Конспект лекцій з навчальної дисципліни "спеціальні електричні машини" для студентів денної форми навчання зі спеціальності



Сторінка3/8
Дата конвертації03.12.2016
Розмір2.43 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8

2.3 Асинхронні машини з масивним ротором

Ротор асинхронної машини можна виготовити з масивного сталевого кування і без пазів. У цьому випадку роль обмотки ротора грає сам масивний ротор, у якому обертове магнітне поле будуть індуктувати струми.

Масивний ротор має великі переваги в міцності. У зв'язку із цим асинхронні двигуни на високі швидкості обертання (10 000-100 000 об/хв) будуються з масивним ротором. Такі двигуни застосовуються в різних установках спеціального характеру, зокрема в гіроскопічних навігаційних пристроях, і живляться струмом підвищеної частоти (400-1000 Гц).

Рис. 2.9 Геометричне місце струмів асинхронної машини з масивним ротором

Активне г2 та індуктивне хσ2 опору масивного ротора через сильно виражений поверхневий ефект значно залежать від ковзання. Так, у випадку f=50 Гц при пуску (s=1) еквівалентна глибина проникнення струмів у ротор становить тільки близько 3 мм, при s=0,02 — близько 20 мм, при s = 0,001 - близько 100 мм. Тому при пуску опір г2 досить великий та хσ2 мало, а зі зменшенням ковзання опір г2 зменшується і хσ2 збільшується. Внаслідок подібної зміни параметрів геометричне місце струмів машини з масивним ротором має вигляд, зображений на рис. 2.9 суцільною лінією. Для порівняння там же штриховою лінією показана кругова діаграма асинхронного двигуна з постійними параметрами.

У результаті сильного прояву поверхневого ефекту пусковий момент двигуна з масивним ротором досить великий (МПН = 1,5 - 2,0). Однак двигуни малої і середньої потужності з масивними роторами при f=50 Гц мають низькі к.к.д. і коефіцієнт потужності, тому що при ковзанні s=0,02-0,05 глибина проникнення струму і потоку в сталь ротора мала, активний і магнітний опори ротора магнітному потоку великі, внаслідок чого двигун має велике номінальне ковзання і великий струм, що намагнічує. Зі збільшенням геометричних розмірів машини, а також при збільшенні номінальної швидкості обертання робочі характеристики двигуна поліпшуються. Так, асинхронний двигун з масивним ротором на f=50 Гц і Рн=20-50 МВт мав би номінальне ковзання значно менш 1%. У двигунах щодо невеликої потужності на високі швидкості обертання для поліпшення робочих характеристик іноді зовнішню поверхню масивного сталевого ротора покривають міддю. Із цією же метою застосовуються мідні кільця. прикріплені до торцевих поверхонь масивного ротора. Роль цих кілець аналогічна торцевим короткозамкненими кільцям білячої клітки, і активний опір ротора з такими кільцями зменшується. Іноді на циліндричній поверхні ротора виконують також пази, але без укладання в них обмотки. При цьому площа зовнішньої робочої поверхні ротора, навантаженої струмами, збільшується, що приводить до зменшення активного опору ротора.


2.4 Лінійні і дугові асинхронні машини

Якщо уявити собі, що звичайний круглий статор асинхронного двигуна розрізаний по осьовій площині і випрямлене у площину або розігнуть по дузі більшого радіуса, чим радіус вихідного круглого статора, то вийде статор лінійної (рис. 2.10, а) або дуговий (рис. 2.10, б) асинхронної машини. Трифазна обмотка такого статора створює в повітряному зазорі в межах сердечника статора відповідно біжить або обертається магнітне поле.

Частина, що рухається, лінійної машини називається бігуном, а частина, що рухається, дугової машини - ротором. Бігун і ротор можуть мати конструкцію, властиву роторам нормальних короткозамкнених асинхронних машин, тобто мати сердечники з листової електротехнічної сталі і обмотку типу білячої клітки, розташовану в пазах сердечника бігуна і ротора. Вони можуть бути виготовлені також масивними - зі сталі або чавуну, і в цьому випадку роль вторинної обмотки виконує саме тіло бігуна або ротора. Лінійну асинхронну машину можна виконати також у вигляді двох статорів, звернених друг до друга, і бігуном при цьому служить провідне тіло, розташоване в зазорі між сердечниками статорів. Провідне вторинне тіло у вигляді шини може бути також нерухомим, а «статор» - перебувати на екіпажі, що рухається. Такі пристрої перспективні для високошвидкісного пасажирського транспорту.

