|
Предисловие
В программе КПСС, принятой XXVII съездом партии, ставятся новые большие задачи по ускорению социально-экономического развития советского общества. В экономической области предстоит обеспечить подъем народного хозяйства на принципиально новый научно-технический и организационный уровень; перевод его на рельсы интенсивного развития; достижение высшего мирового уровня производительности общественного труда, качества продукции и эффективности производства. В решении этих задач ключевая роль принадлежит машиностроению. В условиях научно-технической революции темпы развития машиностроительного комплекса, и в частности электромашиностроения, во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станко- и приборостроения, строительства, агропромышленного комплекса и др., комплексной механизации и автоматизации во всех этих отраслях народного хозяйства.
Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года предусматривают повышение уровня электрификации производства и эффективности использования электроэнергии; развитие ускоренными темпами электроэнергетики и электротехнической промышленности; увеличение производства электроэнергии в 1990 г. до 1840— 1880 млрд. кВт-ч, в том числе на атомных электростанциях до 390 млрд. кВт-ч.
Предстоит развивать быстрыми темпами производство электрических машин большой, средней и малой мощности: существенно увеличить выпуск электродвигателей переменного тока мощностью до 400 кВт новых унифицированных серий, опережающими темпами наращивать выпуск автоматизированных электроприводов, развивать высокоавтоматизированное производство электродвигателей. Особое внимание необходимо уделять разработке и освоению выпуска электрооборудования, имеющего более высокие надежность и энергетические показатели, меньшую трудоемкость, металлоемкость и удельный расход электротехнических материалов.
Приведены также главные принципы оптимального проектирования этих машин и дано краткое описание устройства
современных асинхронных электродвигателей унифицированной серии АИ.
Учебник предназначен для студентов электротехнических специальностей вузов; может быть также использован инженерно-техническими и научными работниками, занимающимися проектированием, эксплуатацией и ремонтом электрических машин и электроприводов.
Авторы считают своим долгом выразить благодарность рецензентам данной книги — д-ру техн. наук, проф. Г. А. Сипайлову и коллективу кафедры «Электрические машины» Томского политехнического института, а также д-ру техн. наук А. И. Скороспешкину и коллективу кафедры «Электрические машины» Куйбышевского политехнического института за ценные советы и замечания.
Все замечания и пожелания по улучшению этого учебника просим направлять в издательство «Высшая школа» по адресу; 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Авторы
Введение
Асинхронные машины — наиболее распространенные электрические машины. Особенно широко они используются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. В настоящее время асинхронные двигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.
Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели напряжением до 1000 В. В СССР их установленная мощность составляет около 300 млн. кВт. В табл. В.1 приведено распределение асинхронных двигателей различной мощности в народном хозяйстве СССР на начало 80-х годов и данные о потреблении ими электроэнергии.
Таблица В.1 Мощность. кВт % от общего количества асинхронных двигателей % к общему потреблению ими электроэнергии
При этом машины мощностью от 0,75 до 100 кВт потребляют более 90% от общего потребления электроэнергии асинхронными двигателями.
Примерное распределение асинхронных двигателей по механизмам приведено в табл. В.2.
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 Н. Тесла независимо друг от друга в 1888 г. предложили способ получения вращающегося магнитного поля при двухфазном токе и создали первые асинхронные машины. Двигатель Г. Феррариса имел медный сплошной ротор, сосредоточенную двухфазную обмотку на статоре и развивал мощность в несколько ватт. Двигатель Н. Тесла имел также двухфазную сосредоточенную обмотку на статоре и такую же обмотку на роторе. Однако эти двигатели не получили широкого распространения.
Наибольшую роль в создании асинхронных двигателей сыграл М. О. Доливо-Добровольский. 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, подключенный 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 решения, предложенные М. О. Доливо-Добровольским, в основном остались неизменными.
В дальнейшем большое распространение 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. Небольшое применение нашли и асинхронные генераторы.
Большой вклад в теорию асинхронных машин внесли советские ученые Б. П. Апаров, М. П. Костенко, Г. Н. Петров, К. И. Шен-фер и др.
