Table Of ContentCopyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Загрядцкий
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ЧАСТЬ 2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – УЧЕБНО-НАУЧНО-
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»
В.И. Загрядцкий
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ЧАСТЬ 2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
для использования в учебном процессе в качестве учебника
для высшего профессионального образования
Орел 2011
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.313.333(075)
ББК 31.261.63я7
314
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор
кафедры «Электромеханические системы и электроснабжение»
Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный технический университет»
К.Е. Кононенко,
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Электрооборудование и энергосбережение»
Федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования
«Государственный университет – учебно-научно-
производственный комплекс»
А.Н. Качанов
Загрядцкий, В.И.
З14 Электрические машины: учебник для высшего профессио-
нального образования: в 3 ч. Ч. 2: Асинхронные машины /
В.И. Загрядцкий.–Орел:ФГБОУВПО«Госуниверситет-УНПК»,
2011. – 143 с.
Книга является второй частью учебника по дисциплине «Электриче-
ские машины» и содержит в соответствии с программой общие вопросы
теории асинхронных машин, их конструктивные исполнения, основные
характеристики, а также особенности применения в различных отраслях
промышленности, на транспорте, в жилищном и капитальном строитель-
стве и т.д.
Предназначен студентам, обучающихся по направлению
654500 «Электроэнергетика и электротехника», специальности
140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, органи-
заций и учреждений, изучающим дисциплину «Электрические машины»,
может быть полезен аспирантам и преподавателям вузов, инженерно-
техническим работникам, занятым в области электрических машин.
УДК621.313.333(075)
ББК 31.261.63я7
© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2011
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.............................................................................................. 5
Введение .................................................................................................... 6
1. Общие вопросы теории асинхронных машин................................... 9
1.1. Вращающееся магнитное поле ...................................................... 9
1.1.1. Магнитное поле, создаваемое трехфазной системой
токов..................................................................................................... 9
1.1.2. Магнитное поле, создаваемое двухфазной системой
токов................................................................................................... 13
1.2. Основные понятия и термины в асинхронных машинах ......... 15
1.3. Устройство асинхронного двигателя .......................................... 16
1.4. Принцип действия асинхронной машины. Режимы работы..... 18
1.5. Обмотки машин переменного тока. Электродвижущие
силы....................................................................................................... 24
1.5.1. Обмотки асинхронных машин............................................... 24
1.5.2. Электродвижущие силы обмоток.......................................... 31
1.6. Магнитодвижущие силы обмоток............................................... 38
1.7. Уравнения напряжения двигателя при неподвижном
роторе.................................................................................................... 46
1.7.1. Уравнение напряжения фазы обмотки статора.................... 46
1.7.2. Уравнения напряжения фазы обмотки ротора.................... 47
1.8. Уравнение напряжения фазы обмотки вращающегося
ротора.................................................................................................... 49
1.9. Схемы замещения асинхронного двигателя............................... 52
1.10. Потери и коэффициент полезного действия............................ 58
1.11. Вращающий момент и механическая характеристика
двигателя............................................................................................... 61
1.12. Рабочие характеристики асинхронного двигателя .................. 67
1.13. Пуск в ход двигателей с короткозамкнутым ротором............. 70
1.14. Пуск в ход двигателей с фазным ротором................................ 76
1.15. Регулирование частоты вращения двигателя........................... 77
1.16. Электрическое торможение двигателей ................................... 85
1.17. Однофазный двигатель............................................................... 87
1.18. Асинхронный генератор............................................................. 93
2. Основные требования к конструкции двигателей
общепромышленного назначения. Их применение
у потребителей ....................................................................................... 97
2.1. Номинальные режимы работы двигателей................................. 97
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Степень защиты от внешних воздействий.................................. 99
2.3. Нагревание и охлаждение двигателей....................................... 100
2.4. Материалы, применяемые в двигателях. .................................. 102
2.5. Формы конструктивного исполнения....................................... 104
2.6. Надежность двигателей.............................................................. 105
2.7. Серии асинхронных двигателей ................................................ 107
2.7.1. Двигатели до 1000 В............................................................. 108
2.7.2. Двигатели свыше 1000 В...................................................... 114
3. Двигатели специального назначения. Их применение
в различных отраслях хозяйства.......................................................... 117
3.1. Краново-металлургические двигатели...................................... 117
3.2. Взрывозащищенные двигатели.................................................. 119
3.3 Погружные двигатели................................................................. 122
3.4. Высокоскоростные и сверхвысокоскоростные двигатели...... 125
3.5. Герметичные двигатели.............................................................. 127
3.6. Линейный и дуговой двигатели................................................ 128
3.7. Двигатель с внешним ротором .................................................. 131
3.8. Двигатели с распределенными параметрами ротора............... 132
3.9. Торцовые электродвигатели ...................................................... 134
Литература............................................................................................. 138
Основная............................................................................................. 138
Дополнительная ................................................................................. 138
Предметный указатель ......................................................................... 140
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Вторая часть учебника посвящена теории асинхронных машин
и знакомству с их разновидностями и областями применения. Общие
вопросы и особенности теории изложены в первой главе. При этом
изложение этих вопросов дано на базе физического анализа явлений
с использованием необходимых аналитических выражений. Ряд фор-
мул, как известных из технической литературы, в учебнике приводят-
ся без вывода. Во второй главе излагаются основные требования
к конструкции двигателей общепромышленного применения.
