которые в каждой из обмоток создают потоки, направленные по осям этих обмоток. Поток каждой обмотки можно разложить на две составляющие: продольную, совпадающую с осью обмотки возбуждения, и поперечную, направленную перпендикулярно этой оси. Продольная составляющая потока обмотки ротора совместно с потоком обмотки возбуждения создают основной рабочий поток вращающегося трансформатора. Рабочий поток, как и в трансформаторе, зависит от подведенного напряжения и при также будет постоянным. Поперечная же составляющая потока индуцирует в обмотках ротора ЭДС, искажающую синусную или косинусную форму напряжения от угла поворота. По отношению к поперечному потоку, обмотка является косинусной обмоткой, и поэтому индуцированная в ней этим потоком ЭДС будет пропорциональна. Можно показать, что, если будет включена обмотка , в ней поперечным потоком будет индуцироваться ЭДС, пропорциональная.

Для того чтобы избежать погрешностей от поперечных потоков, применяется симметрирование. Симметрирование может быть проведено как на вторичной, так и на первичной стороне. При симметрировании на вторичной стороне обе обмотки ротора замыкаются на одинаковые сопротивления:. В этом случае поперечные потоки этих двух обмоток будут одинаковы по значению, но так как они противоположно направлены, то произойдет их взаимная компенсация.

При симметрировании на первичной стороне обмотку статора замыкают на сопротивление, которое равновнутреннему сопротивлению источника питания обмотки .В этом случае поперечный поток ротора будет ослабляться за счет размагничивающего действия потока обмотки .

На практике симметрирование проводится одновременно как со вторичной, так и с первичной стороны.

Максимальная погрешность воспроизведения функцийив вращающихся трансформаторах высокого класса точности не превышает 0,01—0,03 %.

На рисунке 11.2 показана схема включения линейного вращающегося.

Рисунок 11.2 - Линейный вращающийся трансформатор

трансформатора. Обмотка включена в сеть переменного тока. Обмотка статора и обмотка ротора соединены последовательно, и напряжение на выводах нагрузки в пределах =0-т-60° будет изменяться практически пропорционально углу . Обмотка в целях симметрирования замыкается на внешнее сопротивление .

Вращающиеся трансформаторы используются для преобразования декартовых координат и других целей.

2. Сельсины

Свое название сельсин (selsyn) получил от сокращения английских слов self и synchronizing — самосинхронизирующийся. Сельсины служат для синхронного поворота или вращения двух или нескольких механически не связанных осей. По исполнению сельсины делятся на контактные и бесконтактные.

На явно выраженных полюсах статора контактного сельсина размещается однофазная сосредоточенная обмотка, включаемая в сеть переменного тока. Эта обмотка является обмоткой возбуждения. В пазах ротора укладываются три распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120°. Они соединяются в звезду, и три конца от них подсоединяются к контактным кольцам, которые скользят по неподвижным щеткам, соединенным с внешней цепью. Эти обмотки называются обмотками синхронизации. Сердечники статора и ротора собраны из листовой электротехнической стали, причем ротор выполняется со скошенными пазами для ослабления зубцовых гармоник в кривых ЭДС.

Иногда находит применение обращенная конструкция сельсинов, когда явно выраженные полюсы с обмоткой возбуждения размещаются на роторе, а обмотки синхронизации — в пазах статора.

В настоящее время широкое применение находят бесконтактные сельсины. У них отсутствует скользящий контакт, что повышает надежность и точность их работы. Бесконтактные сельсины предложены А. Г. Иосифьяном и Д. В. Свечарником в 1938 г. В таких сельсинах обе обмотки размещаются на статоре 1, а ротор 2 не имеет обмоток

(рисунок 11.3, а). Ротор состоит из двух пакетов , набранных из листовой стали,

а)

б)

Рисунок 11.3 - Бесконтактные сельсины

между которыми имеется косой зазор 3, заполненный немагнитным материалом, вследстви чего полюсы ротора в магнитном отношении разделены. Листы пакетов ротора располагаются параллельно оси вала, как показано на рисунке 11.3,6. Основной пакет статора 4 имеет обычную конструкцию, и в его пазах 5 размещаются обмотки синхронизации 6. Обмотка возбуждения 7 состоит из двух кольцевых катушек, оси которых совпадают с осью ротора.

Магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения 7, из полюса в полюс попадает через боковые кольца 8 и пакет внешнего магнитопровода 9, набранного из листов электротехнической стали, а затем через зубцы и ярмо пакета статора в исходный полюс . В зубцовом слое статора поток, созданный обмоткой возбуждения, будет сцепляться с обмоткой синхронизации так же, как и в контактном сельсине.

В зависимости от назначения и режимов работы различают сельсины, работающие в индикаторном режиме, в трансформаторном режиме, а также дифференциальные

сельсины.

Схема соединения сельсинов в индикаторном режиме работы показана на рисунке 11.4. Один из сельсинов (например, левый) называется

Рисунок 11.4 - Схема включения сельсинов в индикаторном режиме

датчиком, а другой (правый) — приемником. Иногда один сельсин-датчик управляет несколькими приемниками. В индикаторном режиме осуществляется дистаницонная передача угла, при этом внешний

нагрузочный момент на валу сельсина приемника практически отсутствует. Обычно вал сельсина-приемника поворачивает стрелку или шкалу измерительного прибора, движок реостата и т. п. Если углы поворота соответствующих «фаз» сельсина-датчика и сельсина-приемника по отношению к осям полюсов одинаковы , а их обмотки возбуждения включены в одну и ту же сеть, то пульсирующее поле, созданное этими обмотками, будет наводить в соединенных друг с другом одноименных «фазах» обмоток синхронизации одинаковые ЭДС:

Одноименные ЭДС датчика и приемника имеют встречное направление, поэтому в обмотках синхронизации не возникает токов и электромагнитные моменты сельсинов равны нулю.

Если повернуть сельсин-датчик на какой-то угол, то одноименные «фазы» сельсинов окажутся не в одинаковых условиях по отношению к магнитному полю и их ЭДС не будут равны (). Вследствие этого в обмотках синхронизации возникают токи, которые, взаимодействуя с магнитными полями, создают вращающие моменты. Моменты, действующие на роторы датчика и приемника, направлены в противоположные стороны, и под их влиянием угол рассогласования уменьшается. Если при повороте наротор сельсина-датчика будет закреплен, то ротор сельсина-приемника под действием возникшего момента также повернется на угол и снова будет выполняться равенство .

В реальных условиях в сельсинах всегда имеются некоторые погрешности в передаче угла. Эти погрешности вызваны наличием трения в подшипниках и щетках, неточностью изготовления и др. В зависимости от класса точности сельсины позволяют осуществить передачу угла с погрешностью 0,25—2,5 °.

Сельсины, работающие в трансформаторном режиме, применяются в силовых следящих системах. По устройству эти сельсины не отличаются от ранее рассмотренных. На рисунке 11.5 показана принципиальная схема следящей системы с использованием сельсинов в трансформаторном

Рисунок 11.5 - Схема включения сельсинов в трансформаторном режиме

режиме.

Отличие включения сельсинов в этой схеме от схемы нарисунке 11.4 состоит в том, что однофазная обмотка сельсина-приемника С-П не включается в сеть переменного тока, а подключается к управляющему блоку усилителя У. При подаче питания в обмотку возбуждения сельсина- датчика С-Д в обмотках синхронизации потечет ток, который в сельсине-приемнике создаст пульсирующий поток. В исходном положении ротор этого сельсина должен быть расположен так, чтобы его ось была ориентирована перпендикулярно оси пульсирующего потока, созданного обмотками синхронизации. В этом случае оси обмоток и будут сдвинуты в пространстве на 90°. При этом условии напряжение на выводах обмотки равно нулю, на усилитель У не будет подаваться сигнал, и он не будет давать питание на исполнительный двигатель ИД. Система будет неподвижна. Пели теперь повернуть ротор сельсина-датчика С-Д на какой-то угол , то токи и обмотках синхронизации изменятся и ось потока и сельсине С-П повернется на тот же угол, при этом появится иипряжение на обмотке пропорциональное , и на вход усилителя У поступит сигнал. Напряжение от усилителя У поступает на двигатель ИД, который приводит во вращение исполнительный механизм ИМ и одновременно поворачивает ротор сельсина С-П в такое положение, при котором его обмотка снова будет сдвинута на 90° относительно оси обмотки. В этом положении сигнала на усилитель не поступает и двигатель останавливается. Таким образом, исполнительный механизм ИМ будет повторять повороты или вращение ротора С-Д (будет «следить» за поворотами ротора С-Д).

