книги / Электромонтер по обслуживанию буровых установок
..pdfРис. 37. Устройство асинхронного двигателя:
а — принцип действия; б — схема конструкции; в — короткозамкнутая обмотка ротора; г — кривая M=f(s)
(n2=7^ni), то такая скорость вращения называется асинхронной. Асинхронный двигатель развивает вращающий момент только при асинхронной скорости, т. е. при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля. Частота вращения может очень мало отличаться от частоты вращения поля, но принципиально важно, что при работе двигателя она
будет всегда меньше ( n 2 < . r i i ) частоты вращения поля. На рис. 37, а показана часть статора и ротора.
Поле статора, образованное трехфазным током, представ лено северным полюсом N, который вращается в пространстве и вокруг ротора по часовой стрелке с частотой вращения п\. Сле довательно, полюс N перемещается относительно проводника обмотки ротора сл-ева направо, в результате чего в этом про воднике индуктируется э. д. с., которая согласно правилу пра вой руки направлена на зрителя (знак точка). Если обмотка ротора замкнута, то под действием э. д. с. по этой обмотке течет ток, направленный в выбранном нами проводнике также на зрителя. В результате взаимодействия тока в проводнике об мотки ротора с магнитным полем возникнет сила F, которая стремится перемещать проводник в направлении, определяемом
по правилу левой руки, т. е. слева направо по направлению вра щения поля.
Если силу F, действующую на проводник обмотки ротора, умножить на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо приложения силы), то получим вращающий момент, развивае мый током данного проводника.
Для изменения направления вращения ротора (реверсирова ния) необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Это осуществляется изменением последовательно сти фаз обмоток статора.
На рис. 37, б показана схема устройства асинхронного двига теля. Сердечник статора набирается из стальных пластин тол щиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют, делая в них впа дины (пазы), и изолируют друг от друга лаком, окалиной или тонкой бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Пла стины собирают в отдельные пакеты и крепят в станине двига теля. Обмотка статора может соединяться звездой и треуголь ником.
Сердечник ротора также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или тонкой бумагой. Пластины штампуют с впадинами и собирают в пакеты, кото рые крепят на валу машины, образуя цилиндр с продольными пазами. В пазах укладывают проводники обмотки ротора. В за висимости от типа этой обмотки асинхронные машины могут быть с фазными и короткозамкнутыми обмотками ротора. Ко роткозамкнутую обмотку ротора выполняют по типу беличь его колеса (рис. 37, в). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными коль цами. Фазную обмотку ротора выполняют подобно статорной, т. е. проводники ее образуют трехфазную систему. Начала об моток ротора подключены к трехконтактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора. Кольца изолированы одно от дру гого и от вала и вращаются вместе с ротором. При вращении колец по поверхности их скользят угольные или медные щетки. Обмотка ротора может быть замкнута на какое-либо сопротив ление или накоротко при помощи щеток.
Преимущественное распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря простоте конструкции. При больших мощностях и в специальных случаях используется фазная обмотка.
Наряду с положительными качествами — простотой кон струкции, высокой надежностью, малой стоимостью — асин хронный двигатель имеет некоторые недостатки, из которых наиболее существенным является относительно низкий коэффи циент мощности (cos ф). Это объясняется большим потребле нием реактивной мощности, которая необходима для возбужде ния магнитного поля.
В рабочем режиме ротор двигателя вращается с частотой /г2, меньшей частоты п\ магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле,
имеющее большую скорость, вращается относительно |
ротора |
с частотой |
|
ns = nx— n2. |
( 59) |
Относительное отставание ротора от вращающегося магнит ного поля статора характеризуется скольжением s.
Скольжение представляет собой отношение частоты враще ния магнитного поля статора относительно вращающегося ро тора к частоте вращения поля статора в пространстве, т. е.
s = п8/пх= (пг— п2)1пх. |
(60) |
Эта формула определяет скольжение в относительных еди ницах. Если ротор неподвижен (я2= 0), то скольжение равно единице или 100%. Если ротор вращается синхронно с магнит ным полем (n2 = rii), то скольжение равно нулю.
