РАБОТА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
«Рабочие характеристики асинхронного двигателя»
Введение
Асинхронная электрическая машина – это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Используется в основном как двигатель и как генератор. Статор имеет пазы, в которые укладывается одно- или многофазная (чаще трёхфазная) обмотка, подключаемая к сети переменного тока. Эта обмотка предназначена для создания подвижного магнитного поля, вращающегося кругового- у трёхфазных и пульсирующего или вращающегося эллиптического-у однофазных машин. Ротор – вращающаяся часть электрической машины, предназначен также для создания магнитного поля, которое, взаимодействуя с полем статора, ведёт к созданию электромагнитного вращающего момента, определяющего направление преобразования энергии. У генераторов этот момент носит тормозной характер, противодействуя вращающему моменту первичного двигателя, приводящего в движение ротор. У двигателей, наоборот, этот момент является движущим, преодолевающим сопротивление приводимого во вращение ротором механизма.
Асинхронный генератор-это асинхронная электрическая машина, работающая в генераторном режиме. Вспомогательный источник электрического тока небольшой мощности и тормозное устройство (в электроприводе).
Асинхронный электродвигатель – это асинхронная электрическая машина, работающая в двигательном режиме. Наиболее распространен трехфазный асинхронный электродвигатель (изобретен в 1889 М.О. Доливо-Добровольским). Асинхронные электродвигатели отличаются относительной простотой конструкции и надежностью в эксплуатации, однако имеют ограниченный диапазон частоты вращения и низкий коэффициент мощности при малых нагрузках. Мощность от долей Вт до десятков МВт.
1. Асинхронный двигатель
1.1 Частота вращения магнитного поля и ротора
Пусть n 1 – частота вращения магнитного поля. Многофазная система переменного тока создаёт вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту n1=60f1/p, где f1 – частота тока, p – число пар полюсов, образуемых каждой фазой статорной обмотки.
n 2 – частота вращения ротора. Если ротор вращается с частотой не равной частоте вращения магнитного поля (n2≠n1), то такая частота называется асинхронной. В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте.
При работе частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения поля.
( n 2< n 1)
1.2 Принцип действия асинхронного двигателя
В асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле создаётся трёхфазной системой при включении её в сеть переменного тока. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них э.д.с. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то в ней под действием индуцируемой э.д.с. проходит ток. В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создаётся вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля. Для изменения направления вращения ротора необходимо поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трёх проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.
1.3 Устройство асинхронного двигателя
Сердечник статора набирается из стальных пластин, толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с пазами и крепят в станине двигателя. Станину устанавливают на фундаменте. В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки, которые соединяют между собой так, что образуется трёхфазная система. Для подключения обмоток статора к трёхфазной сети они могут быть соединены звездой или треугольником. Это даёт возможность включить двигатель в сеть с разным напряжением. Для более низких напряжений (220/127 В) обмотка статора соединяется треугольником, для более высоких (380/220 В) – звездой. Сердечник ротора также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм. Пластины штампуют с пазами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины. Из пакетов образуется цилиндр с продольными пазами, в которых укладывают проводники обмотки ротора. В зависимости от типа обмотки ротора асинхронные машины могут быть с фазным и короткозамкнутым ротором. В короткозамкнутую обмотку нельзя включить сопротивление. В Фазной обмотке проводники соединены между собой, образуя трёхфазную систему. Обмотки трёх фаз соединены звездой. Обмотку ротора можно замкнуть на сопротивление или накоротко. Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и дешевле, однако двигатели с фазным ротором обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами (они используется при больших мощностях). Мощность асинхронных двигателей колеблется от нескольких десятков Ватт до 15000 кВт при напряжении обмотки статора до 6 кВ. Недостаток асинхронных двигателей – низкий коэффициент мощности.
