Наиболее распространенными электрическими двигателями в промышленности, сельском хозяйстве и во всех других сферах применения являются асинхронные двигатели. Можно сказать, что асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются основным средством преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного двигателя был рассмотрен в § 1.2 и 6.1.

Электромагнитное поле статора вращается в воздушном зазоре машины со скоростью со = 2nf { /р п . При стандартной частоте 50 Гц номинальная скорость ротора зависит от числа пар полюсов р п (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Зависимость скорости вращения асинхронных двигателей от числа пар

полюсов

Число пар полюсов р п	Угловая скорость электромагнитного поля статора coq. 1/с	Скорость двигателя, об/мин
		синхронная вращения л 0	примерная номинальная

В зависимости от конструкции ротора асинхронного двигателя различают асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на роторе располагается трехфазная распределенная обмотка, соединенная обычно в звезду, концы обмоток соединены с контактными кольцами, через которые электрические цепи ротора выводятся из машины для подключения к пусковым сопротивлениям с последующим закорачиванием обмоток. В короткозамкнутых двигателях обмотка выполнена в виде беличьей клетки - стержней, замкнутых накоротко с двух сторон кольцами. Несмотря на специфическое конструктивное устройство, беличью клетку также можно рассматривать как трехфазную обмотку, замкнутую накоротко.

Электромагнитный момент М в асинхронном двигателе создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора Ф с активной составляющей тока ротора:

где к - конструктивная постоянная.

Ток ротора возникает благодаря ЭДС Е 2 , которая индуктируется в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда ротор неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко или нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающую при неподвижном роторе в его обмотках ЭДС называют номинальной фазной ЭДС ротора Е 2н. Эта ЭДС приблизительно равна фазному напряжению статора, деленному на коэффициент трансформации к т:

При вращающемся двигателе ЭДС ротора Е 2 и частота этой ЭДС (а значит, и частота тока в обмотках ротора)^ зависят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора (в короткозамкнутом двигателе - стержней). Эту частоту определяет разность скоростей поля статора со и ротора со, которую называют абсолютным скольжением :

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с постоянной частотой питающего напряжения (50 Гц) обычно используют относительную величину скольжения

Когда ротор двигателя неподвижен, s = 1. Наибольшая ЭДС ротора при работе в двигательном режиме будет при неподвижном роторе (Е 2н), по мере увеличения скорости (уменьшении скольжения) ЭДС Е 2 будет уменьшаться:

Аналогично частота ЭДС и тока ротора/ 2 при неподвижном роторе будет равна частоте тока статора/, и по мере увеличения скорости будет уменьшаться пропорционально скольжению:

В номинальном режиме скорость ротора незначительно отличается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет для двигателей общего применения мощностью 1,5...200,0 кВт всего 2...3%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответственно в номинальном режиме ЭДС ротора составляет 1...3% от номинального значения этой ЭДС при 5 = 1. Частота тока ротора в номинальном режиме будет составлять всего 0,5... 1,5 Гц. При 5 = 0, когда скорость ротора равна скорости поля, ЭДС ротора Е 2 и ток ротора / 2 будут равны нулю, момент двигателя также будет равен нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.

Зависимость частоты ЭДС и тока ротора от скольжения определяет своеобразие механических характеристик асинхронного двигателя.

Работа асинхронного двигателя с фазным ротором, обмотки которого замкнуты накоротко. Как показано в (6.16), момент двигателя пропорционален потоку Ф и активной составляющей тока ротора / 2 " а, приведенного к статору. Поток, создаваемый обмотками, зависит от значения и частоты питающего напряжения

Ток ротора равен

где Z 2 - полное сопротивление фазы обмотки ротора.

Следует учитывать, что индуктивное сопротивление обмотки ротора х 2 является величиной переменной, зависящей от частоты тока ротора, а, следовательно, от скольжения: х 2 = 2п 2 2 = 2к t 2 .

