Книги / элмех2000
.pdf142 Трансформаторы Ч. III
Кроме того, при 5 распределение напряжения вдоль обмотки
весьма неравномерно. |
|
|||
|
При |
нерав- |
|
|
номерном |
на- |
|
||
чальном |
распре- |
|
||
делении |
напря- |
|
||
жение на первой |
|
|||
катушке, |
напри- |
|
||
мер, при 10 в |
|
|||
10 |
раз больше, |
|
||
чем |
при |
равно- |
Рисунок III-13.4 |
|
мерном |
распре- |
|||
|
делении. Это вызывает необходимость усиления междувитковой и между катушечной изоляции в начале обмотки.
13.4 Защита трансформаторов от перенапряжений
Волны перенапряжений, достигающие трансформатора, могут вызвать опасность повреждения его изоляции, вследствие чего возникает необходимость борьбы с этой опасностью. Для этой цели начальные и концевые катушки высоковольтных обмоток трансформатора выполняются с усиленной изоляцией, а нейтрале обмоток с напряжением 35 кВ и больше заземляются либо непосредственно, либо через сопротивления, значения которых для высоковольтных колебательных процессов малы. Кроме того принимаются меры, направленные к частичному или более полному предотвращению электромагнитных колебаний в обмотке.
Простейшим мероприятием подобного рода является применение емкостных колец у начала обмотки на 35 кВ и выше. Такое кольцо представляет собой картонный механизированный диск, разрезанный по радиусу во избежание образования короткозамкнутого витка и соединенный с началом обмотки. Емкость этого кольца по отношению к виткам начальной катушки представлена на схеме емкостной цепочки обмотки в
виде емкости CЭ .
Эта |
емкость шунти- |
Рисунок III-13.5 |
|
рует |
продольные |
||
|
Гл. 13 |
Перенапряжения в трансформаторе |
143 |
емкости витков начальной катушки и повышает их потенциал. Лучшие результаты можно получить, если кроме того, охва-
тить экранными кольцами также ряд последующих катушек обмотки. Наличие таких колец приводит к повышению потенциала начальных и последующих катушек обмотки, причем можно получить почти равномерное начальное распределение напряжения, (рис. III-13.5 и рис. III-13.6)
Трансформаторы с подобной защитой называются грузоупорными или нерезонирующими, поскольку в них практически устранена опасность возникновения значительных резонансных электромагнитных колебаний под воздействием волн перенапряжений.
IV. Асинхронные машины
1. Принцип действия и конструкция трехфазного асинхронного двигате
1.1 Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя
Неподвижная часть асинхронного двигателя - статор – имеет трехфазную обмотку, при включении которой в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля
60f1
n0 (1.1) p
В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя - ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора представляет собой несколько стержней, уложенных в пазы сердечника и замкнутых с двух сторон кольцами.
Вращающееся поле статора пересекает стержни обмотки ротора и наводит в них э.д.с. Но так как обмотка ротора замкнута, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы Fэм , направление которых определяют по правилу
«левой руки». Силы Fэм стремятся повернуть ротор в направле-
нии вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Fэм , приложенных к стержням, создает на роторе электромагнитный момент M, приводящий его во вращение с частотой n . Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.
Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения вала двигателя.
Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно и направление вращения ротора зависит от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n0 , так как только в этом случае
происходит наведение э.д.с. в обмотке ротора асинхронного двигателя. Разность частот ротора и вращающегося поля статора характеризуется скольжением:
Гл. 1 |
Принцип действия и конструкция трехфазного асинхронного двигате |
145 |
||
|
S |
n0 n |
|
(1.2) |
|
n0 |
|||
|
|
|
Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в пределах от 0 до 1. При этом S 0 соответствует режиму х.х., когда ротор двигателя почти не испытывает противодействующих моментов, S 1 соответствует режиму к.з., когда при включении в сеть противодействующий момент на валу двигателя равен пусковому моменту и поэтому ротор двигателя неподвижен (n 0). Для двигателей нормального исполнения мощностью от 1 до 1000 кВт номинальное скольжение приблизительно составляет соответственно 0,06+0,001, т.е. 6+1%.
