конспек урока "Принцип действия асинхронного двигателя"
план-конспект урока

Тема:      Принцип действия асинхронного двигателя.

Цели:

–  образовательные: тщательное изучение нового материала;

– воспитательные: воспитывает у студентов интерес к данной теме;

–  развивающие: развитие самостоятельности, умения работать с первоисточниками.

Тип урока:    урок – устный журнал.

Обеспечение занятия:    слайды, плакаты.

ТСО:    графопроектор.

Важнейшая проблема, волнующая всех преподавателей, – повышение эффективности урока.

Снижение уровня знаний студентов в значительной степени объясняется качеством урока: однообразием, шаблоном, формализмом и скукой.

Заботясь о развитии студентов, необходимо чаще использовать активные методы обучения. Нетрадиционный урок в корне отличается от классического образца и тем способствует совершенствованию процесса обучения.

На уроке студенты должны не только определенную сумму знаний, но и ощущать поэзию этой важной науки.

Урок должен расширять и углублять знания студентов, полученные на предыдущих уроках.

Урок должен повышать любознательность и интерес к предмету, стимулировать работоспособность студентов. Для того чтобы интенсифицировать учебный процесс, возбудить и удержать интерес студентов к учебному труду предлагаю провести урок на тему «Принцип действия асинхронного двигателя» в виде устного журнала «От А до Я».

Устный журнал «От А до Я»

1.        Заранее готовятся таблички физических терминов, понятий и всего того, что касается атомной физики, начиная с «А» до «Я».

2.        Преподаватель начинает урок и вывешивает на доске первую букву «А» или табличку со словом, начинающимся с этой буквы.

3.        Студенты в течение 1…2 мин. должны пояснить, что означает это слово.

Оформление классной доски

1.        На правой стороне доски плакаты по устройству и принципу действия асинхронного двигателя.

2.        На левой стороне доски алфавит от «А» до «Я».

Преподаватель:  вводное слово о предстоящей теме. Так что же такое асинхронный двигатель? На доске вывешивается словосочетание «асинхронный двигатель».

Асинхронный двигатель

Преподаватель: Электрические машины делятся на две большие категории: генераторы, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую, и двигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Машины переменного тока в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные.

Статор асинхронной машины создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с меньп1ей скоростью, т.е. асинхронно. Увеличение нагрузки двигателя вызывает уменьшение скорости вращения ротора. Асинхронная машина была изобретена М. О. Доливо-Добровольским еще в 1888 г., но до настоящего времени сохранила свои основные черты.

Все электрические машины обратимы, т.е. могут служить как двигателями, так и генераторами. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели. Что вы о них знаете?

Студент: Асинхронные машины получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронные машины обратимы и могут работать как в генераторном, так и двигательном режимах. Однако преобладающее применение получили асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода.

Области применения асинхронных двигателей весьма широкие: от бытовых электроприборов до крупных станков и агрегатов — металлорежущих станков, горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц), подъемных устройств, транспортных средств и т. п. В соответствии с этим единичная мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватта до тысяч киловатт.

Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели общепромышленного назначения, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Широкому использованию асинхронных двигателей в современном электроприводе способствует разработка ряда электронных устройств, позволяющих расширить регулировочные свойства двигателей.

Следует иметь в виду, что асинхронные двигатели не только наиболее надежные по сравнению с двигателями другого типа действия, но и самые дешевые. Поэтому применение асинхронных двигателей способствует росту надежности электропривода и снижает капитальные затраты на его создание.

Преподаватель: Переходим ко второй букве алфавита. Что такое   «Беличья клетка»?

«Беличья клетка»

Короткозамкнутый ротор (рис.1) выполняется в виде «беличьей клетки».

Алюминиевые стержни (в машинах большой мощности — медные) укладываются в пазы сердечника и замыкаются с двух сторон кольцами.

Рисунок 1 – обмотка «беличья клетка»

Букву «В» алфавита откроем словосочетанием «Возбуждение асинхронной машины».

Возбуждение асинхронной машины

Из принципа действия асинхронного двигателя следует, что непременным условием работы асинхронного двигателя является наличие в нем магнитного поля, вращающегося с частотой n1 (синхронная частота вращения). Это поле создается при включении трехфазной обмотки статора в сеть трехфазного переменного тока. Процесс наведения вращающегося магнитного поля называют возбуждением асинхронной машины. Возбуждение создается реактивной (индуктивной) составляющей переменного тока, поступающего из сети в обмотку статора.

Четвертую букву алфавита откроем генераторным режимом. Что вам известно об этом?

