Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Глава IV

ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ

§ 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Принцип действия и устройство асинхронных машин. Асинхронные машины

принадлежат к числу индукционных машин переменного тока, для которых характерно

наличие якорей на статоре и роторе и отсутствие коллектора. Индукционные машины, у

которых скорость вращения зависит от вращающего момента, называются асинхронными.

Неподвижная обмотка статора асинхронного двигателя, соединенная с питающей сетью,

создает вращающий магнитный поток, который пересекает проводник и обмотки ротора и

наводит в них э. д. с, вызывающую токи ротора. Взаимодействие токов ротора с

магнитным потоком машины создает момент, вращающий ротор. Если скорости вращения

ротора и поля статора одинаковы, то магнитный поток неподвижен относительно обмотки

ротора и не наводит в ней токов, вследствие чего не возникает вращающего момента.

Поэтому ротор и поле статора всегда вращаются асинхронно, т. е. с разной скоростью.

Обмотка, соединенная с внешней питающей сетью, обычно располагается неподвижно на

статоре, обмотка, замкнутая накоротко или на реостат, — на роторе. Асинхронную

машину, у которой обмотка ротора замкнута накоротко и не имеет выводных устройств,

называют короткозамкнутой. Асинхронную машину, у которой обмотка ротора выполнена

в виде фазной многовитковой обмотки, имеющей выводное устройство, называют фазной.

Машины, у которых обмотка, соединенная с питающей сетью, располагается на роторе, а

замкнутая обмотка — на статоре, называются обращенными.

Магнитопроводы статора и ротора представляют собой пакеты, набранные из листов

электротехнической стали. Пакет статора имеет вид полого цилиндра, на внутренней

поверхности которого имеются пазы для размещения в них обмотки. В пазах обмотка

обычно удерживается при помощи клиньев. С внешней стороны пакет статора крепится к

корпусу. Пакет ротора крепится к валу, у мощных двигателей — к крестовине,

расположенной на валу. На внешней поверхности пакета ротора имеются пазы, в которых

размещается обмотка.

Ротор вращается внутри статора. Между ними имеется воздушный зазор, величина

которого находится в пределах от 0,1 (в двигателях малой мощности) до 1—1,5 мм и

более (в двигателях большой мощности). На рис. 1.2 и 1.3 представлен внешний вид

асинхронных двигателей Всесоюзных единых серий А2 и А02. На рис. 1.4

191

Рис. 4.1. Устройство короткозамкнутого асинхронного двигателя: 1 — ротор; 2 — шариковый подшипник; 3

— крышка подшипника; 4 — вентилятор; 5 — колпак вентилятора; 6 — корпус двигателя; 7— крышка

двигателя; 8 — статор с обмоткой

показан двигатель в разобранном виде. На рис. 4.1 дан продольный разрез. асинхронного

двигателя, на котором хорошо видно его устройство.

Области применения. Благодаря простоте конструкции и надежности в работе

трехфазные асинхронные двигатели имеют преимущественное распространение в самых

разнообразных отраслях народного хозяйства. Они потребляют 40% всей вырабатываемой

электроэнергии. Подавляющее большинство приводов осуществляется при помощи

трехфазных асинхронных двигателей. В виду большой потребности в асинхронных

двигателях целесообразно их выпускать большими сериями. Все

электромашиностроительные заводы СССР изготовляют асинхронные двигатели

массового применения по единым чертежам.

Недостатком трехфазных асинхронных двигателей нормального исполнения,

ограничивающим область их применения, является сложность регулирования скорости

вращения и невозможность ее плавного изменения в широких пределах.

В системах автоматического регулирования получили преимущественное

распространение двухфазные асинхронные исполнительные микродвигатели с

повышенным сопротивлением ротора, которые обладают достаточным быстродействием и

позволяют плав-

но регулировать скорость вращения от нуля до максимального значения. В

автоматических, счетно-решающих, следящих и прочих устройствах получили широкое

применение асинхронные тахогенераторы, поворотные трансформаторы, сельсины и

другие индукционные машины малой мощности.