1.4 Работа асинхронного двигателя под нагрузкой
n 1 – частота вращения магнитного поля статора. n 2 – частота вращения ротора.
n 1 > n 2
Магнитное поле статора вращается в том же направлении, что и ротор и скользит относительно ротора с частотой n s = n 1 – n 2
Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статорахарактеризуется скольжениемS = n s / n 1, => S = ( n 1 – n 2) / n 1
Если ротор неподвижен, тоn 2 =0, S = ( n 1 – n 2) / n 1, => S = n 1 / n 1 =1
Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, то скольжение S= 0.
При холостом ходе, то есть при отсутствии нагрузки на валу двигателя скольжение ничтожно мало и его можно принять равным 0. Нагрузкой на валу ротора может служить, например резец токарного станка. Он создаёт тормозной момент. При равенстве вращающего и тормозного момента двигатель будет работать устойчиво. Если нагрузка на валу увеличилась, то тормозной момент станет больше вращающего и частота вращения ротора n 2 уменьшится. Согласно формулеS = ( n 1 – n 2) / n 1 скольжение увеличится. Так как магнитное поле статора скользит относительно ротора с частотой n s = n 1 – n 2, то оно будет пересекать проводники ротора чаще, в них увеличится ток и двигательный вращающий момент, который вскоре станет равным тормозному. При уменьшении нагрузки, тормозной момент становится меньше вращающего, увеличивается n 2 и уменьшаетсяS . Уменьшается Э.Д.С и ток ротора и вращающий момент вновь равен тормозному. Магнитный поток в воздушном зазоре машины при любом изменении нагрузки остаётся примерно постоянным.
2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Рабочие характеристики асинхронного двигателя есть зависимость
S – скольжения
n2 – частоты вращения ротора
М – развиваемого момента
I1-потребляемого тока
Р1-расходуемой мощности
СОSφ-коэффициента мощности
КПДη
От полезной мощности Р2 на валу машины.
Эти характеристики снимаются при естественных условиях. Частота тока f1 и напряжение U1 остаются постоянными. Изменяется только нагрузка на валу двигателя.
При увеличении нагрузки на валу двигателя S увеличивается. При холостом ходе двигателя n2≈n1, и S≈0. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет от 3 до 5%.
При увеличении нагрузки на валу двигателя частота вращения n2 уменьшается. Однако, изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной очень незначительны и не превышают 5%. Поэтому, скоростная характеристика асинхронного двигателя является жёсткой. Кривая имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.
Вращающий момент М, развиваемый двигателем, уравновешен тормозным моментом на валу Мт и моментом М , идущим на преодоление механических потерь, то есть М= Мт + М 0 =Р 2 /Ω 2 + М , где Р 2 – полезная мощность двигателя, Ω 2 -угловая скорость ротора. При холостом ходе М= М 0. С увеличением нагрузки вращающий момент также увеличивается, причём за счёт некоторого уменьшения частоты вращения ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем полезной мощности на валу.
Ток I1, потребляемый двигателем из сети неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе СОSφ-коэффициента мощности – мал. И ток имеет большую реактивную составляющую. При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, поэтому активная составляющая тока незначительно влияет на ток I1. При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение тока I1.
Графическая зависимость потребляемой двигателем мощности Р1 изображается почти прямой линией, незначительно отклоняющейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с возрастанием нагрузки.
Зависимость СОSφ-коэффициента мощности – от нагрузки на валу двигателя следующая. При холостом ходе СОSφ мал, порядка 0,2. Так как активная составляющая тока статора, обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток. При увеличении нагрузки на валу СОSφ возрастает, достигая наибольшего значения 0,8–0,9, в результате увеличения активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение СОSφ, так как в следствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.
Кривая КПДη имеет такой же вид как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе КПД=0. С увеличением нагрузки на валу двигателя КПД резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения КПД достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потери мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.
www.ronl.ru
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
«Трехфазный асинхронный двигатель»
Введение
Асинхронной машинойявляется 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.