Частота вращения ротора асинхронного двигателя |
|
n n0(1 S) |
(1.3) |
Частота тока (э.д.с.), наведенного в обмотке вращающегося ротора, пропорциональная частоте вращения магнитного поля относительно ротора
ns n0 n
или |
|
|
f2 |
|
p (n0 n) |
|
|||||||
|
|
|
60 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
f |
2 |
|
p(n0 n) |
|
n0 |
|
pn0 |
|
n0 n |
f S |
(1.4) |
||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
60 |
|
n0 |
60 |
|
|
n0 |
|
т.е. частота тока (э.д.с.) ротора пропорциональна скольжению. Для асинхронных двигателей общепромышленного приме-
нения эта частота обычно не велика и при f1 50 Гц не превы-
шает нескольких Гц. Так, при Sном 5% частота f2 50 0,05 2,5 Гц.
Ток ротора создает вращающуюся н.с., частота вращения которой относительно ротора
ns f260 f1S60 n0S p p
Частота вращения н.с. ротора относительно статора больше на величину n:
ns n n0S n0(1 S) n0
т.е. н.с. обмотки ротора вращается в пространстве с синхронной частотой вращения независимо от частоты вращения ротора.
Таким образом, в асинхронном двигателе действуют две намагничивающие силы - статора и ротора, которые вращаются
146 |
Асинхронные машины |
Ч. IV |
синхронно и образуют единое результирующее магнитное поле машины.
1.2Устройство асинхронных двигателей
По своему устройству асинхронные двигатели разделяют на два типа, отличающиеся друг от друга лишь конструкцией ротора: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигателем с фазным ротором, которые называют также двигателями с контактными кольцами.
Статор асинхронного двигателя состоит из корпуса, сердечника и обмотки. Корпус статора служит для крепления сердечника с обмоткой и подшипниковых щитов. В небольших двигателях корпус отливают из алюминиевого сплава, стали или чугуна, в крупных машинах – делают сварным.
Сердечник статора собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, которые до сборки покрывают с
обеих сторон |
|
||
изоляцион- |
|
||
ной |
пленкой |
|
|
(обычно |
ла- |
|
|
ком), что ог- |
|
||
раничивает |
|
||
величину |
|
|
|
вихревых |
|
|
|
токов |
в |
сер- |
Рисунок IV-1.1 |
дечнике. |
На |
|
внутренней поверхности сердечника статора имеются пазы, в которых уложена активные стороны трехфазной обмотки статора.
Обычно к зажимам выводов присоединяют все шесть концов трехфазной обмотки. Это дает возможность применять одни
ите же двигатели на различные напряжения сети, находящиеся в отношении при этом соединении звездой соответствует высшие напряжение. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжение 220/380 В, то при напряжении 380 В обмотки статора следует соединить звездой, а при напряжении 220 В - треугольником. В обоих случаях фазное напряжение останется равным 220В. Для упрощения указанных переключений зажимы обмоток располагают в определенном порядке.
Ротор асинхронного двигателя состоит из вала, сердечника
иобмотки. Сердечник ротора имеет цилиндрическую форму, его собирают из листов электротехнической стали. В двигателях с
Гл. 2 |
Рабочий процесс асинхронной машины |
147 |
короткозамкнутым ротором обмотка ротора представляет собой ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных в пазах сердечника ротора и замкнутых по торцам кольцами. В двигателях мощностью до 100 кВт обмотку ротора выполняют заливкой пазов расплавленным алюминием под давлением. При этом одновременно отливают и замыкающие кольца вместе с вентиляционными крыльями. В этом случае для упрощения процесса заливки алюминия пазы ротора обычно делают закрытыми круглой или овальной формы.
Двигатель с фазным ротором помимо указанных выше частей имеет на валу три контактных кольца, изолированных от вала и друг от друга.
2.Рабочий процесс асинхронной машины
2.1Э.д.с., наводимые в обмотках асинхронного двигате-
ля
Как следует из принципа работы асинхронного двигателя, обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора. Между этими обмотками существует только магнитная связь, и энергия из одной обмотки передается в другую посредством магнитного поля. В этом отношении асинхронная машина аналогична трансформатору, в котором обмотка статора является первичной, а обмотка ротора - вторичной.
Э.д.с., наводимые в обмотке статора. Основной магнитный поток Ф , вращающийся с частотой n0 , наводит в неподвижной
обмотке статора э.д.с. E1, величина которой определяется выра-
жением E1 4,44W1f1Ф.
Магнитный поток рассеяния статора Ф 1 наводит в обмотке
статора э.д.с. рассеяния, величина которой определяется индуктивным падением напряжения в обмотке статора:
|
|
(2.1) |
E 1 |
jx1I1 |
где x1 - индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы об-
мотки статора.