При неподвижном роторе при s = 1 индуктивное сопротивление обмотки ротора максимальное. По мере роста скорости (уменьшении скольжения) индуктивное сопротивление ротора х 2 уменьшается и при достижении номинальной скорости составляет всего 1...3% от сопротивления при 5 = 1. Обозначив x 2s=l = х 2н, получим

Приведем параметры цепи ротора к обмотке статора с учетом коэффициента трансформации и на основе сохранения

равенства мощности:

И активная составляющая тока ротора имеет вид:

Разделив числитель и знаменатель формулы (6.26) на s, получим

Проведенная математическая операция - деление числителя и знаменателя на s , конечно, не изменяет справедливость равенства (6.29), но носит формальный характер, что нужно учитывать при рассмотрении этого соотношения. В действительности, как это следует из исходной формулы (6.26), от скольжения зависит индуктивное сопротивление ротора х 2 , а активное сопротивление г 2 остается постоянным. Использование выражения (6.29) позволяет по аналогии с трансформатором составить схему замещения асинхронного двигателя, которая представлена на рис. 6.4,а.

Рис. 6.4. Схемы замещения асинхронного двигателя: а - полная схема; б- схема с вынесенным намагничивающим контуром

Для анализа нерегулируемого электропривода эту схему можно упростить, перенеся контур намагничивания на зажимы двигателя. Упрощенная П-образная схема замещения представлена на рис. 6.4Д исходя из которой, ток ротора будет равен:

где х к =х + х" 2и - индуктивное сопротивление короткого замыкания. Активная составляющая тока ротора с учетом (6.28) будет:

Подставляя (6.22) и (6.31) в (6.16), получим выражение для момента асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя оз = f(M) с фазным ротором, обмотки которого замкнуты накоротко, представлена на рис. 6.5. Здесь же показана электромеханическая характеристика двигателя ю = /(/j), определяемая из векторной диаграммы асинхронного двигателя на рис. 6.6, I x = I + / 2 ".

Рис. В.5. Естественная механическая и электромеханическая характеристики асинхронного двигателя

Рис. В.В. Упрощенная векторная диаграмма асинхронного двигателя

Полагая ток намагничивания реактивным, получим где

Приравняв производную dM/ds = , найдем максимальное значение момента асинхронного двигателя М к = М н и соответствующее ему значение критического скольжения s K:

где s K - критическое скольжение; знак «+» означает, что эта величина относится к двигательному режиму, знак «-» - к генераторному режиму рекуперативного торможения.

С учетом (6.34) и (6.35) формулу механической характеристики (6.32) можно преобразовать к более удобному для пользования выражению - формуле Клосса:

Для двигателей мощностью более 15 кВт сопротивление обмотки статора г, невелико и при частоте 50 Гц значительно меньше х к. Поэтому в приведенных ранее выражениях величиной г, можно пренебречь:

По полученным формулам можно рассчитать механическую характеристику асинхронного двигателя, пользуясь его паспортными данными, зная номинальный момент М н, номинальное скольжение s h и перегрузочную способность двигателя X.

Заметим, что анализируя электромагнитные процессы в асинхронном двигателе для установившегося режима, пришли к тем же соотношениям (6.9) и (6.10), которые были получены в § 6.1 на основе дифференциальных уравнений обобщенной двухфазной машины.

Анализ особенностей механической характеристики асинхронного двигателя (см. рис. 6.5). Она носит нелинейный характер и состоит из двух частей. Первая - рабочая часть - в пределах скольжения от 0 до s K . Эта часть характеристики близка к линейной и имеет отрицательную жесткость. Здесь момент, развиваемый двигателем, примерно пропорционален току статора 1 Х и ротора / 2 . Так как на этой части характеристики s то второе слагаемое знаменателя в формуле (6.39) существенно меньше первого, и им можно пренебречь. Тогда рабочую часть механической характеристики можно приближенно представить в линейной форме, где момент пропорционален скольжению:

Вторая часть механической характеристики асинхронного двигателя при скольжениях, больших s K (s>s K) криволинейная, с положительным значением жесткости (3 . Несмотря на то, что ток двигателя по мере роста скольжения увеличивается, момент, напротив, уменьшается. Если обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором во внешней цепи замкнуты накоротко, то пусковой ток такого двигателя (при со = 0 и 5 =1) будет очень большим и превысит номинальный в 10-12 раз. В то же время пусковой момент составит порядка 0,4...0,5 номинального. Как будет показано далее, для короткозамкнутых двигателей пусковой ток будет (5...6)/ н, а пусковой момент (1,1...1,3)А/ н.