В третьей главе рассматриваются некоторые виды двигателей специ-
ального назначения, такие как крановые, взрывозащищенные, сверх-
скоростные, торцовые и другие.
Материал второй части книги, как и первой части, сопровождает-
ся числовыми примерами расчета, а также вопросами для самокон-
троля.
Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору
К.Е. Кононенко и профессору А.Н. Качанову, рецензировавшим ру-
копись учебника, канд. техн. наук доценту С.Ю. Свидченко за заме-
чания, способствующие улучшению книги, а также студентам
Ф.С. Загрядцкому и А.В. Лысикову за помощь в работе.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Асинхронные машины являются машинами переменного тока.
Для них, как впрочем и для всех других электрических машин, ха-
рактерен принцип обратимости. Они могут работать как двигателями,
так и генераторами.
Асинхронные машины используются преимущественно в качест-
ве двигателей. Они служат преобразователями электрической энергии
в механическую энергию. Наибольшее распространение в промыш-
ленности в настоящее время получили трехфазные двигатели, в быту
– однофазные, в устройствах автоматики – двухфазные.
Асинхронные двигатели обладают высокими электрическими ха-
рактеристиками, например КПД, а также высокими эксплуатацион-
ными качествами – надежностью и простотой конструкции, большим
сроком службы, высоким крутящим моментом, низкой стоимостью,
удобством в обслуживании и ремонте.
Немаловажным достоинством их является хороший дизайн.
Перечислим лишь некоторые области применения двигателей:
- в машиностроении (насосы, компрессоры, вентиляторы, мотор-
редукторы, транспортеры и конвейеры, подъемно-транспортные ме-
ханизмы);
- в станкостроении (металлообрабатывающие и деревообрабаты-
вающие станки и автоматы);
- в пищевой и обрабатывающей промышленности (агрегаты по
переработке и приготовлению пищевых продуктов);
- в строительстве и средствах механизации (бетоносмесители,
растворомешалки, виброинструмент);
- в судостроении (краны, лебедки, якорно-швартовые установки
на судах морского и речного флота);
- в нефтяной промышленности (станки-качалки, буровое обору-
дование);
- в сельском хозяйстве (кормоизмельчители, зернодробилки);
- на транспорте (тяговое и вспомогательное оборудование);
- в металлургии (рольганги, газодувки, лебедки);
- в горной промышленности (конвейеры, компрессоры, буровые
станки);
- в бытовой технике (стиральные машины, холодильники, пыле-
сосы, кондиционеры);
- в химической промышленности (мешалки, центрифуги, насосы)
и др.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Требования к характеристикам двигателей в указанных областях
применения значительно отличаются. Так двигатели для привода
циркуляционных насосов АЭС, допускают регулировку частоты вра-
щения в диапазоне 100…990 мин−1 , а двигатели для шлифовальных
станков в ряде случаев развивают частоту вращения 60 103 мин−1.
×
Другой пример. Двигатель мощностью 0,09 кВт с частотой вращения
2740 мин−1 имеет номинальный момент на валу 0,31 Нм, а двигатель
мощностью 110 кВт с частотой вращения 490 мин−1 – 2143,9 Нм.
Имеются существенные различия в требованиях к подводимому
напряжению, пусковым и максимальным моментам, механическим
характеристикам и другим параметрам двигателей.