При электромеханическом преобразовании энергии в асинхронных машинах, как и в других машинах, происходит преобразование энергии а тепло. Электрические потери в роторе асинхронной машины пропорциональны скольжению. Чтобы большая часть электрической энергии преобразовывалась в механическую, асинхронные машины используются в электроприводах, где допустимо небольшое скольжение (s= = 1–4%). При глубоком скольжении (s=10–50%) асинхронные машины используются редко, так как в это случае большая часть мощности, забираемой из сети, преобразуется в тепло, что приводит к низкому КПД и увеличению габаритов асинхронной машины из-за трудностей, связанных с отводом тепла от активных частей машины.
Наличие в роторе потерь, пропорционально зависящих от скольжения, – одна из особенностей асинхронных машин, обусловливающих их отличие от других типов электрических машин.
Если обмотки ротора представляют собой замкнутые контуры, то при скольжении s=1 вся мощность, поступающая на ротор, преобразуется в тепло. При скольжении s=0 мощность на ротор не поступает. При скольжениях, отличных от 0 и 1, электромагнитная мощность преобразуется в двигательном режиме в механическую мощность и в тепло, а в генераторном режиме – в электрическую и в тепло.
В конструктивном исполнении асинхронные двигатели – наиболее простые, они получили наибольшее распространение.
1. Расчёт характеристик трехфазных асинхронных двигателей
1. Рассчитать рабочие характеристики и построить зависимости частоты вращения n, вращающего момента М2, тока обмотки статора I1, потребляемой мощности P1 и коэффициента мощности cos ц1 в функции полезной мощности Р2 .
2. Определить значения критического скольжения Sк, максимального Мmax и пускового Мп моментов двигателя и их относительных значений М*max и M*п .
3. Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя М(S) для разных величин скольжения S. Скольжение рекомендуется представлять в процентах (долях единицы значений: S= S% /100). Величину С1 принять равной С1 =1+ X1 /Xм .
Расчет следует выполнить для значений скольжения S= (0,0025; 0,005; 0,01; 0,02; 0,025; 0,03; 0,2; 0,3).
4. Для каждой величины скольжения нужно определить:
– активные Iхха, реактивные Iххр, действующие Iххд, величины тока холостого хода, тока статора I1а, I1р, I1д, тока ротора I2а, I2р, I2д ;
– мощности: потребляемую P1, преобразованную Pпр и полезную P2 ;
– коэффициент мощности cos ц1; к.п.д. з;
– угловую скорость n и момент нагрузки М2 .
Исходные данные:
Номинальная мощность на валу Р2Н, кВт 30
Номинальное линейное напряжение U1Н, В 660
Синхронная угловая скорость n1, об/мин 750
Коэффициент полезного действия зН 90,5
Коэффициент мощности cos ц1 0,81
Активное сопротивление цепи намагничивания r*М 0,18
Индуктивное сопротивление цепи намагничивания х*М 2,15
Активное сопротивление обмотки статора r*1 0,030
Приведенное активное сопротивление обмотки ротораr2* 0,022
Индуктивное сопротивление обмотки статора х*1 0,073
Приведенное индуктивное сопротивление обмотки роторах2* 0,17
Механические потери Рмех, кВт 0,37
2. Расчёт рабочих характеристик
Для расчёта используем Г-образную схему замещения асинхронного двигателя с вынесенным намагничивающим контуром. При этом определим поправочный коэффициент для заданной схемы:
Рисунок 1. Схема замещения асинхронной машины в Г-образной форме
Фазное напряжение:
Приведённая мощность:
Добавочные потери определяем по формуле:
Фазный ток обмоток статора:
Заданные относительные сопротивления переводим в омические.
Коэффициент перевода электрических параметров из относительных единиц в именованные:
Найдём найденное сопротивление в именованных единицах. Определим активное сопротивление цепи намагничивания потери в стали:
Индуктивное сопротивление взаимоиндукции приведённой первичной и вторичной цепи:
Активное сопротивление обмотки статора в именованных единицах:
Индуктивное сопротивление обмотки статора в именованных единицах:
Активное приведённое сопротивление обмотки ротора в именованных единицах:
Определим индуктивное приведённое сопротивление обмотки ротора:
Определяем токи холостого хода ротора и статора.