Генераторный режим

В соответствии с принципом обратимости электрических машин, асинхронные машины могут работать не только в двигательном, но и в генераторном режимах. Для этого необходимо возбудить асинхронную машину, подключив ее обмотку статора к трехфазной сети, и посредством приводного двигателя (турбина, двигатель внутреннего сгорания) привести во вращение ротор машины в направлении вращения магнитного поля статора с частотой, превышающей частоту вращения этого поля n2 > n1. В этих условиях характер движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы), так как ротор будет обгонять поле статора, и скольжение станет отрицательным, т. е.

ЭДС, наведенная вращающимся полем статора в обмотке ротора вращающегося с частотой n2 > n1, изменит свое направление и превысит напряжение сети. При этом асинхронная машина из потребителя электроэнергии превратится в источник и будет отдавать в сеть активную мощность P2, являющуюся преобразованной механической мощностью приводного двигателя. Другими словами, асинхронная машина будет работать в генераторном режиме.

Что такое двигательный режим?

Двигательный режим

При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием сил инерции неподвижен (n2 = 0). При этом скольжение s равно единице. В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой n2 лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n1 и скольжение весьма мало отличается от нуля (s~0). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением sном. Для асинхронных двигателей общего назначения sном = 1…8 %, при этом меньшие значения номинального скольжения соответствуют двигателям большей мощности.

Что такое естественная механическая характеристика?

Естественная механическая характеристика

Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату подведенного к обмотке статора напряжения. Эта зависимость имеет большое значение для эксплуатации асинхронных двигателей, так как падение напряжения в сети, например до 0,8 U1ном, вызовет уменьшение максимального момента до 0,82М=0,64М„ и двигатель не сможет преодолеть даже незначительной перегрузки, т. е. остановится.

Зависимость n2 =f(М) при U1 = const и f=const называется механической характеристикой (рис. 2). Эта характеристика построена в осях (n2/ n1)∙100% и (M/ Mном)∙100%. Рабочая ее часть в пределах от 0 до Mном, показана сплошной линией. Кривая 1, полученная при замкнутом накоротко роторе, называется естественной характеристикой.

Рисунок 2 – Механические характеристики АД

Жесткая механическая характеристика

Естественная характеристика жесткая, как и у двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. При увеличении нагрузки (момента сопротивления) на валу двигателя частота вращения падает незначительно.

«Звезда»

Асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в  раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой.

Искусственная механическая характеристика

Кривая 2 (рис.2) называется искусственной характеристикой. Эта характеристика более мягкая, чем первая, и получается при включении добавочного сопротивления в цепь ротора с фазной обмоткой, что можно использовать для регулирования частоты вращения двигателя (крановые и подъемные устройства).

Коробка выводов

Выводы обмоток фаз располагают на панели коробки выводов таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних (рис.3). В некоторых двигателях небольшой мощности на панели коробки выводов имеется лишь три вывода. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

                                        а)                             б)

Рисунок 3 – Расположение выводов обмотки статора (а) и положение

перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (6)

Ленц

Эмилий Христианович (Генрих Фридрих Эмиль) Ленц (нем. Heinrich Friedrich Emil Lenz; 12 февраля 1804, Дерпт — 10 февраля 1865, Рим) — знаменитый физик.

От 1823 до 1826 г. принимал участие в качестве физика в кругосветном путешествии Коцебу. Результаты научных исследований этой экспедиции напечатаны им в «Мемуарах Санкт-Петербургской академии наук» (1831). В 1828 г. выбран адъюнктом академии, а в 1834 г. академиком. Вместе с тем он состоял профессором, а в последние годы и ректором спб. унив. Преподавал также в знаменитой Немецкой школе Святого Петра - Петришуле в 1830-1831 г.г., в Главном Педагогическом институте и в Михайловском артиллерийском училище. Лекции его по физике и физической географии отличались замечательной ясностью и строгой систематичностью. Такими же качествами обладали и его известные руководства физики (для гимназии) и физической географии; оба учебника выдержали несколько изданий, но первый из них был особенно распространен. Настолько же блестяща и плодотворна была и научная деятельность академика Ленца.

Главным образом он работал в области электромагнетизма. Выяснению важного значения этих работ посвящены, между прочим, сочинения А. Савельева: «О трудах академика Ленца в магнитоэлектричестве» (СПб., 1854) и В. Лебединского: «Ленц как один из основателей науки об электромагнетизме» (журн. «Электричество» 1895). Главнейшие результаты его исследований излагаются и во всех учебниках физики. Именно:

закон индукции («Правило Ленца»), по которому направление индукционного тока всегда таково, что он препятствует тому действию (напр. движению), которым он вызывается (1883 г.).

«Закон Джоуля и Ленца»: количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника (1844).

