Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

ротор обмотка электродвигатель асинхронный

Асинхронные машины - наиболее распространенные электрические машины. Особенно широко они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. В настоящее время асинхронные электродвигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и находят широкое применение в качестве электропривода подавляющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

Открытие асинхронных машин относится к 80-м годам прошлого столетия. Их создание связывают с именами итальянского ученого Г. Феррариса, югославского ученого Н. Тесла и русского ученого М.О. Доливо-Добровольского. Г. Феррарис и Т. Тесла независимо друг от друга в 1888 г. предложили способ получения двухфазного вращающегося поля и создали первые асинхронные машины. Однако эти двигатели не получили широкого применения.

Большую роль в создании асинхронных Двигателей сыграл М.О. Доливо-Доброволъский. В 1889 г. он впервые использовал трехфазный ток для получения вращающегося магнитного поля, применил на статоре распределенную трехфазную обмотку и обмотку ротора в виде беличьей клетки. Он также предложил трехфазную обмотку ротора, выведенную на контактные кольца, и использовал для пуска двигателя реостат, подключаемый к обмотке ротора через контактные кольца.

Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология их изготовления; однако принципиальные конструкторские рещения, предложенные М.О. Доливо-Добровольским, в основном остались неизменными. В дальнейшем большое применение получили также и однофазные асинхронные двигатели в основном для электробытовых приборов. Появилось также большое количество разновидностей и модификаций асинхронных машин, в частности асинхронные исполнительные двигатели, тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы и др.

Большой вклад в теорию асинхронных машин внесли советские ученые Б.П. Апаров, М.П. Костенко, Г.Н. Петров, К.И. Шенфер и др. В СССР впервые в мировой практике с 1946 г. асинхронные двигатели выпускаются едиными всесоюзными сериями. На базе единых серий в нашей стране организовано высокомеханизированное и автоматизированное крупносерийное производство на основе широкой специализации и кооперации. Большие преимущества имеют единые серии и в эксплуатации - они значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудования. В 70-х годах была разработана и внедрена единая серия асинхронных двигателей 4А.

Одновременно с конструкцией двигателей разрабатывались электротехническая сталь, провода, изоляция и технология. В 80-х годах организацией социалистических стран «Интерэлектро» разработана новая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ, предназначенная для использования во всех странах - членах СЭВ.

Асинхронной машиной является электромеханический преобразователь, в котором возникновение момента на валу ротора возможно лишь при различных скоростях вращения магнитного поля и ротора.

Асинхронные машины наибольшее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей единых серий мощностью от 0,6 до 400 кВт в нашей стране ежегодно выпускается около 10 млн. Асинхронных микродвигателей мощностью от 0,6 кВт изготовляется несколько десятков миллионов в год.

Электротехническая промышленность выпускает асинхронные двигатели в большом диапазоне мощностей. Предельная мощность асинхронных двигателей - несколько десятков мегаватт. В индикаторных системах применяются асинхронные двигатели мощностью от долей ватта до сотен ватт. Частота вращения двигателей общего назначения - от 3000 до 500 об/мин.

В генераторном режиме асинхронные машины применяются редко. Для создания поля в зазоре асинхронной машины необходима реактивная мощность, которая забирается из сети или от других источников реактивной мощности. Асинхронные двигатели не могут работать с cosц=1. Это существенный недостаток асинхронных машин, ограничивающий их применение в генераторном режиме.

В конструктивном исполнении асинхронные двигатели - наиболее простые, они получили наибольшее распространение.

1. Типы асинхронных электродвигателей

Асинхронные электродвигатели - самые распространенные из всех видов электрических машин из-за их простоты, надежности, меньшего в сравнении с другими машинами веса, габарита, стоимости и иных достоинств.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным роторами, начиная с 1950 г., разрабатывались и выпускались в нашей стране в виде единых серий: А-АО (1949-1951 гг.), А2-А02 мощностью 0,6…100 кВт (1958-1960 гг.); А-АК мощностью 100…1000 кВт (1952-1956 гг.); А2-АК2 мощностью 100…1000 кВт (1964-1965 гг.); АЗ-АОЗ мощностью 132…500 кВт, 4А и АИ (АИР) мощностью 0,06…400 кВт (до настоящего времени); АИ - асинхронный фирмы «Интерэлектро».

В последние годы в России освоен выпуск новых серий асинхронных двигателей серий RA (0,37… 100 кВт), 5А (5АН) (0,37…400 кВт) и 6А. Разработка 4А, АИ, RA, 5А и 6А базировалась, помимо отечественных стандартов, на рекомендациях МЭК (Международной электротехнической комиссии). Так серия 4А имеет 17 габаритов, число ступеней мощности составляет 33, высоты осей вращения - 50…355 мм.