Полное активное сопротивление рабочего контура:
Таким образом полное эквивалентное сопротивление контура намагничивания определяем по формуле:
Определим
Определим
Определим активную составляющую тока холостого хода:
Определим реактивную составляющую тока холостого хода:
Для заданной схемы определим поправочный коэффициент:
Для различных значений S рассчитываем:
1. Токистатора I1a, I1p, I1
2. Токиротора I2a, I2p, I2
3. Коэффициент мощности cosj
4. Потребляемую мощность Р1
5. Полезную мощность Р2
6. Преобразованную мощность Рпр
7. Коэффициент полезного действия h
8. Угловую скорость n
9. Момент нагрузки на валу двигателя М2
Определим эквивалентное активное сопротивление рабочего контура:
Приведённое индуктивное сопротивление рабочего контура:
Полное приведённое сопротивление рабочего контура:
Определим коэффициент мощности при S=0,0025
Действующее значение тока ротора:
Активная составляющая тока ротора
Определим реактивную составляющую тока ротора:
Определим активную составляющую тока статора:
Реактивная составляющая тока статора:
Определим действующее значение тока статора:
Определяем добавочное приведённое активное сопротивление в цепи ротора:
Определяем полезную мощность на валу двигателя
где:
Определяем угловую скорость магнитного поля статора:
Определяем угловую скорость магнитного поля машины:
Определяем момент нагрузки на валу двигателя:
Определяем потребляемую мощность машины:
Определим приведённое индуктивное сопротивление рабочего контура:
Выполняем расчеты при S= 0,0025; 0,005; 0,01; 0,02; 0,025; 0,03; 0,2; 0,3, результаты сводим в таблицу 3П (Расчет выполнен на компьютере с использованием программы Excel )
Таблица 1
| № п/п | Значение | Значение S | |||||||
| 0,0025 | 0,005 | 0,01 | 0,02 | 0,025 | 0,03 | 0,2 | 0,3 | ||
| 1 | R’2 | 100,1348 | 50,0674 | 25,0337 | 12,5168 | 10,01348 | 8,3446 | 1,251685 | 0,834456 |
| 2 | R»2 | 100,4649 | 50,3975 | 25,3639 | 12,8470 | 10,34364 | 8,6747 | 1,581843 | 1,164615 |
| 3 | Rпр | 99,8844 | 49,8170 | 24,7834 | 12,2665 | 9,76314 | 8,0942 | 1,001348 | 0,584119 |
| 4 | Z»2 | 100,5022 | 50,4719 | 25,5112 | 13,1355 | 10,69983 | 9,0965 | 3,161932 | 2,975217 |
| 5 | cos«2 | 0,9996 | 0,9985 | 0,9942 | 0,9780 | 0,96671 | 0,9536 | 0,500277 | 0,391439 |
| 6 | I»2 | 3,7915 | 7,5498 | 14,9366 | 29,0093 | 35,61282 | 41,8898 | 120,5121 | 128,0751 |
| 7 | I»2a | 3,7901 | 7,5387 | 14,8504 | 28,3722 | 34,42728 | 39,9475 | 60,28948 | 50,13354 |
| 8 | I»2r | 0,1033 | 0,4095 | 1,6030 | 6,0464 | 9,112391 | 12,6077 | 104,3473 | 117,8552 |
| 9 | I1a | 5,2979 | 9,0465 | 16,3582 | 29,8800 | 35,9352 | 41,4554 | 61,7974 | 51,6414 |
| 10 | I1r | 16,0652 | 16,3715 | 17,5649 | 22,0083 | 25,0743 | 28,5697 | 120,3092 | 133,8172 |
| 11 | I1 | 16,9162 | 18,7047 | 24,0024 | 37,1104 | 43,81845 | 50,3465 | 135,2524 | 143,4359 |
| 12 | cos 1 | 0,3132 | 0,4837 | 0,6815 | 0,8052 | 0,820092 | 0,8234 | 0,456904 | 0,360031 |
| 13 | Рпр | 4307,59 | 8518,58 | 16587,72 | 30968,22 | 37146,98 | 42610,26 | 43628,23 | 28744,33 |