В СССР впервые в мировой практике асинхронные двигатели выпускаются едиными всесоюзными сериями. На базе единых серий в нашей стране организовано высокомеханизированное и автоматизированное крупносерийное производство; при этом использованы широкая специализация и кооперация, централизованное изготовление технологической оснастки и инструмента и др.
Большие преимущества имеют единые серии в эксплуатации: они значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудов а ния.
Первая единая всесоюзная серия асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт (А, АО) была разработана сразу после Великой Отечественной войны в 1946—1949 гг. В 1958—1960 гг. была разработана вторая серия (А2, А02). К этому времени выпуск асинхронных двигателей в нашей стране возрос в несколько раз, появились новые требования и в 70-е годы была разработана и внедрена новая серия 4А. В ее разработке принимало участие большое количество научно-исследовательских и конструкторских организаций, так как одновременно с конструкцией двигателей разрабатывались электротехническая сталь, провод, изоляция, технология и технологическое оборудование. Одновременно была создана мощная технологическая база, обеспечивающая разработку и изготовление специального технологического оборудования.
В 80-х годах организацией социалистических стран Интер-электро разработана новая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ, предназначенная для использования во всех странах— членах СЭВ. Машины серии АИ, которые производятся во всех этих странах, отличаются повышенными надежностью и перегрузочной способностью, расширенным диапазоном регулирования, лучшими массогабаритными и энергетическими показателями, а также улучшенными виброакустическими характеристиками по сравнению с машинами серии 4А.
В СССР впервые в мире была разработана методика оптимизированного расчета асинхронных двигателей, учитывающая затраты как на производство, так и на эксплуатацию электродвигателей; расчет с помощью электронно-вычислительных машин ведется по минимуму суммарных затрат в народном хозяйстве. В теорию и практику создания единых серий асинхронных двигателей огромный вклад внесли советские ученые и инженеры А. Г. Иосифьян, Б. И. Кузнецов, Э. Д. Кравчик, Э. К. Стрельбицкий, Т. Г. Сорокер, И. Н. Чарахчьян и др.
Опыт разработки и внедрения крупных серий асинхронных двигателей показал необходимость совместной работы расчетчиков, конструкторов и технологов, начиная с момента разработки технического задания на серию. В настоящее время немыслимо проектирование серий каких-либо изделий без глубокой технологической проработки.
Создание высокоэкономичных, высоконадежных асинхронных Двигателей единых серий — сложная научно-техническая задача, имеющая большое народнохозяйственное значение.
Общие сведения об асинхронных машинах
В основу принципа действия асинхронной машины положено использование вращающегося магнитного поля, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке ротора. При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение (в двигательном режиме) или осуществляющий его торможение (в тормозных режимах).
1.1. Принцип действия асинхронной машины
Принцип действия асинхронной машины основан на законе электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем, и работах Д. Максвелла и Э. Ленца.
В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рис. 1.1, а), а вторую — на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой многофазную (или в частном случае трехфазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY и CZ соединяют по схеме Y или Д и подключают к сети трехфазного тока. Обмотку ротора 4 выполняют многофазной короткозамкнутой или трехфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора.
Из курса теоретических основ электротехники известно, что при питании трехфазным синусоидальным током трехфазной обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого ...
При работе асинхронной машины в двигательном режиме частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля п.2п и 0sd. В этом случае обмотка статора питается от сети, а вал ротора передает механический момент на какой-либо механизм. В машине электрическая энергия преобразуется в механическую.
Если ротор заторможен (5=1)—это режим короткого замыкания. В случае если частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля (синхронная частота), т. е. 5=0, то вращающий момент не возникает.
Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты «2, большей частоты вращения магнитного поля щ, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора. При этом изменит свое направление и электромагнитный момент М, который станет тормозящим, т. е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим (рис. 1.1, б). В генераторном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, преобразует ее в электрическую и отдает в сеть, при этом 05 — оо.
