Асинхронный двигатель с массивным ротором

Министерство высшего и среднего образования республики Узбекистан Ташкентский Государственный Технический Университет имени Абу Райхана Беруни Факультет: «Энергетический»

На тему: Асинхронный двигатель с массивным ротором Предмет: Специальные электромеханичские преобразователи Выполнил: Сулейманов Р.

Принял: Пирматов Н. Б.

Ташкент — 2014 г

Асинхронный двигатель с массивным ротором Параметрическая модель асинхронного двигателя с массивным ротором в установившихся и переходных режимах Применение асинхронных двигателей с массивными роторами Список литературы

Асинхронный двигатель с массивным ротором

асинхронный двигатель массивный ротор Ротор этого двигателя представляет собой сплошной ферромагнитный цилиндр (рис. 1). Такой ротор играет одновременно роли магнитопровода и токопровода. Вращающееся магнитное поле проникает на определенную глубину в тело ротора и индуктирует в нем вихревые токи. Эти токи при взаимодействии с магнитным полем образуют электромагнитный момент. Вследствие сильно выраженного поверхностного эффекта вихревые токи протекают в сравнительно тонком слое на глубине проникновения электромагнитного поля в тело ротора. Эквивалентная глубина проникновения зависит от частоты перемагничивания ротора. Для двигателя, рассчитанного на частоту 50 Гц, эквивалентная глубина проникновения при пуске (5=1) составляет только 1—3 мм, в рабочем режиме при s = 0,05 — примерно 5—15 мм. Вообще в линейном приближении глубина проникновения изменяется обратно пропорционально +fs. Это приводит к соответствующему изменению сечения слоя, по которому протекают вихревые токи, активного сопротивления массивного ротора.

Рис1

В результате такого проявления с массивным ротором поверхностного эффекта пусковой момент в двигателе с массивным ротором достаточно велик, и он уступает двигателю с короткозамкнутой обмоткой на роторе только по своим рабочим свойствам — КПД и коэффициенту мощности. Объясняется это тем, что в номинальном режиме при скольжении s = 0,1 -5−0,5 глубина проникновения тока и потока в тело ротора еще достаточно мала, а электрическое сопротивление для тока и магнитное сопротивление для потока велики, вследствие чего двигатель имеет большие электрические потери в роторе и большой намагничивающий ток.

Для улучшения рабочих характеристик иногда прикрепляют с двух сторон к торцевым поверхностям цилиндрического ротора медные короткозамыкающие кольца. Медные кольца имеют значительно меньшее удельное электрическое сопротивление, чем стальное тело ротора, и выполняют ту же роль, что и торцевые короткозамыкающие кольца беличьей клетки. В результате активное сопротивление массивного ротора уменьшается за счет увеличения электрической проводимости торцевых частей. С этой же целью в микродвигателях прибегают к покрытию внешней поверхности массивного ротора тонким слоем меди толщиной 0,1—0,3 мм. Кроме того, можно добиться улучшения рабочих характеристик подбором такого материала для массивного ротора, который обладал бы оптимальными электрической и магнитной проводимостями. В этом направлении в последнее время достигнуты определенные успехи. Получены сплавы, обладающие большей электрической проводимостью и меньшей магнитной проницаемостью, чем у стали, при применении которых глубина проникновения поля существенно возрастает и технические показатели улучшаются.

Применение массивного ротора, обладающего большой механической прочностью, позволяет построить асинхронные двигатели на весьма высокие частоты вращения (10 000—100 000 об/мин и более). Такие двигатели предназначаются для питания от источников повышенной частоты (400—1500 Гц и более) и находят применение в специальных электроприводах, например гироскопических устройствах.

Несмотря на технологичность конструкции двигателей с массивным ротором, в общепромышленном электроприводе они пока не применяются. Это связано исключительно с их недостаточно высокими энергетическими показателями в рабочих режимах.

Интересной разновидностью рассматриваемого двигателя является двигатель с полым магнитным ротором, В этом двигателе в целях уменьшения массы и момента инерции ротор выполняется в виде полого сплошного ферромагнитного цилиндра. Толщина его стенок может быть выбрана равной глубине проникновения в рабочих режимах. При частотах 400—1000 Гц она составляет 0,3—0,5 мм и 1 — 3 мм при 50 Гц.