Для объяснения такого несоответствия между пусковым током и моментом рассмотрим векторные диаграммы цепи ротора (рис. 6.7) для двух случаев: когда скольжение велико (пусковая часть характеристики); когда скольжение мало (рабочая часть характеристики). При пуске, когда 5=1, частота тока ротора равна частоте питающей сети (f 2 = 50 Гц). Индуктивное сопротивление обмотки ротора [см. (6.24)] велико и существенно превосходит активное сопротивление ротора /* 2 , ток отстает от ЭДС ротора на большой угол ф, т.е. ток ротора, в основном, реактивный. Поскольку ЭДС ротора в этом случае будет велика 2 = 2н, то и пусковой ток будет очень большим, однако из-за малого значения ср 2 активная составляющая тока ротора 1 2а будет невелика, следовательно, и момент, развиваемый двигателем, будет также невелик.

При разгоне двигателя скольжение уменьшается, ЭДС ротора, частота тока ротора, индуктивное сопротивление ротора пропорционально уменьшаются. Соответственно уменьшается значение полного тока ротора и статора, однако, вследствие повышения ф 2 активная составляющая тока ротора растет и растет момент двигателя.

Когда скольжение двигателя станет меньше s K , частота тока ротора уменьшится настолько, что индуктивное сопротивление станет уже меньше активного, и ток ротора будет практически активным (рис. 6.7,6), момент двигателя будет пропорционален току ротора. Так, если номинальное скольжение двигателя 5 н = 2%, то по сравнению с пусковыми параметрами частота тока ротора уменьшится в 50 раз, соответственно уменьшится индуктивное сопротивление ротора. Поэтому, несмотря на то, что ЭДС ротора также уменьшится в 50 раз, она будет достаточна для создания номинального тока ротора, обеспечивающего номинальный момент двигателя. Таким образом, своеобразие механической характеристики асинхронного двигателя определяется зависимостью индуктивного сопротивления ротора от скольжения.

Рис. В.7. Векторная диаграмма цепи ротора асинхронного двигателя: а - при большом скольжении: б - при и малом скольжении

Исходя из изложенного, для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором нужно принять меры для увеличения пускового момента и снижения пусковых токов. С этой целью в цепь ротора включают добавочное активное сопротивление. Как следует из формул (6.34), (6.35), введение добавочного активного сопротивления не изменяет максимального момента двигателя, а лишь изменяет значение

критического скольжения: , где /?" доб - приведенное к

статору добавочное сопротивление в цепи ротора.

Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, в результате уменьшается пусковой ток и увеличивается ср роторной цепи, что ведет к увеличению активной составляющей тока ротора и, следовательно, пускового момента двигателя.

Обычно в роторную цепь двигателя с фазным ротором вводят секционированное сопротивление, ступени которого перемыкаются пусковыми контакторами. Расчет реостатных пусковых характеристик можно производить по формуле (6.39), используя значение s K , соответствующее R 2 б для каждой ступени пускового сопротивления. Схема включения дополнительных сопротивлений и соответствующие реостатные механические характеристики двигателя показаны на рис. 6.8. Механические характеристики имеют общую точку идеального холостого хода, равную скорости вращения электромагнитного поля статора со, а жесткость рабочей части характеристик уменьшается по мере возрастания суммарного активного сопротивления роторной цепи (2 + /? доб).

При пуске двигателя сначала вводится полное добавочное сопротивление /? 1доб. По достижении скорости, при которой момент двигателя Л/, становится близким к моменту сопротивления М с, часть пускового сопротивления шунтируется контактором К1, и двигатель переходит на характеристику, соответствующую значению добавочного сопротивления /? 2доб. При этом момент двигателя увеличивается до значения М 2 . По мере дальнейшего разгона двигателя контактором К2 закорачивается вторая ступень пускового сопротивления. После замыкания контактов контактора КЗ двигатель переходит на естественную характеристику и будет работать со скоростью, соответствующей точке 1.

Для расчета пусковых характеристик нужно задать значение момента М { при котором происходит переключение ступеней пусковых резисторов М х = 1,2М с. Пусковые значения момента М 2 (рис. 6.8) находят по формуле, = А/ , где т - число ступеней.

