Лекции / Лекция 11 Назначение и конструкция АМ

Назначение и конструкция асинхронной машины

Устройство асинхронного двигателя. На рис. 1.2 изображена конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа беличьей клетки. Машина имеет неподвижную часть – статор и вращающийся ротор. Соответственно, статор имеет магнитный сердечник 5, а ротор – магнитный сердечник 6, образующие магнитопровод двигателя. Сердечники шихтуются (набираются) из листов электротехнической стали, получаемых посредством штамповки. При этом в листах вырубаются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которых располагаются обмотки соответственно статора 2 и ротора 1.

Сердечник статора с обмоткой закрепляется в корпусе 4, который называется также станиной. Сердечник ротора с обмоткой плотно насаживается на вал 7, вращающийся в подшипниках. Через вал полезный вращающий момент передается нагрузочному механизму. Вентилятор 8 служит для охлаждения машины, так как при работе она нагревается из-за возникновения потерь мощности. В коробке выводов 3 располагаются клеммы с выведенными концами трехфазной обмотки статора, которую можно соединить в звезду или в треугольник и подключить напряжение питающей сети.

Обмотка ротора бывает двух типов: короткозамкнутая типа беличьей клетки (рис. 1.3) и фазная (рис. 1.4), состоящая из медных изолированных проводов.

Наибольшее распространение получили машины с короткозамкнутым ротором, обмотка которого из сплава алюминия заливается в пазы одновременно с короткозамыкающими кольцами и вентиляционными лопатками на торцах ротора. В мощных асинхронных двигателях беличья клетка ротора иногда изготавливается из медных стержней, закладываемых в пазы, которые затем на торцах свариваются с замыкающими кольцами. Итак, любая короткозамкнутая обмотка ротора имеет по одному проводнику в каждом пазу. При этом проводники не изолируются от стенок паза, так как в них наводится очень маленькая электродвижущая сила (ЭДС) и незначительные токи, замыкающиеся по стали сердечника, практически не влияющие на работу машины.

1

Фазная обмотка ротора имеет три фазы, соединенные в звезду, концы которых присоединены к расположенным на валу контактным кольцам. Вместе с неподвижными щетками кольца образуют скользящий контакт, позволяющий соединять фазную обмотку с внешней цепью.

Виды пазов в электрических машинах. Обмотки электриче-

ских машин размещают в пазах магнитопроводов (рис. 1.5) как можно ближе к воздушному зазору между статором и ротором. При этом достигается наилучшая магнитная связь междуобмотками статора иротора, да и закрепить проводники механически в пазах легче, чем на поверхности. Если же каким-то образом обмотки поместить непосредственно в рабочем воздушном зазоре, то его размер сильно возрастет, что негативно повлияет на характеристики машины. Особенно чувствительны к размеру воздушного зазора асинхронные двигатели, в которых он должен быть минимально возможным исходя из механических соображений.

Площадь сечения проводников обмоток определяется мощностью машины, током и допустимой плотностью тока. В реальных элек-

трических машинах с катушками из обмоточного провода проводники занимают около 70 % площади паза, оставшиеся 30 % приходятся на изоляцию и неизбежные воздушные промежутки.

г

д

Рис. 1.5. Формы пазов:

а– открытые; б – полуоткрытые; в - д – полузакрытые; е – закрытые: 1

–проводники обмотки; 2 – изоляция от стенок паза; 3 – пазовый клин; 4 – стержни беличьей клетки; 5 – пусковая короткозамкнутая обмотка; 6 – рабочая короткозамкнутая обмотка

Вэлектрических машинах используются следующие виды пазов: 1. Открытые (рис. 1.5, а) – для статорных обмоток машин, рас-

считанных на большие мощности и/или напряжения (более 400 кВт и 650 В), а также для роторов турбогенераторов. Обмотка в таких пазах из прямоугольного провода шаблонная; катушки изолируются до укладки в пазы.

2. Полуоткрытые (рис. 1.5, б) – для статорных обмоток машин, рассчитанных на мощности примерно от 100 до 400 кВт и напряжения

до 650 В. Катушка в этом случае подразделяется на две шаблонные полукатушки, закладываемые в паз по очереди. Провод прямоугольный.

3.Полузакрытые (рис. 1.5, в) – для статорных обмоток машин мощностью до 100 кВт. Обмотка здесь всыпная из круглых проводников небольшого сечения. Такие пазы на статоре имеет большинство асинхронных машин. Полузакрытые пазы используются также для короткозамкнутых обмоток роторов из литого алюминия (рис. 1.5, г) и двойных беличьих клеток асинхронных машин (рис. 1.5, д).