Поскольку магнитный поток замыкается по стенкам полого магнитного ротора, в двигателе с таким ротором нет необходимости во внутреннем статоре. Этим он выгодно отличается от двигателя с полым немагнитным ротором. Однако из-за довольно низких КПД и cos ф, а также других недостатков двигатели с полым магнитным ротором имеют ограниченное распространение.

Ротор асинхронной машины можно изготовить из массивной стальной поковки без пазов и без обмотки. В этом случае роль обмотки играет сам массивный ротор, в котором вращающееся магнитное поле будет индуктировать токи.

Активное r2 и индуктивное сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае f1 = 50 Гц при пуске (S = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только 3 мм, при S = 0,02 — около 20 мм, при S = 0,001 — около 100 мм. Поэтому при пуске сопротивление r₂ весьма велико и мало, а с уменьшением скольжения сопротивление r₂ уменьшается, а — увеличивается.

В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик (рис. 2.).

Рис. 2. Механическая характеристика асинхронного двигателя с массивным ротором Однако двигатели средней и малой мощности с массивными роторами при f1 = 50 Гц имеют низкие кпд и коэффициент мощности.

Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели с массивным ротором применяются для высоких скоростей вращения. Так, при частоте f1 = 1000 Гц и при числе пар полюсов р = 1 частота вращения магнитного поля.

С целью улучшения рабочих характеристик иногда внешнюю поверхность массивного стального ротора покрывают медью, применяют медные кольца, прикрепленные к торцевым поверхностям массивного ротора. Иногда на цилиндрической поверхности ротора выполняют пазы, но без укладки в них обмотки.

Параметрическая модель асинхронного двигателя с массивным ротором в установившихся и переходных режимах

Массивный ротор представляется в виде вращающейся приведенной трехфазной обмотки. При частоте 50 Гц обмотки рассматриваются как электрические цепи с сосредоточенными параметрами, так как длина электромагнитной волны много больше линейных размеров обмоток. Принимается, что каждая фаза обмоток статора и ротора создает лишь основную пространственную гармоническую магнитного поля в зазоре. Моделью асинхронной машины (АМ) являются дифференциальные уравнения баланса напряжений фаз и уравнение движения ротора (рис. 3).

Рис. 3. Фазовая система координат и система дифференциальных уравнений переходного процесса АМ Влияние насыщения и поверхностного эффекта на магнитное сопротивление массивного ротора и, соответственно, на параметры приведенной обмотки ротора учитывается с помощью универсальной зависимости, введенной Л. Р. Нейманом. Параметры приведенной обмотки ротора определяются по алгоритму, представленному в 3. Основные положения алгоритма представлены ниже на примере машины с одной парой полюсов. Массивный ротор разбивается на 2N элементарных участков (рис. 4) (ln — толщина участка; un — периметр поперечного сечения участка).

Рис. 4. Элементарные участки массивного ротора Распределение намагничивающей силы вдоль окружности ротора принимается синусоидальным с амплитудой Fm2. Для N-го участка массивного ротора рассчитываются:

единичное комплексное магнитное сопротивление

— действующее значение напряженности магнитного поля на поверхности участка; ?F2N — падение магнитного напряжения в участке;

полно комплексное магнитное сопротивление участка при частоте перемагничивания f₁

магнитный поток в участке эквивалентное магнитное сопротивление массивного ротора электрическое сопротивление приведенной обмотки ротора:

— при частоте перемагничивания f1

— при частоте перемагничивания f1*s

активная и реактивная составляющие эквивалентного электрического сопротивления массивного ротора (фазы) В переходных режимах токи в фазах статора несимметричны. Изображающий вектор тока статора имеет вид где m — число фаз; iA, iB, iC — мгновенные токи А, В, С фаз статора; - оператор поворота. Полученный изображающий вектор тока эквивалентен по основной гармонической поля изображающему вектору тока при симметричном питании фаз статора. Характеристика намагничивания магнитной цепи шm =f (I) рассчитывается при симметричном питании фаз статора. Амплитуда потокосцепления фазы статора рассчитывается как

Действующее значение тока в фазе обмотки статора определяется по формуле Суммарное падение магнитного напряжения вдоль замкнутой линии магнитного потока (на два полюса) составляет При этом насыщение магнитной цепи статора учтено при расчете падений магнитного напряжения в зубцах и ярме статора; насыщение массивного ротора и действие поверхностного эффекта учтено при расчете падения магнитного напряжения в массивном роторе:

Главная индуктивность фазы в зависимости от тока и скольжения определяется по формуле Влияние насыщения коронок зубцов статора на магнитные проводимости пазового и дифференциального рассеяния учитывается с помощью традиционной методики .

