Федеральное агентство по образованию
Российскийгосударственный профессионально-педагогический университет
Инженерно-педагогическийинститут
Кафедрапрофессионально–педагогических технологий
Контрольнаяработа
подисциплине: Методикапрофессионального обучения
на тему:
Назначение и конструктивные особенности асинхронныхмашин переменного тока
Екатеринбург2010
Тема разрабатываемогоурока: Назначение иконструктивные особенности асинхронных машин переменного тока
Тип урока: урок изучения новых знаний.
Образовательная цель урока: Изучение и первичное закрепление знаний.Актуализация ведущих знаний.
Оснащение урока: плакаты: «Асинхронный двигатель с короткозамкнутымротором», «Асинхронный двигатель с фазным ротором», «Магнитопровод асинхронныхмашин».
План урока
1. Организационная часть (приветствие,проверка присутствующих учащихся, запись даты и темы в тетрадь) 5 мин.
2. Объяснение нового материала 120 мин.
3. Вывод 15 мин.
4. Домашнее задание 20 мин.
2. Конспект учебного материала повыбранной теме
1. Назначение и областиприменения асинхронных машин
Асинхронной машинойназывается двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которойтолько одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети спостоянной частотой ω1, а вторая обмотка (вторичная) замыкаетсянакоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмоткепоявляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ω2является функцией угловой скорости ротора Ω, которая, в свою очередь,зависит от вращающего момента, приложенного к валу.
Наибольшеераспространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричнойразноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и стрехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.
Машины такого исполненияназывают просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иныхисполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».
Асинхронные машиныиспользуются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяютсякрайне редко.
Асинхронный двигательявляется наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.
Разноименнополюснаяобмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличьяклетка) или фазной (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшеераспространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатациидвигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели(рис. 1). Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (приизменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращенияуменьшается всего на 2÷5%).
Двигатели скороткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальнымпусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществленияплавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление большихтоков из сети при пуске (в 5÷7 раз превышающих номинальный ток).
Двигатели с фазнойобмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами (см. рис. 6) избавленыот этих недостатков ценой усложнения конструкции ротора, что приводит к ихзаметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находятприменение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необходимости плавногорегулирования частоты вращения.
Двигатели с контактнымикольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединенияасинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широкомдиапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за значительнойстоимости не имеют сколько-нибудь заметного распространения.
В двигателях сконтактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяютсяобычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток,соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочноесопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойствмашины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.
В большинстве случаевдобавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя,что приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов иоблегчает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостатдолжен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногдаасинхронные двигатели снабжаются специальным устройством, которое позволяетпосле завершения пуска замкнуть между собой контактные кольца и приподнятьщетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь оттрения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.
Выпускаемые заводамиасинхронные двигатели предназначаются для работы в определенных условиях сопределенными техническими данными, называемыми номинальными. К числуноминальных данных асинхронных двигателей, которые указываются в заводскойтабличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:
механическая мощность,развиваемая двигателем, РНОМ = Р2НОМ ;
частота сети f1;
линейное напряжениестатора U1НОМ ;
линейный ток статора I1Л.НОМ ;
частота вращения ротора nНОМ;
коэффициент мощности cosφlHOM;
коэффициент полезногодействия ηНОМ.
Если у трехфазной обмоткистатора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду илитреугольник, то указываются линейные напряжения и токи для каждого из возможныхсоединений (Y/∆) в виде дроби UЛY/UЛ∆ и IЛY/IЛ∆ .
Кроме того, для двигателяс контактными кольцами приводятся напряжение на разомкнутых кольцах принеподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.
Номинальные данныеасинхронных двигателей варьируются в широких пределах. Номинальная мощность –от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частотавращения:
при частоте сети 50Гц от3000 до 500об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах – до 100000об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2÷5%меньше синхронной; в микродвигателях – на 5÷20%). Номинальное напряжение– от 24В до 10кВ (большие значения при больших мощностях).
Номинальный КПДасинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; примощности более 0,5кВт он составляет 0,65÷0,95; в двигателях малоймощности 0,2÷0,65.
Номинальный коэффициентмощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полноймощности, потребляемой из сети,
/>
также возрастает с ростоммощности и частоты вращения двигателей; при мощности более 1кВт он составляет0,7÷0,9; в двигателях малой мощности 0,3÷0,7.
2. Конструкцияасинхронных машин с короткозамкнутым ротором
Конструкция асинхронноймашины с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 1.
Статор машины состоит измагнитопровода 2, трехфазной разноименнополюсной обмотки 20, выводные концыкоторой с помощью выводной коробки 13 присоединяются к сети переменного тока истанины 1.
Активными элементамистатора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитногополя, являются магнитопровод 2 и обмотка 20; станина выполняет толькоконструктивные функции, фиксируя активные части в определенном положении (припомощи лап 14 станина неподвижно закрепляется на фундаменте).
/>
Рисунок 1 – Асинхронныйдвигатель с короткозамкнутым ротором (55кВт, 1500об/мин, 50Гц, защищенныйобдуваемый).
Магнитопровод 2набирается из изолированных пластин электротехнической стали обычно толщиной0,5мм. Пластины штампуются из листовой или рулонной электротехнической стали состандартизованными размерами и изолируются с обеих сторон лаком. При наружномдиаметре магнитопровода менее 1м, что имеет место во всех асинхронныхдвигателях, за исключением самых крупных, его набирают из цельныхкольцеобразных пластин, на внутренней стороне которых вырублены пазы нужнойформы (рис. 2, б).
В конструкции по рисунку1 радиальные каналы в магнитопроводе отсутствуют. В этом случае кольцевыепластины собираются в пакет и прессуются вне станины на специальнойцилиндрической оправке. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается спомощью нажимных колец 6 и стяжных скоб 5 и лишь после установки обмоткивставляется в станину.
/>
Рисунок 2 – Кольцевыепластины магнитопроводов ротора (а) и статора (б): 1 – ярмо; 2 – зубец; 3 –паз; 4 – аксиальный вентиляционный канал; 5 – отверстие для вала; 6 – ярмостатора
/>
Рисунок 3 – Крепление встанине статора магнитопровода с радиальными каналами, набранного из цельныхпластин.
Магнитопровод,образованный из ряда пакетов кольцевых пластин, отделенных друг от другарадиальными вентиляционными каналами, собирается обычно в станине. Необмотанныйстатор такой конструкции показан на рисунке 3. В радиальном направлении пакетыпластин 1 центрируются ребрами станины 2, в осевом направлении они удерживаютсяв спрессованном состоянии нажимными шайбами 3 и приваренными после запрессовкимагнитопровода шпонками 4. Каналы между пластинами образуются при помощидистанционных распорок 5.
При наружном диаметремагнитопровода более 1м он набирается из отдельных сегментов, и конструкциястатора получается такой же, как в крупных синхронных машинах.
В целях уменьшенияпульсаций магнитного поля и добавочных потерь, связанных с зубчатостьюмагнитопровода, обмотка статора укладывается в асинхронных машинах вполузакрытые пазы (рис. 4, а). Только в крупных асинхронных машинах применяютшаблонные катушечные и стержневые обмотки, укладываемые в открытые пазы. Длятаких пазов пригодны как однослойные, так и двухслойные многовитковыекатушечные всыпные обмотки. Катушки этих обмоток наматываются из изолированногообмоточного провода круглого сечения (7 на рис. 4, а) каждый проводник катушки«всыпается» в паз по отдельности.
/>
Рисунок 4 – Разрезыпазов: а – двухслойной катушечной всыпной обмотки статора асинхронногодвигателя; б – трехфазной двухслойной волновой стержневой обмотки ротораасинхронного двигателя с контактными кольцами.
Для изолирования витковкатушки друг от друга оказывается достаточной собственная изоляция обмоточныхпроводников. Изоляция обмотки от заземленных частей, называемая корпуснойизоляцией, делается в зоне пазовых и лобовых частей по-разному. Корпуснаяизоляция пазовой части катушки выполняется в виде «пазовой коробочки»,образованной из нескольких слоев 2÷4 изоляционных материалов, котораязакладывается в паз перед укладкой обмотки. Обмотка закрепляется в пазах припомощи клиньев 7 из изоляционного материала. Под клинья подкладываютсяизоляционные прокладки 6. Изоляцией между слоями обмотки служит прокладка 5 (воднослойной обмотке эта прокладка отсутствует).