Опыты, подтверждающие «явление Пельтье»; если пропускать гальванический ток через висмутовый и сурьмяной стержни, спаянные концами и охлажденные до 0°C, то можно заморозить воду, налитую в ямку около спая (1838).

Опыты над поляризацией электродов (1817) и т. д.

Ректор Петербургского университета академик Э. X. Ленц — один из основоположников теории электромагнетизма и русской школы физиков. Он раскрыл принцип электромагнитной индукции и сформулировал закон, носящий его имя (1833 г.), Э. X. Ленд теоретически установил обратимость электрических машин и установил закон теплового действия тока (закон Джоуля— Ленца).

Максвелл

МАКСВЕЛЛ, ДЖЕЙМС КЛЕРК (Maxwell, James Clerk) (1831–1879), английский физик. Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков.

В 1860–1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е – закон сохранения количества электричества; 4-е – вихревой характер магнитного поля.

Неподвижная часть АД

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 7 и сердечника 6 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или чугуна, либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, увеличивающих поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 6.

На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых располагаются пазовые части обмотки статора (см. рис. 8.1), соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

Охлаждение электрических машин

Охлаждение электрических машин — отвод тепла от активных Частей вращающихся электрических машин.

При прохождении тока по обмоткам электрических машин в них выделяется тепло, что приводит к нагреву обмоток. Если температура нагрева превышает значение, допустимое для используемой Изоляции, то происходит ее тепловое старение. В результате изоляция теряет электрическую и механическую прочность, что может явиться причиной ее повреждения и нарушения работоспособности электрической машины. Для поддержания требуемого температурного режима служит охлаждение.

Эффективность того или иного способа охлаждения определяется теплопроводностью изоляции и теплоемкостью хладагента, а также характером и скоростью его перемещения внутри и вне электрической машины. В качестве хладагента используются воздух, вода, масло и т.д. Жидкий хладагент может служить для охлаждения как ротора, так и статора электрической машины, причем направление его движения может быть свободным или упорядоченным.

Принцип действия АД

Вращающийся со скоростью n1 постоянный подковообразный магнит (рис. 4) создает вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает токопроводящий диск (медный или алюминиевый) и наводит в нем по закону электромагнитной индукции э.д.с. Е. Под действием э.д.с. Е в диске возникает ток I, который создает магнитный поток Ф. За счет взаимодействия двух магнитных потоков, диска и магнита, диск вращается в ту же сторону, что и подковообразный магнит. Причем n1 всегда будет больше n2. Такое вращение получило название асинхронного. Скорость вращения диска n2 не может достигнуть скорости вращения магнита и,, так как в этом случае в диске не будет наводится э.д.с. Описанный принцип асинхронного вращения лежит в основе принципа действия асинхронного двигателя.

Рисунок 4 –  Проводящий диск в магнитном поле

Ротор

Ротор — вращающаяся часть машины, состоит из вала, на котором располагается сердечник, набранный из отдельных листов электротехнической стали и обмотки. По типу ротора машины делятся на машины с короткозамкнутым ротором и на машины с фазным ротором (с контактными кольцами).

Скольжение

Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора. Величина, характеризующая отставание скорости вращения ротора от скорости вращения магнитного поля статора, называется скольжением:

Обычно скольжение выражают в процентах, в зависимости от мощности двигателя скольжение изменяется от двух до восьми процентов.

«Треугольник»

Двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 380 В, то обмотку статора следует соединить  треугольником. Напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В.

Устройство АД

Основные части асинхронного двигателя изображены на рис. 5. Двигатель состоит из статора 1 с рабочими обмотками, ротора 3 с лопастями вентилятора 2 и двух ш;итов с подшипниками для вала ротора и вентиляционными отверстиями 4.

Рисунок 5 – Устройство АД

Начала и концы обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя выводятся на щиток корпуса. Ротор асинхронного двигателя представляет собой стальной цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали (см. рис. 5), с пазами, в которые уложена обмотка в виде «беличьего колеса» (рис. 5). Здесь каждая пара диаметрально противоположных стержней с соединительными кольцами представляет собой рамку, т.е. короткозамкнутый виток. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутым.

 Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «беличье колесо» поместить во вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях возникнут ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердечника.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трехфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединенную по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щеток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.

В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Фазный ротор — вращающаяся часть асинхронной мащины, содержащая разомкнутую обмотку, предназначенную для подключения к внешней цепи.