С помощью данной модели было произведено моделирование пуска асинхронного двигателя с массивным ротором, спроектированного на основе короткозамкнутого двигателя (мощность 3 кВт, синхронная частота вращения 3000 об/мин) при различных условиях работы, в том числе анормальных (питание несинусоидальным напряжением). Для проверки адекватности результатов, получаемых с помощью математической модели, она сопоставлена с математической моделью, основанной на расчетах мгновенных состояний электромагнитного поля.

Симметричный режим работы асинхронного двигателя с МФР. Рассмотрим пуск асинхронного двигателя (АД) с МФР на некоторую нагрузку. Произведем расчеты в параметрической и полевой моделях и сравним результаты по токам, скоростям и моментам. На рис. 5 показан ток одной из фаз статора АД с массивным ротором.

Рис. 5. Ток фазы при пуске Кривые с определенной погрешностью сходятся. Расхождения объясняются принятыми допущениями. По полученным зависимостям также легко рассчитываются показатели работы машины в установившемся и переходном режимах. Ток фазы статора быстро затухает до установившегося режима. Исходя из этого можно сделать вывод, что двигателям данного типа присуще быстрое затухание апериодической составляющей тока при пуске из-за большого активного сопротивления ротора.

Рис. 6. Электромагнитный момент при пуске На рис. 6 показано изменение электромагнитного момента АД с массивным ротором в переходном процессе пуска. Двигатель запускается, выходит на номинальную скорость при номинальной нагрузке. Максимальный бросок электромагнитного момента превышает номинальный момент почти в четыре раз. Такая высокая кратность обусловлена большой активной составляющей тока ротора. На графиках заметно отсутствие больших колебаний момента (знакопеременных), что также подтверждает быстрое затухание апериодической составляющей токов статора и ротора.

Рис. 7. Кривые разгона Сравнение графиков показывает, что кривые, рассчитанные в разных моделях, практически сходятся, а значит, разработанная модель способна адекватно оценивать работу АД с МФР в симметричных режимах работы. Несинусоидальное питание АД с МФР. Анализируется процесс пуска АД с МФР при питании симметричным несинусоидальным напряжением. Форма питающего напряжения принята пилообразной с амплитудой, равной амплитуде при синусоидальном питании. Двигатель запустился и набрал номинальную скорость при номинальной нагрузке. Ток статора имеет в своем составе множество временных гармонических составляющих как при пуске, так и в последующем установившемся режиме, появление которых обусловлено несинусоидальностью поля в зазоре.

Рис. 8. Ток фазы при пуске Рис. 9. Электромагнитный момент при пуске Пульсации момента в установившемся режиме (рис. 9) обусловлены взаимодействиями прямых и обратных полей с токами, индуцированными этими полями, что свойственно для работы любого асинхронного двигателя при несинусоидальном питании.

Рис. 10. Ток фазы при пуске В кривой скорости (рис. 10) в установившемся режиме отсутствуют пульсации, что объясняется малой амплитудой колебаний электромагнитного момента в установившихся режимах. Расхождения в кривых объясняются принятыми допущениями. Таким образом, разработанная простая параметрическая модель позволяет быстро и качественно оценить переходные и установившиеся режимы электроприводов с асинхронными двигателями с массивным ротором при различных условиях работы, в том числе анормальных. Некоторые авторы заявляют, что с увеличением мощности машины с массивным ротором зависимость параметров ротора от насыщения становится слабовыраженной. Исходя из этого можно предположить, что точность данной модели для более мощных машин становится большей.

Применение асинхронных двигателей с массивными роторами

Также двигатели применяются в различных установках специального характера, например, в гироскопических навигационных устройствах, и питаются токами повышенной частоты (400ё1000 Гц).

1. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов. В 2-х кн.: кн. 2 / И. П. Копылов, Б. К. Клоков, В. П. Морозкин, Б. Ф. Токарев; под ред. И. П. Копылова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энегроатомиздат, 1993. — 384 с.

2. Куцевалов В. М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. — М.; Л.: Энергия, 1966. — 304 с.

3. Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. — Л.; М., 1949.