Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Принцип работы асинхронного двигателя
Работа асинхронного двигателя основана на явлении взаимодействия индуктированного тока ротора с магнитным полем статора (рис. 26).
При включении трехфазного двигателя в сеть по его фазам протекают токи, образующие вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого равна:
Вращающийся магнитный поток пересекает обмотку ротора и в ней индуктируется э. д. с., направление которой определяется по правилу правой руки. Направления индуктированных э д. с. ротора (рис. 26) отмечены знаком плюс и точкой. В замкнутой обмотке ротора под действием э. д. с. возникают токи такого же направления.
На каждый проводник с током в магнитном поле действует сила, направление которой определяется по правилу левой руки. Под действием сил Fпр (рис. 26) возникает момент М двигателя, ротор разворачивается в направлении вращения магнитного поля со скоростью п, меньшей скорости поля п1. Скорость ротора асинхронного двигателя в принципе не может достичь синхронной скорости. Если допустить, что скорость ротора и магнитного поля равны, то в таком случае обмотка ротора не будет пересекаться магнитным полем, поэтому не возникнет э. д. с., ток ротора и момент двигателя будут равны нулю Ротор уменьшит свою скорость, его обмотка будет пересекаться магнитным полем и вновь возникнет момент двигателя.
Рис. 26. Модель асинхронного двигателя.
Скорость ротора асинхронной машины называют асинхронной скоростью, то есть скорость, неравная синхронной скорости поля, Если скорость ротора п, то роторная обмотка пересекается магнитным полем со скоростью (п1 — п). Отношение скорости пересечения ротора магнитным полем к синхронной скорости называется скольжением машины: 
или в процентах 
В зависимости от величины и знака скольжения различают три режима работы асинхронной машины: двигательный, генераторный и режим электромагнитного тормоза.
В двигательном режиме направления скорости вращения ротора и магнитного поля совпадают, но скорость ротора меньше поля. Поэтому скольжение положительное и меньше единицы. Двигательный режим асинхронной машины схватывает диапазон скольжения от 1 до 0. В первый момент включения двигателя в сеть ротор неподвижен (п = 0), чему будет соответствовать скольжение S=1. При скорости ротора, равной синхронной (что соответствует синхронному ходу асинхронной машины), скольжение равно нулю. Номинальное скольжение для разных асинхронных двигателей различно, порядок поминального скольжения равен 0,01—0,07 (1—7%).
Скорость вращения ротора двигателя через скольжение выразим формулой: 
где скольжение 5 в долях, а не в процентах.
По номинальной скорости двигателя пп, указанной на его щитке, можно определить синхронную скорость п1, число полюсов 2р
и номинальное скольжение S. Допустим, на щитке асинхронного двигателя, включаемого в сеть с частотой f = 50 гЦ, указана номинальная скорость п — 940 об/мин. Помня, что скорость двигателя лишь на несколько процентов меньше синхронной а ряд синхронных скоростей при 50 гЦ представляет числа 3000; 1500; 1000; 750 и т. д. об/мин, то скорость поля для данного двигателя будет равна пх — 1000 об/мин. Число полюсов машины подсчитывают по формуле:
Номинальное скольжение двигателя равно; 
Ротор и магнитное поле вращаются в одном направлении. Для изменения направления вращения (реверсирования) нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для этого необходимо поменять два любых провода, соединяющих двигатель с сетью.
В генераторном режиме ротор машины, вращаясь в направлении магнитного поля, имеет скорость выше синхронной, чему будет соответствовать отрицательное скольжение.
При генераторном режиме асинхронной машины создается скольжение от нуля до отрицательной бесконечности. Для перевода асинхронного двигателя в режим генератора необходим дополнительный двигатель, который мог бы вращать ротор со скоростью больше синхронной.
В режиме электромагнитного тормоза ротор машины вращается в противоположную сторону по отношению к направлению вращения магнитного поля. Такой режим асинхронной машины будет, если ротор при включенном статоре в сеть принудительно вращать каким-либо другим двигателем против поля и если при вращающемся роторе быстро произвести реверсирование двигателя. В режиме электромагнитного тормоза скорость ротора отрицательна, скольжение больше единицы. Электромагнитному тормозу асинхронной машины соответствуют скольжения от единицы до бесконечности.
Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины
Эксперт раздела «Вопрос электрику», автор статей. Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования, опыт работы более 5 лет.
Скольжение – это одна из основных характеристик электродвигателя. Она изменяется в зависимости от режима работы, нагрузки на валу и питающего напряжения. Давайте подробнее разберемся, что такое скольжение электродвигателя, от чего оно зависит и как определяется.
Что это такое
Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.
Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.
Величина определяющая разность скоростей вращения магнитных полей ротора и статора, называется скольжение. Так как ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее, чем поле статора — оно обычно меньше единицы. Может измеряться в относительных единицах или процентах.
Высчитывается она по формуле:
где n1— это частота вращения магнитного поля, n2 – частота вращения магнитного поля ротора.
Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.
Величина скольжения в разных режимах работы
В режиме холостого хода скольжение близко к нулю и составляет 2-3%, ввиду того, что n1 почти равняется n2. Нулю оно не может быть равным, потому как в этом случае поле статора не пересекает поле ротора, простыми словами, двигатель не вращается и питающее на него напряжение не подается.
Даже в режиме идеального холостого хода, величина скольжения, выраженная в процентах, не будет равной нулю. S может принимать и отрицательные значения, в том случае, когда электродвигатель работает в генераторном режиме.
В генераторном режиме (вращение ротора противоположно направлению поля статора) скольжение ЭД будет в значениях -∞
Также существует режим электромагнитного торможения (противовключения ротора), в этом режиме скольжение принимает значение больше единицы, со знаком плюс.
Значение частоты тока в обмотках ротора равно частоте тока сети только в момент пуска. При номинальной нагрузке частота тока будет определяться по формуле:
где f1 – частота тока, подаваемого на обмотки статора, а S — скольжение.
Частота тока ротора прямо пропорциональна его индуктивному сопротивлению. Таким образом, проявляется зависимость тока в роторе от скольжения АД. Вращающий момент электродвигателя зависит от величины S, так как определяется значениями величин магнитного потока, тока, углом сдвига между ЭДС и током ротора.
Поэтому, для детального исследования характеристик АД устанавливается зависимость, изображенная на рисунке выше. Таким образом, изменение момента (при различных значениях скольжения) в АД с фазным ротором может регулироваться путем ввода сопротивления в цепь обмоток ротора. В электродвигателях с короткозамкнутым ротором момент вращения регулируется или с помощью преобразователей частоты или использованием двигателей с переменными характеристиками.
При номинальной нагрузке электродвигателя значение скольжения будет в диапазоне 8%-2% (для двигателей малой и средней мощности), номинальное скольжение.
При увеличении нагрузки на валу (момента на валу) будет увеличиваться скольжение, простым языком, магнитное поле ротора будет все сильнее отставать (тормозить) от магнитного поля статора. Увеличение скольжения (S) приведет к пропорциональному увеличению тока ротора, следовательно, пропорционально увеличится момент. Но при этом увеличиваются активные потери в роторе (увеличивается сопротивление), которые уменьшают рост силы тока, поэтому момент увеличивается медленнее, чем скольжение.
При определенной величине скольжения момент достигнет максимального значения, потом начнет снижаться. Величину, при которой момент будет максимальным, называют критической (Sкр).
В графической форме механическую характеристику асинхронного электродвигателя можно выразить с помощью формулы Клосса:
где, Мк — это критический момент, который определяется критическим скольжением электродвигателя.
График строится исходя из характеристик, указанных в паспорте АД. При возникновении вопросов по приводу, в качестве движителя, использующего асинхронный электродвигатель, используется данный график.
Критический момент определяет величину допустимой мгновенной перегрузки электродвигателя. При развитии момента более критического (следовательно, более критического скольжения) происходит, так называемое, опрокидывание электродвигателя и двигатель останавливается. Опрокидывание — один из аварийных режимов.
Способы измерения
Существует несколько способов измерения скольжения асинхронного двигателя. Если частота вращения значительно отличается от синхронной, то ее можно измерить с помощью тахометра или тахогенератора, подключенного на валу ЭД.