Асинхронные двигатели условно можно разделить на следующие
группы:
- двигатели общего назначения,
- средние и крупные двигатели,
- двигатели с контактными кольцами на роторе.
Двигатели общего применения – двигатели, которые удовлетво-
ряют техническим требованиям большинства областей их примене-
ния. Они являются наиболее распространенными. Их мощность со-
ставляет от 0,09 до 675 кВт и выше, напряжение до 1000 В, число
полюсов 2р = 2…8, частота питающего напряжения 50 или 60 Гц.
Двигатели изготовляются с короткозамкнутым ротором. В настоящее
время двигатели общепромышленного применения выпускаются
в виде серий машин. Машины, входящие в серию, изготовляются с
нарастающей мощностью и размерами и имеют подобные конструк-
ции. Сейчас в России находятся в эксплуатации двигатели серий 4А,
АИ, RA, 5А, 6А, а также машины ранее выпускаемых серий.
На их основе (базовом исполнении) разрабатываются различные
модификации (разновидности) двигателей, например: многоскорост-
ные, лифтовые, малошумные и др. Двигатели специализированного
назначения должны удовлетворять специальным требованиям потре-
бителей к этим машинам. Это могут быть двигатели для сельскохо-
зяйственного производства, химических производств, для тропиков
и других областей применения. Например, двигатели для тропическо-
го климата отличаются от двигателей общепромышленного приме-
нения изоляционными материалами, защитой от коррозии и т.п.
Двигатели с короткозамкнутым ротором средней и большой мощ-
ности с воздушным охлаждением выпускаются на напряже-
ния 2…10 кВ. Их мощность колеблется от 200 до 2500 кВт, число по-
люсов 2р = 2…12.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Высоковольтные двигатели с комбинированной системой охлаж-
дения воздух/вода на напряжение 2…10 кВ изготовляются на мощ-
ности от 2000 до 14000 кВт, число полюсов 2р = 2…24.
Асинхронные двигатели с контактными кольцами на роторе при-
меняются в качестве двигателей с регулируемой частотой вращения,
а также в случаях тяжелого затяжного пуска исполнительных меха-
низмов (для случаев, когда короткозамкнутый двигатель непригоден).
Для практики имеет большое значение способность двигателя
изменять частоту вращения. В зависимости от способа регулирования
частоты вращения, двигатели делятся на группы:
- с неизменной частотой вращения, например, двигатели для при-
вода насосов, центрифуг и других механизмов;
- с изменяющейся по ступеням частотой вращения, к ним отно-
сятся двигатели для некоторых типов металлорежущих станков и др;
- с плавно регулируемой частотой вращения, – это лебедки, воло-
чильные станки и др.
По способу соединения двигателя с исполнительным механизмом
различают:
- непосредственное;
- через зубчатые или фрикционные передачи, карданные валы,
и т.д; через гидравлические передачи;
- через электромагнитные муфты.
При этом привод может быть горизонтальным, вертикальным, на-
клонным.
Двигатели, как автономные единицы, могут быть встроены в ис-
полнительные механизмы; они могут иметь общие узлы и детали со-
вмещаемых конструктивных блоков.
В последнее время для выработки электрической энергии в авто-
номных энергоустановках небольшой и средней мощности, таких как
ветровые турбины, гидрогенераторы и так далее, все шире начинают
применяться асинхронные генераторы. Асинхронные генераторы ха-
рактеризуются высокой надежностью и сравнительно невысокой
стоимостью.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ АСИНХРОННЫХ МАШИН
1.1. Вращающееся магнитное поле
Под вращающимся магнитным полем электрической машины по-
нимается магнитное поле с постоянной амплитудой, которое переме-
щается (вращается) относительно неподвижной обмотки, что приво-
дит к возникновению в ней ЭДС.
1.1.1. Магнитное поле, создаваемое трехфазной системой
токов
Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан
на использовании вращающегося магнитного поля. Магнитное поле
может быть создано тремя сдвинутыми в пространстве на 120º сосре-
доточенными катушками А, В, C (рис. 1.1). Катушки уложены на
внутреннюю поверхность ферромагнитного сердечника, выполненно-
го в виде тора (бублика) и к ним подводится трехфазный ток
(рис. 1.2).
а бб в
г
д
Рис. 1.1. Создание вращающегося магнитного поля
9