Если вращать ротор от постороннего двигателя в сторону, противоположную вращению магнитного поля (рис. 1.1, в), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора направлены так же, как и в двигательном режиме, т. е. машина получает из сети электрическую энергию. Однако в данном режиме электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, т. е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины — режим электромагнитного торможения. В этом режиме ротор вращается в обратном направлении (по отношению к направлению магнитного поля). В рассматриваемом режиме энергию машина получает как со стороны ротора (механическую), так и со стороны статора (электрическую).
1.2. Устройство асинхронных машин
Основные типы двигателей. Асинхронные двигатели подразделяются на два основных типа: с короткозамкнутым и фазным ротором (последние называют двигателями с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением ротора.
Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее распространенными; электропромышленность выпускает их десятками миллионов в год.
На рис. 1.2, а показан общий вид наиболее распространенного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения. На статоре расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, т. е. является короткозамкнутой.
Конструкция оболочки (корпус, щиты и др.) в значительной мере зависит от исполнения машины по степени защищенности и от выбранной системы охлаждения. В рассматриваемой конструкции корпус машины для лучшего охлаждения снабжен ребрами. Центробежный вентилятор, расположенный на валу двигателя снаружи оболочки машины, обдувает ребристый корпус двигателя. Вентилятор закрыт воздухонаправляющим кожухом.
Внутри машины воздух перемешивается вентиляционными лопастями, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами. На корпусе крепится коробка выводов, в которой установлена клеммная панель с выведенными концами обмотки статора.
В более мощных двигателях для повышения интенсивности охлаждения воздух прогоняется через аксиальные каналы ротора отдельным вентилятором или тем же вентилятором, который обдувает внешнюю поверхность машины. Для этой цели при использовании одного общего вентилятора в аксиальные отверстия ротора вставляют воздухопроводящие трубки, укрепленные в отверстиях опорных дисков, насаженных на вал ротора (рис. 1.2, б). Этим предотвращается возможность проникновения к обмоткам машины наружного воздуха, в котором содержится влага. Торцовые щиты имеют жалюзи для прохода и выхода наружу воздуха.
Сердечник статора (магнитопровод) набирается из отштампованных кольцеобразных листов электротехнической стали толщиной 0,35... 0,5 мм. В листах выштампованы пазы для размещения обмотки (рис. 1.3). В крупных машинах статор собирается из листов в виде сегментов. На листы с обеих сторон наносится изоляция (оксидная пленка, лак и пр.). Листы в пакете сердечника скрепляются скобами, сваркой или в крупных машинах шпильками. В машинах свыше 400 кВт в сердечниках для лучшего охлаждения обычно имеются радиальные каналы. Они образуются путем разделения сердечника по длине на ряд пакетов и установкой между ними стальных дистанционных прокладок, которые привариваются к крайним листам пакета.
Рис. 1.2. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором:
1 — короткозамыкающие кольца обмотки ротора; 2, 10 — подшипниковые щиты; 3 —вентиляционные лопатки; 4 — обмотка статора; 5 — коробка выводов; 6 — корпус (стаиииа); 7 —сер-дечиих статора; 8 — сердечник ротора; 3 —вал; 11— кожух вентилятора; 12 — вентилятор; 18 — опорный диск; 14 — воздухоподводящая трубка
Рис. 1.3. Сердечник статора и штампованный лист
В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка, изготовленная из прямоугольного или круглого провода. Обмотки из прямоугольного провода изготовляют в виде жестких секций и укладывают в открытые или полуоткрытые пазы (рис. 1.4, а, б).
Обмотки из круглого провода всыпают обычно в полузакрытые пазы через шлиц в пазу (рис. 1.5) с помощью специальных статорообмоточных станков. В высоковольтных машинах корпусную изоляцию катушек обычно выполняют в виде спрессованной гильзы (см. рис. 1.4, а).
В современных асинхронных машинах используют электроизоляционные материалы классов на-гревостойкости В и F, а для специальных машин, работающих в тяжелых условиях,— материалы класса Я.