Для расчета ступеней пускового сопротивления найдем номинальное сопротивление ротора R 2h = 2н.лин/>/3 2н

Сопротивления ступеней:

Б короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительного сопротивления в цепь ротора невозможно. Однако тот же результат может быть получен, если воспользоваться эффектом вытеснения тока на поверхность проводника. Сущность этого явления состоит в следующем. Согласно закону электромагнитной индукции при протекании по проводнику переменного тока в нем индуктируется ЭДС самоиндукции, направленная против тока:

Значение этой ЭДС зависит от тока I , его частоты и индуктивности, определяемой характеристикой среды, окружающей проводник. Если проводник находится в воздухе, то магнитная проницаемость среды очень мала, следовательно, мала индуктивность L. В этом случае при частоте 50 Гц со= /с влияние ЭДС самоиндукции незначительно. Другое дело, когда проводник помещен в тело магнитопровода. Тогда индуктивность многократно увеличивается и ЭДС самоиндукции, направленная против тока, играет роль индуктивного сопротивления, препятствующего протеканию тока.

Рис. В.9. Конструкция ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя: а - с глубоким пазом; б - с двойной клеткой; в - схема, поясняющая эффект вытеснения тока

Рассмотрим проявление действия ЭДС самоиндукции для случая проводника (стержня обмотки ротора), помещенного в глубокий паз магнитопровода ротора двигателя (рис. 6.9,а). Условно разделим сечение стержня на три части, которые соединены параллельно. Ток, протекающий по нижней части стержня образует поток Ф, магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу. В этой части проводника возникает большая ЭДС самоиндукции e LV направленная против тока 1 2у

Ток / 23 (рис. 6.9, в), протекающий по верхней части стержня роторной обмотки образует поток Ф 3 , но, так как силовые линии этого потока в значительной части своей длины замыкаются по воздуху, то поток Ф 3 будет гораздо меньше, чем поток Ф,. Отсюда и ЭДС е 1Ъ будет во много раз меньше, чем e LV

Указанное распределение ЭДС самоиндукции по высоте стержня характерно для того режима, когда частота тока ротора велика - близка к 50 Гц. В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены параллельно (см. рис. 6.9,в), то ток ротора / 2 пойдет по верхней части стержня, где меньше противоЭДС e L . Это явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффективное сечение стержня, по которому идет ток, будет в несколько раз меньше, чем общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается активное сопротивление ротора г 2 . Отметим, что поскольку ЭДС самоиндукции зависит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивления г 2 и х 2 являются функциями скольжения.

При пуске, когда скольжение велико, сопротивление г 2 увеличивается (в цепь ротора как бы вводится добавочное сопротивление). По мере разгона двигателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает, ток начинает распространяться вниз по сечению проводника, сопротивление г 2 уменьшается. При достижении рабочей скорости частота тока ротора настолько мала, что явление вытеснения тока уже не сказывается, ток протекает по всему сечению проводника, и сопротивление г 2 минимально. Благодаря такому автоматическому изменению сопротивления г 2 , пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет

5,0...6,0 номинального, а пусковой момент 1,1...1,3 номинального.

Варьировать параметрами пусковой характеристики асинхронного двигателя при конструировании можно меняя форму паза, а также сопротивление материала стержней (состав сплава). Наряду с глубокими пазами применяют двойные пазы, образующие двойную беличью клетку (рис. 6.9,6), а также используют пазы грушевидной формы и др.

На рис. 6.10 представлены типовые механические характеристики различных модификаций асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Рис. В.10. Примерные механические характеристики асинхронных короткозамкнутых двигателей: а - нормального исполнения; 6 - с повышенным скольжением; в - с повышенным пусковым моментом; г- краново-металлургических серий

Короткозамкнутые двигатели нормального исполнения используют для привода широкого класса рабочих машин и механизмов, прежде всего для приводов, работающих в длительном режиме. Для этого исполнения характерно высокое значение КПД и минимальное номинальное скольжение. Механическая характеристика в области больших скольжений имеет обычно небольшой провал, характеризуемый минимальным моментом М т{п.

Двигатели с повышенным скольжением имеют более мягкую механическую характеристику и используются в следующих случаях: когда два или более двигателя работают на общий вал, для механизмов (например, кривошипно-шатунных) с циклически изменяющейся нагрузкой, когда для преодоления сопротивления движению целесообразно использовать кинетическую энергию, запасаемую в движущихся частях электропривода, и для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для механизмов с тяжелыми условиями пуска, например, для скребковых конвейеров.

Двигатели краново-металлургических серий предназначены для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками. Эти двигатели имеют большую перегрузочную способность, высокий пусковой момент, повышенную механическую прочность, но худшие энергетические показатели.