192

§ 4.2. ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения. Обмотки машин переменного тока выполняются однослойными и

двухслойными. Однослойные обмотки ранее применялись весьма широко для машин всех

мощностей, сейчас преимущественное распространение имеют только у двигателей

мощностью до 5—7 квт.

Обмотки переменного тока состоят из соединенных между собой катушек, которые

закладываются в пазах якоря, расположенных друг от друга на расстоянии шага у.

Различают обмотки диаметральные (у которых шаг у равен полюсному делению τ)

и укороченные (у которых у<τ). Для диаметральной обмотки шаг, выраженный числом

действительных пазов,

Важным преимуществом двухслойных обмоток является то, что их легко выполнять с

укороченным шагом. Укорочение шага помимо уменьшения длины лобовых частей

существенно влияет на улучшение формы кривой э. д. с. и м. д. с. обмотки.

Распределение обмотки но пазам якоря характеризует параметр q — число пазов на полюс

и фазу:

q представляет собой число расположенных на полюсном делении пазов, в которых

размещены витки одной фазы обмотки. В трехфазной обмотке на полюсном делении τ

находятся 3q пазов. При q = 1 катушки фазы обмотки под каждым полюсом машины

расположены только в одном пазу.. Такая обмотка называется сосредоточенной.

Обычно q > 1. В этом случае катушки одной фазы обмотки распределены между q пазами

под каждым полюсом. Поэтому при q > 1 обмотка называется распределенной.

Два соседние паза, в которых заложены катушки распределенной обмотки, сдвинуты на

угол α, измеряемый в электрических градусах:

Имеющую вывод сторону катушки, которую при обходе схемы обмотки по часовой

стрелке встречаем раньше, условно называют началом обмотки, а другую сторону,

имеющую вывод, — концом. Начала фаз трехфазной обмотки статора имеют обозначения

, С

и С

, концы — С

, С

и С

. Начала фаз трехфазной обмотки ротора имеют

обозначения P

, Р

и Р

, концы — Р

, Р

Электродвижущая сила проводников диаметральной обмотки. На рис. 4.2 показаны

четыре проводника (1, 2, 3, 4), заложенные

193

в пазах статора. Пунктирными линиями изображен магнитный поток взаимоиндукции Ф,

который проходит следующий замкнутый путь: воздушный зазор, зубцы и спинка ротора,

второй воздушный зазор, зубцы и спинка статора.

При работе асинхронной машины магнитный поток Ф вращается в воздушном зазоре.

Если, например, в начальный момент поток Ф имеет направление, показанное на рис. 4.2,

а, то через некоторое время он переместится в направлении, указанном стрелкой, и займет

новое положение (рис. 4.2, б). При вращении поток наводит э. д. с. в проводниках обмоток

статора и ротора.

В двухполюсной машине за один полный оборот вращения потока индуктируется один

период э. д. с, частота которой f =n/60 гц,

где п — скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в

минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот под проводником пройдет р

пространственных волн магнитного поля. Они наведут э. д. с, частота которой в р раз

больше, т. е.

Выражение (4.1) определяет частоту э. д. с. многополюсной машины.

Согласно формуле (1.9) форма кривой изменения во времени э. д. с. проводника при

равномерном вращении определяется распределением индукции В в воздушном зазоре. В

современных машинах стремятся получить синусоидальное изменение э. д. с. во времени.

Поэтому желательно, чтобы пространственное распределение индукции в воздушном

зазоре было возможно ближе к синусоидальному. В действительности кривая

распределения индукции потока имеет, помимо основной (рис. 4.3), еще и высшие

гармоники. Из них наибольшую величину имеют третья 3, пятая 5 и седьмая 7. При

равномерном вращении, вследствие пропорциональной зависимости между индукцией В и

э. д. с. е, кривая изменения э. д. с. одного проводника обмотки во вр

емени точно

повторяет кривую распределения индукции и содержит основную и высшие гармоники.

