Преимущества и недостатки. Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин

Введение

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Потребности народного хозяйства удовлетворяются главным образом двигателями основного исполнения единых серий общего назначения, то есть применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические и конструктивные модификации двигателей, модификации для разных условий окружающей среды, предназначенные для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного исполнения серий с максимально возможным использованием узлов и деталей этого исполнения.

В некоторых приводах возникают требования, которые не могут быть удовлетворены двигателями единых серий. Для таких приводов созданы специализированные двигатели, например электробуровые, краново-металлургические и др.

Электромашиностроение прошло большой путь развития, начиная от простейшей моделей, созданных полтора века назад на основе открытий М. Фарадея (1821- 1831), до современных электродвигателей и генераторов.

В настоящее время отечественной промышленностью изготовляются асинхронные двигатели мощностью от 0, 12 до 400кВт единой серии 4А и мощностью свыше 400 до 1000 кВт – серии 4А, а также серии А1- мощностью от 0, 04 до 315 кВт.

Принцип работы

Движущей силой в асинхронной машине является магнитное поле вращения. Как это работает, можно рассмотреть на следующем примере. При вращении П-образного магнита, между полюсами которого расположен свободно вращающийся металлический цилиндр, поле магнита, вращаясь, будет пересекать ротор посредством своих силовых линий. Внутри ротора при этом наведутся токи Фуко и магнитное поле. Эти поля, взаимодействуя друг с другом, начнут крутить ротор. Магнит и, создаваемое им поле, будут вращаться синхронно, а обороты цилиндра отставать (асинхронность). Отсюда и пошло наименование асинхронной машины. Запаздывание вращения ротора по отношению к магнитному полю, есть скольжение.
В данном примере источником циркуляции магнитного поля и ротора является приводимый во вращение постоянный магнит. Понятно, что это еще не есть электродвигатель, в котором циркулирующее магнитное поле должно создаваться электрическим током, и приводить во вращение ротор. Эту задачу удалось решить М. О. Доливо-Добровольскому, который для этого воспользовался трехфазным током. Сердечник кольцевого вида из железа (статор) имеет полюса, расположенные по кругу через 120о, на которые намотаны 3 обмотки сети 3-х фазного тока.

В сердечнике расположен цилиндр из металла – прообраз ротора электромотора. Соединив обмотки в «звезду» или «треугольник», и подав на них 3-х фазный ток, общему магнитному полю, созданному полюсами, придается вращение. За один цикл изменения тока, протекающего в обмотках, магнитный поток также совершит поворот на 360о и инициирует вращение цилиндра, а это и есть асинхронная машина. Если вторую обмотку заменить третьей, то произойдет реверс магнитного поля. То же самое будет, если заменить ток второй фазы на третью. Это значит, реверс магнитного потока возможен, если переключить 2 любые фазы.

Таково устройство асинхронной машины, статор которой имеет 3 обмотки. В ней обороты 2-х полюсного магнитного поля совпадают с количеством циклов изменения тока за равное время. Если статор содержит по кругу 6 обмоток, то инициируется 4-х полюсное магнитное поле, если девять – 6-ти полюсное вращающееся поле.

В случае частоты 3-х фазного тока 50 Герц, обороты поля будут при:

- 2-х полюсном статоре – 50 об/сек;

- 4-х полюсном – 25 об/сек;

- 6-ти полюсном – 17 об/сек.

Ротор машины будет немного отставать по отношению к магнитному потоку. В случае холостого хода изделия несовпадение составит 3%, под нагрузкой – 6%.

Сферы применения

Без асинхронных машин с короткозамкнутым ротором не может обойтись ни промышленность, ни транспорт, ни быт и др. Они используются практически везде. Это и электроприводы дымососов, подъемных кранов, шаровых мельниц, насосов, лебедок, дробилок, станков, бытовой техники. При необходимости ступенчатого изменения скорости (в тех же лифтах) пользуются многоскоростными асинхронными двигателями. Где требуется быстро остановиться и зафиксировать вал, когда исчезает напряжение, не обойтись без асинхронных двигателей с электромагнитным стопором (станки, лебедки). Асинхронные двигатели с большой величиной скольжения хорошо справляются с повторно-кратковременными режимами и при пульсации нагрузки. Широкое применение находится и линейным асинхронным двигателям из-за простого производства и хорошей надежности. Однофазными машинами оборудуются небольшие устройства (бытовые вентиляторы, мини-помпы и др.).

Наиболее эффективны 2-х фазные асинхронные машины, когда их питание идет от однофазной сети переменного тока. Другое их название – конденсаторные двигатели, поскольку без фазосдвигающего конденсатора они не могут работать. Трехфазные электромашины устанавливаются на станочное оборудование, тали, пилорамы, строительные краны и др. У 3-х фазных асинхронных машин с фазным ротором цена выше, чем у машин с короткозамкнутым ротором, но их пусковые нагрузочные моменты намного больше. Поэтому эти двигатели составляют привода на лифтах и подъемных кранах, т. е. там, где требуется запуск в условиях нагрузки.