Дифференциальные сельсины применяются в тех случаях, когда требуется осуществлять управление из двух пунктов. Конструктивное их отличие от обычных сельсинов состоит в том, что они как на статоре, так и на роторе не имеют явно выраженных полюсов. Кроме того, в пазах статора и ротора располагаются по три сдвинутые на 120° обмотки, соединенные в звезду. Эти обмотки включаются в рассечку проводов, соединяющих обмотки синхронизации обыкновенных сельсинов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение и основные конструктивные особенности вращающих с трансформаторов ?

2. Назначение основные конструктивные особенности сельсинов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Цель работы: изучить способы регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей

Частота вращения ротора

Из выражения видно, что частоту вращения ротора можно регулировать изменением любой из трех величин, определяющих частоту вращения ротора: изменением частоты тока сети , числа пар полюсов , и скольжения .

Регулирование частоты асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как для этого необходим какой-либо регулируемый преобразователь частоты или генератор. Этот способ не имел широкого использования, но сейчас - достаточно широко.

Изменение числа полюсов машины возможно либо выполнением на статоре нескольких (обычно двух) обмоток с различным числом полюсов, либо выполнением одной обмотки, допускающей переключение на различное число полюсов.

На статоре может быть помещено две обмотки, каждая из которых допускает переключение на различное число полюсов. Фаза обмотки статора состоит из двух последовательно соединенных катушек и . При соединении проводника с проводником ток при включении обмотки в сеть в какой-либо момент протекает так, как показано на рисунке 12.1, а.

а)

б)

Рисунок 12.1 - Схема переключения на различное число полюсов одной фазы обмотки статора

На статоре получается четыре полюса ( ). При переключении второй катушки (рисунок 12.1,б) изменяется направление тока в этой катушке и число полюсов окажется равным двум ( ). При изменении числа полюсов статора меняются частоты вращения поля статора и ротора. Заводы выпускают двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные двигатели.

Такой способ регулирования частоты вращения является экономичным, но имеет тот недостаток, что регулирование частоты получается ступенчатым и регулирование частоты изменением числа полюсов возможно только для двигателей с короткозамкнутым ротором.

В двигателях с фазным ротором число полюсов статора всегда должно быть равно числу полюсов ротора, и при изменении числа полюсов на статоре надо было бы в той же мере изменить число полюсов на роторе, что очень сложно в конструктивном отношении. Более сложное выполнение обмотки статора значительно повышает стоимость и габариты многоскоростных двигателей.

Включение в цепь ротора регулировочного реостата и изменение напряжения сети изменяют скольжение и момент, развиваемый двигателем, который пропорционален квадрату напряжения. Изменение вращающего момента вызовет изменение частоты.

Предположим, что при напряжении сети рабочий процесс двигателя соответствовал точке (рисунок 12.2, а), в которой развиваемый двигателем момент равен тормозному моменту на валу.

а)

б)

а- при изменении напряжения сети

б- при изменении сопротивления в цепи ротора

Рисунок 12.2 - Регулирование частоты вращения изменением скольжения

Если уменьшить напряжение сети до величины , то кривая момента пройдет ниже, равновесие моментов нарушится и частота уменьшится, т. е. новый установившийся режим будет в точке при большем значении скольжения. Этот способ регулирования экономичен но не эффективен, так как дает возможность менять частоту лишь в малых пределах до 10 - 15%. При значительном снижении напряжения вращающий момент резко уменьшается и двигатель не может устойчиво работать.

