Типы электрических машин. Лекция 1 презентация

Асинхронные машины
(асинхронные двигатели)

95% приводов производственных механизмов имеют в своем составе асинхронный двигатель
(насосно-компрессорные, кузнечно-прессовые, подъемно-транспортные системы; устройства электропривода станков; медицинское оборудование и бытовые приборы)

Асинхронные машины:
Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.
Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора.

Достоинства:
простота конструкции
низкая себестоимость
надежность (нет легко повреждающихся частей)
высокий срок службы
высокий пусковой момент
высокая перегрузочная способность
может работать с длительной перегрузкой, допускает частые пуски и реверсы
Основной недостаток - сложность регулирования частоты вращения.

История создания асинхронных машин:
Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесла, который в Будапеште весной 1882 г. решил проблему создания вращающегося магнитного поля при помощи неподвижной многофазной обмотки переменного тока, а в 1884 г. в Страсбурге продемонстрировал действующую модель своего двигателя.
Ни́кола Тесла
(1856-1943) — физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники.

История создания асинхронных машин:
Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт.
Галилер Феррарис (1847 -1897), Итальянский физик и инженер-электрик.
Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин.

История создания асинхронных машин:
В 1889 г. Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», а в 1890 г. — патенты в Англии и Германии на трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.
Михаил Осипович Доли́во-Доброво́льский (1861-1919) — русский электротехник польского происхождения, один из создателей техники трёхфазного переменного тока, немецкий предприниматель.

Мощность асинхронных двигателей составляет от десятков мегаватт до долей ватт.
Выпускаются двигатели в виде серий, охватывающих определенный набор мощностей, частот вращения и напряжений. Машины одной серии имеют общее конструктивное решение, технологию изготовления и однотипность материалов (4А от 0,06до 400 кВт).

В основе устройства АД лежит свойство 3х фазных систем создавать вращающееся магнитное поле
Принцип действия АД
+
N
S
n1
n2
Частота вращения магнитного поля n1
Частота вращения рамки n2
По закону Ампера на рамку,
пересекаемую магнитным полем,
действует сила, создающая вращающий момент.

При этом n2< n1, т.к. момент силы
возникает только при пересечении
витка магнитным полем.
Устройства, у которых скорость
вращения ротора (рамки)
не совпадает со скоростью вращения
магнитного поля, называются
асинхронными.

Относительное отставание
частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля называется скольжением “S”
Sn = n1 – n2 называется частотой скольжения

Устройство асинхронной машины

Асинхронная машина состоит из двух частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора.

Конструкция статора
Сердечник статора – полый цилиндр, собранный из отдельных колец, штампованных из листов электротехнической стали (0,5 мм). Кольца изолированы друг от друга слоями лака (для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи)

Собранный пакет колец статора запрессован в корпус – станину (чугун), которая крепится к неподвижному жесткому основанию.
В пазах статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка состоит из нескольких последовательно включенных катушек

Конструкция статора
станина
сердечник
обмотка
лапа

1 – станина;
2 – внутренняя поверхность листов;
3 – трехфазная обмотка

Устройство асинхронного двигателя:
Устройство статора асинхронного двигателя:
1 - сердечник,
2 - обмотка,
3 - станина,
4 - щиток
Сердечник 1 статора набирается из стальных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с впадинами (пазами), изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи, собирают в отдельные пакеты и крепят в станине 3 двигателя.

Начала и концы фаз обмоток статора выведены на клеммник, закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда или треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 660В по схеме звезда или в сеть с Uл=380В – по схеме треугольник.

Устройство асинхронного двигателя:
Соединение зажимов на щитке двигателя
при включении обмотки статора:
а - треугольником,
б - звездой

На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные: РН, UН, IН, nН, а также тип машины.
РН – это номинальная полезная мощность (на валу)
UН и IН – номинальные значения линейного напряжения и тока для указанной схемы соединения.
Например, 380/220, Y/∆, IНY/IН∆.
nН – номинальная частота вращения в об/мин.