Преимущества и недостатки

В общей массе электромашин асинхронных с короткозамкнутым ротором – большинство. Это связано с простым устройством, обслуживанием и эксплуатацией при высокой надежности и низкой стоимости. Также обороты такого двигателя в условиях переменной нагрузки остаются почти постоянными. Рассматриваемым асинхронным машинам не нужны щетки и кольца контакта, т. к. ток идет прямо на стационарную 3-х фазную статорную обмотку, что очень удобно в применении и делают их почти универсальными. Если между нагрузкой на двигатель и скоростью нет связи, и не требуется регулировка оборотов, то двигатель можно включать в любую сеть напрямую. Только при его включении в однофазную сеть потребуется пусковой фазосдвигающий конденсатор.

У этих устройств есть и минусы:
- необходимость большого пускового тока;
- малая величина пускового момента;
- резкая реакция на изменяющие параметры сети;
- для управления скоростью не обойтись без преобразователя частоты;
- потребление реактивной мощности из сети.

Данные электромашины имеют своим пределом мощность системы электроснабжения конкретного предприятия, т. к. большие пусковые токи при малой мощности системы «садят» напряжение. Также они обладают низким мощностным коэффициентом, особенно когда нагрузка малая или включен холостой ход, что плохо для электрической системы в целом. На предприятиях это вызывает заметные потери, поэтому везде применяются системы для поддержания реактивной мощности, для чего коллинеарно обмоткам электродвигателя, подключают компенсирующие конденсаторы. Меньшим пусковым током и увеличенным пусковым моментом обладают асинхронные машины с фазным ротором с пусковыми реостатами в их цепи. Однако это усложняет конструкцию и увеличивает стоимость.

Построение схемы обмотки.

3.1. При вычерчивании схем обмоток электрических машин принят ряд условностей:

· Чертеж с изображением схемы обмотки выполняется без соблюдения масштаба и не отражает никаких размерных соотношений машины.

· Каждая катушка изображается на схеме одной линией, независимо от числа витков в ней.

· Все катушки изображаются в одной плоскости.

3.2. Чтобы построить развернутую схему обмотки надо изобразить пазы и их нумерацию. После этого следует наметить распределение пазов на полюсное деление. Для каждой фазы желательно иметь свой цвет или другое свое условное обозначение.

3.2.1. Всякая обмотка должна быть выполнена так, чтобы ток во всех проводниках, принадлежащих к какой-нибудь фазе и лежащих на одном и том же полюсном делении, имел одно и тоже направление, а на соседнем полюсном делении – противоположное.

3.2.2. Чередование пазов, занятых проводниками разных фаз, должно происходить в одном и том же порядке по всей окружности статора.

3.2.3. При всех схемах обмоток номера пазов второй фазы получаются из номера пазов первой фазы добавлением 2q, а номера пазов третей фазы – добавлением 4q.

3.2.4. Когда все пазы распределены между фазами, следует нанести лобовые части в соответствии с принятым типом обмотки, соблюдая всегда соединение сторон секций сообразно шагу.

3.2.5. Наконец нужно нанести соединения секций друг с другом, придерживаясь избранного способа соединения – последовательными или параллельными ветвями.

3.2.6. Соединение секций одной и той же фазы друг с другом должны производиться таким образом, чтобы стороны секций, принадлежащие к одному и тому же полюсному делению обходились от начала фазы к её концу в одном и том же направлении.

3.2.7. Для того чтобы избежать ошибок, при которых в одной из фаз начало будет принято за конец и конец за начало, следует принять за правило: начало всех трех фаз должны быть расположены друг от друга на расстоянии 2q пазов.

Выбор воздушного зазора.

Чем меньше воздушный зазор, тем меньше магнитное сопротивление и тем меньше намагничивающий ток необходим. Поэтому вырастает cos φ и уменьшаются потери в меди обмотки статора. С другой стороны уменьшение зазора приводит к увеличению поверхностных потерь и потерь пульсационных, т.е. снижает КПД. Зазор выбирают исходя из минимума суммарных потерь.

Расчёт ротора.

Короткозамкнутые обмотки роторов, в отличии от всех других существующих обмоток, не имеют определенного числа фаз и полюсов. Обычно принято считать, что каждый стержень обмотки образует одну фазу короткозамкнутой обмотки, поэтому m =Z ; w =1/2

Расчёт ротора.

5.1. Выбираем число пазов ротора из рекомендуемых.

Рекомендуемые числа пазов короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя приведены в таблице 3.

5.2. Внешний диаметр ротора.

5.3. Длина ротора.

5.4. Зубцовое деление.

5.5. Внутренний диаметр ротора равный диаметру вала.

где k_В = 0, 2 (из накопленного опыта расчетов)

5.6. Ток в стержне ротора.

где ν _i - коэффициент приведения обмоток ротора к обмоткам статора.

5.7. Площадь поперечного сечения стержня.

где, j₂=2.5∙ 10⁶ А/м² – плотность тока в стержнях ротора.

Список литератур

1. Чиликин М. Г. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981. 576 с.

2. Герман-Галкин З. Р. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: Корона принт, 2003. 256 с.

3. Кравчик А. Э., Шлаф М. М., Афонин В. И., Соболенская Е. А. Асинхронные двигатели серии 4А. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.

4. Елисеева В. А., Шинянский А. В.Справочник по автоматизированному электроприводу. М.: Энергия, 1983. 616 с.

5. Богословский А. П., Певзнер Е. М., Фрейдзон И. Р., Яуре А. Г. Судовые электроприводы. Л.: Судостроение, 1983. 352 с.

6. Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 360 с