Вариант измерения стробоскопическим методом с помощью неоновой лампы подходит при величине скольжения не более 5%. Для этого на валу двигателя либо наносят мелом специальную черту, либо устанавливают специальный стробоскопический диск. Освещают их неоновой лампой, и отсчитывают вращение за определенное время, потом, по специальным формулам производят вычисления. Также возможно использование полноценного стробоскопа, подобно тому что показано ниже.
Также, для измерения величины скольжения всех видов машин подходит способ индуктивной катушки. Катушку лучше всего использовать от реле или контактора постоянного тока, из-за количества витков (там 10-20 тысяч), количество витков должно быть не менее 3000. Катушку с подключенным к ней чувствительным милливольтметром, располагают у конца вала ротора. По отклонениям стрелки прибора (числу колебаний) за определенное время высчитывают по формуле величину скольжения. Помимо этого, у асинхронного двигателя с фазным ротором скольжение можно замерить с помощью магнитоэлектрического амперметра. Амперметр подключается к одной из фаз ротора и по числу отклонений стрелки амперметра производят вычисления (по формуле из способа с индуктивной катушкой).
Вот мы и рассмотрели, что собой представляет скольжение асинхронного двигателя и как его определить. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!
Материалы по теме:
- Виды испытаний асинхронных двигателей
- Правила определения фазы, нуля и заземления в сети
- Как выбрать мультиметр для дома и работы
Опубликовано 16.09.2019 Обновлено 16.09.2019 Пользователем Александр (администратор)
Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины
С конца 50-х годов ХХ в. стало активно развиваться направление, связанное с изучением асинхронной машины и ее практическим применением. В повседневной жизни большинство приборов и различных устройств питаются от источника переменного тока. В связи с этим важным направлением всегда были и остаются режимы работы электронных машин переменного тока. Можно отметить, что при работе с такими машинами были достигнуты впечатляющие результаты. Не остались без внимания и вопросы повышения качества самих машин, а также их режимов работы. Были выполнены проекты по разработке, созданию и организации выпуска электронных машин. Эти результаты послужили основной для создания различных приборов. Все достоинства асинхронных машин являются следствием отсутствия механических коммутаторов в цепи ротора и привели к тому, что большинство электродвигателей, используемых в промышленности являются асинхронными. В данной статье рассматривается устройство асинхронной машины, различные режимы работы, преимущества и недостатки тех или иных режимов работы. Приведены условия работы асинхронной машины при различных режимах.
асинхронная машина
режимы работы асинхронной машины
переменный ток
электрическая машина
1. Вольдек А. И. Электрические машины : учебник для студентов высших учебных заведений. Л., Энергия, 1974.
2. Захаржевский О.А., Афонин В.В. Как учитывать конструкцию обмоток асинхронной машины // XLIV Огаревские чтения : материалы научной конференции: в 3 частях. Саранск, 2016. С. 297-302.
3. Захаржевский О.А., Афонин В.В. Асинхронная машина как обратимый преобразователь электрической энергии в механическую энергию // XLV Огарёвские чтения : материалы научной конференции : в 3-х частях. Саранск, 2017. С. 260-265.
4. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 928 с.
5. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высшая школа, 2002. 757 с.
Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не эквивалентна частоте вращения электромагнитного поля, создаваемого током медной обмотки статора. Асинхронные машины — это довольно распространённые электрические машины. Асинхронный означает не одновременный, что имеется ввиду, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора у асинхронных двигателей. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока.
Статор обладает цилиндрической формой, собранный из листов стального материала. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, выполненных из обмоточного провода. Оси этих обмоток находятся в пространстве и сдвинуты на угол 120° относительно друг друга. Концы таких обмоток соединяются треугольником или звездой в зависимости от подаваемого напряжения.
Статор асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. поверхность статора является абсолютно гладкой изнутри. Для того, чтобы сбавить потери на вихревых токах, сердечник статора собирают из тонких штампованных листов стали. Ранее собранный сердечник статора нужно закрепить в корпусе из стали. В пазах статора укладывают обмотку из проволоки из меди. Начала и концы обмоток выводятся на специальный изоляционный щиток, из-за того, что фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником». Такое устройство статора является очень удобным, так как его обмотки можно включать на различные стандартные напряжения. Когда осуществляется подача напряжения на обмотку статора, то в каждой фазе создаётся магнитный поток, изменяемый частотой подаваемого напряжения. Эти потоки сдвинуты на 120° относительно друг друга, как во времени, так и в пространстве. Результирующий поток будет при этом вращающимся.