Регулировочный реостат включают в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового его рассчитывают на длительное прохождение тока.

Положим, что без регулировочного реостата двигатель работает при частоте, соответствующей точке (рисунок 12.2, б). При включении регулировочного реостата ток в роторе уменьшится и уменьшит вращающий момент двигателя и частоту вращения или увеличит скольжение.

При увеличении скольжения повышаются э.д.с. и ток в роторе. Изменение частоты вращения или скольжения будет происходить до восстановления равновесия моментов, то есть пока ток в роторе не примет своего начального значения. При увеличении активного сопротивления в роторе максимальный момент, не изменяясь по величине, сместится в область больших скольжений и равновесие моментов, т.е. новый установившийся режим работы машины, будет в точке , соответствующей меньшей частоте вращения. Этот способ регулирования частоты вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором и несмотря на то, что он неэкономичен (в регулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкое применение.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1З

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И КОНСТРУКЦИЯ ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Цель работы: изучить способы включения однофазных асинхронных двигателей

1. Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях (до 1 - 2 кВт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного тем, что на его статоре помещена однофазная обмотка. Поэтому любой трехфазный асинхронный двигатель может быть использован в качестве однофазного. Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь фазную или короткозамкнутую обмотку. Помещение на роторе однофазной обмотки нежелательно, так как при этом двигатель приобретает свойство одноосного включения, то есть при определенных условиях может работать с частотой, примерно равной половине синхронной, что значительно меньше номинальной.

Особенность однофазных асинхронных двигателей - отсутствие начального или пускового момента, то есть при включении такого двигателя в сеть ротор его остается неподвижным. Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент. Это объясняется тем, что н. с. однофазной обмотки статора будет пульсирующей и создаст пульсирующее магнитное, поле.

Работа однофазного асинхронного двигателя подобна работе двух одинаковых трехфазных двигателей, соединенных валами и создающих противоположно направленные моменты.

Вращающий момент, создаваемый прямым полем при изменении скольжения от до определяется такой же зависимостью, как и в обычном трехфазном двигателе (рисунок 13.1).

Рисунок 13.1 - Зависимость вращающего момента от скольжения для однофазного асинхронного двигателя

Той же зависимостью представится момент, развиваемый обратным полем. Моменты и на графике отложены по обе стороны от горизонтальной оси. так. как они направлены встречно. При неподвижном роторе и то есть

При вращении ротора момент, создаваемый прямым полем, увеличивается, а момент, создаваемый обратным полем, уменьшается, так что . При этом однофазный двигатель развивает одинаковый вращающий момент при вращении как в одном, так и в другом направлении, т. е. направление вращения ротора такого двигателя зависит только от направления действия силы, выводящей двигатель из неподвижного состояния.

При работе трехфазного асинхронного двигателя вращающееся магнитное поле имеет постоянную амплитуду. В однофазном двигателе амплитуда вращающегося поля не остается постоянной, а изменяется от некоторой наименьшей величины до определенного наибольшего значения, причем эти значения амплитуды вращающегося поля не остаются постоянными с изменением нагрузки двигателя.

2. Пуск однофазных асинхронных двигателей

Отсутствие начального момента - существенный недостаток однофазных асинхронных двигателей. Поэтому эти двигатели всегда снабжают пусковым устройством: Наиболее простое пусковое устройство - две обмотки, помещенные на статоре и сдвинутые друг относительно друга на половину полюсного деления (90 эл. град.) Эти катушки питаются от симметричной двухфазной сети, т. е. напряжения, приложенные к катушкам, равны между собой и сдвинуты на четверть периода по фазе .

В этом случае токи, протекающие по катушкам, окажутся также сдвинутыми по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле. При наличии вращающегося магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.