4.Закрытые (рис. 1.5, е) – для короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных машин и демпферных (успокоительных, пусковых) обмоток синхронных машин.

Конфигурация пазов влияет на технологичность обмотки и ее параметры, а, следовательно, на эксплуатационные показатели машины. С одной стороны, чем более открыты пазы, тем легче укладывать в них обмотку и тем меньше магнитный поток пазового рассеяния. Однако, с другой стороны, с увеличением раскрытия паза возрастает эквивалентный (расчетный) воздушный зазор:

K ,

где K – коэффициент воздушного зазора, часто называемый коэффи-

циентом Картера; – реальный воздушный зазор между статором и ротором.

Коэффициент воздушного зазора

К К 1К 2 ,

где К 1, К 2 – коэффициенты, учитывающие увеличение расчетного

зазора из-за наличия пазов соответственно на статоре и роторе.

При закрытых пазах коэффициент воздушного зазора равен еди-

нице, в остальных случаях Kδ2 1.

Обмотки. Общая характеристика обмоток. В электрических машинах переменного тока в принципе можно использовать два типа обмоток: сосредоточенные, в которых каждая фаза имеет только одну катушку, и распределенные, в которых катушки фазы распределены по пазам, расположенным по окружности, и соединены последовательно. Конструкция обмоток второго типа более сложная, поэтому объясним ее необходимость. Для этой цели сравним пространственные графики

магнитодвижущих сил (МДС) F(x) сосредоточенной и распределенной обмоток фазы (рис. 1.6).

Будем для простоты считать, что весь ток фазы i сосредоточен в центре паза; x – пространственная координата, отсчитываемая вдоль длины окружности рабочего воздушного зазора машины. График F(x) строим по закону полного тока, начиная с нулевой точки и увеличивая контур обхода вправо. Послеразделения витков w фазы на две катушки график МДС приобретает ступенчатую форму (рис. 1.6, б), которая ближе к синусоиде, чем прямоугольная форма (рис. 1.6, а), характерная для сосредоточенной катушки. С увеличением числа разбиений витков фазы число ступеней графика будет также расти, и зависимость F(x) будет еще больше приближаться к синусоиде первой (основной) гармоники F , а процентное содержание высших гармоник будет уменьшаться (речь идет о разложении в гармонический ряд Фурье).

Рис. 1.6. Пространственные графики МДС F(x) сосредоточенной (а)

и распределенной (б) обмоток фазы

Синусоидальная МДС создает также гармоническую пространственную волну магнитной индукции. Далее будет показано, что машины переменного тока имеют

наилучшие рабочие ха- 2p 2 w рактеристики, если их магнитное поле синусоидально распределено вдоль окружности воздушного зазора.

В общем случае w витков фазы можно раз-

делить на q катушек, которые также нужно еще разбить и на p частей,

чтобы создать магнитное поле с 2p полюсами, где p – число пар по-

люсов (рис. 1.7). Тогда числовитков обмоткифазы в каждом пазу

w wk qp .

Дадим основные определения.

Последовательно соединенные wk витков, уложенные в одну

пару пазов и имеющие кроме изоляции каждого проводника еще и общую изоляцию отстенокпаза, называютсякатушкойили секцией (рис. 1.8, а).

wk

Рис. 1.8. Катушка (а) и катушечная группа (б)

Катушки фазы, лежащие в соседних пазах и соединенные последовательно, называются катушечной группой (рис. 1.8).

Величина q, определяющая число катушек в катушечной груп-

пе, называется числом пазов на полюс и фазу,

где Z – общеечисло пазов статора илиротора; m– число фаз обмотки. Если внимательно проанализировать правую часть формулы (1.1), нетрудно убедиться, что она определяет число катушечных сторон фазы на одном полюсном делении , а каждая фаза имеет только

одну катушечную группу в пределах каждого полюсного деления:

D , 2p

где D – внутренний диаметр статора машины переменного тока, называемый также диаметром расточки статора.

Таким образом, полюсное деление – это часть окружности статора, приходящаяся на один полюс.

Полюсное деление обмотки (и машины) можно измерять и числом зубцовых делений. Тогда

Z

z p .

Зубцовым делением называется часть длины окружности, приходящаяся на одну пару паз-зубец:

На рис. 1.8, а для примера изображена катушка (секция) петлевой обмотки, которая имеет две активные части длиной l , лежащие в пазах, и две лобовые части (лобовые соединения) на торцевых частях статора. Активные части обмотки непосредственно участвуют в электромеханическом преобразовании энергии, в то время как лобовые служат только для замыкания цепи тока.