Рис. 2.10. Лінійна (а) і дугова (б) асинхронні машини

Принцип дії розглянутих машин однаковий із принципом дії нормальних асинхронних машин: що біжить або обертається поле статора індуктує в обмотці бігуна або ротора струми, у результаті взаємодії яких з магнітним полем виникають електромагнітні сили, що діють на бігун і ротор. У сталому режимі ковзання бігуна або ротора щодо магнітного поля звичайно невелике.

Особливістю дугової машини є те, що її швидкість обертання не пов'язана так жорстко із числом пар полюсів p і частотою f1, як у нормальній асинхронній машині. Дійсно, нехай статор машини (рис 2.10, б) має р пара полюсів і займає дугу із центральним кутом α. За один період струму обертове поле переміщається на 2τ або на кут α/p, а протягом однієї секунди поле робить



(2.13)

обертів. Вибираючи різні α, одержуємо різні швидкості обертання. При α=2π маємо нормальну асинхронну машину з



(2.14)

де - в обертах у секунду.

Лінійні асинхронні машини можна використати для одержання зворотно-поступального руху. При цьому виробляється періодичне перемикання обмотки статора (зміна чергування фаз) і машина працює в циклічному режимі прискорення, рухи і гальмування. Такий режим в енергетичному відношенні невигідний, тому що протягом кожного циклу роботи при прискоренні і гальмуванні бігуна даремно губиться відносно велика кількість енергії у вигляді тепла, яке виділяється в обмотках. Кількість загубленої енергії тим більше, чим більше маса бігуна і його максимальна швидкість. У зв'язку із цим двигуни зворотно-поступального руху не одержали помітного поширення.

У лінійній і дуговій асинхронній машинах виникають крайові ефекти, викликані тим, що їхні статори не замкнуті в кільце і мають кінцеву довжину. Внаслідок цього енергетичні показники лінійних і дугових машин гірше, ніж у нормальних асинхронних машин.


2.5 Магнітогідродинамічні машини змінного струму

Однієї з різновидів магнітогідродинамічних машин змінного струму є індукційні насоси для рідких металів, які підрозділяються на лінійні і гвинтові.



Рис. 2.11. Пристрій плоского лінійного індукційного насоса для рідких металів

Плоскі насоси (рис. 2.11) мають звичайно два індуктори, кожний з яких складається із сердечника 1 і багатофазної (звичайно трифазної) обмотки 2. Між індукторами перебуває плоский канал прямокутного перетину 3 з рідким металом. Стінки каналу залежно від властивостей рідкого металу можуть бути як металевими, так і керамічними. Між стінками каналу і індукторами в більшості випадків є шар теплової ізоляції. Рухливе магнітне поле індукторів наводить у рідкому металі струми, і внаслідок взаємодії цих струмів з магнітним полем виникають електромагнітні сили, що діють на частки рідкого металу. У результаті розвивається напір, і рідкий метал починає рухатися по напрямку руху поля з деяким ковзанням щодо нього.

Циліндричні насоси мають канал кільцевого перетину, усередині якого розташований сердечник без обмотки, а зовні - з обмоткою. Обмотка створює магнітне поле, що біжить уздовж осі каналу.

Уяву про гвинтовий індукційний насос можна одержати, якщо припустити, що ротор асинхронного двигуна загальмований, зубці ротора разом з обмоткою зрізані і у зазорі, що утворився між зовнішнім і внутрішнім сердечниками, навитий гвинтовий канал.

Індукційні насоси знаходять застосування в дослідницьких, транспортних і промислових установках з ядерними реакторами на швидких нейтронах, у яких для відводу тепла використаються рідкометалічні теплоносії (натрій, калій, їхні сплави і ін.). Створюються також різні установки для металургії і ливарного виробництва. Всі види індукційних насосів оборотні, і насоси можуть працювати в режимі асинхронного генератора, якщо по їхніх каналах за рахунок зовнішнього джерела прокачувати рідкий метал зі швидкістю вище швидкості руху поля. Магнітогідродинамічні генератори з рідкими металами, а також з парами рідких металів мають перспективи практичного застосування в різних енергетичних установках, у тому числі з ядерними реакторами. Запропоновано різні конструктивні різновиди подібних генераторів. Однак на шляху їхнього створення є різні труднощі, з яких можна відзначити проблему розгону рідких металів за рахунок теплової енергії, що втримується в них.