Своим вращением поток создаёт в проводниках ротора ЭДС. Из-за того, что обмотка ротора входит в замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, взаимодействующий с магнитным потоком статора, тем самым создавая пусковой момент двигателя, который стремится направить ротор в сторону вращения магнитного поля статора. Ротор начнет вращаться, когда пусковой момент двигателя достигнет значения тормозного момента ротора, а затем превысит его. При этом возникает так называемое скольжение.
Скольжение является крайне важной величиной. При начальном моменте времени скольжение равно единичному значению, но относительная разность частот становится меньше по мере возрастания частоты вращения ротора, из-за чего в проводниках ротора уменьшаются ЭДС и ток, которые влекут за собой уменьшение вращающего момента. Во время режима холостого хода, т.е. когда двигатель совершает работу без нагрузки на валу, скольжение является минимальным значением, но оно возрастает до величины критического скольжения, путем увеличением статического момента. При превышении данного значения, может произойти опрокидывание двигателя, что, впоследствии, приведет к его нестабильной работе. Значение скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для двигателей общего назначения в номинальном режиме оно составляет 1 — 8 %.
При наступлении равновесия между электромагнитным моментом, который вызывает вращение ротора, и тормозным моментом, который создает нагрузку на валу двигателя, процессы изменения величин прекратятся.
Из этого следует, что принцип работы асинхронного двигателя заключен во взаимодействии токов, наводящимся магнитным полем в роторе и самим вращающимся магнитным полем статора. Когда вращающий момент возникает тогда, когда существует разность частот вращения магнитных полей.
Ротор асинхронного двигателя, как и статор, собирается из штампованных стальных листов. В пазах ротора укладывается обмотка из медных стержней. Торцы этих стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка является обмоткой типа «беличьей клетки». При этом медные стержни в пазах не являются изолированными.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели различаются на 2 типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.
Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, собранный из стальных листов. В пазах этого сердечника заливается расплавленный алюминий, из-за чего образуются стержни, замкнутые накоротко торцевыми кольцами. Данная конструкция называется «беличьей клеткой». В двигателях с большой мощностью заливаться медь.
Фазный ротор содержит трёхфазную обмотку, практически не отличающуюся от обмотки на статоре. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединены звездой, где свободные концы подводятся к контактным кольцам. При помощи щёток, подключенных к кольцам, можно ввести дополнительный резистор в цепь обмотки ротора. Этот резистор нужен для того, чтобы изменять активное сопротивление в цепи ротора, которое способствует уменьшению больших пусковых токов.
Асинхронный двигатель с фазным ротором обычно применяется в электродвигателях с большой мощностью и в случаях, во время начала движения с места, электродвигатель создавал большое усилие, когда это необходимо. Достигается это путем включения в обмотки фазного двигателя пускового реостата.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели запускаются двумя способами:
1) Подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя.
2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора.
Пуск двигателя в ход происходит с соединения «звездой» обмоток статора, а когда ротор достигает нормального числа оборотов, соединение переключается на форму «треугольника».
При этом способе ток пуска двигателя в подводящих проводах уменьшается в 3 раза если сравнивать с тем током, что возникал бы во время пуска двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Но данный способ пригоден лишь в тех случаях, когда статор предназначен для нормальной работы при его соединении «треугольником».
Более простым, дешевым и довольно надежным является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, правда этот двигатель имеет некоторые недостатки — малое усилие во время трогания с места и большим пусковым током. Данные недостатки в значительной мере можно устранить путем применения фазного ротора, правда такое применение значительно повысит двигатель в его стоимости и будет требовать пусковой реостат.
Самое большое применение получили машины с трехфазной симметричной разноименно полюсной обмоткой на статоре, которая питается от сети переменного тока. Также применение нашли асинхронные машины с трехфазной или многофазной симметричной разноименно полюсной обмоткой на роторе. Обычно асинхронные машины используются как двигатели, когда как генератор они применяются очень редко.