| 14 | Рдоб | 7,15 | 8,75 | 14,40 | 34,43 | 48,00141 | 63,37 | 457,3303 | 514,3466 |
| 15 | P2 | 3930,44 | 8139,84 | 16203,32 | 30563,79 | 36728,98 | 42176,89 | 42800,9 | 27859,99 |
| 16 | W1 | 104,667 | |||||||
| 17 | W | 104,405 | 104,143 | 103,620 | 102,573 | 102,050 | 101,5267 | 83,73333 | 73,26667 |
| 18 | М2 | 37,65 | 78,16 | 156,37 | 297,97 | 359,91 | 415,4267 | 511,1573 | 380,2546 |
| 19 | Р1 | 6056,36 | 10341,58 | 18699,98 | 34157,48 | 41079,40 | 47389,88 | 70643,87 | 59034,06 |
| 20 | h | 0,6490 | 0,7871 | 0,8665 | 0,8948 | 0,8941 | 0,889998 | 0,605869 | 0,471931 |
| 21 | n | 997,5 | 995 | 990 | 980 | 975 | 970 | 800 | 700 |
По данным таблицы 1 строим рабочие характеристики асинхронного двигателя, требуемых зависимостей.
Рисунок 1(а). График рабочих характеристик асинхронного двигателя
Рисунок 2(б). График рабочих характеристик асинхронного двигателя
По построенным графикам рабочих характеристик определяем расчётные номинальные значения М2н, зн, cosц1н, соответствующие заданному номинальному значению мощности P2н = 30кВт и сравниваем их со значением в таблице исходных данных 1.
М2н = 303,28 Нм; зн =89,4; cosц1н =0,817;
;
Погрешность расчета для всех параметров не превышает 5%.
Определяем критическое скольжение:
Так как расчет выполняем для двигателя, то в формуле стоит +.
Определяем максимальный момент:
Определяем пусковой момент
b =r/(C*r)
Кратности пускового Мп и максимального Mmax, составляют:
Пользуясь формулой Клосса определяем электромагнитный момент для заданных значений скольжений S= (0,1…. 1,0).
Подставив в формулу различные значения S, проведём вычисления, результаты которых сведём в таблицу 2.
| 0,091 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,7 | 1 |
| 752,56 | 749,64 | 439,32 | 285,17 | 209,28 | 149,06 |
По данным таблицы №2 строим механическую характеристику асинхронного двигателя.
Рисунок 2. График механических характеристик асинхронного двигателя (зависимость момента М от скольжения S
Заключение
Диапазон рабочих характеристик асинхронного двигателя соответствует его зоне устойчивой работы:
Эта характеристика позволяет находить все основные величины, которые определяют режим работы двигателя при различных нагрузках. Их можно получить либо расчётным путём по схеме замещения, либо экспериментально.
Максимальный момент двигателя называют опрокидывающим моментом. При работе двигателя с величинами момента нагрузки, меньше максимального момента, но близкими к нему, случайная перегрузка двигателя приводит к его остановке и к как правилу к выходу его из строя.
По этой причине практически выбирают двигатель такой мощности, при которой выполняется неравенство: , при этом обеспечивается мощность двигателя с запасом по мощности не менее 70%. При проведенных расчётах мы видим, что мощность двигателя, заданного в условии задачи соответствует этим условиям:Таким образом, выполняется главное условие выбора асинхронного двигателя, так как запас по мощности данного двигателя более чем 100%. Погрешность расчета для вех параметров не превышает 5%.