2.6 Асинхронний перетворювач частоти

Асинхронний перетворювач частоти (рис. 2.12) складається із трифазної асинхронної машини AM з фазним ротором і з'єднаного з нею приводного двигуна Д. Одна з обмоток асинхронної машини, наприклад обмотка статора, приключається до первинної мережі із частотою f1 а вторинна обмотка живить вторинну мережу струмом частоти ковзання f2=sf1.



Рис. 2.12. Схема асинхронного перетворювача частоти

Асинхронна машина AM працює або в гальмовому режимі противключення, коли s>1 і f2>f1, або в режимі двигуна, коли s<1 і f21. У руховому режимі ротор AM обертається в напрямку обертання поля, а в гальмовому - проти напрямку обертання поля. Генераторний режим роботи AM у перетворювачах частоти звичайно не використається.

Якщо зневажити втратами, то первинна потужність AM



P1=PЭМ, (2.15)

а вторинна потужність, або потужність ковзання,



P2=sPЭМ=s1, (2.16)

Механічна потужність, що розвиває двигуном Д.

При s>1, коли f2>f1, приводний двигун Д працює в режимі двигуна і Рмх>0. При s<1 двигун Д працює в дійсності в режимі генератора і Рмх<0.

Приводним двигуном Д звичайно служить асинхронний або синхронний двигун. Якщо вторинну частоту необхідно регулювати, то живлення первинної обмотки AM струмом змінної частоти відбувається від допоміжної синхронної або колекторної машини з регульованою частотою. Для цієї ж мети як двигун Д можна використати машину постійного струму і регулювати швидкість її обертання. Якщо f2>f1, то Р21, і для полегшення роботи контактних кілець і щіток як первинна обмотка зі струмом частоти f1 використовується обмотка ротора.

В найпростішому випадку, коли регулювання частоти f2 не потрібно, приводний синхронний або асинхронний двигун Д і первинну обмотку AM можна живити від загальної мережі із промисловою частотою f1. При цьому швидкість обертання приводного двигуна і усього агрегату, якщо у випадку використання асинхронного приводного двигуна зневажити його ковзанням, дорівнює

, (2.17)

де рд — число пар полюсів двигуна і знак плюс ставиться до рухового, а знак мінус — до гальмового режиму роботи AM.

Швидкість обертання поля ротора AM

, (2.18)

ковзання її ротора



(2.19)

і вторинна частота



(2.20)

Якщо, наприклад, рд = 1, рам = 2 і ротор AM обертається проти поля, то



(2.21)
2.7 Однофазні асинхронні машини

Основи теорії однофазних асинхронних двигунів

У тих випадках, коли споживання електричної енергії невелике (житлові будинки, торговельні підприємства і т.п.) або коли виконання трифазних мереж важко застосовуються однофазні електричні мережі. При цьому виникає необхідність використання однофазних двигунів змінного струму. Потужності однофазних двигунів звичайно відносно невеликі (до 5-10 кВт).

Однофазний асинхронний двигун має на статорі однофазну обмотку, а на роторі — обмотку у вигляді білячої клітки, як і у трифазного короткозамкненого двигуна. Можна уявити собі, що однофазний асинхронний двигун виходить із трифазного шляхом відключення однієї фази статора (рис. 2.13, а). Дві фази, що залишилися статора з фазною зоною 60° становлять тоді разом однофазну обмотку з фазною зоною 120°. Така однофазна обмотка володіє тим перевагою, що вона не створює в повітряному зазорі третьої гармоніки магнітного поля і має досить великий обмотувальний коефіцієнт.

Рис. 2.13 Схема (а) і діаграма струмів статора (б) однофазного асинхронного двигуна, розглянутого як трифазний з відключення однієї фази

Однофазний струм I1 статора однофазного двигуна створює пульсуюче магнітне поле, яке можна розкласти на два поля, що мають рівні амплітуди і обертові в протилежні сторони з однаковою швидкістю

(2.22)

При нерухомому роторі (n=0, s=1) ці поля створюють однакові за значенням, але різні за знаком моменти М1 і М2 (рис. 27). Тому при пуску результуючий момент



М = М1 + М2 (2.23)

двигуна, що не має спеціальних пускових пристосувань, дорівнює нулю і двигун не може прийти в обертання. Якщо, однак, ротор наведений в обертання в ту або іншу сторону, то один з моментів М1 або М2 буде переважати. Якщо при цьому М>Мст, то двигун досягне певної сталої швидкості обертання. Обоє напрямків обертання двигуна рівноцінні, і гальмовий режим роботи відсутній.