Асинхронный двигатель является самым распространенным типом двигателя переменного тока. Если ротор асинхронной машины находится в неподвижном состоянии, либо же частота вращения ротора меньше синхронной, то вращающееся электромагнитное поле проходит через электрические проводники медной обмотки ротора и соответственно индуцирует в них электродвижущую силу, под воздействием которой по медной обмотке ротора двигателя течёт ток. На электрические проводники с током данной обмотки ротора, находящимся в электромагнитном поле медной обмотки возбужденного состояния, действуют силы магнитного воздействия определённого размера. Из-за прикладываемого усилия порождается магнитный вращающий момент, который тянет ротор за электромагнитным полем [2].
Если данный вращающий момент достаточно велик, то ротор электрической машины приходит в динамическое вращение, и его средняя рабочая частота вращения соответствует равенству имеющегося магнитного момента тормозному, созданного механической нагрузкой на валу электродвигателя, механическими силами вентиляции, трения в подшипниках и т.д. Частота вращения ротора электрической машины не соответствует частоте вращения электромагнитного поля, т.к. в этом случае угловая скорость вращения электромагнитного поля по сравнению с токопроводящей обмоткой ротора становится равна нулю, в следствии этого электромагнитное поле не будет индуцировать в уже доступной обмотке ротора электродвижущую силу и создавать крутящий момент.
Если ротор электрической машины, которая включена в сеть, вращать при помощи двигателя в направлении вращающегося поля статора, тогда движение ротора по сравнению с полем статора изменится, из-за того, что ротор будет обгонять поле статора.
Скольжение же при этом станет отрицательным, а направления электродвижущей силы Е1, находящейся на обмотке статора, и тока I1 изменятся на противоположное. В результате этого электромагнитный момент ротора также изменит направление превратившись из вращающего в противодействующий. В этих условиях электрическая машина из двигательного режима переходит в генераторный режим, последствием преобразования механической энергии двигателя в электрическую [3].
В следствии того, что в режиме генератора электрической машины, условия создания вращающегося поля статора будут такими же, что и в двигательном режиме, и потребление намагничивающего тока I0 происходит от сети, то электрическая машина в генераторном режиме обладает определенными свойствами: потребление реактивной энергии от сети, которая необходима для создания вращающегося поля статора, но происходит отдача активной энергии в сеть, получаемой во время преобразования механической энергии двигателя [3]. Работа асинхронных генераторов возможна лишь тогда, когда она происходит в совместной работе с синхронными генераторами, необходимыми как источники реактивной энергии.
В отличие от синхронных генераторов, асинхронные не подвержены опасностям выпадения из синхронизма. Асинхронные генераторы не получили большого распространения. Это объясняется рядом их недостатков в сопоставлении с синхронными генераторами.
Одним из главных недостатков является то, что асинхронные генераторы обладают большой реактивной мощностью, затрачиваемой ими от сети. Величина этой мощности пропорциональна намагничивающему току и даже может достичь 25 – 45 % от номинальной мощности машины [4]. Следовательно, для работы нескольких асинхронных генераторов нужно использовать один синхронный генератор такой по величине мощности, которая равна мощности одного асинхронного генератора.
Без включения в общую сеть, асинхронный генератор может работать и в автономных условиях. Но в этом случае, чтобы получить реактивную мощность необходимую для намагничивания генератора, нужно использовать батарею конденсаторов, которые, в свою очередь, включены параллельно нагрузке на выводах генератора.
Наличие остаточного намагничивания является одним из условий работы асинхронных генераторов, которое необходимо для самовозбуждения генератора. Электродвижущая сила создает небольшой реактивный ток как в обмотке статора, так и в цепи конденсатора, усиливающий остаточный поток. Далее процесс развивается также, как и в генераторе постоянного тока параллельного возбуждения. С помощью изменения емкости конденсаторов можно регулировать величину намагничивающего тока, а также, и величину напряжения генераторов [5]. Из-за чрезмерных величин и высоких стоимостей конденсаторных батарей, асинхронные генераторы с самовозбуждением не получили большого распространения. Следовательно, такие генераторы применяются лишь на вспомогательных электростанциях, в таких как ветросиловые установки.