Один из основных конструктивных показателей обмотки – её шаг y , который также является шагом катушки и измеряется как в ли-

нейных мерах, так и числом зубцовых делений (в последнем случае шаг обозначается yz ) Обмотки, имеющие шаг y , называются об-

мотками с диаметральным шагом; при y – обмотка имеет укоро-

ченный шаг, а при y – удлиненный. Последние применяются редко

из-за увеличенной длины лобовых соединений.

Большинство обмоток электрических машин переменного тока имеет укороченный шаг, который способствует понижению негативного влияния высших пространственных гармоник на их работу. Как будет показано далее, укорочение шага возможно только в двухслойных обмотках, поэтому они доминируют в конструкциях асинхронных и синхронных машин.

Обмотки. Понятие об электрическом градусе. Первая (основ-

ная) гармоника магнитногополя в воздушном зазоредвухполюснойэлек-

4. Стержневые – жесткие, из толстого провода или шин, выгибаемых на специальных шаблонах. Обычно такие обмотки одновитковые (wk 1). Виток в них выполняется из двух стержней, спаиваемых

влобовой части.

5.Однослойные и двухслойные – в зависимости от числа независимых слоев (секций) в пазу.

6.Однофазные, двухфазные и трехфазные– по числу фаз. В машинах средней и большой мощности все обмотки трехфазные; в машинах малой мощности – двухфазные. В некоторых специальных машинах используются обмотки с числом фаз больше трех.

7.Равносекционные и неравносекционные. Если все катушки в обмотке одинаковые и получены намоткой на один шаблон, обмотка является равносекционной; в противном случае обмотка неравносекционная.

8.Двухплоскостные, трехплоскостные и цепные – в зависимости от формы и расположения лобовых соединений.

Обмотки. Основные принципы построения обмоток. Много-

фазные обмотки электрических машин переменного тока должны быть симметричными. Для этого фазы должны иметь одинаковое число витков и быть сдвинуты в пространстве (на 120° электрических при числе фаз m и на 90° электриче-

ских при числе фаз m ). В симметричных обмотках фазы имеют одинаковые параметры, т.е. одинаковые активные и индуктивные сопротивления.

При построении обмоток необходимо выполнение следующих условий:

1. Все фазы должны находиться в одинаковых электромагнитных условиях;

2. В фазах должны наводиться ЭДС, одинаковые по значению, но сдвинутые во времени на 120° (в трехфазных обмотках).

Рис. 1.10. Схема расположения

В машинах переменного

катушечных групп трехфазной

однослойной обмотки

тока используются трехфазные двухслойные обмотки. Рассмотрим принципы построения обмоток на

примере более простой однослойной обмотки статора.

Однослойная обмотка. Пусть требуется построить обмотку статopa со следующими данными: m , Z , p .

Сначала найдем число пазов на полюс и фазу:

Затем, начиная с паза 1, расположим по две катушечные группы у каждой фазы (рис. 1.10), при этом две катушки фазы соединяются последовательно (на рисунке это соединение не показано). Примем следующие обозначения: AA, BB , CC – катушечные стороны, соот-

ветствующие началам фаз; A A , B B , C C – катушечные стороны, соответствующие концам фаз. В соответствии с требованием симметрии обмотки между началами фаз A , B , C пространственный сдвиг составит 120°.

Изображенному на рис. 1.10 расположению катушек однослойной трехфазной обмотки соответствует схема-развертка, показанная на рис. 1.11, которую получим, мысленно разрезав магнитный сердечник по линии F F на рис. 1.10 между пазами 1 и 12 и развернув его в плоскость. Вид по нормали к этой плоскости и определяет полученную схему – развертку обмотки. В верхней части рис. 1.11 указан порядок распределения катушечных групп по пазам, что облегчает построение данной схемы.

Обратите внимание на чередование выводных концов фаз в нижней части схемы. Чтобы убедиться в том, что изображенная трехфазная обмотка действительно создает двухполюсное поле, покажем направления токов в катушках в какой-то момент времени. Например, в момент, когда ток в фазе A максимальный положительный, а в фазе B − отрицательный, равный половине амплитуды. Стрелки на рисунке указывают направления токов с учетом того, что положительный ток входит в начало фазы A , а отрицательные токи – в концы фаз Z и Y .

С помощью правила буравчика на рис. 2.6 можно указать зоны северного N и южного S полюсов, которые разделяются линиями нейтрали магнитного поля.

Указав направления токов для выбранного момента времени на рис. 1.10, легко убедиться, что результирующее магнитное поле обмотки имеет два полюса.

Необходимо отметить, что в какой-либо следующий момент времени магнитное поле на рис. 1.11 сместится вправо, а на рис. 1.10