По своїх робочих властивостях однофазний двигун близький до трифазного, працюючому при сильному перекручуванні симетрії живлячих напруг. Тому енергетичні показники однофазного двигуна гірше, ніж у трифазного. Використання матеріалів в однофазного двигуна також гірше.

Рис. 2.14. Криві моментів однофазного двигуна

При однакових габаритах номінальна потужність однофазного двигуна становить не більше 50-60% від номінальної потужності трьох фазного двигуна. Це пов'язане з тим, що обмотка статора однофазного двигуна займає не всі пази і є зворотне поле, що зменшує обертаючий момент, збільшує втрати двигуна і викликає його додаткове нагрівання.

Трифазний двигун буде працювати в режимі однофазного двигуна, якщо відбудеться обрив однієї фази ланцюга статора (наприклад, перегоряння захисного плавкого запобіжника в одній фазі). При цьому наступає небезпечний для двигуна режим роботи.

Дійсно, корисна потужність двигуна в трифазному режимі

(2.24)

і в однофазному



(2.25)

При переході трифазного двигуна в однофазний режим швидкість обертання практично не зміниться, і тому потужність на валу . Якби к.к.д. і cosφ не змінилися, то струм в однофазному режимі I1 був би в разу більше струму в трифазному режимі I3. У дійсності η і cosφ зменшуються і збільшення струму буде більше. Якщо двигун ніс більше навантаження, то при переході в однофазний режим струм буде значно більше номінального, і якщо двигун при цьому не буде відключений, то в результаті перегріву він вийде з ладу. Робота «на двох фазах» є нерідкою причиною ушкодження трифазних двигунів при їхньому захисті плавкими запобіжниками, тому що струм перегоряння плавкої вставки доводиться вибирати рівним близько 2,5 Iн, щоб плавка вставка не перегоряла при пуску двигуна.

Режим роботи однофазного двигуни доцільно досліджувати як несиметричний режим роботи трифазного двигуна.

Відповідно до рис. 2.13, а



Ia = -Ib = I; Ic=0. (2.26)

Симетричні складові струми фази а статора при цьому будуть:



; (2.27)

де

; (2.28)



. (2.29)

Таким чином,



(2.30)

(2.31)

Первинна напруга двигуна



(2.32)

де Zcl і Zc2 — опору фаз трифазного двигуна для струмів прямої і зворотної послідовності, обмірювані з боку затискачів первинної обмотки і враховуючі також опору вторинної обмотки.

Підставивши в останню рівність

; (2.33)

і значення Iai і Iа2 з (), одержимо



(2.34)

де

(2.35)

і тому

(2.36)

Рис. 2.15. Схема заміщення однофазного асинхронного двигуна

Опори Zc1 і Zc2 являють собою опори схем заміщення. Відповідно до рівності (), ці опори з'єднуються послідовно, і тому схема заміщення однофазного двигуна має вигляд, зображений на рис. 2.15. Верхня частина схеми відповідає струмам прямої, а нижня - струмам зворотної послідовності. Тому що на підставі вираженні

(2.37)

те всі струми і напруги схеми рис. 2.15 в √3 рази більше їхніх симетричних складових. Необхідно підкреслити, що опори схеми рис. 2.15 є опорами фази трифазного двигуна і опору r'2, х'σ2 при прояві ефекту витиснення струму для верхньої і нижньої частин схеми різні через розходження частот прямій і зворотної складових струмів ротора. Обертаючий момент однофазного двигуна

(2.38)

або


. (2.39)

де вторинні струми I'21 і I'22 відповідають схемі заміщення рис. 2.15.

При сталості параметрів двигуна для його струмів існує кругова діаграма, що тут не розглядається.

Різновиди однофазних асинхронних двигунів

Як було встановлено вище, однофазний двигун з однією обмоткою на статорі не розвиває пускового моменту і не здатний прийти в обертання. У зв'язку із цим необхідні додаткові заходи для створення у двигуні пускового моменту. Ці міри спрямовані на посилення при пуску прямого поля і ослаблення зворотного, щоб при s = 1 було



. (2.40)

Найкращі умови пуску досягаються у випадку, коли зворотне поле при пуску повністю знищується і тому М2 = 0. Різні види однофазних асинхронних двигунів відрізняються один від іншого способами створення відмінного від нуля пускового моменту.