Тип машины, например, задан в виде 4A315S8.
Это асинхронный двигатель (А) четвёртой серии защищённого исполнения.
315 – высота оси вращения в мм;
S – установочные размеры (они задаются в справочнике);
8 – число полюсов машины.

Устройство асинхронного двигателя:
Короткозамкнутый ротор
Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя:
а - устройство,
б - обмотка;
1 - сердечник,
2 - проводники,
3 - медные кольца
Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется по типу беличьего колеса (изо, б). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными кольцами.

1 – вал; 2 – ; 3 – стержни, которые закладываются в пазы сердечника ротора; 4 – торцевые кольца
Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью.

Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.

Устройство асинхронного двигателя:
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки».
Достоинства - легкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Устройство асинхронного двигателя:
Фазный ротор
Фазная обмотка ротора выполнена подобно статорной, т. е. проводники соответствующим образом соединены между собой, образуя трехфазную систему.
Обмотки трех фаз соединены звездой. Начала этих обмоток подключены к трем контактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора.
Обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Обмотка фазного ротора выполняется изолированным проводом (обычно трехфазная с тем же числом катушек, что и обмотка статора).
Три конца фазных обмоток ротора соединяются звездой, а свободные концы соединяются с тремя контактными кольцами (чугун или медь), укрепленными на валу машины.

На кольца наложены щетки, установленные в щеткодержателях. Через щетки и кольца обмотка присоединена к трехфазному реостату.

Короткозамкнутый ротор
Фазный ротор

Асинхронная машины с фазным ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки.

Коллекторный узел

Устройство асинхронного двигателя:
Наиболее существенным недостатком является относительно низкий коэффициент мощности (cosφ).
У асинхронного двигателя cosφ при полной нагрузке может достигать значений 0,85—0,9; при недогрузках двигателя его cosφ резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2—0,3.

Устройство асинхронного двигателя:
В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей воздушный зазор стремятся делать возможно меньшим, доводя его у малых двигателей (порядка 2—5 кВт) до 0,3 мм.
В двигателях большой мощности воздушный зазор приходится увеличивать по конструктивным соображениям, но все же он не превышает 2—2,5 мм.

Статор
Создание вращающегося магнитного поля

Выбираем моменты времени через одну шестую часть периода. Для каждого из этих моментов последовательно изобразим направления результирующего магнитного поля внутри статора трехфазной машины, которая имеет три обмотки по одному витку. Начала обмоток обозначим буквами А, В, С, а концы – X, Y, Z.

Ток в начале обмотки будем
считать направленным к нам,
если его значение положительно

За период направление суммарного магнитного поля сделает один оборот. В этом случае обмотка статора создаст магнитное поле с одной парой полюсов (р=1).
При стандартной частоте переменного тока f=50 Гц частота вращения магнитного поля статора двухполюсной машины

Таким образом, внутри статора существует постоянное по значению равномерно вращающееся магнитное поле.
Основное условие создания такого поля – пространственный и временной сдвиг токов на 120 градусов.

Если поменять любые две фазы местами, то изменится направление вращения магнитного поля (реверсирование)
Видоизменив обмотку статора, можно получить вращающееся магнитное поле с несколькими парами полюсов.
Если каждая фаза будет состоять из двух катушек, cдвинутые на 1800, то магнитное поле будет иметь 2 пары полюсов (р=2)

В этом случае частота вращения поля будет в 2 раза меньше, чем для р=1.
Число пар полюсов можно сделать любым, при этом частота вращения магнитного поля будет определяться по формуле:

Частоты вращения магнитного поля

Режимы работы трехфазной асинхронной машины
Режим двигателя: на обмотку статора подается симметричная система токов и в машине создается вращающееся магнитное поле с частотой вращения nC.
Силовые линии этого поля пересекают обмотку ротора, и в ней по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, и по обмотке ротора протекают токи.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля и токов ротора создает вращающий момент, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения n2 соответствует равенству вращающего момента МВР тормозному МТ, приложенному к валу от приводимого во вращения механизма и внутренних сил трения.

