Главная » Литература » Электротехника » Радин - Электрические машины. Асинхронные машины (1988)

Радин - Электрические машины. Асинхронные машины (1988)


Введение

Асинхронные машины — наиболее распространенные  электрические машины. Особенно широко они используются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. В настоящее время  асинхронные двигатели потребляют около половины всей  вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода большинства механизмов. Это объясняется  простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

Наибольшее распространение получили асинхронные  двигатели напряжением до 1000 В. В СССР их установленная мощность составляет около 300 млн. кВт. В табл. В.1 приведено  распределение асинхронных двигателей различной мощности в народном хозяйстве СССР на начало 80-х годов и данные о потреблении ими электроэнергии.

При этом машины мощностью от 0,75 до 100 кВт потребляют более 90% от общего потребления электроэнергии асинхронными двигателями. Примерное распределение асинхронных двигателей по  механизмам приведено в табл. В.2. Открытие асинхронных машин относится к 80-м годам  прошлого столетия. Их создание связывают с именами итальянского ученого Г. Феррариса, югославского ученого Н. Тесла и русского ученого М. О. Доливо-Добровольского. Г. Феррарис и Н. Тесла независимо друг от друга в 1888 г. предложили способ получения вращающегося магнитного поля при двухфазном токе и создали первые асинхронные машины. Двигатель Г. Феррариса имел  медный сплошной ротор, сосредоточенную двухфазную обмотку на статоре и развивал мощность в несколько ватт. Двигатель Н.  Тесла имел также двухфазную сосредоточенную обмотку на статоре и такую же обмотку на роторе. Однако эти двигатели не получили широкого распространения.

Наибольшую роль в создании асинхронных двигателей сыграл М. О. Доливо-Добровольский. В 1889 г. он впервые использовал трехфазный ток для получения вращающегося магнитного поля, применил на статоре распределенную трехфазную обмотку и  обмотку ротора в виде беличьей клетки. Он также предложил трехфазную обмотку ротора, выведенную на контактные кольца, и использовал для пуска двигателя реостат, подключенный к  обмотке ротора через контактные кольца. Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология их изготовления, однако принципиальные конструкторские решения, предложенные М. О. Доливо-Добровольским, в основном остались неизменными. В дальнейшем большое распространение получили также и однофазные асинхронные двигатели, в основном для  электробытовых приборов. Появилось также большое количество  разновидностей и модификаций асинхронных машин, в частности асинхронные исполнительные двигатели, тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы и др. Небольшое применение нашли и  асинхронные генераторы.

Большой вклад в теорию асинхронных машин внесли советские ученые Б. П. Апаров, М. П. Костенко, Г. Н. Петров, К. И. Шенфер и др. В СССР впервые в мировой практике асинхронные двигатели выпускаются едиными всесоюзными сериями. На базе единых серий в нашей стране организовано высокомеханизированное и автоматизированное крупносерийное производство; при этом  использованы широкая специализация и кооперация,  централизованное изготовление технологической оснастки и инструмента и др.Большие преимущества имеют единые серии в эксплуатации: они значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудования.

Первая единая всесоюзная серия асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт (А, АО) была разработана сразу после Великой Отечественной войны в 1946—1949 гг. В 1958—1960 гг. была разработана вторая серия (А2, АО2). К этому времени  выпуск асинхронных двигателей в нашей стране возрос в несколько раз, появились новые требования и в 70-е годы была разработана и внедрена новая серия 4А. В ее разработке принимало участие большое количество научно-исследовательских и конструкторских организаций, так как одновременно с конструкцией двигателей разрабатывались электротехническая сталь, провод, изоляция, технология и технологическое оборудование. Одновременно была создана мощная технологическая база, обеспечивающая  разработку и изготовление специального технологического оборудования. В 80-х годах организацией социалистических стран Интерэлектро разработана новая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ, предназначенная для использования во всех  странах— членах СЭВ. Машины серии АИ, которые производятся во всех этих странах, отличаются повышенными надежностью и  перегрузочной способностью, расширенным диапазоном  регулирования, лучшими массогабаритными и энергетическими показателями, а также улучшенными виброакустическими характеристиками по сравнению с машинами серии 4А.

В СССР впервые в мире была разработана методика  оптимизированного расчета асинхронных двигателей, учитывающая  затраты как на производство, так и на эксплуатацию  электродвигателей; расчет с помощью электронно-вычислительных машин ведется по минимуму суммарных затрат в народном хозяйстве. В теорию и практику создания единых серий асинхронных двигателей  огромный вклад внесли советские ученые и инженеры А. Г. Иосифьян, Б. И. Кузнецов, Э. Д. Кравчик, Э. К. Стрельбицкий, Т. Г. Сорокер, И. Н. Чарахчьян и др.