Ротор машины состоит измагнитопровода 3 (см. рис. 1), в пазах которого размещается неизолированнаямногофазная короткозамкнутая обмотка 19, пристроенных к ней вентиляционныхлопастей 7, вала 15 и двух вентиляторов 8 и 11. Активными элементами ротора,принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод3 и обмотка 19; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал 15передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы 7,8 и 11обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды. Более детально устройство активныхчастей ротора показано на рисунке 5.
Магнитопровод ротора 4 (рис.5) набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листовэлектротехнической стали толщиной 0,5мм, на наружной стороне которых вырубленыпазы нужной формы (на рис. 5 — закрытые, на рис. 2, а — полузакрытые).
Пластины магнитопроводаротора набираются на специальную оправку, спрессовываются на ней и удерживаютсяв запрессованном состоянии в процессе изготовления короткозамкнутой обмотки.Короткозамкнутая обмотка отливается из алюминия и не изолируется отмагнитопровода. Торцевые кольца 2 (рис. 5), замыкающие с двух сторон стержниобмотки 1, отливаются как одно целое со стержнями. Одновременно в виде приливовк короткозамыкающим кольцам отливаются вентиляционные лопасти 3.
/>
Рисунок 5 – Магнитопроводротора асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой, литой из алюминия.
Кроме своего основногоназначения короткозамкнутая обмотка служит также для стягивания пластин роторапосле удаления оправки. Это позволяет обойтись без специальных прессующихдеталей, удерживающих листы ротора в осевом направлении.
Вал ротора 15 (см. рис.1) опирается на подшипники качения 12, 17,которые, в свою очередь, при помощи подшипниковых щитов 9, 21 и крышек подшипников16,18 сопрягаются со станиной 1.
Шариковый подшипник 12центрирует ротор не только в радиальном, но и в осевом направлении, воспринимаянаряду с радиальными усилиями также и осевые. Консистентная смазка подшипниковзакладывается в камеру между подшипниковыми крышками 16,18 и не нуждается взамене в течение нескольких лет эксплуатации. Поскольку зазор междумагнитопроводами ротора и статора при мощности более 0,5кВт обычно не превышает0,3÷1мм (в микромашинах 0,02÷ 0,3мм), вал ротора должен быть достаточножестким, а механическая обработка конструктивных частей, обеспечивающихправильное положение оси вала в пространстве, должна производиться с высокойточностью.
На рисунке 1 представленотипичное для серийных короткозамкнутых асинхронных двигателей исполнение поспособу охлаждения и защиты от воздействия внешней среды – обдуваемоеисполнение, в котором внутреннее пространство машины защищено от брызг воды ипыли. Внешний обдув двигателя создается наружным вентилятором (кожух 10защищает обслуживающий персонал от прикосновения к вентилятору и направляетвоздух к оребренной поверхности станины). Циркуляция воздуха внутри машиныусиливается при помощи внутреннего вентилятора 8 и вентиляционных лопастей 7(направление движения воздуха показано на рисунке стрелками).
Подъем двигателя примонтаже производится при помощи рыма 4.
3. Конструкцияасинхронных двигателей с фазным ротором
Конструкция асинхронноймашины с контактными кольцами представлена на рисунке 6. Двигатели этого типаотличаются от короткозамкнутых только устройством ротора.
Статор двигателя можетиметь те же разновидности конструктивных исполнений, что и в короткозамкнутомдвигателе. Статор двигателя по рис. 6 (с радиальными каналами в магнитопроводе)почти не отличается по конструкции от статора на рис. 3, который был описан в§2.
Статор состоит из станины1, в которой при помощи нажимных шайб 5 и шпонок 7 укреплены пакетымагнитопровода, набранные из кольцевых пластин 2. Для образования каналов междупакетами служат распорки 4. В пазы магнитопровода статора уложена двухслойнаяобмотка, катушки 30 которой связаны между собой соединениями 8. Выводные концыобмотки статора сосредоточены в выводной коробке 23. К фундаменту станинакрепится лапами 22. Для подъема двигателя при монтаже служат рымы 6.