В случае, когда двухфазная сеть отсутствует, однофазный двигатель пускают включением двух катушек в одну общую однофазную сеть. Для получения угла сдвига фаз между токами в катушках, примерно равного , одну из катушек (рабочую) включают в сеть непосредственно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую катушку .(пусковую) - через индуктивную катушку (а) или конденсатор (б) (рисунок 13.2).

а)

б)

Рисунок 13.2 - Схема включения пусковой обмотки однофазного двигателя через индуктивную катушку (а) и конденсатор (б)

Пусковая обмотка включается, только на период пуска. В момент, когда ротор приобретает определенную частоту вращения, пусковая обмотка отключается от сети и двигатель работает как однофазный. Отключается пусковая обмотка центробежным выключателем или специальным реле.

В качестве однофазного двигателя может быть использован любой трехфазный асинхронный двигатель (рисунок 13.З,а).

а)

б)

в)

г)

Рисунок 13.3 - Схема включения трехфазного двигателя (а) в однофазную сеть с пусковым активным (б), индуктивным (в) и емкостным (г) сопротивлениями

Его рабочая или главная обмотка, состоящая из двух последовательна соединенных фаз грехфазного двигателя, включается непосредственно в однофазную сеть, третья фаза, являющаяся пусковой или вспомогательной обмоткой, включается в ту же сеть через пусковой элемент - сопротивление (рисунок 13.3, б), индуктивность (рисунок 13.3, в) или конденсатор

(рисунок 13.3,г).

В рабочей и пусковой обмотках при пуске трехфазного двигателя, используемого в качестве однофазного, протекают токи и . сдвинутые по фазе относительно приложенного напряжения соответственно на углы и . Если считать токи в обмотках синусоидальными, то н. с. рабочей обмотки определится геометрической разностью н. с. двух фаз, образующих рабочую обмотку: (смотреть рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 - Векторная диаграмма намагничивающих сил трехфазного двигателя, включенного в однофазную сеть

Таким образом, вектор амплитуды н. с. рабочей обмотки с овпадает с горизонтальной осью и смещен относительно осей катушек фаз и на 30°. Следовательно, амплитуда н. с. рабочей обмотки , где - амплитуда н.с. одной фазы.

Результирующая н. с., равная сумме н. с. рабочей и пусковой обмоток, будет вращающейся и круговой в том случае, когда , то есть в пусковой обмотке протекает ток в раз больше, чем в рабочей и .

Если эти условия не выполнены, то вращающееся поле окажется эллиптическим. При неравных амплитудах н. с. рабочей и пусковой обмоток будут созданы прямые и обратные вращающиеся поля. Поэтому включение индуктивности в цепь пусковой обмотки не может обеспечить создание значительного пускового момента.

При включении рабочей обмотки непосредственно в сеть ток в ней окажется отстающим от приложенного напряжения на большой угол . При включении индуктивности в цепь пусковой обмотки разность углов окажется малой и вращающегося поля нет. Поэтому при использовании трехфазного двигателя в качестве однофазного пусковую обмотку включают в сеть либо через активное сопротивление, либо через конденсатор.

Если двигатель пускают при большом активном сопротивлении, например, при введенном пусковом реостате в цепи обмотки фазного ротора, то включение в цепь пусковой обмотки активного сопротивления не создает начального момента. В этом случае токи в рабочей и пусковой обмотках будут близки к активным и разность углов и мала, то есть .

В однофазных двигателях малой мощности в качестве пусковой обмотки используют короткозамкнутые витки, уложенные на полюсах статора. Статоры таких двигателей выполняют с явно выраженными полюсами (рисунок 13.5), а

Рисунок 13.5 - Схема короткозамкнутых пусковых обмоток

однофазного асинхронного двигателя

рабочую обмотку укладывают на полюсы в виде катушек подобно обмотке возбуждения машины постоянного тока.