По конструкционному исполнению электрические машины классифицируются по группам исполнения (СТ СЭВ 246-76):

- на лапах с подшипниковыми щитами;

- с фланцем на подшипниковом щите или щитах;

- без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на одном из них;

- то же, с фланцем на станине;

- без подшипников;

- с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками;

- со стояковыми подшипниками, но без подшипниковых щитов;

- с вертикальным валом, не входящие в группы 1-4;

- специального исполнения;

по использованию концов вала:

без конца;

с одним цилиндрическим концом;

с двумя цилиндрическими концами;

с одним коническим концом;

с двумя коническими концами;

с одним фланцевым концом;

с двумя фланцевыми концами;

с фланцевым концом на одной стороне и цилиндрическим концом на другой стороне вала;

прочие.

Асинхронные двигатели различаются по степени защиты (например: IP23, IP44), способу охлаждения (например: 1С 01, 1С 0141), способу монтажа (например: IM 1001). IP - означает International Protection, 23 - защищенное, 44 - закрытое исполнение 1С - International Cooling, 01 - машина с самовентиляцией, 1С 0141 - машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на ее валу. IM - International Mounting; IM 1001 - машина на лапах, с двумя подшипниковыми щитами, с горизонтальным расположением вала, с цилиндрическим концом.

По степени защиты от соприкосновения к токоведущим частям машины и самой машины от попадания посторонних предметов внутрь машины подразделяются следующим образом (ГОСТ 17494-72 и ГОСТ 14254-80):

открытая;

защищенная от прикосновения и попадания посторонних предметов;

каплезащищенная (защищенная от капель, прикосновения и попадания посторонних предметов);

брызгозащищенная (защищенная от брызг, прикосновения и попадания посторонних предметов);

защищенная от водяных струн, прикосновения, попадания посторонних предметов и вредных отложений пыли;

защищенная от захлестывания морской водой, а также прикосновения, попадания посторонних предметов и вредных отложений пыли;

защищенная от проникновения воды внутрь при кратковременном погружении в воду;

защищенная от проникновения воды внутрь при неограниченно длительном погружении;

взрывозащищенная и др.

По способу охлаждения электрические машины подразделяются в зависимости от наличия вентилятора на машины с естественным и искусственным охлаждением. Машины с искусственным охлаждением в свою очередь могут быть с самовентиляцией (имеют вентилятор на валу) и с независимой вентиляцией (вентилятор вращается собственным двигателем)

В зависимости от способа обдувания машины бывают обдуваемые (только с внешней поверхности машины) и продуваемые (с циркуляцией воздуха внутри машины).

Машины подразделяются по климатическим условиям эксплуатации. Используются следующие обозначения климатического исполнения машин, эксплуатируемых на суше, реках, озерах для климатических районов: с умеренным климатом - У; с холодным климатом - ХЛ; с влажным тропическим ТВ; с сухим тропическим - ТС; с сухим влажным - Т; общеклиматическое исполнение - О.

2. Асинхронный электродвигатель - конструкция, режимы работы и способы управления

Конструкция

Как и любая электромеханическая машина, асинхронный электродвигатель имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части - конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т.п. Обмотка статора асинхронного электродвигателя представляет собой трёхфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и уложены в пазах с угловым расстоянием 120° пофазно. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. По конструкции ротора асинхронные электродвигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора - из электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца. Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами. Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе применяют специальную форму паза. При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счет которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (при пуске). Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда магнитопровод «ротора» остается неподвижным, а вращается в магнитном зазоре только полый цилиндр из алюминия (беличья клетка или короткозамкнутая обмотка ротора) можно достичь малой инерционности двигателя.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведённую на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. При питании обмоток ротора от сети (машина двойного питания) скорость вращения увеличивается в два раза. В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения (в первый момент времени) с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Скорость вращения поля статора асинхронного электродвигателя

При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае - многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой сети [Гц].

Двигательный режим

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках и инерцией ротора. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент.

Генераторный режим

Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. В генераторном режиме работы скольжение. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток возбуждения создают с помощью постоянных магнитов, либо за счёт остаточной индукции машины и пусковых конденсаторов, параллельно подключенных по схеме «звезда» к фазам обмотки статора. Асинхронный генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательный источник небольшой мощности и как тормозное устройство.

Режим электромагнитного тормоза

Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Такой режим работы асинхронной машины называется режимом электромагнитного тормоза.

Способы управления асинхронным двигателем

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:

· реостатный - изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора,

· частотный - изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь,

· переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза;

· импульсный - подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного),

· изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно,

· изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны,

· фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления,

· амплитудно-фазовый способ включает в себя оба предыдущих способа.