194

Рис. 4.3. Распределение индукции В

вдоль воздушного зазора

Рис. 4.4. Пазовые э. д. с.: а — изменение во времени; б — вектерная диаграмма; в — определение э. д. с.

обмотки

195

Многоугольник векторов э. д. с. абвгд (рис. 4.4, в) называется потенциальным. Если

предположить, что во всех пазах двухполюсного якоря размещены проводники, то,

196

продолжая суммирование пазовых э. д. с, получим замкнутый многоугольник э. д. с. (рис.

4.6, а). Многоугольник замыкается после обхода двух полюсов, что соответствует 360 эл.

град. В случае, если якорь имеет р пар полюсов, то будет р замкнутых многоугольников э.

д. с. При бесконечно большом количестве пазов многоугольник э. д. с. превращается в

окружность э. д. с. (рис. 4.6, б).

Коэффициенты распределения и скоса пазов. Электродвижущая сила распределенной в

нескольких пазах обмотки меньше, чем э. д. с. сосредоточенной обмотки с тем же числом

витков. Отношение этих э. д. с. определяется коэффициентом распределения.

Коэффициентом распределения называется отношение геометрической суммы

амплитуд э. д. с. (или м. д. с.) обмотки, распределенной в q пазах к амплитуде

сосредоточенной обмотки с тем оке числом витков.

197

Коэффициенты распределения и скоса пазов высших гармоник меньше, чем основной,

поэтому распределение обмотки и скос пазов улучшают форму кривой э. д. с.

Коэффициент укорочения. Электродвижущая сила укороченного витка меньше, чем

диаметрального. Отношение этих э. д. с. определяется коэффициентом укорочения.

Коэффициентом укорочения называется отношение геометрической суммы амплитуд

э.д.с. (или м. д. с.)

укороченного и диаметрального витков.

При диаметральном шаге проводники витка расположены друг от друга на расстоянии τ

(проводники А и 1, рис. 4.8). Электродвижущие силы E

проводника А и Е'

проводника 1

со стороны лобо-

вых частей направлены встречно, однако при обходе витка они находятся в фазе и

складываются. Поэтому основная гармоника э. д. с. E

τ1

диаметрального витка в два раза

больше, чем одного проводника (рис. 4.9, а), т. е.

198

Рис. 4.9. Сложение э. д. с, индуктируемых в проводниках витка:а — э. д. с. основной гармоники

диаметрального витка; б — э. д. с. основной гармоники укороченного витка; в — э. д. с. пятой гармоники

диаметрального витка; г — э. д. с. пятой гармоники укороченного витка

Используя (4.3), получаем выражение коэффициента укорочения для υ-ой гармоники

199

Обмоточный коэффициент, э. д. с. обмотки. Электродвижущая сила распределенной

обмотки меньше, чем э. д. с. сосредоточенной, пропорционально k

. Если все витки

распределенной обмотки укорочены, то э. д. с. обмотки уменьшается еще в k

раз, при

скоес пазов — также в k

раз.

Произведение коэффициентов распределения, укорочения и скоса называется

обмоточным коэффициентом.

Обмоточный коэффициент показывает во сколько раз амплитуда э. д. с. (или м. д. с.)

обмотки, имеющей распределенные витки, укороченный шаг и скос пазов, меньше

амплитуды сосредоточенной диаметральной обмотки с тем же числом витков при

отсутствии скоса пазов.

Аналогично (4.9) обмоточный коэффициент для высшей υ-ой гармоники

С уч

етом (3.1) и (4.9) э. д. с. обмотки, индуктируемая основной гармоникой потока, равна

Помимо основной гармоники, в проводниках обмотки индуктируются высшие временные

гармоники э. д. с, величина которых уменьшается соответственно порядку гармоники.

Наибольшее влияние оказывают третья, пятая и седьмая гармоники. Э. д. с. высшей υ-ой

гармоники

200