Каждый полюс разделен на две части, на одной из которых помещают короткозамкнутые катушки. В этих катушках создаются токи, препятствующие, прохождению магнитного потока в части полюса В, вследствие чего магнитный поток в части полюса А достигает максимального значения раньше, чем в части полюса В. Эти два несовпадающих по фазе потока создают вращающееся магнитное иоле. В короткозамкнутых катушках создаются добавочные потери, что снижает к. п. д. двигателя. Поэтому такой способ пуска имеет использование только в двигателях очень малых мощностей (до 100 Вт),

где вопрос о к.п.д. не является первостепенным.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОЛЫМ РОТОРОМ

Цель работы: изучить элементы конструкции асинхронного двигателя с полым ротором

1. Общие сведения

Асинхронный двигатель с полым ротором получил широкое распространение в качестве исполнительного органа для отработки той или иной величины в технике следящих систем, в радиоустройствах для автоматической подстройки и перестройке, в различных регуляторах и др.

Этот двигатель является двухфазным с короткозамкнутым ротором, который выполняют в виде полого алюминиевого цилиндра.

Принципиальная схема устройства двигателя показана на рисунке 14.1.

Рисунок 14.1- Схема устройства двигателя с полым ротором

Двигатель состоит из внешнего статора 1, внутреннего статора с двухфазной обмоткой 2, ротора в виде полого цилиндра 3. корпуса 4 и фланца 5.

В некоторых случаях обмотки помещают на внешнем статоре, а внутренний служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления.

Полый ротор укреплен на валу двигателя 6 и вращается в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами.

На внутреннем (или внешнем) статоре помещены две обмотки - возбуждения и управления. Эти обмотки сдвинуты в пространстве на 90 электрических градусов. Они выполнены либо в виде двух отдельных обмоток (рисунок 2,а), либо в виде распределенной замкнутой, разделенной отводами на четыре части (рисунок 14.2,б).

а)

б)

а- при раздельных обмотках; б- при одной распределенной

Рисунок 14.2- Схема включения обмоток двигателя с полым ротором

В распределенной замкнутой обмотке лучше используются материалы в тепловом отношении за счет равномерного распределения токов, но существует электрическая связь между цепями управления и возбуждения и при большом числе полюсов будет большим число параллельных ветвей.

Обмотку возбуждения подключают к сети, а управляющая получает питание от усилителя системы управления.

Фазный сдвиг токов в обмотках возбуждения и управления осуществляется либо конденсатором, либо усилителем, что предусматривается его схемой.

Двигатели с полым ротором строят на мощности от десятых долей до нескольких сотен ватт как для стандартной (50 Гц), гак и для повышенных частот (400 - 500 Гц) с синхронной частотой вращения 1570 рад/с (30000 об/мин).

Характерная особенность двигателя с полым ротором - большое активное сопротивление ротора по сравнению с другими сопротивлениями. Поэтому в пределах изменения скольжения от 0 до 2 при отсутствии тока в обмотке управления зависимость момента можно принять линейной (рисунок 14.3).

Рисунок 14.3 - Зависимость вращающего момента от скольжения двигателя с полым ротором

Момент, развиваемый прямым полем, представлен прямой 1, момент от обратного поля - 2, результирующий момент - 3.

При наличии тока в обмотке управления ( ) магнитное поле будет вращающимся (эллиптическим). Амплитуда прямого поля равна сумме амплитуд пульсирующих полей обмоток возбуждения и управления, а амплитуда обратного поля - разности амплитуд пульсирующих полей этих обмоток.

Так как электромагнитный момент пропорционален квадрату напряжения (квадрату магнитного потока), то при момент от прямого поля увеличивается (прямая 4), а момент от обратного поля уменьшается (прямая 5) и зависимость результирующего момента также изменится (прямая 6).