3. Виды обмоток

Важная составная часть электродвигателей - ее обмотки, в которых происходят основные рабочие процессы по преобразованию энергии. В наиболее распространенных типах электрических машин можно выделить:

· трехфазные обмотки машин переменного тока, используемые обычно в статорах трехфазных асинхронных и синхронных машин, а также в роторах асинхронных двигателей с контактными кольцами

· однофазные обмотки статоров асинхронных однофазных двигателей с короткозамкнутым ротором

· обмотки якорей коллекторных машин постоянного и однофазного переменного тока

· короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных электродвигателей

· обмотки возбуждения синхронных и коллекторных машин.

Обмотки возбуждения синхронных и коллекторных машин состоят, как правило, из сравнительно простых полюсных катушек. Несложным является и устройство короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей. Остальные же виды перечисленных выше обмоток представляют собой достаточно сложные системы размещенных в пазах изолированных проводников, соединенных по особым схемам, требующим специального изучения.

Виток обмоток

Простейшим элементом обмотки является виток, который состоит из двух последовательно соединенных проводников, размещенных в пазах, находящихся, как правило, под соседними разноименными полюсами.

Лежащие в пазах проводники витка являются его активными сторонами, поскольку именно здесь наводится ЭДС от главного магнитного поля машины. Находящиеся вне паза части витка, соединяющие между собой активные проводники и располагающиеся по торцам магнитопровода, называются лобовыми частями.

Проводники, образующие виток, могут состоять из нескольких параллельных проводов. Обычно к этому прибегают, чтобы сделать обмотку мягкой и облегчить ее укладку в пазы.

Один или несколько последовательно соединенных витков образуют катушку или секцию обмотки. Если секция состоит из одного витка, то такую обмотку называют стержневой, так как в этом случае находящиеся в пазах проводники обычно представляют собой жесткие стержни. Обмотка, состоящая из многовитковых секций, называется катушечной.

Катушка обмотки

Катушка, или секция обмотки, характеризуется числом витков wc и шагом y, т.е. количеством охватываемых ею зубцов магнитопровода. Так, например, если одна сторона катушки (секции) лежит в первом пазу, а вторая - в шестом, то катушка охватывает пять зубцов и шаг ее равен пяти (у = 5). Шаг, таким образом, может быть определен как разность между номерами пазов, в которые уложены обе стороны катушки (у = 6 - 1 = 5).

Зачастую в обмоточных данных и технической литературе шаг обозначают номерами пазов (начиная с первого), в которые уложены стороны катушки, т.е. в данном случае это обозначение выглядит так: у = 1 - 6.

Шаг обмотки называют диаметральным, если он равен полюсному делению ф, т.е. расстоянию между осями соседних разноименных полюсов, или, что то же самое, числу пазов (зубцов), приходящихся на один полюс. В этом случае у = ф = z/2p, где z - число пазов (зубцов) сердечника, в котором размещена обмотка; 2 р - число полюсов обмотки.

Если шаг катушки меньше диаметрального, то его называют укороченным. Укорочение шага, характеризуемое коэффициентом укорочения ky = у / ф, широко применяется в обмотках статоров трехфазных асинхронных электродвигателей, так как при этом экономится обмоточный провод (за счет более коротких лобовых частей), облегчается укладка обмотки и улучшаются характеристики двигателей. Применяемое укорочение шага обычно лежит в пределах 0,85 - 0,66.

В духполюсной электрической машине центральный угол, соответствующий полюсному делению, равен 180°. Хотя в четырехполюсных машинах этот геометрический угол равен 90°, в шестиполюсных - 60° и т.д., принято считать, что между осями соседних разноименных полюсов во всех случаях угол равен 180 электрическим градусам (180 эл. град.). Иначе говоря, полюсное деление ф = 180 эл. град.

Различают однослойные обмотки, где каждый паз занят стороной одной катушки (секции), и двухслойные, где в пазах размещены стороны разных катушек (секций) в два слоя.

Способы изображения обмоток

Способы изображения обмоток электрических машин достаточно условны и своеобразны. Обмотки содержат большое число проводников, и изобразить все соединения и проводники на чертеже практически невозможно. Поэтому приходится прибегать к изображению обмоток в виде схем.

Преимущественно пользуются двумя основными способами изображения обмоток на схемах.

При первом способе цилиндрическую поверхность сердечника вместе с обмоткой (а у коллекторных машин - вместе с коллектором) как бы мысленно разрезают по образующей и разворачивают на плоскость чертежа. Такого типа схемы называются развернутыми, или схемами-развертками.