трехфазный асинхронный двигатель рабочий
Список литературы
1. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. «Электрические машины», Москва «Высшая школа», 1987 г.;
2. Винокуров В.А., Попов Д.А. «Электрические машины железнодорожного транспорта», Москва «Транспорт», 1986 г.;
3. Копылов И.П. «Электрические машины», Москва «Энергоатомиздат», 1986 г.;
4. Попов Д.А., Руднев В.Н. «Электрические машины» задание на контрольную работу с методическими указаниями, Москва, 1991 г.
www.ronl.ru
1. Введение. 2. Линейный асинхронный двигатель. 2.1 Конструкция и принцип действия. 2.2 Разновидности. 2.2.1 Конструктивные параметры. 2.2.2 Дуговой двигатель. 2.2.3 Трубчатый двигатель. 2.3 Применение. 3. Линейный двигатель постоянного тока. 3.1 Конструкция и принцип действия. 3.2 Применение. 4. Линейный синхронный двигатель. 4.1 Применение. 5. Вывод. 1. Введение. Интересные и широкие перспективы развития электропривода связаны с применением так называемых линейных двигателей. Большое число производственных механизмов и устройств имеют поступательное или возвратно-поступательное движение рабочих органов (подъёмно-транспортные машины, механизмы подач различных станков, прессы, молоты и т.д.). В качестве привода этих механизмов и устройств использовались обычные электродвигатели в сочетании со специальными видами механических передач (кривошипно-шатунный механизм, передача винт-гайка), преобразовавших вращательное движение рабочего органа. Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и постоянного тока, повторяя по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения. 2. Линейный асинхронный двигатель. 2.1 Конструкция и принцип действия. Рис. 1 Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать (рис. 1) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость, как это показано на рисунке. Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью, пропорциональной частоте питающего напряжения и длине полюсного деления. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор – в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом – под действием этой силы начнёт двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе. 2.2 Разновидности. 2.2.1 Конструктивные параметры. Рис. 2 Представленная на рис. 2 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 2а) или короче его (рис. 2б). Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Часто – и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя – в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как показано на рис. 2д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 2в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 2г). Двигатель с конструктивной схемой, приведённой на рис. 2д, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 2в – с двусторонним статором и со схемой по рис. 2г – с односторонним статором и сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование не магнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 2в, г. Некоторое распространение получили сложные составные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода. Принцип действия линейных двигателей с вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. 2.2.2 Дуговой двигатель. Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 3.Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его статора 1 от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3. Рис. 3 Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу α = 2τр, где τ — длина полюсного деления и p – число пар полюсов. Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол 2τр/р = α/р, а в течение одной минуты поле повернётся на n = α/p*60f/2π оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения n, об/мин. Выбирая различные α, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора. 2.2.3 Трубчатый двигатель. Конструкция трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 4. Рис.4 Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление. 2.3 Применение. Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения транспортных средств. Другое, не менее важное обстоятельство связанно с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо длят обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости движения средств транспорта при использовании линейных двигателей могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксование колёс электрического транспорта. Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 5. Линейный двигатель, укреплённый на тележке 3 подвижного состава, имеет конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является укреплённая между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя подаётся с помощью скользящих контактов. Известны также конструкции линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс и элементы несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 6 в качестве примера показаны отечественный линейный двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении. Рис. 6 Рис. 7 На рис. 7 показан пример использования линейных асинхронных двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий. Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укреплённую на барабанах 4. Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера. Большой интерес представляет использование линейного двигателя для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема такого молота, показана на рис. 8.Статор линейного двигателя 1 располагается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки 3. Ударная часть молота 4 является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направленно вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебёдки. Рис. 8 Электрический молот, прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления двигателей, не чувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно. 3. Линейный двигатель постоянного тока. Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются линейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных пусковых усилий. 