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:
В режиме двигателя, т.е. преобразование электрической энергии в механическую

Если на работающем двигателе ротор разогнать с помощью двигателя до частоты > n1 в том же направлении, то машина перейдет в генераторный режим и избыток механической мощности преобразуется в электрическую.
Режим генератора

Режим электромагнитного тормоза (S ≥ 1).
Ротор вращается в направлении, противоположном направлению вращения поля статора.
Это возможно при реверсе (поле поменяло направление вращения, а ротор все еще вращается в противоположном направлении (если МТ>МВР).
Применяется для быстрой остановки двигателя, для торможения приводного механизма (крановые и подъемные устройства при спуске грузов)

двигатель
генератор
тормоз

В первом квадранте графика машина работает в режиме двигателя «Д», здесь n1 > n2. В точке «А» двигатель работает в своѐм номинальном режиме, здесь sн = 2 – 3 %. Во втором квадранте графика машина работает в режиме генераторного рекуперативного торможения «ГРТ», здесь ротор вращается быстрее, чем магнитное поля статора (n2 > n1). В этом режиме машина развивает тормозной момент и отдаѐт энергию в сеть. В четвѐртом квадранте машина работает в режиме электромагнитного тормоза «ЭТ». Машина переходит в этот режим при смене порядка чередования фаз источ-ника питания.

Влияние скольжения на работу асинхронных машин
Работающие под нагрузкой АД имеет: n1=const, n2 =f(s) – т.е зависит от величины нагрузки на вал машины.
С увеличением нагрузки n2
S
Магнитное поле чаще пересекает
обмотки ротора, ток в ротора растет и магнитное поле ротора размагничивает поле статора, что вызывает автоматическое увеличение тока в статоре, т.е увеличивается отбор мощности из сети

С уменьшением нагрузки на вал машины,
по аналогии, уменьшается отбор
мощности от сети.
Это автоматическое саморегулирование
асинхронной машины.
Мт
n2
s
Е2
I2
Мвр
n2
Мвр = Мт

Влияние S на частоту э.д.с. ротора и ее величину
E1= 4.44 f1w1ФМ
E2= 4.44 f2s w2ФМ
f1-частота сети,
f2s – частота изменения магнитного поля во вращающемся роторе
W1 и W2- число витков в фазных обмотках статора и ротора,
ФМ – магнитный поток статора
f1 ≠ f2s

n s = (n1 – n2 )/ n1 частота скольжения
f2s = nsp где р – число пар полюсов
f2s = (n1 – n2 )pn0 /n0 = sf1
Тогда Е2s = sE20
где E20 -э.д.с. ротора в состоянии покоя

Влияние S на индуктивное сопротивление ротора и на ток в роторе
Комплексное сопротивление ротора
ZP = R2+ jX2
X2s = w2L
X2s = 2πf2sL = 2πf1sL = X20s
R2<

Электромагнитный момент и механические характеристики 3-х фазного АД
CМ – постоянный коэффициент
Ток в роторе
Ψ2s –угол между I2 и Е2
ФМ – магнитный поток статора

Участок от 0 до МНОМ
Участок от МНОМ до ММАХ это возможная перегрузка

Участок Ммах до МПУСК (S = 1) это неустойчивый режим.
Для расчета момента можно использовать уравнение Клосса.

Рабочие характеристики АД
MB,I1,n2
cosφ1
P2
MB
n2
η
cosφ
I1
η

Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД
Для того, чтобы векторы ЭДС, напряжений и токов обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме, необходимо все параметры обмотки ротора привести к обмотке статора.
Т.о. обмотку ротора с числом фаз m2, обмоточным коэффициентом kоб 2 и числом витков w2 заменяют обмоткой с числом фаз m1, обмоточным коэффициентом kоб 1, и числом витков w1.
Пересчет реальных параметров обмотки ротора выполняется при условии, что все мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС, напряжений и токов обмотки ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения.

Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД

Этим уравнениям соответствует схема замещения АД, на которой магнитная связь обмоток статора и ротора заменена электрической:
Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД

Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД
АД аналогичен трансформатору, работающему на активную нагрузку.
В режиме холостого хода: M2=0 и S≈0,
Если момент нагрузки на валу АД превышает его вращающий момент Mс> M2 и двигатель останавливается, то S=1
Более удобной для практического применения является Г-образная схема замещения АД, у которой намагничивающий контур вынесен на входные зажимы схемы

Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД
Для того, чтобы намагничивающий ток I0 не изменил свое значение, в этот контур последовательно включают r1 и x1.
Схема замещения имеет два контура: намагничивающий и рабочий.
Для АД с мощностью P >1 кВт коэффициент с1→1

Электромагнитный момент и механические характеристики АД
следовательно, электромагнитный момент АД пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.

Электромагнитный момент и механические характеристики АД

Рабочие характеристики АД
К рабочим характеристикам относятся зависимости от полезной мощности :
Увеличение активного сопротивления ротора r2 приводит к росту наклона характеристики.

Рабочие характеристики АД

Рабочие характеристики АД

Пуск и регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Пусковые свойства АД определяются значениями
пускового тока I п и пускового момента Мп:
В момент пуска S =1
Пуск асинхронных двигателей с к. з. ротором
а) пуск непосредственным включением в сеть:
Применяется в АД мощностью до (30÷50) кВт
пусковой ток Iп = (5 ÷7) Iн , но значительный Мп

б) пуск при пониженном напряжении:
снижение пускового тока I п сопровождается снижением пускового момента Мп
Пуск асинхронных двигателей с к. з. ротором
Понижение напряжения посредством реакторов и автотрансформаторов

- переключением обмотки статора со звезды на треугольник
б) пуск при пониженном напряжении:
Пуск асинхронных двигателей с к. з. ротором

Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором

АД с КЗР и улучшенными пусковыми характеристиками
- двигатель с глубокими пазами на роторе
- эффект «вытеснения тока»
- пазы ротора «бутылочной формы»
- двигатель с двумя клетками
на роторе

Регулирование частоты вращения АД
Частоту вращения ротора АД можно регулировать изменением:
1) скольжения S;
2) частоты тока в обмотке статора f1;
3) числа пар полюсов в обмотке статора p.
1) Изменение скольжения возможно:
а) изменением подводимого напряжения;
б) нарушением симметрии этого напряжения;
в) изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Регулирование частоты вращения АД
Вращающееся магнитное поле становится эллиптическим и приобретает обратную составляющую, создающую тормозящий момент Мобр.
Возможно лишь в АД с фазным ротором
Недостатки этого способа:
- неэкономичность (из-за роста потерь в цепи ротора);
- рост влияния нагрузки на частоту вращения;
- регулирование n2 только «вниз».
Достоинство:
- обеспечение улучшенных пусковых характеристик.

Регулирование частоты вращения АД
за счет использования источников питания с регулируемой частотой тока
- преобразователей частоты (электромашинных, ионных, полупровод-никовых и т.д.)
Достоинство: широкий диапазон регулирования (до 12:1)
Недостаток: преобразователь частоты значительно удорожает установку.
Этот способ применяется: 1) для одновременного регулирования группы АД, работающих в одинаковых условиях;
2) в пожаро и взрывоопасных средах, где применение коллекторных двигателей недопустимо.
3) Изменением числа полюсов обмотки статора
- путем укладки такой обмотки, конструкция которой позволяет получать различное число полюсов, переключая катушечные группы.
Ступенчатое регулирование (при f1=50 Гц)
Применяется только в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором.
(В АД с фазным ротором пришлось бы переключать и обмотку ротора.)

Пуск 3-х фазного АД в ход
Пусковые свойства определяются величинами: пусковым током,
начальным пусковым моментом,
плавностью и экономичностью пускового процесса,
длительностью пуска.
Пусковые свойства АД определяются особенностями его конструкции, в частности устройством ротор

§ 8.1 Пуск АД с фазным ротором

Пуск АД с короткозамкнутым ротором
Прямой пуск. Применим для АД с короткозамкнутым ротором мощностью Р2 ≤ 100 кВт.
Для пуска необходим рубильник или масляный выключатель.

Пуск при пониженном напряжении.
Для уменьшения Iпуск на время понижают напряжение между выводами фазных обмоток статора, включив последовательно с обмоткой статора трехфазную катушку индуктивности.
Такой способ уменьшение Iпуск вызывает уменьшение Мпуск, пропорционального квадрату напряжения.