Аналитический расчет механических характеристик короткозамкнутых асинхронных двигателей достаточно сложен, поэтому приближенно характеристику можно построить по четырем точкам: при холостом ходе (5 = 0), при максимальном М к, пусковом М п и минимальном М т[п моменте в начале пуска. Данные этих характерных точек приведены в каталогах и справочниках на асинхронные двигатели. Расчет рабочей части механической характеристики коротко- замкнутого асинхронного двигателя (при скольжениях от 0 до 5 к) можно производить по формуле Клосса (6.36), (6.39), поскольку эффект вытеснения тока в рабочем режиме почти не проявляется.

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя во всех квадрантах поля M-s, представлена на рис. 6.11.

Асинхронный двигатель может работать в трех тормозных режимах: рекуперативного и динамического торможения и торможения противовключением. Специфическим тормозным режимом является также конденсаторное торможение.

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения: оо>со 0 5

Несколько большее значение максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении г {) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в генераторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть потери в статоре.

Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отключении от сети. Возможно, однако, подключение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реактивной мощности.

Способ динамического торможения : статорные обмотки отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного напряжения (рис. 6.12). При питании обмоток статора постоянным током создается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора со дт = . Скольжение будет равно 5 ДТ = -со/со н, где со н - номинальная угловая скорость вращения поля статора.

Рис. 6 .12 а - включения динамического торможения; б - при соединении обмоток в звезду; в - при соединении обмоток в треугольник

Вид механических характеристик (рис. 6.13) подобен характеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходной точкой характеристик является начало координат. Регулировать интенсивность динамического торможения можно изменяя ток возбуждения / дт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной момент развивает двигатель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах / дт > / 1н начинает сказываться насыщение магнитной цепи двигателя.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование тормозного момента можно производить также введением дополнительного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения добавочного сопротивления аналогичен тому, которое имеет место при пуске асинхронного двигателя: благодаря улучшению ф повышается критическое скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоростях вращения.

В режиме динамического торможения обмотки статора питаются от источника постоянного тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамического торможения ток / д т протекает (при соединении обмоток в звезду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный / эквивалентным током / , который, протекая по трем фазным обмоткам,

создает ту же намагничивающую силу, что и ток I . Для схемы на рис. 6.12,6 1 =0,816/ , а для схемы на рис. 6.12,в I =0,472/ .

Упрощенная формула для приближенного расчета механических характеристик (не учитывающая насыщение двигателя) подобна формуле Клосса для двигательного режима:

где - критический момент в режиме динамического торможения;

Следует подчеркнуть, что критическое скольжение в режиме динамического торможения существенно меньше критического скольжения в двигательном режиме, так как » к. Для получения максимального тормозного момента, равного максимальному моменту в двигательном режиме ток / экв должен в 2-4 раза превышать номинальный ток намагничивания / 0 . Напряжение источника питания постоянного тока будет значительно меньше номинального напряжения и примерно равно дт =(2, ...4)/ экв,.

Энергетически в режиме динамического торможения асинхронный двигатель работает как синхронный генератор, нагруженный на сопротивление роторной цепи двигателя. Вся механическая мощность, поступающая на вал двигателя при торможении, преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопротивлений роторной цепи. Торможение противовключением может быть в двух случаях:

• когда при работе двигателя необходимо его экстренно остановить, и для этого меняют порядок чередования фаз питания обмоток статора двигателя;
• когда электромеханическая система движется в отрицательном направлении под действием спускаемого груза, а двигатель включается в направлении подъема, чтобы ограничить скорость спуска (режим протягивающего груза).

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор двигателя вращаются в разные стороны. Скольжение двигателя в режиме про-

тивовключения всегда больше единицы:

В первом случае (рис. 6.14) двигатель, работавший в точке 1, после изменения порядка чередования фаз двигателя переходит в тормозной режим в точке Г, и скорость привода быстро снижается под действием тормозного момента М Т и статического М с. При замедлении до скорости, близкой к нулю, двигатель необходимо отключить, иначе он будет разгоняться в противоположном направлении вращения.

Рис. 6.14.

Во втором случае после снятия механического тормоза двигатель, включенный в направлении вверх, под действием силы тяжести спускаемого груза будет вращаться в противоположном направлении со скоростью, соответствующей точке 2. Работа в режиме противовключения под действием протягивающего груза возможна при использовании двигателей с фазным ротором. При этом в цепь ротора вводят значительное добавочное сопротивление, которому соответствует характеристика 2 на рис. 6.14.