3.1 Конструкция и принцип действия. Линейные электродвигатели постоянного тока состоит из якоря с расположенной на нём обмоткой, служащей одновременно коллектором (направляющий элемент), и разомкнутого магнитопровода с обмотками возбуждения (подвижная часть), расположенными так, что векторы сил, возникающих под полюсами магнитопровода, имеют одинаковое направление. Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов. 3.2 Применение. На рис. 9 показана схема линейного двигателя постоянного тока, который применяется для перемещения промышленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двигатель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по образующей и развёрнутый в плоскость. Рис. 9 Подвижная часть двигателя – якорь — состоит из немагнитного остова 1 и укреплённой на нём обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги путём её травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы двигателя). Токопровод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3 и щёток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками возбуждения 7, размещённых в ряд по направлению движения якоря. Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечники 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала. Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости с обмотками всё время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полюсами 6. На принципе работы линейного двигателя основано действие специальных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидродинамическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя. Магнитогидродинамические насосы (МГД — насосы) могут быть постоянного или переменного тока. Рассмотрим схему насоса постоянного тока. Рис. 10. Первичным элементом – статором двигателя является С – образный электромагнит 1. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод 2 с жидким металлом. С помощью электродов 3, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего устройства. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов 3. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу, причём направление его движения просто определить по известному правилу левой руки. Преимуществами МГД – насосов являются отсутствие движущихся механических частей, и возможность герметизации канала транспортировки металла. 4. Линейный синхронный двигатель. В последние годы всё шире используются синхронные линейные двигатели. Основной областью применения этих двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности, и его применение оказывается экономически не выгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с коэффициентом мощности, близким к единице. Следует отметить, что применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с так называемой магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава. 4.1 Применение. На рис. 11 показана схема путепровода и вагона электропоезда со скоростью движения 400 – 500 км/ч, предназначенного для перевозки 100 пассажиров. Рис. 11 Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромагнитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укреплённых под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток используется жидкий гелий. Плоская трёхфазная обмотка переменного инвертора, преобразующего напряжения постоянного тока в трёхфазное напряжение переменного тока. С помощью инвертора осуществляется пуск, изменение скорости движения и торможение поезда. Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно, плоский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопления льда и снега. Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помощью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из удлинённых сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по краям днища вагона, из плоских алюминиевых полос 4, укреплённых в полотне дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии потоков сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых токов, наведённых в алюминиевых полосках 4. Расчёты показали, что при использовании магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздушной подушке. Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его движении применяется специальная система стабилизации. Она предусматривает укладку дополнительной обмотки вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой обмотке с полем тяговых электромагнитов. Разработанная система электрической тяги с применением описанного выше синхронного линейного двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако для её работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удорожает изготовление системы и усложняет её обслуживание, особенно при значительной протяжённости дороги. В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхронных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так называемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели того и другого исполнения были использованы для привода 50 – тонного состава со скоростью движения 480 км/ч. Рис. 12 На рис. 12 показана схема синхронного линейного двигателя с униполярным возбуждением. Двигатель имеет два статора 1, установленных на подвижной части состава. Бегущее магнитное поле создаётся с помощью обмоток 2, подключаемых к сети переменного тока. Статоры соединяются магнитопроводом 3, на котором расположена обмотка униполярного возбуждения 4. Эта обмотка создаёт постоянный по направлению магнитный поток, который пронизывает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладываемый в магнитопровод. Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вторичным элементом создаёт силу тяги подвижного состава. Сопоставление линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяговое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД (около 80%) и большую массу на единицу мощности двигателя. 5. Вывод. Применение линейных электродвигателей позволяет упростить или полностью исключить механическую передачу, повысить экономичность и надёжность работы привода и производственного механизма в целом. 6. Список литературы. 1. В.В. Маскаленко, Электрические двигатели специального назначения, Энергоиздат 1981. 2. Кавалёв Ю.М., Электрические машины, – М.: Энергия, 1989. |
www.ronl.ru