Кроме того, в обмотке статора имеет место падения напряжения в активном сопротивлении:
|
|
(2.2) |
Er |
r1I1 |
где r1 - активное сопротивление одной фазы обмотки статора.
148 |
Асинхронные машины |
Ч. IV |
Таким образом, напряжение сети U1, подведенное к обмот-
ке статора, уравновешивается суммой э.д.с., наведенных в этой обмотке:
|
|
|
|
|
(2.3) |
U1 |
( E1) |
( E 1) Er |
|||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 |
E1 |
jx1I1 |
r1I1 |
|
Выражение 2.3 представляет собой уравнение э.д.с. обмотки статора асинхронного двигателя.
Э.д.с., наводимые в обмотке ротора. В процессе работы двигателя ротор вращается в сторону вращения магнитного поля статора с частотой n .Поэтому частота вращения поля статора относительно ротора разности частот n0 n. Основной магнит-
ный поток Ф , обгоняя ротор со скоростью n0 n, индуктирует в обмотке ротора э.д.с.
E2s 4,44f2ФW2Kоб2 |
(2.4) |
где f2 - частота э.д.с. E2 ; W2 - число последовательно соеди-
ненных витков одной фазы обмотки ротора; Kоб2 - обмоточный коэффициент обмотки ротора.
E2s 4,44f1ФW2Kоб2 E2S |
(2.5) |
Здесь E2 - э.д.с., наведенная в обмотке ротора при сколь-
жении S 1, т.е. при неподвижном роторе.
Поток рассеяния ротора Ф 2 индуктирует в обмотке ротора
э.д.с. рассеяния, величина которой определяется индуктивным падением напряжения в этой обмотке:
E |
2 |
jx |
SI |
(2.6) |
|
2 |
2 |
|
где x2 - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки при не-
подвижном роторе (S 1).
Так как в процессе работы двигателя обмотка ротора замкнута накоротко, то сумма э.д.с. в цепи ротора равна нулю, т.е.
SE |
2 |
jx |
SI |
r I |
0 |
(2.7) |
|
2 |
2 |
2 2 |
|
|
где r2 - активное сопротивление цепи ротора.
Разделив все члены равенства (2.7) на S , получим уравнение э.д.с. для обмотки ротора
|
jx |
|
|
r2 |
0 |
(2.8) |
|
E2 |
2I2 |
|
I2 |
||||
S |
Гл. 2 |
Рабочий процесс асинхронной машины |
149 |
2.2 Уравнения намагничивающих сил и токов асинхронного двигателя
Основной магнитный поток Ф в асинхронном двигателе создается действием н.с. обмоток статора F1 и ротора F2 :
|
F2 |
F1 |
|
F0 |
(2.9) |
|
Ф |
|
|
|
|
||
Rм |
Rм |
|||||
|
|
|
где Rм - магнитное сопротивление магнитной системы двигателя потоку Ф : F0 - результирующая н.с. асинхронного двигателя, численно равная н.с. обмотки статора в режиме х.х.
|
|
W I |
|
|
|
F |
0,45m |
1 0 |
K |
|
(2.10) |
|
|
||||
0 |
1 |
P |
об1 |
|
I0 - ток в обмотке статора в режиме х.х.
Намагничивающие силы обмоток статора и ротора в режиме нагруженного двигателя:
|
|
|
|
W I |
|
|
|
|||
F |
0,45m |
|
11 |
K |
|
|
(2.11) |
|||
|
|
|
|
|||||||
1 |
|
|
1 |
P |
|
|
|
об1 |
|
|
|
|
|
|
W |
I |
|
|
|
||
F |
0,45m |
|
|
2 2 |
K |
|
(2.12) |
|||
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
2 |
P |
|
об2 |
|
где m2 - число фаз в обмотке ротора; Kоб2 - обмоточный коэф-
фициент обмотки ротора.
При изменениях нагрузки на валу двигателя меняются токи I1 и I2 , что вызывает соответствующие изменения намагничивающих сил обмоток статора и ротора. Но основной магнитный поток Ф при этом сохраняется неизменным, так как напряжение, подведенное к обмотке статора, неизменно (U1 const ) и почти полностью уравновешивается э.д.с. обмотки статора:
|
|
(2.13) |
U1 |
( E1) |
Но поскольку э.д.с. E1 пропорциональная основному потоку
Ф , то последний при изменениях нагрузки остается неизменным. Этим и объясняется то, что, несмотря на изменения н.с. F1 и F2 , результирующая н.с. остается неизменной, т.е. F0 F1 F2 const .