Опыт разработки и внедрения крупных серий асинхронных двигателей показал необходимость совместной работы  расчетчиков, конструкторов и технологов, начиная с момента разработки технического задания на серию. В настоящее время немыслимо проектирование серий каких-либо изделий без глубокой  технологической проработки. Создание высокоэкономичных, высоконадежных асинхронных двигателей единых серий — сложная научно-техническая задача, имеющая большое народнохозяйственное значение.

 

Общие сведения об асинхронных машинах

В основу принципа действия асинхронной машины положено использование вращающегося магнитного поля, которое  индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке ротора. При  взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение (в  двигательном режиме) или осуществляющий его торможение (в  тормозных режимах).

1.1. Принцип действия асинхронной машины

Принцип действия асинхронной машины основан на законе электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем, и работах Д. Максвелла и Э. Ленца. В асинхронной машине одну из обмоток размещают на  статоре / (рис. 1.1, а), а вторую — на роторе 3. Между ротором и  статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой многофазную (или в частном случае трехфазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY и CZ  соединяют по схеме Y или Л и подключают к сети трехфазного тока. Обмотку ротора 4 выполняют многофазной короткозамкнутой или трехфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Вращающееся магнитное поле индуцирует в проводниках  замкнутой накоротко обмотки ротора ЭДС Е2 и по ним проходит ток h. На рис. 1.1, а показано (по правилу правой руки) направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении  магнитного потока Ф по часовой стрелке (при этом проводники  ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой  стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше частоты, то активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС; при этом условные обозначения (крестики и точки) на рис. 1.1 показывают одновременно и  направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых  определяется правилом левой руки.

Если электромагнитный момент М достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и  внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным. Частота вращения ротора л2 всегда отличается от частоты вращения магнитного поля, так как в случае совпадения этих частот вращающееся поле не пересекает обмотку ротора и в ней не индуцируется ЭДС, а следовательно, и не создается  вращающий момент.

Таким образом, характерной особенностью асинхронной  машины является наличие скольжения, т. е. неравенство частот вращения. Поэтому машину и называют асинхронной (ее ротор вращается несинхронно с полем). При работе асинхронной машины в двигательном режиме  частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля. В этом случае обмотка статора питается от сети, а вал ротора передает механический момент на какой-либо механизм. В машине электрическая энергия преобразуется в  механическую. Если ротор заторможен — это режим короткого  замыкания. В случае если частота вращения ротора совпадает с  частотой вращения магнитного поля (синхронная частота), т. е. 5=0, то вращающий момент не возникает.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью  внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты.  большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора. При этом изменит свое направление и  электромагнитный момент М, который станет тормозящим, т. е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим (рис. 1.1, б). В  генераторном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, преобразует ее в электрическую и отдает в сеть.

Если вращать ротор от постороннего двигателя в сторону, противоположную вращению магнитного поля (рис. 1.1, в), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора направлены так же, как и в двигательном режиме, т. е. машина получает из сети электрическую энергию. Однако в данном режиме  электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, т. е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины — режим электромагнитного торможения. В этом режиме ротор вращается в обратном направлении (по отношению к направлению магнитного поля). В рассматриваемом режиме энергию машина получает как со стороны ротора  (механическую), так и со стороны статора (электрическую).

 

1.2. Устройство асинхронных машин

Основные типы двигателей. Асинхронные двигатели  подразделяются на два основных типа: с короткозамкнутым и фазным  ротором (последние называют двигателями с контактными  кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением ротора. Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее распространенными; электропромышленность выпускает их  десятками миллионов в год. На рис. 1.2, а показан общий вид наиболее распространенного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения. На статоре расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, т. е. является короткозамкнутой. Конструкция оболочки (корпус, щиты и др.) в значительной мере зависит от исполнения машины по степени защищенности и от выбранной системы охлаждения. В рассматриваемой  конструкции корпус машины для лучшего охлаждения снабжен ребрами. Центробежный вентилятор, расположенный на валу двигателя снаружи оболочки машины, обдувает ребристый корпус двигателя.