Рис. 29. Схема (а) і векторна діаграми (б) однофазного асинхронного двигуна з пусковою обмоткою



Двигуни з пусковою обмоткою (рис. 2.16) є найпоширенішими однофазними двигунами. У них, крім робочої обмотки Р с фазною зоною 120°, на статорі є також пускова обмотка П с фазною зоною 60°, зрушена щодо робочої обмотки на 90° ел. Послідовно з пусковою обмоткою включається фазозміщювальний елемент (опір) ZП для створення зрушення фаз ψ між струмами обмоток Iр і Iп.

Н. с. двох обмоток



(2.41)

у загальному випадку, коли Fр ≠ Fn і ψ ≠ 90° (рис. 2.17, а), становлять несиметричну двофазну систему векторів, яку можна розкласти на



Рис. 2.17 Векторні діаграми н.с. обмоток статора однофазного

асинхронного двигуна (а) і н.с. прямій (б) і зворотної (в) послідовності

системи прямій (F1) і зворотної (F2) послідовності. З огляду на, що замість оператора трифазної системи

(2.42)

для двофазної системи дійсний оператор



, (2.43)

для симетричних складових векторів н.с. пускової обмотки маємо

(2.44)

і для симетричних складових н.с. робочої обмотки



(2.45)

Симетричні складові системи векторів рис. 2.17, а відповідно до виразів () і () представлені на рис. 2.17, б и в.

Якщо Fn і Fp рівні і зрушені по фазі на 90°, тобто якщо

(2.46)

або


(2.47)

то, відповідно до виразів () і (), буде існувати тільки одна із симетричних складових н.с. Тому що обмотка зрушена в просторі також на 90° ел., то в цьому випадку виникає тільки одне обертове поле, як і у трифазному двигуні при симетричному навантаженні фаз.



Рис. 2.18. Схеми включення і вид механічних характеристик однофазних асинхронних двигунів з пусковою обмоткою (а, б) і конденсаторних (в, г)

У якості фазозміщувального елемента можуть бути використані активний (Zп=R), індуктивний (Zп = jw) і ємнісний ( ) опір (рис. 2.16). З огляду на, що опор самих обмоток мають активні і індуктивні складові, можна укласти, що при Zп=R і струм Iп буде випереджати Iр, а при Zп = jw струм Iп буде відставати від Iр. Зрушення φ = 90° може бути досягнуть тільки при ємнісному опорі. У двох інших випадках завжди створюються два поля, що обертаються у зворотні сторони, але одне з них буде сильніше, у результаті чого розвивається пусковий момент М и при Мпст двигун піде в хід. При Zn = jw напрямок обертання буде зворотним у порівнянні із двома іншими випадками.

Пускові умови будуть кращими при включенні ємності в пускову фазу. Однак необхідна ємність С досить велика, внаслідок чого розміри і вартість конденсатора також великі. Тому конденсаторний пуск застосовується порівняно рідко, лише при необхідності великого пускового моменту. Пуск за допомогою індуктивного опору дає найгірші результати і у цей час майже не використається. Найчастіше застосовується пуск за допомогою активного опору. При цьому звичайно сама пускова обмотка виконується з підвищеним активним опором (зменшений перетин обмотувального дроту, а також намотування частини витків котушок у біфіляр). Іноді застосовуються також схеми пуску, коли в одну фазу включається активне, а в іншу - індуктивний або ємнісний опір.

Після того як двигун при пуску досягне певної швидкості обертання, пускова обмотка відключиться за допомогою відцентрового вимикача, реле часу, струмового реле або вручну. При цьому двигун буде працювати тільки з робочою обмоткою.

Рис. 2.19. Деякі схеми включення трифазних асинхронних двигунів для роботи від однофазного ланцюга

Типовий вид механічних характеристик однофазних двигунів показаний на рис. 2.18, а і б. Штрихова лінія в області 0

Для роботи від однофазної мережі можуть бути використані також трифазні двигуни. До числа кращих схем включення таких двигунів відносяться схеми рис. 2.19. Дві нижні схеми рис. 2.19 застосовуються у випадку, коли виведені всі шість кінців обмотки. Двигуни із з'єднанням обмоток відповідно до схем рис. 2.19 практично рівноцінні двигунам, які спроектовані для роботи як однофазні. Номінальна потужність при цьому становить 40-50% від потужності в симетричному трифазному режимі. Після закінчення пуску фаза з пусковим опором відключається.


1   2   3   4   5   6   7   8


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка