Скачать книгу из которой взят данный материал

АСИНХРОННЫЕ И КАСКАДНЫЕ БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Асинхронные БЭМ включают в себя один из наиболее распространенных типов электромеханических преобразователей энергии— асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутой обмоткой ротора. Такой двигатель (см. гл. 1) имеет наиболее простое по сравнению с большинством электрических машин конструктивное исполнение. Надежность АД с короткозамкнутым ротором выше, чем у большинства остальных электрических машин. Эти качества предопределили широкое использование АД в самых различных областях техники — от мощных электроприводов и транспортных установок до миниатюрных исполнительных механизмов систем управления. Благодаря своей простоте и надежности АД могут применяться в сложных окружающих условиях — при высоких температурах, в вакууме, в присутствии агрессивных сред и т. д. Общие недостатки АД с короткозамкнутым ротором — сложность регулирования частоты вращения, большие пусковые токи, понижение значения коэффициента мощности соБф.

Трехфазный асинхронный двигатель был создан в 1889... 1890 гг. М. О. Доливо-Добровольским практически в том виде, в котором он применяется сейчас. Подобная ситуация является редкой в условиях быстрого технического прогресса и служит примером выдающегося изобретения, которое сразу воплотило в себе признаки технически совершенного изделия, обладающего гармоничной простотой в сочетании с высокой практической полезностью.

Асинхронная машина (см. гл. 1) может работать в генераторном режиме. В настояще время асинхронные генераторы не получили широкого распространения, но они начинают интенсивно изучаться как возможные источники электроэнергии в автономных энергоустановках, отличающиеся простотой и высокой надежностью. Так же как и в АД, простая конструкция ротора позволяет реализовать в асинхронном генераторе (АГ) высокие частоты вращения ротора и соответственно хорошие массогабаритные показатели. Важное достоинство АГ — возможность его простого перевода в двигательный режим работы, что позволяет легко сочетать функции стартера и генератора в одном агрегате для установок, где требуется первоначальная раскрутка первичного двигателя (например, двигателя внутреннего сгорания или газотурбинного двигателя). Кроме того, при использовании АГ относительно легко обеспечивается их параллельная работа в отличие от синхронных генераторов, для которых ее реализация сопряжена с трудностями. Недостатки АГ связаны в основном с необходимостью применения конденсаторного самовозбуждения в автономных энергоустановках, а также со сложностью стабилизации частоты и напряжения.

К асинхронным БЭМ можно отнести магнитогидродинамические (МГД) устройства с бегущим магнитным полем, у которых вместо короткозамкнутого ротора используется поток сплошной проводящей среды, например, жидкого металла. Среди таких устройств наибольший интерес представляют асинхронные жидкометаллические насосы, интенсивно внедряемые в металлургию, атомную энергетику, космическую технику. Вследствие бесконтактного взаимодействия первичной цепи, создающей движущийся магнитный поток, и жидкого металла они успешно заменяют механические насосы, основанные на непосредственном механическом воздействии ротора на металл и отличающиеся низкой надежностью. Благодаря отсутствию подшипников и возможности полностью герметизировать канал, асинхронные насосы позволяют перекачивать такие активные вещества, как щелочные металлы, радиоактивные сплавы и т. п., причем температуры перекачиваемых сред могут достигать 600...800°С и более. Асинхронные насосы обладают малой интенсивностью отказов и отличаются чрезвычайной простотой эксплуатации. Асинхронная машина с жидкометаллическим рабочим телом может работать в режиме дросселя и асинхронного генератора. Разновидность асинхронных машин — линейные асинхронные двигатели, у которых электромагнитные процессы идентичны таковым в линейных асинхронных насосах, а также двигатели с массивным ротором.

Близкими к асинхронным машинам являются каскадные БЭМ, у которых в качестве одного из каскадов обычно используется асинхронная машина. Каскадные БЭМ могут работать в режиме асинхронного двигателя с улучшенными регулировочными и пусковыми характеристиками, а также в режиме бесконтактного генератора синхронно-асинхронного типа, имеющего простую технологию изготовления и повышенные рабочие температуры. Недостатки каскадных БЭМ связаны с громоздкостью их конструкции.

§ 7.2. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

Асинхронные двигатели — один из наиболее изученных типов электрических машин. Здесь излагаются лишь основные и наиболее характерные сведения по АД, иллюстрирующие их особенности по сравнению с другими типами БЭМ и позволяющие выявить универсальный характер физических процессов в различных бесконтактных модификациях асинхронной машины.

Типичная конструкция АД с короткозамкнутым ротором показана на рис. 7.1. На статоре размещена распределенная трехфазная первичная обмотка 1 в пазах шихтованного цилиндрического сердечника 2, а на роторе в пазах шихтованного сердечника 3 расположена вторичная коротко-замкнутая обмотка, состоящая из продольных медных или алюминиевых стержней 4 и боковых ко-роткозамыкающих колец 5, снабженных вентиляционными выступами 6. На рис. 7.1, б отдельно показана роторная обмотка.

Сопоставление рис. 7.1 с другими рисунками, на которых приведены конструкции различных БЭМ, убеждает в предельной простоте асинхронной машины по сравнению с другими БЭМ.

Процессы в АД описываются уравнениями (1.26) ... (1.39) с использованием схем замещения на рис. 1.13. На рис. 7 2, а приведена векторная диаграмма АД, соответствующая уравнениям (1.32). Ее построение рационально начинать с вектора магнитного потока Ф, сцепленного с первичной и вторичной обмотками. Поток Ф создается суммарным намагничивающим током /_ц. Некоторое отставание по фазе Ф от связано в основном с действием вихревых токов и эффектами перемагничивания в стальных шихтованных сердечниках. Эти эффекты играют роль инерционных факторов, задерживающих изменение Ф во времени по отношению и /_й. Под дейстием Ф в обмотках наводятся ЭДС Ё\ и £У = £ь отстающие, как обычно, от ф на я/2. Под действием £₂' в обмотке ротора течет ток /₂'> отстающий по фазе от Ё₂' на угол ф₂ из-за индуктивного сопротивления вторичной цепи.

Согласно схеме замещения, изображенной на рис. 1.13, а,

cos b = iRtls)l l/(/?2/s)² + (*2)²-    (7.1)

Ток /₂' определяется вторым уравнением (1.32), по которому строится векторная диаграмма вторичной цепи (рис. 7.2, а).

После нахождения /₂' строится вектор тока /1 по третьему уравнению (1.32), а затем по первому уравнению (1.32) определяется первичное напряжение 0\. Если нагрузочный момент М на валу АД изменяется, то должен изменяться электромагнитный момент, определяемый (1.36), что обеспечивается изменением скорости ротора и скольжения s. При этом меняются /₂', cos    /1,    coscp и по

требляемая двигателем мощность P\ — mU\I\ cos ср.

Рис. 7.2. Векторная диаграмма АД с короткозамкнутым ротором (а), его механическая (б) и рабочие (в) характеристики

Эффективным инструментом для анализа АД является круговая диаграмма асинхронной машины (см. рис. 1.15). Так, например, если из точки а на диаграмме, соответствующей рабочему режиму АД, опустить перпендикуляр на горизонталь, проходящую через точку О, и зафиксировать точки пересечения перпендикуляра с линиями АВ и А£, то отрезки аб, ав и аг в соответствующем масштабе дают значения подведенной Р_ь электромагнитной Р_эм и полезной механической Р₂ мощностей. Поэтому горизонтальная линия, проходящая через точку О, называется линией электрической мощности, линия АВ — линией электромагнитной мощности, линия АБ — линией механической мощности. Отношение аг/аб характеризует КПД двигателя. Скольжение двигателя может определяться как отношение отрезков э^гв/ав. Поскольку отрезок гв мал, точность нахождения 5 таким методом низкая и обычно на ди-аграме проводятся дополнительные построения, позволяющие опре-

Для создания реактивной мощности, обеспечивающей возбуждение АГ, вместо конденсаторов могут использоваться управляемые полупроводниковые преобразователи. Пусть, например, обмотки фаз А, В, С генератора подключены к управляемому выпрямителю и нагрузке (см. рис. 5.3, б). Если с помощью схемы управления включать вентили не с отставанием, а с опережением относительно момента пересечения кривых фазных ЭДС коммутирующих вентилей (т. е. обеспечить а<0 по сравнению с режимом, которому соответствует рис. 5.6, б), то при условии сохранения длительности периода включения вентиля (путем искусственной коммутации) ток в каждой фазе сдвинется вперед по

отношению к фазной ЭДС. Для его первой гармоники, очевидно, соэ ф<С 1 (ф<0), т. е. возникает тот же эффект, что и при использовании конденсаторов: за счет опережающего тока создается реактивная мощность, необходимая для возбуждения АГ. Такие вентильные АГ обладают хорошими массога-

регулировочными качествами, однако их электрическая

схема усложняется из-за необходимости обеспечить искусственную коммутацию вентилей (их отключения при прямом напряжении фазных ЭДС).

Другая возможность возбуждения АГ — подключение его статорной обмотки к инвертору с соответствующим углом (3<0 и реактивной мощностью    п((5—0,5у). Одна из схем такого АГ

с трехфазным мостовым инвертором на тиристорах Г, питаемым от аккумуляторной батареи АБ, приведена на рис. 7.10. Возможен режим без АБ, когда энергия, необходимая для работы инвертора, непрерывно запасается в емкости С, заряжаемой через диоды Д. Такая емкость будет существенно меньше, чем емкость трехфазной батареи самовозбуждения АГ, подключаемой параллельно нагрузке (см. рис. 7.4), однако электрическая схема АГ при этом усложняется.

Асинхронные генераторы находят ограниченное применение в качестве относительно маломощных источников тока в автономных энергоустановках. Обычно они выполняются как стартер-генераторы. При некоторых условиях возможна работа в режиме АГ мощных турбогенераторов. Перспективы совершенствования АГ и их более широкого внедрения связаны с проводимой в настоящее время разработкой высокоэффективных легких конденсаторов.

движеше среды и волны поля, как и в обычных АМ, удобно характеризовать скольжением, под которым будем понимать отношение 5 == (о¹!—V)/у\. Очевидно, в насосном режиме канала я;>0.

Есл1 среду в канале заставить двигаться так, что    то

5<0, электромагнитные силы будут тормозить рабочую среду, а затрачвваемая на их преодоление механическая энергия частично преобразуется в электроэнергию, которая поступает в нагрузки, соединенные с первичной обмоткой. Машина работает в генераторном режиме. Когда среда движется против поля (1<$<оо), устройство работает в режиме электромагнитного дросселя, аналогичном режиму электромагнитного тормоза (см. § 1.2).

Хотя подобие процессов в АМ с жидкометаллическим рабочим телом I в АМ с короткозамкнутой обмоткой на роторе очевидно, непосредственное применение хорошо развитой классической теории АМ к изучению взаимодействия сплошной среды с бегущим магнитным потоком в ряде случаев наталкивается на определенные трудности. Последние связаны в основном со сложностью представления вторичной цепи АМ в виде электрической схемы с сосредоточенными эквивалентными параметрами, поскольку в действительности вторичная цепь имеет распределенные параметры, изменяющиеся от точки к точке в рабочем зазоре, и такие понятия, как /?₂', X/, 1* и др. (см. § 7.2), приобретают условный характер. Поэтому детальный анализ процессов во вторичной цепи требует в общем случае решения дифференциальных уравнений электродинамики и гидродинамики, описывающих процессы в любой тснке рабочего зазора. В свою очередь, строгое решение этих уравне!ий с частными производными для реальных моделей — сложная математическая задача.

При инженерных исследованиях АМ со сплошной средой часто комбинируют оба подхода: сначала получают упрощенные решения исходных дифференциальных уравнений, а затем с учетом получеяных    решений    вводят некоторые    условные    интегральные

парамегры вторичной    цепи (/?/, Х₂' и т.    п.)    и    анализируют    АМ с

помощш классической теории со схемами замещения, векторными диаграммами и т. п.

Проведем упрощенный анализ электродинамических процессов в активной зоне АМ с жидкометаллическим рабочим телом, используя непосредственно уравнения Максвелла:

гоШ = .Ь    (7.14)

го! Е = — дВ/д1    (7.15)

и закоя Ома

] —о (Е -}- V х В),    (7.16)

где Н, В — магнитная напряженность и индукция; ] — плотность тока; с — удельная электропроводность среды; Е — электрическая

300