Тормозной режим электрической машины применяется лишь при необходимости быстрой остановки момента вращения ротора двигателя. Данный режим создается противовключением двигателя. Чтобы его совершить, нужно направить вращение магнитного поля статора в противоположную сторону. Для этого достаточно переключить любую пару проводов, которые соединяют обмотку статора с сетью, посредством изменения порядка следования фаз на зажимах статора. В начальный период времени, после переключения проводов, инерциальные силы вращающихся частей двигателя и исполнительного механизма продолжают совершать вращение ротора в прежнем направлении, когда вращающееся поле статора начинает вращаться в противоположном направлении [1].
В итоге получаем, что электромагнитная мощность машины в режиме тормоза составляет лишь малую долю электрических потерь в роторе. Когда большая часть этих потерь уходит на вращающиеся по инерции части двигателя и исполнительного механизма.
К недостаткам данного способа торможения следует отнести: большие потери энергии, значительные броски тока во время переключения проводов на обмотках статора. Двигатели с контактными кольцами включают сопротивление, чтобы ограничить бросок тока при торможении. Кроме того, во время торможения двигателя данным способом нужно отключить его от сети в момент его остановки, иначе ротор начнет вращаться в другом направлении.
Таким образом, существуют три режима работы асинхронной машины: движущий режим, генераторный режим и режим тормоза. Каждому из данных режимов соответствует определенный диапазон изменения коэффициента скольжения: когда в двигательном режиме скольжение может изменяться от нуля до единицы, в генераторном – от нуля до минус бесконечности, а в тормозном – от единицы до плюс бесконечности.
Решение
об/мин
Номинальная частота вращения по (3)
об/мин.
3. Электромагнитный момент асинхронной машины
Важнейшим вопросом в работе асинхронного двигателя является процесс преобразования электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую. Диаграмма, характеризующая этот процесс преобразования, называется энергетической диаграммой (рис.2.7).
Рис.2.7. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
Пусть к статору из сети подводится мощности Р1 Часть этой мощности тратится на покрытие электрических потерь в активном сопротивлении обмотки статора ΔРэ1 и магнитных потерь в его магнитопроводе ΔРм1. Оставшаяся часть мощности – электромагнитная. Она посредством вращающегося магнитного поля передается в ротор:
Если бы в роторе отсутствовали потери, то эта мощность целиком преобразовывалась в механическую Рмех. Однако часть электромагнитной мощности тратится на покрытие электрических потерь в его обмотке — ΔРэ2. Магнитные потери в стали ротора из-за малой частоты перемагничивания при номинальной частоте вращения отсутствуют. Поэтому:
.
Полезно отдаваемая мощность меньше мощности механической на величину механических потерь и добавочных:
Электромагнитный момент в асинхронной машине, как было отмечено выше, создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля и токов, наведенных полем в обмотке ротора:
(2.1)
, (2.2)
где
4. Механическая характеристика
Наибольшее значение для оценки свойств асинхронной машины, в особенности для двигателя, отводится механической характеристике, представляющей собой графическую зависимость частоты вращения ротора от электромагнитного момента. Часто пользуются другой формой механической характеристики – зависимостью электромагнитного момента Мэм от скольжения S.
Таким образом, полученное выше уравнение (2.2), является математическим описанием механической характеристики асинхронного двигателя.
Для определения максимального значения момента, который может развивать двигатель при изменении скольжения от 1 до 0, найдем величину скольжения, при котором этот момент наступает. С этой целью возьмем производную dM/dS и приравняем ее к 0. После преобразований получим:
(2.3)
Это скольжение называется критическим. Решая совместно уравнения (2.3) и (2.2), получим выражение для максимального электромагнитного момента:
(2.4)
Знак плюс в уравнениях (2.3) и (2.4) соответствует двигательному, а знак минус – генераторному режимам работы асинхронной машины.