Асинхронные двигатели с фазным ротором используются в тех случаях, когда необходимо ограничить пусковой ток и получить большой пусковой момент. Обмотка фазного ротора соединяется с пусковым реостатом посредством контактных колец и щеток. При этом пусковой реостат может содержать в каждой фазе резисторы с одинаковым или различным значением сопротивления. При пуске двигателей большой мощности используются жидкостные пусковые реостаты. Запуск асинхронного двигателя производится путем последовательного закорачивания секций пускового реостата до полного закорачивания обмотки ротора (рис. 5).

Рисунок 5 – Фазный ротор

Холостой ход

Холостой ход электрической машины — состояние электрической машины, в котором она не осуществляет преобразование энергии.

Холостой ход электродвигателя — состояние электродвигателя в котором потребляемая им мощность расходуется только на преодоление момента сопротивления, обусловленного трением в подшипниках и потерями на охлаждение.

Холостой ход электродвигателя осуществляется путем подачи на его обмотку номинального напряжения питания при отсутствии нагрузки на валу. При этом частота вращения электродвигателя равна номинальному значению, или несколько выше его, а ток потребления имеет минимальное значение.

Цилиндр

Сердечник статора представляет собой цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, которые для уменьшения потерь от вихревых токов изолированы друг от друга слоями лака. На его внутренней цилиндрической поверхности имеются пазы, расположенные параллельно оси двигателя. В эти пазы укладывается обмотка, к которой подводится трехфазное напряжение. В простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120°. В этом случае создается двухполюсное вращающееся магнитное поле. Для создания четырехполюсного вращающегося магнитного поля необходимо число секций обмотки увеличить до 6 и т. д.

Частота вращения

Три фазы статорной обмотки располагаются под углом 120° друг относительно друга и при подключении к трехфазной сети создают вращающееся магнитное поле с частотой

где f —  частота тока сети;

      p — число пар полюсов.

Обычно каждая фаза разбивается на секции – полюсы. От числа пар полюсов зависит частота вращения (табл.1)

Таблица 1

Шихтованная конструкция

С целью ослабления вихревых токов сердечник статора делают шихтованным из тонколистовой электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм. Пластины сердечника статора покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку оксида. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50 Гц и номинальном скольжении 6 % частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.

Щеткодержатель

В АД с фазным ротором для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 (рис. 6) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу.

Рисунок 6 – Щеткодержатель

Подводя итог всему сказанному, возникает вопрос: «Почему всё-таки электродвигатель вращается?»

Электродвигатель

Вступительный экзамен в ВУЗе. Экзаменатор:

-        Объясните, пожалуйста, почему крутится электродвигатель.

-        А потому что электричество.

-        Что ж это за ответ? Отчего же тогда электрический утюг не крутится?

-        А потому что не круглый.

-        Ну хорошо, а электроплитка? Круглая? Почему она не крутится?

-        А потому что шершавая, трение в ножках.

-        Ладно... А лампочка! Электрическая! Круглая! Гладкая! Без ножек! Почему лампочка не крутится?

-        А лампочка-то как раз и крутится.

-???!!!

-        А вот когда вы ее в патроне меняете, что вы делаете? Вы ведь ее крутите!

-        Нда-а... в самом деле... кручу хм... Да! но ведь это Я ее кручу, а не она сама...

- Ну, знаете, само по себе вообще ничто не крутится! Вон электродвигателю тоже, небось, электричество нужно!

Кто же нас снабжает электричеством?

Южные электрические сети

Предприятие «Рославльские (Южные) электрические сети» было создано на базе Рославльского района электрических сетей «Сельэлектро» и| участка Смоленских воздушных высоковольтных сетей. За предприятием была закреплена зона обслуживания на четверти территории области. Она охватывала шесть административных районов: Рославльский, Шумячский, Ершичский, Починковский, Хиславичский, Монастырщинский.

В 1970 г. в состав предприятия вошла Рославльская ТЭЦ.

В 1993 г. произошло акционирование энергетики, и Рославльские электрические сети как филиал вошли в состав ОАО «Смоленскэнерго».

В 2003 г., в связи с ликвидацией предприятий «Смолоблкоммунэнерго», Южные электрические сети возобновили эксплуатацию городских (поселковых) электрических сетей.

Итак, мы добрались до конца, буквы «Я».

Якоби

Якоби Борис Семенович

Якоби (Мориц-Герман Jacobi, Борис Семенович, 1801 - 1874) - физик; по окончании курса в Геттингене Я. переехал в Кенигсберг, где занимался архитекторской практикой. В 1835 г. был приглашен в дерптский университет. На кафедру гражданской архитектуры. В 1837 г. был откомандирован в комиссию для исследования применений электромагнитов к движению машин. Совместно с академиком Ленцем Якоби исследовал электромагнитные притяжения и законы намагничивания железа. Для этой цели он построил особый реостат, названный им вольт-агометром. В 1839 г. Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.