Подставив вместо F1,F2,F0 их значения, получим
150 |
|
|
|
|
Асинхронные машины |
|
|
|
|
Ч. IV |
||||||||||
|
W I |
|
|
|
|
W I |
|
|
|
|
|
|
|
W I |
|
|||||
0,45m |
1 0 |
K |
|
0,45m |
|
11 |
K |
|
|
0,45m |
|
2 2 |
K |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
1 P |
об1 |
|
|
1 P |
|
об1 |
|
|
|
2 P |
об2 |
|||||||||
Разделив это равенство на |
|
m1W1Kоб1 |
, |
получим уравнение |
||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
токов асинхронного двигателя |
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
m2W2Kоб2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.14) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
I0 I1 |
m W K |
об1 |
I2 |
I1 I2 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Величина I2 1 I2 представляет собой ток ротора, приве-
Ki
денный к обмотке статора.
Преобразовав уравнение (2,14), получим выражение тока статора
|
|
|
(2.15) |
I1 |
I0 |
I2 |
из которого следует, что ток статора асинхронного двигателя имеет две составляющие: I0 - намагничивающую и I2 - состав-
ляющую, которая компенсирует размагничивающее действие тока ротора.
Следовательно, ток ротора I2 оказывает на магнитную сис-
тему двигателя такое же размагничивающее влияние, как и ток вторичной обмотки трансформатора. Следовательно, любое изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением тока в обмотке статора I1, так как изменение
нагрузки на валу двигателя вызывает изменение скольжения S . Это в свою очередь влияет на э.д.с. обмотки ротора, а следовательно, и на величину тока ротора. Но так как этот ток оказывает размагничивающее влияние на магнитную цепь двигателя, то его изменения вызывают соответствующие изменения тока в цепи статора I1, за счет составляющей I2 . Так, в режиме х.х., когда на-
грузка на валу двигателя отсутствует и S 0 , ток I2 0. В этом случае ток в обмотке статора I1 I0 . Если же ротор затормозить, не отключая обмотки статора от сети, (режим короткого замыкания), то скольжение S 1 и э.д.с. обмотки ротора E2s достигнет своего наибольшего значения E2 . Также наибольшего значения достигнут ток I2 , а следовательно, и ток в обмотке статора I1 .
Гл. 2 Рабочий процесс асинхронной машины 151
2.3 Приведение параметров обмотки ротора к обмотке статора
Чтобы векторы величин обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме, параметры обмотки ротора приводят к обмотке статора. При этом обмотку ротора с числом фаз m2 обмоточным коэффициентом Kоб2 и чис-
лом витков фазы W2 заменяют обмоткой m1 Kоб1 и W1. При та-
кой замене у приведенного ротора мощности и углы фазных сдвигов векторов должны остаться такими же, что и до приведения.
Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные ведется по последующим формулам: приведенная э.д.с. ротора при S 1
|
|
|
|
|
|
|
E2 |
KuE2 |
(2.16) |
||
где Ku |
E1 |
|
W1Kоб1 |
- коэффициент трансформации напряже- |
|||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
E |
2 |
|
W K |
об2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
ния в асинхронной машине при неподвижном роторе. |
|
||||||||||
Приведенный ток ротора |
|
1 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.17) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
I2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
I2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ki |
|
|
где Ki |
m1W1Kоб1 |
- |
коэффициент трансформации тока асин- |
||||||||
|
|||||||||||
|
m |
2 |
W K |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 об2 |
|
|
|
|
|
|
хронной машины.
В отличие от трансформатора в асинхронных двигателях коэффициент Ku Ki , так как в общем случае число фаз в обмот-
ке статора m1 и в обмотке ротора m2 неодинаково; лишь в дви-
гателях с фазным ротором, у которых m1 m2 , эти коэффициен-
ты равны.
Активное и индуктивное приведенные сопротивления обмотки ротора:
r2 |
r2KiKu |
(2.18) |
x2 |
x2KiKu |
(2.19) |
Следует обратить внимание на некоторую специфику определения m2 и W2 в короткозамкнутой обмотке ротора. Каждый стержень этой обмотки можно рассматривать как фазную обмотку. Поэтому число витков одной фазы обмотки ротора W2 0,5;