На рис.2.8 показана механическая характеристика авиационной асинхронной машины М=f(S)с указанием зон, соответствующих различным режимам работы:двигательный режим(0 При переходе в генераторный режим скольжение меняет свой знак на обратный, соответственно чему момент становится отрицательным, т.е. тормозным. Характер изменения кривой момента такой же, как и двигателя, но максимум момента несколько больше. Кривая электромагнитного момента в режиме электромагнитного тормоза представляет собой продолжение кривой момента двигателя. Анализ выражения (2.4) показывает, что в случае изменения величины активного сопротивления цепи ротора изменяется величина критического скольжения при сохранении максимума электромагнитного момента, т.е. механическая характеристика сдвигается вправо. Характерной особенностью асинхронной машины является то, что устойчивая работа ее возможна лишь при определенной величине скольжения. Под статической устойчивостью машины понимают ее способность при весьма малых возмущениях продолжать работу в установившемся режиме. На механической характеристике можно выделить область статической устойчивости, которая включает в себя скольжение от –Sкр до +Sкр. Область всех остальных скольжении является областью статической неустойчивости (рис.2.9). Рис.2.8. Механическая характеристика асинхронной машины Рис.2.9. К вопросу о статической устойчивости асинхронного двигателя Действительно, установившийся режим работы, характеризуется равновесием моментов, при постоянстве частоты вращения: где М0 — момент обусловлен потерями в роторе, момент холостого хода. В случае нарушения моментов на ротор действует динамический момент, вызывающий изменение частоты вращения асинхронной машины. Рассмотрим (см. рис.2.9) поведение двигателя при скольжениях соответствующих точками 1 и 2, когда МД=Мст=М2+М0(установившийся режим работы). При работе двигателя в точке 1 случайное увеличение скольжения ведет к появлению динамического момента положительного знака. В результате ротор получает положительное ускорение ведущее к увеличению частоты вращения, а значит к восстановлению скольжения. В тоже время при работы двигателя в точке 2 увеличение скольжения создает отрицательную разность моментов, которая обуславливает дальнейшее уменьшение скорости вращения, до тех пор пока двигатель не остановится. Таким образом точка 1 является точкой устойчивого режима работы двигателя, а точка 2 — точкой неустойчивого режима работы. Режимы работы асинхронной машины В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением. Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n2n1 в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр, исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность P2 и передается исполнительному механизму ИМ (рис.9, б). Рис.9 Режимы работы асинхронной машины Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т.п.), являющегося источником механической энергии, вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n2>n1, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т.е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М1 (рис.9, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р2 переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р2. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т.е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле. Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне — ∞ < s < 0, т.е. оно может принимать любые отрицательные значения. Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис.9, в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможение. В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы: >1 Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1 s < -∞, т.е. оно может принимать любые положительные значения больше единицы. Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной машины, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора n1 и ротора n2, т.е. наличие скольжения, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора ЭДС и на роторе возникает электромагнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхронной машины соответствует определенный диапазон изменений скольжения, а следовательно, и частоты вращения ротора. Из рассмотренных режимов работы наибольшее практическое применение получил двигательный режим асинхронной машины, т.е. чаще используют асинхронные двигатели, которые составляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и высокой надежностью. Поэтому теорию асинхронных машин принято излагать применительно к асинхронным двигателям. Контрольные вопросы 1. Что такое скольжение асинхронной машины? 2. Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины в различных режимах ее работы? 3. С какой целью обмотку статора асинхронного генератора подключают к сети трехфазного тока? 4. Каким образом асинхронный двигатель можно перевести в режим электромагнитного торможения? 5. Объясните конструкцию короткозамкнутого и фазового роторов. 6. Трехфазный асинхронный двигатель предназначен для работы при напряжениях сети 220/380 В. Как следует соединить обмотку статора этого двигателя при напряжении сети 220 В и как — при напряжении 380 В? 7. Какие способы охлаждения применяются в электрических машинах? 8. Какие применяются формы исполнения электрических машин по способу зашиты и как они маркируются? 9. Какие формы исполнения по способу монтажа применяются в электрических машинах? 10. Что такое серия электрических машин? 11. Какой диапазон мощности охватывает серия 4А и каковы формы их конструктивного исполнения по защите и вентиляции? 12. Какие существуют модификации серии 4А и каково их назначение? 13. Почему асинхронные двигатели большой мощности делают высоковольтными? 14. Каковы области применения асинхронных двигателей краново-металлургических серий, и какими особыми свойствами обладают эти двигатели? 15. Почему в двигателях для привода механизмов металлургического производства применена изоляция класса Н?