Развернутая схема трехфазной однослойной концентрической обмотки с z =24, 2 р =4

При втором способе обмотку как бы проектируют на плоскость, перпендикулярную оси сердечника, показывая вид обмотки с торца (для коллекторных машин обычно со стороны коллектора). Проводники (или активные стороны секций и катушек), расположенные в пазах па поверхности сердечника, изображают кружочками и показывают торцевые (лобовые) соединения обмотки. При необходимости изображают не только видимые с данной стороны торцевые соединения обмотки, но и размещенные с обратной стороны сердечника невидимые лобовые части, причем их изображение в этом случае выносится за окружность сердечника. Схемы такого типа называют торцевыми, или круговыми (рис. 2.2).

Торцевая схема обмотки m = 3, z = 24, 2 р = 4

Торцевая и развернутая схемы обмоток

Наиболее распространены схемы, выполненные по первому способу. Они легче читаются и более наглядны. Для облегчения чтения и выполнения торцевых схем их выполняют упрощенным способом (рис. 2.3). Но даже после этого для обмотчика, не имеющего достаточного опыта работы с торцевыми схемами, они кажутся непонятными и неудобочитаемыми. В развернутых схемах расположение катушек и катушечных групп, соединение катушек и катушечных групп выглядит более реально и понятно.



Торцевая схема при 2 р = 4, а = 1

Схемы дают достаточно четкое представление об устройстве и размещении на сердечнике всех элементов обмотки и соединений между ними. На схемах в основном изображают лишь проводники обмотки, стараясь по возможности опустить все остальные детали, загромождающие схему и затрудняющие ее чтение. Необходимые дополнительные технические данные приводятся на схемах в виде надписей.

Катушка, или секция на схеме изображается одной линией независимо от того, намотана она в один провод или в несколько параллельных проводов, состоит из одного витка или является многовитковой. На развернутой схеме секция или катушка изображаются в виде замкнутой, напоминающей действительную конфигурацию секции (катушки) фигуры, от которой ответвляются выводы.

В развернутых схемах двухслойных обмоток стороны катушек или секций, лежащие ближе к воздушному зазору, т.е. в верхнем слое паза, изображают сплошными линиями, а стороны, лежащие в нижнем слое, - штриховыми (пунктирными). Иногда (в книгах старых изданий) активные стороны катушек в обоих слоях паза изображают сплошными линиями, но те стороны, что лежат в верхнем слое, располагают слева, а те, что лежат в нижнем слое, - справа.

На схемах трехфазных обмоток провода разных фаз могут изображаться различающимися между собой линиями, например сплошными, штриховыми и штрихпунктирными, линиями разной расцветки или разной толщины, двойными линиями с разной штриховкой между ними.

На схемах обычно указывают номера пазов, номера коллекторных пластин, могут быть также обозначены номера секций и их сторон, номера и маркировка выводных концов катушечных групп, фаз обмотки, указаны направления токов, фазные зоны, полюса магнитного поля и т.д.

Развернутая схема двухслойной обмотки при z = 24, 2 р = 4, q = 2

Изображение катушечных групп на схемах: а - развернутой, б - условной



Условные схемы двухслойной обмотки статора: а - для трех фаз при 2 р = 2; б - для одной фазы при 2 р = 2, в-для одной обмотки статора при 1 р = 4

Схемы необходимы не только при изучении принципа работы обмоток, их устройства, свойств и особенностей, но также и для выполнения обмоточных работ. Не имея схемы и не сверяясь с ней в процессе работы, трудно выполнить обмотку, поэтому перед началом ремонта обмотки надлежит составить ее схему или найти в справочнике аналогичную

Упрощенные торцевые схемы

Следует отметить, что полные развернутые и торцевые схемы сложных многополюсных обмоток с большим числом пазов получаются очень громоздкими и трудными для чтения.

В этих случаях в процессе выполнения обмоток, элементы которых повторяются, часто используют практические развернутые схемы, где изображена, например, лишь одна фаза (иногда часть фазы) трехфазной обмотки или несколько секций обмотки коллекторной машины.

Широко используются также упрощенные торцевые схемы, где целые катушечные группы изображаются в виде части дуги с обозначениями выводов, а более мелкие элементы обмотки не изображают или изображают на схеме отдельно. Упрощенные торцевые схемы удобны при выполнении соединений между катушечными группами в сложных обмотках.

Пример изображения упрощенной торцевой схемы приведен на рис. 2.7. Катушечные группы на этих схемах изображаются в виде отрезка дуги Г (рис. 2.7а), выводов катушечных групп - в виде коротких линий радиального направления.

За начало группы Н принимается обычно линия, расположенная снаружи окружности, второй вывод К является концом группы, началам присваиваются нечетные номера 1, 3, 5 и т.д., концам - четные 2, 4, 6 и т.д. Таким образом, начало первой группы обозначается цифрой 1, ее конец - 2, начало второй группы - 3, конец - 4 и т.д. Рисунок схемы сопровождается таблицей, в которой указаны данные обмотки, необходимые для ее укладки, и порядок соединения выводов катушечных групп.