Широкое использование двигателей с полым ротором обусловлено рядом преимуществ, выгодно отличающих их от исполнительных двигателей других типов:

1) прямолинейность механической характеристики;

2) малый момент инерции, которого достигают выполнением ротора в виде полого цилиндра (толщина стенки 0,2 - 0,8 мм) из немагнитного материала с малым удельным весом (алюминий или дюралюминий);

3) большой пусковой момент, которого достигают выполнением ротора с большим активным сопротивлением;

4) возможность плавного регулирования частоты вращения в широких пределах;

6) отсутствие зубцов, обеспечивающее плавный и бесшумный ход двигателя;

7) быстрое реверсирование;

8) самоторможение двигателя при снятии напряжения с обмотки управления, так как благодаря большому активному сопротивлению ротора тормозной момент больше вращающего;

9) отсутствие трущихся контактов, что обеспечивает малый момент трения и отсутствие искрения и связанных с ним радиопомех.

Наряду с положительными свойствами эти двигатели обладают рядом недостатков:

1) большие немагнитные зазоры, вызывающие значительное увеличение Н.С. и габаритов двигателей и понижение коэффициента мощности;

2) низкий КПД, так как нормальная работа двигателя происходит при больших скольжениях (примерно 50%), что вызывается повышенным активным сопротивлением ротора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему у асинхронного двигателя с полым ротором зазор больше, чем у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

2. От чего зависит вращающий момент асинхронного двигателя с полым ротором?

3. Объясните причины возникновения вращающего момента у асинхронного двигателя с полым ротором?

Лабораторная работа № 15

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Цель работы: изучить элементы конструкции трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

1. Общие сведения

Асинхронные машины переменного тока получили, в настоящее время, наиболее широкое распространение.

Асинхронный двигатель, изобретателями которого были Тесла и Доливо-Добровольский, - наиболее распространенный тип электрических машин.

Простота конструкции, экономичность и высокая надежность в работе асинхронных двигателей обусловили их широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти двигатели изготавливают на различные мощности в пределах от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт. Особенно велика потребность в трехфазных асинхронных двигателях мощностью 0,4 - 100 кВт.

Как и любая электрическая машина, асинхронные машины обладают свойством обратимости, т.е. могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Асинхронные генераторы почти не находят практического применения, так как обладают рядом существенных недостатков - не вырабатывают реактивной мощности, не обеспечивают постоянства частоты индуктируемой ЭДС.

Помимо двух основных режимов работы - генератора и двигателя, асинхронные машины используют в специальных режимах работы: в режиме электромагнитного тормоза, преобразователя частоты и др.

Асинхронные машины делают в основном трехфазными, но применяют и однофазные.

2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя

Любая электрическая машина переменного тока состоит из двух основных частей - неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором.

Между статором и ротором имеется воздушный промежуток, или зазор, величина которого оказывает очень существенное влияние на рабочие свойства машины.

В асинхронных машинах увеличение воздушного зазора резко уменьшает коэффициент мощности и вращающий момент машины. Поэтому в асинхронных машинах воздушный зазор всегда небольшой, от 0,2 до 3 мм.

В машинах же постоянного тока и синхронных воздушный зазор
делают сравнительно большим, так как его увеличение в машинах
постоянного тока уменьшает пульсацию напряжения, а в синхронных
машинах повышает перегрузочную способность.

Сердечники статоров и роторов асинхронных машин собирают из
стальных листов, изолированных друг от друга лаком или окалиной для
уменьшения потерь на вихревые токи.

В пазах статора и ротора размещают проводники обмоток.

Статор крепят в станине, а ротор - на валу машины.

3. Устройство статора

Сердечник статора собирают из стальных листов в виде колец, на
внутренней окружности которых штампуют впадины или пазы для укладки
обмотки. Сердечник статора с обмоткой помещают в станину, посредством
которой машина крепится на фундаменте и транспортируется.

а) открытые; б) полузакрытые; в) закрытые

Рисунок 15.1- Формы пазов электрических машин

Открытые пазы делают в машинах постоянного тока и в синхронных машинах на роторе при неявнополюсной их конструкции. При открытых пазах легко выполнять шаблонную обмотку, что уменьшает ее стоимость. Однако при такой форме паза магнитное поле в воздушном зазоре распределяется неравномерно.