Ротор двигателя состоитиз вала 26, на котором при помощи нажимных колец 24, шпонки 21 и разрезнойшпонки 20 укреплены в запрессованном состоянии пакеты магнитопровода, набранныеиз кольцевых пластин 3 (см. рис. 2, а). Радиальные вентиляционные каналы междупакетами образуются дистанционными распорками, помещенными на каждом зубцовомделении. В полузакрытых пазах магнитопровода ротора, показанных в разрезе нарисунке 4, б, размещается трехфазная двухслойная волновая стержневая обмотка29, соединенная обычно в звезду, выводные концы которой посредствомэлектрических кабелей 19, проведенных через отверстие в валу, присоединены кконтактным кольцам 15.
/>
Рис. 38.6. Асинхронный двигательс фазным ротором (250 кВт, 3000 об/мин, 50 Гц, защищенный продуваемый)
Стержни 1 обмотки сзаранее наложенной витковой изоляцией 2, 3 (см. рис. 4, б) вставляются в пазы сторцевой стороны магнитопровода. Предварительно в пазы вводится пазовая коробочка4, играющая роль корпусной изоляции. Для укрепления стержней в радиальномнаправлении и усиления витковой и корпусной изоляции используются изоляционныепрокладки 5 и 6. Центробежная сила, действующая на пазовую часть обмотки,воспринимается клиньями 7 из изоляционного материала.
Лобовые части обмотокукладываются на нажимные шайбы 24 (рис. 6), которые одновременно выполняют рольобмоткодержателей, и охватываются снаружи кольцевыми бандажами 32,рассчитанными на восприятие центробежной силы.
Электрическое соединениевращающейся обмотки ротора с внешними (неподвижными) электрическими цепямипроизводится при помощи контактных колец, на которые выведены обмотки, ищеточного устройства, связанного с неподвижными электрическими цепями.Контактные кольца выполняются как отдельный узел машины. Кольца 15,изготовленные из стали, отделяются друг от друга и от корпуса с помощьюизоляционных прокладок 17. Все эти детали стягиваются вместе изолированнымишпильками 16 и прифланцовываются к торцу вала. К кольцам плотно прижимаютсящетки, электрически соединенные с токоподводящими шинами 12 щеточной траверсы(кроме этих шин на рис. 6 показаны болты 11 щеточной траверсы и ее изоляционныедетали, а также корпус 13 и крышка 14; щетки и щеткодержатели не показаны).
Необходимый электрическийконтакт щеток с кольцами обеспечивается при помощи щеткодержателей, укрепленныхна шинах 12. Соединение токоподводящих шин 12 щеточной траверсы с пусковымреостатом производится в выводной коробке контактных колец 18.
Правильное расположениеоси ротора по отношению к статору и возможность вращения ротора обеспечиваютсяс помощью таких же деталей, как в короткозамкнутом двигателе по рис. 1(подшипников качения, роликового 25 и шарикового 10, подшипниковых крышек 27 иподшипниковых щитов 31).
По способу охлаждения изащиты от воздействия внешней среды двигатель по рис. 6 имеет продуваемоекаплезащищенное исполнение. Внутри машины воздух перемещаетсяаксиально-радиально. Наружный воздух поступает в машину с двух сторон черезотверстия в подшипниковых щитах 31 и направляется диффузорами 9 квентиляционным лопастям 28, промежуткам между лобовыми частями стержней обмоткиротора и к аксиальным каналам в магнитопроводе ротора; далее воздух изаксиальных каналов попадает в радиальные каналы в магнитопроводе ротора истатора; воздух от вентиляционных лопастей 28 и лобовых частей ротора омываетлобовые части обмотки статора. Нагретый в машине воздух попадает в пространствомежду ярмом статора и корпусом станины, откуда он выбрасывается наружу через боковыеотверстия в корпусе. Необходимый для циркуляции воздуха напор создаетсярадиальными каналами в роторе, которые играют роль центробежных вентиляторов.