Изображение и нумерация выводов катушечных групп однослойной обмотки статора при 2 р = 8, q= 3, z = 72, у = 9: а - при n_r = 12 (концентрическая обмотка); б - при n_пr = 24 (концентрическая обмотка вразвалку); Г, ПГ - изображение катушечных групп (полугрупп), Н, К - начало и конец группы (полугруппы)

Выполнение соединений однослойных обмоток (рис. 2.7) статора с шестью выводами катушечных групп

nк	б	Соединение катушечных групп (полугрупп) между собой и с выводами
По рис. 2.7а
3	1	2 7; 4 9; 6 11; 8 13; 10 15; 12 17; 14 19; 16 21; 18 23 1 С1; 3 С2; 5 СЗ; 20 С4; 22 С5; 24 С6
3	2	2 7; 4 9; 6 11; 14 19; 16 21; 18 23 1 13 С1; 3 15 С2; 5 17 СЗ 8 20 С4; 10 22 С5; 12 24 С6
3	4	17 13 19 С1: 3 9 15 21 С2; 5 11 17 23 СЗ 17 13 19 С1; 3 9 15 21 С2; 5 11 17 23 СЗ
По рис. 2.76
1; 2; 1…	1	44; 4 10; 6 48; 8 14; 12 18; 16 22; 20 26; 24 30; 28 34; 32 38; 36 42; 4046 3 45; 13 19; 17 23; 21 27; 25 31; 29 35; 33 39; 37 43; 41 47 1 С1; 5С2; 9 СЗ; 7 С4; 11 С5; 15 С6
1; 2; 1…	2	2 44; 4 10; 6 48; 8 14; 12 18; 16 22; 20 26; 24 30; 28 34; 32 38; 36 42; 40 46 3 45; 13 19; 17 23; 21 27; 37 43; 41 47 1 25С1; 5 29 С2; 9 33 СЗ 7 31 С4; 11 35 С5; 15 39С6
1; 2; 1…	4	2 44; 4 10; 6 48; 8 14; 12 18; 16 22; 20 26; 24 30; 28 34; 32 38; 36 42; 40 46 1 13 25 37 С1; 7 19 31 43 С4 5 17 29 41 С2; 11 23 35 47 С5 9 21 33 45 СЗ; 3 15 27 39 С6

4. Изоляция

Изоляция электродвигателей и ее свойства

Назначение изоляции обмоточных проводов - предупреждение междувитковых замыканий. В асинхронных двигателях низкого напряжения междувитковое напряжение обычно составляет несколько вольт. Однако при включениях и выключениях возникают кратковременные импульсы напряжения, поэтому изоляция должна иметь большой запас электрической прочности. Появление ослабления в одной точке может вызвать электрический пробой и повреждение всей обмотки. Пробивное напряжение изоляции обмоточных. проводов должно составлять несколько сот вольт.

Обмоточные провода обычно изготавливают с волокнистой, эмальволокнистой и эмалевой изоляцией.

Волокнистые материалы на основе целлюлозы обладают значительной пористостью и высокой гигроскопичностью. Для повышения электрической прочности и влагостойкости волокнистую изоляцию пропитывают специальным лаком. Однако пропитка не предохраняет от увлажнения, а лишь снижает скорость поглощения влаги. Из-за этих недостатков провода с волокнистой и эмальволокнистой изоляцией в настоящее время почти не применяют для обмоток электрических машин.

Основные типы проводов с эмалевой изоляцией, применяемые для изготовления обмоток различных электрических машин и аппаратов, - поливинилацеталевые провода ПЭВ и провода повышенной нагревостойкости ПЭТВ на полиэфирных лаках. Достоинство этих проводов заключается в небольшой толщине их изоляции, что позволяет увеличить заполнение пазов электрической машины. Для обмоток асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт в основном применяют провода ПЭТВ.

Токоведущие части также должны быть изолированы от других металлических деталей электрической машины. Прежде всего необходима надежная изоляция проводов, уложенных в пазах статора и ротора. Для этой цели используют лакоткани и стеклоткани, представляющие собой ткани на основе хлопчатобумажных, шелковых, капроновых и стеклянных волокон, пропитанных лаком. Пропитка повышает механическую прочность и улучшает изоляционные свойства лакотканей.

В период эксплуатации изоляция подвергается воздействию различных факторов, влияющих на ее характеристики. Главными из них следует считать нагрев, увлажнение, механические усилия и химически активные вещества в окружающей среде. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

Протекание тока по проводнику сопровождается выделением тепла, которое нагревает электрическую машину. Другие источники тепла - потери в стали статора и ротора, вызываемые действием неременного магнитного поля, а также механические потери на трение в подшипниках. В целом около 10 - 15% всей потребляемой из сети электрической энергии так или иначе преобразуется в тепло, создавая превышение температуры обмоток двигателя над окружающей средой. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя ток в обмотках возрастает. Известно, что количество тепла, выделяемого в проводниках, пропорционально квадрату тока, поэтому перегрузка двигателя приводит к росту температуры обмоток. Как это действует на изоляцию?

Перегрев изменяет структуру изоляции и резко ухудшает ее свойства. Этот процесс называется старением. Изоляция становится хрупкой, ее электрическая прочность резко понижается. На поверхности возникают микротрещины, в которые проникает влага и грязь. В дальнейшем происходит пробой и выгорание части обмоток.

В таблице 1 приведены сроки службы витковой изоляции статорных обмоток, выполненных из круглых проводов, подвергнутых испытательному напряжению после пяти суток увлажнения [2].

Из таблицы видно, что при увеличении температуры обмоток срок службы изоляции резко снижается.

Сроки службы витковой изоляции статорных обмоток

Марка провода	Тип пропиточного лака	Средний срок службы, ч, при температуре
		125°С	150°С	170°С	190°С	210°С
ПЭВ-2 ПЭМ-2 ПЭТВ ПСД	МЛ-92 МЛ-92 МГМ-8 МГМ-8	3724 2800 - -	1526 1529 - -	892 891 6 852 19 824	2 060 12 586 - -	1535 4064 - -

Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и аппаратах, по их нагревостойкости подразделяют на семь классов. Из них в асинхронных короткозамкнутых электродвигателях мощностью до 100 кВт применяют пять. Непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы, шелка и хлопчатобумажные относят к классу У (допустимая температура 90°С); пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы, шелка и хлопчатобумажные с изоляцией проводов на основе масляных и полиамидных лаков - к классу А (допустимая температура 105°С); синтетические органические пленки с изоляцией проводов на основе поливинилацетатных, эпоксидных, полиэфирных смол - к классу Е (допустимая температура 120°С); материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами, эмали повышенной нагревостойкости - к классу В (допустимая температура 130°С); материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с неорганическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы - к классу F (допустимая температура 155°С).

Электрические машины проектируют с учетом того, чтобы при номинальной мощности температура обмоток не превышала допустимое значение. Обычно имеется небольшой запас по нагреву. Поэтому номинальному току соответствует нагрев несколько ниже предельной нормы. Температуру окружающей среды при расчетах принимают равной 40°С. Если электрический двигатель работает в таких условиях, когда температура всегда заведомо ниже 40°С, его можно перегрузить. Величину перегрузки можно подсчитать с учетом температуры окружающей среды и тепловых свойств двигателя. Так можно поступать только в том случае, если нагрузка двигателя строго контролируется и можно быть уверенным, что она не превысит расчетного значения.

Другим фактором, от которого существенно зависит срок службы изоляции, является действие влаги. При повышенной влажности воздуха на поверхности изоляционного материала образуется пленка влаги. Поверхностное сопротивление изоляции при этом резко понижается. Образованию пленки воды в большой мере способствуют местные загрязнения. Через трещины и поры влага проникает внутрь изоляции, снижая ее электрическое сопротивление.

Провода с волокнистой изоляцией, как правило, невлагостойки. Их стойкость к действию влаги повышается путем пропитки лаками. Эмальволокнистая и эмалевая изоляции более стойки к действию влаги.

Следует отметить, что скорость увлажнения существенно зависит от температуры окружающей среды. При одинаковой относительной влажности, но при более высокой температуре изоляция увлажняется в несколько раз быстрее.

Механические усилия в обмотках возникают при неодинаковых тепловых расширениях отдельных частей машины, вибрации корпуса, при пусках двигателя. Обычно магнитопровод нагревается меньше, чем медь обмотки, их коэффициенты расширения различны. В результате медь при рабочем токе удлиняется больше на десятые доли миллиметра, чем сталь. Это создает механические усилия внутри паза машины и перемещение проводов, что вызывает истирание изоляции и образование дополнительных зазоров, в которые проникает влага и пыль.

Пусковые токи, в 6 - 7 раз превышающие номинальные, создают электродинамические усилия, пропорциональные квадрату тока. Эти усилия действуют на обмотку, вызывая деформацию и смещение отдельных ее частей. Вибрация корпуса также вызывает механические усилия, снижающие прочность изоляции.

Стендовые испытания двигателей показали, что при повышенных виброускорениях дефектность изоляции обмоток может повыситься в 2,5 - 3 раза. Вибрация также может быть причиной ускоренного износа подшипников. Колебания двигателя могут возникать из-за несоосности валов, неравномерности нагрузки, неодинаковости воздушного зазора между статором и ротором и несимметрии напряжений.