В машинах различают межвитковую и корпусную изоляцию. Межвитковая изоляция (между витками обмотки) обеспечивается изоляцией самого проводника, наносимой на него в процессе изготовления на кабельных заводах или при изготовлении электрической машины. Корпусная изоляция отделяет проводники обмотки от корпуса электрической машины. Для нее используют различные прокладки, гильзы или ряд слоев изоляции, наносимой на соответствующую катушку до установки ее в машину.
Ротор машины состоит из пакета листов электротехнической стали с выштампованными пазами. В короткозамкнутых роторах пазы заливаются алюминием, при этом образуются стержни беличьей клетки (рис.1.6, а). Одновременно отливаются короткозамыкающие торцовые кольца и вентиляционные лопасти, общий вид такого ротора показан на рис. 1.6, б. В более крупных и специальных машинах в пазы ротора вставляются медные (бронзовые, латунные) стержни, концы которых впаиваются (ввариваются) в короткозамыкающие медные кольца (рис. 1.6, в). Пакет с алюминиевой клеткой напрес-
Рис. 1.4. Открытый (а) и полуоткрытый (б) пазы статора для обмотки из жестких секций:
1, 4, 5 — изоляционные прокладки; 2 —проводники; 3 — изоляция катушки (корпусная); 6 — клин
совывается на вал. Для роторов с медной клеткой листы собираются непосредственно на валу, а уже затем в пазы пакета вставляются медные стержни.
Роторы двигателей вращаются в подшипниках, как правило, применяются подшипники качения, в машинах свыше 1000 кВт
используются также подшипники скольжения. В случае необходимости на валу устанавливается вентилятор. Подшипники закрепляются в подшипниковых щитах, подшипниковые щиты крепятся к корпусу статора.
Двигатели с фазным ротором находят значительно меньшее применение, чем с коротко-замкнутым ротором,и выпускаются промышленностью главным образом в виде машин мощностью свыше 100 кВт.
Вопросы для самоконтроля
1. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.
2. Почему ротор асинхронного двигателя не может вращаться с частотой вращения магнитного поля?
3. Что такое скольжение асинхронной машины?
4. В каких основных режимах может работать асинхронная машина?
б. Как устроен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором?
в. Как устроен асинхронный двигатель с фазным ротором?
Обмотки асинхронных машин и создание вращающегося магнитного поля
В асинхронных машинах при прохождении по многофазной обмотке статора переменного тока создается вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в обмотках статора и ротора переменные ЭДС. Питание обмотки статора несинусоидальным напряжением или несинусоидальное распределение индукции по окружности статора и ротора приводит к ухудшению энергетических показателей машины. Поэтому при проектировании обмоток применяют ряд мер для подавления высших гармоник МДС и ЭДС.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрнческне машины. М., 1987.
2. Важное А. И. Электрнческне машины. Л., 1974.
3. Вольдек А. И. Электрнческне машины. Л., 1978.
4. Гольдберг О. Д., Гурин Я. С., Свидиденко И. С. Проектирование электрических машин. М., 1982.
5. Иванов-Смоленский А. В. Электрнческне машины. М., 1980.
6. Кацман М. М. Электрнческне машины. М., 1983.
7. Кононенко Е. В., Сипайлов Г. А., Хорьков К А. Электрнческне машины. М., 1980.
8. Копылов И. П. Электрнческне машины. М., 1986.
9. Копылов И. П. Электромеханическое преобразование энергии. М., 1973.
10. Проектирование электрических машин/Копылов И. ПГоряйнов Ф. А., Клоков Б. К. н др. М., 1980.
11. Костенко М. П., Пиотровский JI. М. Электрнческне машины. Ч. II. Л., 1973.
12. Трещев И. И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л., 1980.
13. Асинхронные двигатели общего назначення/Под ред. В. М. Петрова и А. Э. Кравчика. М., 1980.