Вентилятор закрыт воздухонаправляющим кожухом. Внутри машины воздух перемешивается вентиляционными  лопастями, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами. На корпусе крепится коробка выводов, в которой установлена клеммная панель с выведенными концами обмотки статора. В более мощных двигателях для повышения интенсивности охлаждения воздух прогоняется через аксиальные каналы ротора отдельным вентилятором или тем же вентилятором, который  обдувает внешнюю поверхность машины. Для этой цели при  использовании одного общего вентилятора в аксиальные отверстия ротора вставляют воздухопроводящие трубки, укрепленные в отверстиях опорных дисков, насаженных на вал ротора (рис. 1.2, б). Этим предотвращается возможность проникновения к обмоткам машины наружного воздуха, в котором содержится влага. Торцовые щиты имеют жалюзи для прохода и выхода наружу воздуха. Сердечник статора (магнитопровод) набирается из  отштампованных кольцеобразных листов электротехнической стали  толщиной 0,35... 0,5 мм. В листах выштампованы пазы для размещения обмотки (рис. 1.3). В крупных машинах статор собирается из листов в виде сегментов. На листы с обеих сторон наносится  изоляция (оксидная пленка, лак и пр.). Листы в пакете сердечника скрепляются скобами, сваркой или в крупных машинах  шпильками. В машинах свыше 400 кВт в сердечниках для лучшего  охлаждения обычно имеются радиальные каналы. Они образуются путем разделения сердечника по длине на ряд пакетов и установкой между ними стальных дистанционных прокладок, которые  привариваются к крайним листам пакета.

В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка,  изготовленная из прямоугольного или круглого провода. Обмотки из прямоугольного провода изготовляют в виде жестких секций и укладывают в открытые или  полуоткрытые пазы (рис. 1.4, а, б). Обмотки из круглого провода  всыпают обычно в полузакрытые  пазы через шлиц в пазу (рис. 1.5) с помощью специальных статорообмоточных станков. В  высоковольтных машинах корпусную  изоляцию катушек обычно выполняют в виде спрессованной гильзы. Сердечник статора и штампованный лист В современных асинхронных машинах используют электроизоляционные материалы классов нагревостойкости В и F, а для специальных машин, работающих в тяжелых условиях,— материалы класса Я.

В машинах различают межвитковую и корпусную изоляцию. Межвитковая изоляция  (между витками обмотки) обеспечивается изоляцией самого проводника, наносимой на него в процессе изготовления на  кабельных заводах или при  изготовлении электрической  машины. Корпусная изоляция  отделяет проводники обмотки от корпуса электрической  машины. Для нее используют  различные прокладки, гильзы или ряд слоев изоляции, наносимой на соответствующую катушку до установки ее в машину.

Ротор машины состоит из пакета листов  электротехнической стали с выштампованными пазами. В короткозамкнутых  роторах пазы заливаются алюминием, при этом образуются стержни беличьей клетки (рис.1.6, а). Одновременно отливаются короткозамыкающие  торцовые кольца и вентиляционные лопасти, общий вид такого ротора показан на рис. 1.6, б. В более крупных и специальных машинах в пазы ротора вставляются медные (бронзовые, латунные) стержни, концы которых впаиваются (ввариваются) в короткозамыкающие медные кольца (рис. 1.6, в). Пакет с алюминиевой клеткой напрессовывается на вал. Для роторов с медной клеткой листы  собираются непосредственно на валу, а уже затем в пазы пакета  вставляются медные стержни.

Роторы двигателей вращаются в подшипниках, как правило, применяются подшипники качения, в машинах свыше 1000 кВт используются также  подшипники скольжения. В случае  необходимости на валу  устанавливается вентилятор.  Подшипники закрепляются в  подшипниковых щитах, подшипниковые щиты крепятся к корпусу  статора. Двигатели с фазным  ротором находят значительно  меньшее применение, чем с короткозамкнутым ротором, и  выпускаются промышленностью  главным образом в виде машин мощностью свыше 100 кВт.

На рис. 1.7 показан общий вид асинхронного двигателя с фазным ротором защищенного исполнения. Для лучшего  охлаждения магнитопроводы статора и ротора в машинах большой и средней мощности разделены на отдельные пакеты, между  которыми имеются вентиляционные каналы. Вентиляционные лопасти, укрепленные на лобовых (внешних) частях жестких секций обмотки, засасывают воздух в машину через отверстия в щитах и  выбрасывают его через отверстия в корпусе. Такая вентиляция называется симметричной радиальной. Контактные кольца расположены вне оболочки машины, выводные концы обмотки ротора проходят через  отверстие в валу и подключаются к контактным кольцам болтами. 

Щеткодержатели со щетками  прикрепляются щеточной траверсой к щиту. В двигателях с фазным ротором в пазы ротора укладывают всыпную обмотку из круглого провода (рис. 1.8, а) или обмотку, состоящую из жестких секций, укладываемых в открытые пазы ротора (рис. 1.8,6), или же обмотку из стержней,  вкладываемых в полузакрытые пазы с торца. Три конца от фазных  обмоток присоединяются к контактным кольцам, установленным на вал двигателя.

...


Архивариус Бизнес-планы Типовые серии Норм. документы Литература Технол. карты Программы Серии в DWG, XLS