Износу изоляции также способствует пыль, содержащаяся в воздухе. Твердые частицы пыли разрушают поверхность и, оседая, загрязняют ее, чем также снижают электрическую прочность. В воздухе производственных помещений присутствуют примеси химически активных веществ (углекислый газ, сероводород, аммиак и др.). Особенно высока концентрация этих веществ в животноводческих помещениях. В химически агрессивных средах изоляция быстро теряет свои изоляционные свойства и разрушается. Как правило, в животноводческих помещениях действуют одновременно повышенная влажность и химически активные примеси. Такое сочетание весьма неблагоприятно, так как оба этих фактора, дополняя друг друга, сильно ускоряют процесс разрушения изоляции. Для повышения химостойкости обмоток электродвигателей применяют специальные пропиточные лаки.

Обмотка двигателя часто испытывает на себе одновременное действие нагрева, увлажнения, химических компонентов и механического воздействия. В зависимости от характера нагрузки двигателя, условий окружающей среды и длительности работы действие этих факторов может быть различным. В машинах, работающих с переменной нагрузкой, преобладающее действие может оказать нагрев. В электроустановках, работающих в животноводческих помещениях, наиболее опасным для двигателя оказывается действие повышенной влажности в сочетании с парами аммиака.

Можно представить возможность конструирования такого двигателя, который мог бы противостоять всем этим неблагоприятным факторам. Однако такой двигатель, по-видимому, был бы слишком дорогим, так как потребовалось бы усиление изоляции, значительное улучшение ее качества и создание большого запаса прочности. Поступают иначе. Для обеспечения надежной работы двигателя применяют систему мероприятий, обеспечивающих нормативный срок службы. Прежде всего за счет применения более качественных материалов улучшают технические характеристики двигателя и его способность противостоять действию разрушающих изоляцию факторов. Совершенствуют средства защиты Двигателей. И, наконец, обеспечивают техническое обслуживание для своевременного устранения неисправностей, которые в дальнейшем могут привести к авариям.

5. Работа асинхронной машины при заторможенном роторе

Холостой ход. Режимы работы асинхронной машины при заторможенном роторе наиболее просты для исследования, так как при этом обмотки статора и ротора пересекаются магнитным потоком с одной и той же скоростью, т.е. частоты ЭДС статора f₁ и ротора f₂ равны. Если считать, что вращающееся магнитное поле близко к круговому и, кроме того, высшие гармонические ЭДС подавляются из-за распределения обмоток в нескольких пазах и укорочения шага, то при анализе можно учитывать только первые гармонические ЭДС статора и ротора соответственно

Е₁ = 4,44f₁ w₁ k_о61 Ф_m;

Е₂ = 4,44f₁ w₂ k_о62 Ф_m.

Отношение

E₁ /E₂ = w₁ k_o61 /(w₂ k_o62) = k_E

называют коэффициентом трансформации ЭДС. Для основных гармонических обмоточные коэффициенты обычно равны 0,96-0,90 и поэтому в первом приближении можно считать

k_E = w₁ /w₂

аналогично тому, как это наблюдается в трансформаторе. Если обмотка ротора разомкнута, то по ней ток не проходит, а следовательно, она не влияет на электромагнитные процессы в статоре. Этот режим называют режимом холостого хода. При холостом ходе для каждой фазы обмотки статора можно составить уравнение, полностью тождественное уравнению для первичной обмотки трансформатора при холостом ходе:

Ъ₁ + Й₁+ Й_у1 = Н₀R₁

где Е₁ - ЭДС, индуцируемая вращающимся магнитным потоком Ф, охватывающим обмотки ротора и статора; Е_у1 = 4,44f₁ k_о61 w₁ Фу_1т - ЭДС, вызываемая потоком рассеяния обмотки статора; I₀R₁ - падение напряжения в обмотке статора, называемое током холостого хода. В соответствии с (4.6) можно построить векторную диаграмму асинхронной машины при холостом ходе. При этом вектор Е_у1 заменяют противоположно направленным ему вектором jН₀ Х₁ индуктивного падения напряжения в обмотке статора. В принципе указанная диаграмма аналогична векторной диаграмме трансформатора при холостом ходе, так как в этих машинах при заторможенном роторе протекают одинаковые электромагнитные процессы (обмотка статора аналогична первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора - вторичной обмотке). Однако ток холостого хода I₀ в асинхронном двигателе из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20 - 40% от номинального тока по сравнению с 0,5 - 3% у трансформатора), вследствие чего здесь нельзя пренебрегать падениями напряжения Н₀R₁ и jН₀X₁и пользоваться приближенным уравнением Ъ₁ + Й₁ = 0, как это делают в некоторых случаях при построении векторной диаграммы трансформатора.