14. Электротехнический справочннк/Под общей редакцией В. Г. Герасимова, П. Г. Грудзинского, JI. А. Жукова и др. М., 1980. Т. 1; 1981. Т. 2.
Дополнительная
15. Зимин В. И., Каплан М. Я., Палей М. М. Обмотки электрических машин. Л., 1978.
16. Загорский А. Е., Золотов М. Б. Автономный электропривод повышенной частоты. М., 1973.
17. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М., 1974.
18. Онищенко Г. Б., Локтева И. П. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М., 1979.
19. Брускин Д. Э„ Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрнческне машины н мнкромашнны. М., 1981.
20. Армейский Е. В., Фальк Г. Б. Электрнческне мнкромашнны. М., 1985.
21. Юферов Ф. М. Электрнческне мнкромашнны автоматических устройств. М.. 1976.
22. Радин В. И., Радина Е. В. Снижение потерь электроэнергии в асинхронных двигателях//Электротехннка. 1982. № 6.
23. Гурин Я. С., Кузнецов Б. И. Проектирование серий асинхронных двигателей. М., 1978.
24. Копылов И. П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах. М., 1980.
25. Сорокер Т. Г., Мордвинов Ю. В., Воскресенский А. П. Об оптимальном проектировании серии асинхронных двигателей 4А//Электротехннка. 1973. № 8.
26. Сорокер Т. Г., Мордвинов Ю. В. Международная стандартизация низковольтных асинхронных двигателей по мощности и установочным размерам// Электротехника. 1978. № 9.
27. Гольдберг О. Д. Надежность электрических машин общепромышленного и бытового назначения. М., 1976.
28. Радин В. И. Унифицированная серия асинхронных двигателей. Интер-электро//Электротехника. 1983. № 11.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Гармонические высшие магнитного поля 80
Генератор асинхронный автономный 193
Двигатель асинхронный исполнительный 185
конденсаторный 182
многоскоростной 161
однофазный 179
с повышенным пусковым моментом 127
-------полым ротором 188
-------экранированными полюсами 183
Диаграмма векторная при вращающемся роторе 55 -------заторможенном роторе 46
— круговая для двигателей с повышенным пусковым моментом 130
упрощенная 58
уточненная 65
Каскад асинхронный вентильный 203 Конструкция двигателей серии АИ 304
Коэффициент обмоточный 31
— мощности 107
—полезного действия 102
— распределении обмотки 20
— укорочения шага обмотки 22 Кратность максимального момента 73
— минимального момента 76
— пускового момента 76 тока 122
Критерии оптимальности при проектировании серии 229
Мероприятия по повышению надежности двигателей 228 Машина двойного питания 200 Модели математические надежности обмотки статора 274 Модификации двигателей серии АИ 297
Момент максимальный 73
— минимальный 73
— пусковой 76
— электромагнитный 52 Мощность механическая 52
— электромагнитная 51
Надежность обмотки статора 274
— подшипниковых узлов 286
Обмотка ротора короткозамкнутая 14
фазнаи 15
Обмотка статора двухслойная 38
одио-двухслойиая 42
однослойная 36
Опыт короткого замыкания 64
— холостого хода 64
Отказы асинхронных двигателей 269
Показатели надежности 271 Поле магнитное круговое 26
пульсирующее 23
эллиптическое 27
Преобразователь частоты асинхронный 209
Принципы оптимального проектирования серии 225 Пуск асинхронного двигателя прямой 121
--------реакторный 123
— — — реостатный 126
--------с пониженным напряжением 122
Регулирование частоты вращения переключением полюсов 161
--------реостатное 170
-------- частотное 140
Регулятор напряжения индукционный 211
Режим работы генераторный 172
— — двигательный 50
динамического торможении 175
электромагнитного торможения 174
Сельсины 221
Сила магнитодвижущая многофазной обмотки 16
— электродвижущая многофазной обмотки 23
Схема замещения Г-образная 58
Т-образная 54
Схемы обмоток статора 33
Тахогенератор асинхронный 189 Трансформатор вращающийся 264
Фазорегулятор 211
|