Использование АД с короткозамкнутым ротором специальной конструкции
1. Обмотка ротора - двойная беличья клетка, т.е. ротор снабжен 2 клетками, лежащими одна над другой: наружной — пусковой (из марганцовистой латуни) и внутренней — рабочей (из меди).
2. применение АД с глубоким пазом.
Обмотка ротора изготовляется из прямоугольных стержней малой ширины и большой высоты, которые помещаются в глубокие пазы в сердечнике ротора.

Регулирование частоты вращения 3-х фазного АД
Частота вращения ротора
АД с короткозамкнутым ротором:
- метод частотного регулирования:
-метод изменения числа пар полюсов вращающегося магнитного поля.
АД с фазным ротором - метод реостатного
регулирования.

Метод частотного регулирования
Это плавное регулирование частоты вращения магнитного поля путем регулирования частоты тока в обмотках статора
Достоинства:
-плавность и большой диапазон регулирования частоты,
-экономичность, т.к. не выделяются дополнительные потери.

Схема включения АД с частотным регулированием скорости

Механические характеристики.

Метод изменения числа пар полюсов
Основан на изменении числа пар полюсов вращающегося магнитного поля статора, т. е. на изменении частоты вращения магнитного поля n1 = 60⋅f1/р
1 способ (у АД небольшой мощности): на статор поместить две отдельные обмотки.
2 способ (у АД большой мощности): путем изменения схемы соединения катушек одной обмотки статора, что приведет к изменению числа пар полюсов
При f1 =const
зависит только от р

Метод реостатного регулирования
Применяется у АД с фазным ротором.
В цепь обмотки ротора вводится трехфазный реостат, рассчитанный на длительный режим работы и называют регулировочным реостатом.

Комплексная мощность трехфазного асинхронного двигателя
где
активная и реактивная мощности двигателя

Активная мощность определяет среднюю мощность необратимого преобразования электрической энергии в механическую, тепловую и другие виды энергии, а реактивная мощность – максимальную мощность обмена энергией между источником и магнитным полем двигателя

Коэффициент полезного действия АД
Р2 - полезная мощность на валу
Р1 – мощность потребляемая из сети

Энергетическая диаграмма двигателя

мощность потерь на нагревание проводов обмотки статора (потери в меди);
мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в обмотке статора (потери в стали);
электромагнитная мощность, передаваемая ротору;
мощность потерь на нагревание проводов обмотки ротора (потери в меди);
механическая мощность;

добавочные потери (создаются пульсациями магнитного поля);
механические потери;
полезная механическая мощность, отдаваемая на валу двигателя
Мощность потерь в роторе пропорциональна S,
Поэтому АД конструируется так, чтобы nНОМ≈ n1.

Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели
Принцип действия однофазного АД
Устройство однофазного АД: - статор, в пазах которого уложена однофазная обмотка;
- короткозамкнутый ротор.
При включении в сеть МДС обмотки статора создает пульсирующий магнитный поток, который можно разложить на два потока Фпр и Фобр, вращающихся в противоположные стороны с частотой nпр= nобр= n1.

Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели
Следовательно, частота токов в роторе, наведенных прямым и обратными потоками f2обр >>f2пр, а индуктивное сопротивление обмотки ротора току I2обр во много раз больше активного сопротивления.
Этот ток I2обр является почти чисто индуктивным и оказывает сильное размагничивающее влияние на обратное поле Фобр и тогда Mобр << Mпр.
В результате однофазный АД имеет вращающий момент M = Mпр - Mобр
При Sпр= Sобр=1 момент Mпр = Mобр
Пусковой момент однофазного АД равен нулю

Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели
Для создания пускового момента необходимо во время пуска создать вращающееся магнитное поле.
С этой целью применяют пусковую обмотку В.
Обмотки А и В располагают на статоре со смещением на 90 эл. градусов.
Токи в обмотках статора IА и IВ должны быть сдвинуты по фазе на 900.
Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (чаще всего С).
После достижения частоты вращения близкой к номинальной пусковую обмотку отключают.