У современных асинхронных двигателей в рабочем режиме при полной нагрузке 5 = 0,03-^0,05 (3-ь5%). Частоту вращения ротора можно определить из следующих соотношений:
п2== пх—tls= tlx(1 —s) = 6Qk (1—s). |
(61) |
p |
|
Двигатель будет работать устойчиво с постоянной частотой вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращаю щий момент двигателя Л1вр равен тормозному моменту на валу двигателя МТоРМ, который развивает приемник механической энергии:
Л 1Вр = Л^торм»
Любой нагрузке машины соответствует определенная частота вращения ротора п2 и определенное скольжение s. Магнитное поле статора вращается относительно ротора с частотой ns и индуктирует в его обмотке э. д. с. Е2у под действием которой по замкнутой обмотке ротора протекает ток силой 12. Если на грузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной мо мент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормоз
ной момент окажется |
больше вращающегося. |
Это приведет |
к уменьшению частоты |
вращения ротора, а |
следовательно, |
к увеличению скольжения. В связи с этим магнитное поле ста тора будет пересекать проводники обмотки ротора чаще; э. д. с. Е2у индуктированная в обмотке ротора, возрастет, а в резуль тате увеличится как сила тока в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент. Скольжение и сила тока в ро торе будут увеличиваться до наступления равновесия моментов, т. е. когда вращающий момент станет равным тормозному. Так же протекает процесс изменения частоты вращения ротора и
73
развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению ча стоты вращения ротора или к уменьшению скольжения. В ре зультате уменьшаются э. д. с. и сила тока в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь стано вится равным тормозному моменту.
Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней э. д. с. Еи которая уравновешивает приложенное напряжение сети U\.
Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении ста торной обмотки, которое мало по сравнению с э. д. с., то можно допустить, что Ui^Ei.
Таким образом, при неизменном напряжении сети будет не изменна э. д. с. обмотки статора.
Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре ма шины, так же как в трансформаторе, при любом изменении на грузки останется постоянным. Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено навстречу магнитному полю, создаваемому током обмотки статора. Чтобы результи рующий магнитный поток в машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее маг нитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено маг нитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении силы тока в обмотке ротора увеличивается и сила тока в обмотке статора.
Таким образом, работа асинхронного двигателя принци пиально подобна работе трансформатора, у которого при увели чении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первич ной обмотке.
Вращающий момент асинхронного двигателя
Вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с то ками в проводниках обмотки ротора. Поэтому вращающий мо мент зависит как от магнитного потока статора Ф, так и от силы тока в обмотке ротора / 2. Однако в создании вращающего момента участвует только активная мощность, потребляемая машиной из сети. Вследствие этого вращающий момент зависит не от силы тока в обмотке ротора / 2, а только от его активной составляющей, т. е. / 2соэфг, где ф2 — фазный угол между э. д. с. и током в обмотке ротора. Эта зависимость выражается фор мулой
Л1 = сФ/ 2cos ф2» |
(62) |
где с — конструктивная |
постоянная машины, зависящая от чи |
сла ее полюсов и фаз, числа витков обмотки статора, конструк тивного выполнения обмотки.
При условии постоянства приложенного напряжения к дви гателю магнитный поток остается также почти постоянным. Та ким образом,
М= 12 СОБ'фз-
Изменение нагрузки или тормозного момента на валу двига теля изменяет его скольжение. Изменение скольжения вызывает изменение как силы тока в роторе / 2, так и ее активной состав ляющей / 2cos ^ 2.
Зависимость момента асинхронного двигателя от напряже
ния, скольжения и сопротивлений обмоток имеет вид |
|
М = |
(63) |
где Uф — фазное напряжение на зажимах двигателя; |
г2 — ак |
тивное сопротивление обмотки ротора, приведенное к числу вит ков обмотки статора; Х\ — индуктивное сопротивление обмотки статора; х2— индуктивное сопротивление обмотки ротора, при веденное к числу витков обмотки статора; s —скольжение; <оо — угловая скорость вращения магнитного поля.
Как видно из формулы (63), вращающий момент пропор ционален квадрату напряжения, приложенного к его зажимам. Поэтому изменение напряжения в сети вызывает изменение вращающего момента.
На рис. 37,2 приведена механическая характеристика асин хронного двигателя, на которой можно выделить следующие ха рактерные токи: 0 — это точка на характеристике, где двигатель не развивает момента, так как скольжение здесь равно нулю; А — рабочая точка, при которой вращающий момент равен тор мозному (ЛГВр = МТОрм) в устойчивой зоне работы; Б —точка, со ответствующая максимальному вращающему моменту Мтах. При этом значении Л4тах скольжение носит название критиче ского скольжения 5К; В — точка при Мвр = Л4ТОрм в неустойчивой зоне работы; Г — точка, соответствующая заторможенному со стоянию двигателя, при котором 5=1.
Устойчивая работа двигателя возможна только на восходя щей ветви кривой зависимости момента от скольжения, т. е. при изменении скольжения от 0 до sK. При скольжении s>sK устойчивая работа асинхронного двигателя невозможна, так как здесь не обеспечивается устойчивое равновесие моментов.