Векторные диаграммы асинхронной машины при заторможенном роторе

Относительно большой ток холостого хода в асинхронных машинах является одним из главных недостатков, так как вызывает увеличение потерь в обмотке статора (особенно в небольших машинах) и уменьшение коэффициента мощности машины. Для снижения тока холостого хода заводы - изготовители стремятся выполнять в асинхронных машинах минимально возможные с точки зрения конструкции и технологии зазоры. Так, например, у двигателей мощностью 5 кВт и менее зазоры между статором и ротором равны 0,1-0,3 мм.

При построении векторных диаграмм асинхронной машины принимают, что потоки рассеяния Ф_у1 и Ф_у2, создаваемые обмотками статора и ротора, совпадают по фазе с токами, проходящими по соответствующим обмоткам, и пропорциональны этим токам аналогично тому, как это принято в теории трансформатора. Это допущение является вполне обоснованным, так как указанные магнитные потоки замыкаются главным образом по воздуху (поперек соответствующих пазов, через коронки зубцов и вокруг лобовых соединений). Поэтому в асинхронной машине, так же как и в трансформаторе, можно считать, что при режимах, близких к номинальному, индуктивные сопротивления Х₁ = Е_у1 /I₁ и X₂ = E_у2 /I₂ не зависят от тока в соответствующих обмотках.

Работа машины под нагрузкой. Асинхронную машину с заторможенным ротором можно использовать в качестве трансформатора, если в цепь обмотки ротора (вторичной обмотки) включить сопротивление нагрузки Z_н.

Векторная диаграмма асинхронной машины с заторможенным ротором аналогична диаграмме трансформатора и определяется формально теми же основными уравнениями:

Ъ₁ + Й₁ = Н_lR_l + jН_lX₁;

Ъ'₂ + Й'₂ = Н'₂ R'₂ + jН'₂ X'₂;

Н_l = Н₀ + (- Н'₂).

Однако наличие в асинхронной машине вращающегося потока обусловливает некоторые специфические особенности при взаимодействий токов в первичной и вторичной обмотках. Поскольку фазы обмотки ротора сдвинуты в пространстве, а токи в них имеют временной сдвиг, они создают бегущую волну МДС ротора F₂, частота вращения которой

п_F2 = 60f₂ /р₂,

где f₂ и р₂ - частота тока и число пар полюсов ротора.

Так как при неподвижном роторе ЭДС в обмотках статора и ротора имеют одинаковую частоту, т.е. f₂ = f₁, то

п_F2 = 60f₁ /р₂.

Асинхронная машина может работать только при равенстве частот вращения бегущих волн МДС статора F₁ и ротора F₂. Следовательно, статор и ротор должны иметь одинаковое число полюсов, т.е. p₁ = p₂ = p. При этом условии бегущие волны МДС ротора и статора неподвижны одна относительно другой и взаимодействуют между собой, обеспечивая передачу мощности из статора в ротор так же, как и в трансформаторе. В результате ток ротора I₂ создает компенсирующую его составляющую тока статора I'₂ и результирующий магнитный поток остается примерно таким же, как и при режиме холостого хода. Таким образом, для асинхронной машины, как и для трансформатора, справедливо условие Ф ? const, т.е. магнитный поток при изменении режима работы изменяется мало. Требование равенства частот вращения бегущих волн МДС ротора и статора жестко определяет лишь равенство числа полюсов. Число фаз обмоток статора и ротора может быть любым.

Если выбор числа фаз m₁ обмотки статора определен питанием ее от трехфазной (в двигателях общепромышленного применения) или двухфазной (в микродвигателях) сети переменного тока, то число фаз m₂обмотки ротора выбирают при проектировании машины, исходя из удобств конструкции и технологии изготовления ротора, т.е. можно выполнить ее многофазной в виде беличьей клетки, у которой т₂ равно числу стержней z₂клетки. В такой обмотке отдельные «фазы» сдвинуты одна относительно другой на угол б = 2р/Z₂, а число пар полюсов р₂ всегда равно числу пар полюсов р₁ вращающегося магнитного поля.

Схема замещения (рис. 4.8). Эта схема аналогична схеме замещения трансформатора, но ее параметры определяются другими коэффициентами приведения. Полагая Е'₂ = E₁ = k_ЕЕ₂, из условия равенства мощностей реального и приведенного роторов m₂E₂I₂ = m₁Е'₂I₂ находим

1'₂ = (m₂ /m₁₎* (E₂ /Е'₂₎*I₂ = m₂ w₂ k_об2 I₂ /(m₁ w₁ k_об1) = I₂ /k_i.

Величину k_i = m₁ w₁ k_об1 /(m₂ w₂ k_об2) называют коэффициентом приведения (трансформации) токов. Из равенства электрических потерь m₂ I₂² R₂ = m₁ I'₂² R'₂ получаем

...