Закрытые пазы выполняют для короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей, для пусковых и демпферных (успокоительных) обмоток синхронных машин. При такой форме паза неравномерность распределения магнитного поля исключается, но выполнение обмотки значительно сложнее - методом протяжки, то есть провод обмотки, протягивают через изоляционную гильзу в пазу.

Статора машин переменного тока выполняют наиболее часто с полузакрытыми пазами. Обмотка здесь может быть полу шаблонной, то есть предварительно заготовленной на шаблоне в виде мягких катушек, витки которых вкладывают или "всыпают" по одному через прорезь паза.

Рисунок 15.2- Размещение катушек в пазах статора

Рисунок 15.3- Укладка мягкой катушки

Начала С1, С1, С3 и концы С4, С5, С6 трехфазной обмотки статора выводят на щиток машины и располагают таким образом, чтобы обмотку статора было удобно соединить звездой или треугольником.

а) на щиток;

б) расположение перемычек для включения обмотки статора в сеть звездой;

в) расположение перемычек для включения обмотки статора в сеть треугольником

Рисунок 15.4 - Вывод начал и концов фаз обмотки статоров

Это дает возможность каждую машину использовать в сетях с двумя различными напряжениями. Поэтому в паспорте машины и на щитке указаны два значения напряжения сети, при которых может работать машина (220/127; 380/220 В и др.).

Для включения в сеть с большим из указанных напряжений обмотка статора соединяется звездой, а меньшим напряжением - треугольником.

В двигателях последних серий не делают щитков для зажимов, а выпускают шесть выводных маркированных концов: С₁, С₂, С з - начала и С4, С, С₆ - концы фаз.

4. Устройство ротора

В настоящее время асинхронные двигатели изготавливают преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в специальных случаях используют фазную обмотку ротора.

Обмотку короткозамкнутого ротора изготавливают в виде беличьего колеса из стержней 1, уложенных в пазы сердечника и замкнутых между собой на торцовых сторонах накоротко кольцами 2 (рисунок 15.5).

Рисунок 15.5 - Короткозамкнутая обмотка ротора

В машинах мощностью до 100 кВт такую обмотку обычно изготавливают из алюминия, который в горячем состоянии под давлением заливают в пазы ротора. Вместе со стержнями отливают крыльями для улучшения вентиляции (рисунок 15.6.). Стержни от сердечника обычно не изолируются.

с алюминиевой литой клеткой

с медной стержневой клеткой

Рисунок 15.6- Конструкции короткозамкнутых роторов

5. Устройство двигателя

На рисунке 15.7 показано устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора - на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается

Рисунок 15.7- Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины малой и средней мощности), или на отдельно стоящих подшипниковых стояках.

Асинхронные машины, как правило, охлаждаются воздухом. Системы

вентиляции, в принципе, являются такими же, как и у машин постоянного тока.

6. Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при частоте вращения ротора , не равной частоте вращения магнитного поля . Частота вращения ротора может очень мало отличаться от частоты поля, но при

работе двигателя она будет всегда меньше .

В этом заключается основное принципиальное отличие асинхронных машин от синхронных. У синхронных частота вращения ротора всегда равна частоте вращения магнитного поля статора.

Работа асинхронного двигателя основана на принципе электромагнитной индукции. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами в обмотке статора, пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в этой обмотке ЭДС. Если обмотка ротора замкнута на какое - либо сопротивление или накоротко, то в ней под действием индуктируемых ЭДС возникнут переменные токи, взаимодействие которых в обмотке ротора с магнитным полем обмотки статора создает вращающий момент, приводящий ротор во вращение.

Рисунок 15.8 - Асинхронное вращение диска и замкнутого витка во вращающемся магнитном поле

Направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому токи в проводах обмотки ротора стремятся задержать вращающееся поле статора, но, не имея возможности сделать это, приводят ротор во вращение так, что он следует за полем статора.

На рисунке 15.9 выделена часть окружности ротора, на которой находится

Рисунок 15.9 - Вращающий момент асинхронного двигателя