Критическое скольжение |
можно подсчитать по формуле |
||
|
|
|
(64) |
где 5Н— скольжение, |
соответствующее |
номинальному моменту; |
|
Ми— номинальный |
момент |
двигателя; |
Afmax — максимальный |
момент двигателя. |
|
|
|
При включении асинхронного двигателя в сеть по обмоткам его статора и ротора будут протекать токи, в несколько раз пре вышающие номинальные. Это объясняется тем, что при подвиж ном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его об мотку с высокой скоростью, равной частоте вращения магнит ного поля в пространстве, и индуктирует в этой обмотке боль шую э. д. с. Последняя создает большой ток в цепи ротора, что вызывает возникновение соответствующего тока и в обмотке статора. При увеличении частоты вращения ротора скольжение уменьшается, что приводит к понижению э. д. с. и тока в об мотке ротора, а также тока в статоре.
Большой пусковой ток может вызвать перегрев его обмоток и преждевременное старение изоляции. Из-за больших пуско вых токов возникает значительная потеря напряжения в сети, что отрицательно сказывается на работе других приемников энергии, включенных в эту же сеть.
В связи с этим, если сеть не рассчитана на большие пуско вые токи или заводы — изготовители электродвигателей ограни чивают их значения, применяются схемы пуска с ограничением пускового тока.
К ним относятся следующие схемы: а) пуск двигателя с фаз ным ротором (рис. 38,а); б) пуск короткозамкнутого электро двигателя при пониженном напряжении — реакторный пуск, ав тотрансформаторный пуск; в) пуск короткозамкнутого двигателя переключением обмоток со звезды на треугольник (рис. 38,6).
Двигатели с фазным ротором обладают хорошими пуско выми свойствами, так как для уменьшения пускового тока обмотка ротора на время пуска замыкается на активное сопро тивление. При включении активного сопротивления в цепь об мотки ротора увеличивается активная составляющая тока ро тора, и, следовательно, вращающий момент, развиваемый дви гателем при пуске в ход.
Реакторный и автотрансформаторный пуск в настоящее время практически распространения не получили, так как все
Рис. 38. Схемы пуска асинхронного двигателя
электродвигатели на напряжение 6—10 кВ допускают прямой пуск. Иногда для уменьшения напряжения на зажимах двига теля применяют включение активного или реактивного сопро тивления в цепь статора. Этот способ обладает существенным недостатком в связи с тем, что при уменьшении напряжения в п раз вращающий момент уменьшается также в п раз. По этому такой способ применяется при спуске двигателя с малыми нагрузками или на холостом ходу.
При способе пуска переключением обмотки статора со звезды на треугольник в момент пуска обмотка статора соеди няется звездой, а после разгона ее переключают на треуголь
ник. При |
этом пусковой ток в сети уменьшается |
примерно |
в 3 раза. |
Этот способ'пуска можно применять для |
двигателя, |
обмотки статора которого при питании от сети данного напря жения нормально должны быть соединены треугольником.
Улучшение пусковых характеристик может быть достигнуто изменением конструкции ротора. В качестве таких конструкций широко используют роторы с двойной короткозамкнутой обмот кой и с глубокими пазами.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Частота вращения ротора определяется выражением |
|
n2= - ^ ( l - S ) . |
(65) |
р |
|
Из этого выражения видно, что частоту вращения ротора мо жно регулировать изменением числа пар полюсов р, частоты тока сети fi и скольжения s.
Изменять число пар полюсов можно, если на статоре име ется несколько обмоток с различным числом полюсов или одна обмотка, допускающая переключения на различное число полю сов. На рис. 39, а схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Ток, протекая по ним, соз дает магнитное поле с четырьмя полюсами. Если изменить
Рис. 39. Схема переключения обмоток статора
направление тока в одной из катушек, включив их встречно, то
обмотка будет создавать |
двухполюсное магнитное |
поле (рис. |
39, 6 ). Недостаток этого |
способа — ступенчатость |
регулирова |
ния. Заводы СССР выпускают двух-, трех- и четырехскоростные двигатели на^синхронную частоту вращения 500—750—1000— 1500 об/мин.
Для изменения частоты тока сети fi необходимо иметь спе циальный генератор или преобразователь частоты.
Изменить скольжение s можно введением в цепь обмотки фазного ротора регулировочного реостата. Этот способ хотя и прост, но неэкономичен, так как в регулировочном реостате про исходит значительная потеря энергии. Несмотря на это, он на шел широкое применение.
