Copyright 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