3.Составление спецификации понятий
Таблица 1 – СпецификацияпонятийОпорное понятие Новое понятие № Названия учебных элементов Символ Уровень усвоения Порядок + 1 Асинхронная машина 1 1 + 2 Асинхронный двигатель АД 1 2 + 3 АД с КЗ ротором АДКЗ 1 3 + 4 АД с фазным ротором АДФР 1 3 + 5 Статор 1 4 + 6 Ротор 1 4 + 7 Магнитопровод 2 5 + 8 Обмотка статора 1 5 + 9 Обмотка ротора 1 5 + 10 Электротехническая сталь 2 5 + 11 Стержни обмотки 1 5 + 12 Контактные кольца 1 5 + 13 Щетки 1 5 + 14 Щеточная траверса 1 5 + 15 Вал 2 5 + 16 Вентилятор 2 5 + 17 Подшипниковые щиты 1 5 + 18 Подшипниковые крышки 1 5 + 19 Скольжение s 1 2
4. Составление графаучебной информации
/>
5. Составлениеструктурно-логических схем
/> /> />
6. Проект эскиза доски
Плакаты: «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором»:
/>
«Асинхронный двигатель с фазным ротором»:
/>
«Магнитопровод асинхронных машин»:
/> />/>
Паз двухслойной всыпной обмотки статора АД
/>
Паз двухслойной волновойстержневой обмотки ротора АД с фазным ротором
7. Опорный конспект потеме урока:
Устройство и принципработы асинхронного двигателя:
/>
8. Лист рабочей тетради
1. Дополните фразы.
1) Асинхронный двигатель,обмотка ротора которого замыкается на электрические сопротивления, называется____________________________
2) Магнитопроводасинхронной машины изготавливают из _________
3) Отставание частотывращения ротора от вращающегося поля статора называют________________________________________________________
4) Формула для расчетаноминальной синхронной частоты вращения________
5) Номинальныйкоэффициент мощности асинхронных двигателей рассчитывается по формуле _________________________________________.
2. Установите, какое издвух утверждений, записанных в колонках 1 и 2, истинно, а какое ложно.№ 1 2 1 Магнитопровод ротора набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 15 мм. Конструкция асинхронных машин с контактными кольцами отличается от короткозамкнутых только устройством ротора. 2 Основные недостатки АД с короткозамкнутым ротором: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах и потребление больших токов из сети при пуске (в 5÷7 раз превышающих номинальный ток). Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод, обмотка и станина. 3 Номинальная синхронная частота вращения: 4 Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко. Активными элементами ротора, принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод, обмотка, вал, вентиляторы.
9. Вопросы дляактуализации опорных знаний
1. Какой обычно толщиныберутся листы электротехнической стали для набора магнитопровода?
2. Чем изолируют друг отдруга листы электротехнической стали?
3. Какие вредные явлениявызывают вихревые токи?
4. При помощи чегосопрягаются со станиной подшипники качения?
5. В чем заключаетсяосновное назначение вала ротора?
Задача 1
Какие активные элементыстатора, специально предназначены для образования вращающегося магнитного поля?Показать на плакатах.
Задача 2
На плакате «Асинхронныйдвигатель с короткозамкнутым ротором» указать основные конструктивные деталиротора.
10. Самостоятельное домашнее задание
Решить задачи:
Задача 1
Определить частотувращения ротора шестиполюсной асинхронной машины, при скольжении 0,05 (s=0,05) и частоте сети 50 Гц (f1=50).
Решение
/>
/>
Задача 2
Определить скольжениеасинхронной машины, при частоте вращения ротора 28500 об/мин (np=28500 об/мин) и частоте сети f1=500 Гц. Известно, что машина имеет на статоре 3катушки.
Решение
/>
/>
/>
Литература и методическоеобеспечение
1. Электрические машины: учебник длявузов. В двух томах. Том 1 / А. В. Иванов-Смоленский. — 3-е изд., стереот. — М:Издательский дом МЭИ, 2006.
2. Кацман М.М. Электрические машины.М.: В.Ш.,2001
3. Копылов И.П. Электрические машины.М.: Энергоатомиздат,1986
4. Электрические машины. Ч… Машиныпеременного тока. Трансформаторы: Учебное пособие для техникумов/ Под ред. В.Е. Китаева.—М.: Высш. школа, 1978.
Сайты:
1. www.4tivo.com/
2. www.twirpx.com/
Плакаты
1. «Асинхронный двигатель скороткозамкнутым ротором»
2. «Асинхронный двигатель с фазнымротором»
3. «Магнитопровод асинхронных машин».