Синхронный генератор
Синхронный генератор состоит из статора, в котором укла дывается многофазная обмотка, ротора с обмоткой, возбудителя и щеточного аппарата.
Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явновы* раженными (выступающими) полюсами, либо с неявновыраженными полюсами, т. е. без выступающих полюсов. Явнополюсный
генератор |
применяется при малой частоте вращения — гидро |
|
генераторы |
(рис. 40, б), а неявнополюсный при |
большой час |
тоте вращения — турбогенераторы (рис. 40, а). |
---- |
|
При протекании постоянного тока по обмотке ротора и при ведении его во вращение от какого-либо первичного двигателя (электродвигатель, турбина, двигатель внутреннего сгорания) в обмотке статора создается э. д. с., которая согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока по люсов, пропорционального току (ток возбуждения ротора). Та ким образом, изменением тока возбуждения ротора можно ме нять величину э. д. с. и напряжения генератора.
Если синхронный генератор не нагружен (холостой ход), то тока в обмотках статора нет и напряжение на его зажимах бу дет равно э. д. с.
При нагрузке генератора ток в обмотке статора не равен нулю, и, следовательно, напряжение на зажимах генератора не равно э. д. с., так как в сопротивлении (активном и реактив ном) обмотки статора возникает падение напряжения. Кроме того, токи, протекающие по обмоткам статора, создают поток реакции якоря, который воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнитный поток не будет равен магнитному по току полюсов на холостом ходу генератора. Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в обмотке статора генератора, будет вызы вать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.
На рис. 40, в изображены внешние характеристики синхрон ного генератора, показывающие изменения напряжения на за-
78
Рис. 40. Устройство синхронного генератора н его характери стики:
1 — индуктивная; 2 — активная; 3 — емкостная
жимах генератора при изменении тока для активной и реак тивной нагрузок.
Любой приемник электрической энергии требует постоян ства напряжения сети. Чтобы обеспечить неизменное напряже ние сети при изменении нагрузки у синхронного генератора, ре гулируют ток возбуждения. Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось постоянным, называется регулировоч ной характеристикой (рис. 40, г).
Синхронный двигатель
Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструк тивных отличий от синхронного генератора.
При включении трехфазной обмотки статора в сеть пере менного тока создается вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого равна
«1 = 60/Ур.
На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, под ключаемая к источнику постоянного тока. Ток возбуждения соз дает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами обмотки статора, увлекает за собой по люсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синх ронной частотой, т. е. с частотой, равной частоте вращения поля статора. Таким образом, частота вращения синхронного двига-
Рис. 41. Магнитные поля ста тора и ротора синхронного двигателя:
а — при холостом ходе; б — при нагрузке
теля строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.
На рис. 41 результирующее магнитное поле статора и поле ротора в некоторой точке окружности статора изображены по люсами различной полярности (N и S).
Если на валу двигателя нет никакой нагрузки, т. е. он рабо тает вхолостую, то, пренебрегая механическими потерями в дви гателе, можно считать, что ротор следует за полем статора и оси магнитных полей статора и ротора совпадают, т. е. угол между осями магнитных полей статора и ротора 0 = 0 (рис. 41, а). Если на валу двигателя приложить некоторый тормозной момент Мт, развиваемый приемником механической энергии, то ротор на какой-то отрезок времени уменьшит свою частоту вра щения. Магнитное поле статора, вращающееся с неизменной частотой, начнет перемещаться относительно ротора, и угол ме жду осями статора и ротора 0^=0. При этом магнитные линии, растягиваясь и стремясь замкнуться кратчайшим путем, будут воздействовать на ротор так, чтобы ось поля ротора приблизи лась к оси поля статора. Таким образом, при появлении угла между осями магнитных полей статора и ротора 0 двигатель развивает вращающий момент Мв. После восстановления рав новесия моментов, когда вращающий момент станет равен мо менту тормозному (МВ= МТ), ротор вновь будет вращаться синхронно с полем статора при неизменной величине угла 0 .
При увеличении нагрузки двигателя, т. е. при увеличении тормозного момента на его валу Мт, ротор вновь несколько уменьшит свою скорость и угол 0 начнет увеличиваться. Маг нитные линии растягиваются больше, увеличивая вращающий момент Л4В, и равновесие моментов МВ=МТ наступает при боль шем значении угла 0 .
Уменьшение нагрузки на валу двигателя вызывает уменьше ние угла 0 .
Основное достоинство синхронных двигателей — возможность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает costp, компенсируя реактивную мощность, потребляемую другими приемниками энергии.
Возбуждение синхронных двигателей осуществляется либо от
во