Энергетически режим противовключения крайне неблагоприятен. Ток в этом режиме для асинхронных короткозамкнутых двигателей превосходит пусковой, достигая 10-кратного значения. Потери в роторной цепи двигателя складываются из потерь короткого замыкания двигателя и мощности, которая передается на вал двигателя при торможении: АР п = Л/ Т со 0 + М т (о.

Для короткозамкнутых двигателей режим противовключения возможен только в течение нескольких секунд. При использовании двигателей с фазным ротором в режиме противовключения обязательно включение в цепь ротора добавочного сопротивления. В этом случае потери энергии остаются такими же значительными, но они выносятся из объема двигателя в роторные сопротивления.

Анализ работы асинхронного электродвигателя удобно про­водить на основе его механических характеристик, представ­ляющих собой графически выраженную зависимость вида п = f (М ). Скоростными характеристиками в этих случаях пользуются весьма редко, так как для асинхронного электродвига­теля скоростная характеристика представляет собой зависи­мость числа оборотов от тока ротора, при определении которого встречается ряд трудностей, особенно, в случае асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Для асинхронных электродвигателей, так же как и для электродвигателей постоянного тока, различают естественные и искусственные механические характеристики. Асинхронный электродвигатель работает на естественной механической ха­рактеристике в том случае, если его статорная обмотка подключена к сети трехфазного тока, напряжение и частота тока которой соответствует номинальным значениям, и если в цепь ротора не включены какие-либо дополнительные сопро­тивления.

На рис. 42 была приведена зависимость М = f (s ), которая позволяет легко перейти к механической характеристике n = f (M ), так как, согласно выражению (82) , от величины скольжения зависит скорость вращения ротора.

Подставив формулу (81) в выражение (91) и решив полу­ченное уравнение относительно п 2 получим следующее уравне­ние механических характеристик асинхронного электродвигателя

Член r 1 s опущен, ввиду его малости. Механические харак­теристики, соответствующие это­му уравнению, приведены на рис. 44.

Для практических построений уравнение (95) неудобно, поэто­му на практике обычно пользу­ются упрощенными уравнениями. Так, в случае работы электродвигателя на естественной ха­рактеристике при вращающем моменте, не превышающем 1,5 его номинального значения, сколь­жение обычно не превышает 0,1. Поэтому для указанного случая в уравнении (95) можно пренебречь членом x 2 s 2 /kr ’ 2 ·M , в результате чего получим следующее упрощенное уравнение естествен­ной характеристики:

являющееся уравнением прямой линии, наклоненной к оси абсцисс.

Хотя уравнение (97) является приближенным, опыт пока­зывает, что при изменениях момента в пределах от М = 0 до М =1,5М н характеристики асинхронных электродвигателей действительно прямолинейны и уравнение (97) дает результа­ты, хорошо согласующиеся с опытными данными.

При введении в цепь ротора дополнительных сопротивлений характеристику п = f (М ) с достаточной для практических це­лей точностью также можно считать прямолинейной в указанных пределах для вращающего момента и производить ее построение по уравнению (97).

Таким образом, механические характеристики асинхронного электродвигателя в диапазоне от М = 0 до М = 1,5 М н при раз­личных сопротивлениях роторной цепи представляют семейство прямых, пересекающихся в одной точке, соответствующей син­хронному числу оборотов (рис. 45). Как показывает уравнение (97), наклон каждой характеристики к оси абсцисс определя­ется величиной активного сопротивления роторной цепи r ’ 2 . Очевидно, чем больше сопротивле­ние, введенное в каждую фазу ро­тора, тем больше наклонена к оси абсцисс характеристика.

Как указывалось, обычно на практике скоростными характери­стиками асинхронных электродвига­телей не пользуются. Расчет же пусковых и регулировочных сопро­тивлений производят с помощью уравнения (97). Построение естест­венной характеристики можно вы­полнить по двум точкам - по синхронной скорости n ­ 1 = 60f /р при ну­левом моменте и по номинальной скорости при номинальном моменте.

Следует иметь в виду, что для асинхронных электродвигателей зависимость момента от тока ротора I 2 носит более слож­ный характер, чем зависимость момента от тока якоря для

электродвигателей постоянного тока. Поэтому скоростная ха­рактеристика асинхронного двигателя неидентична механиче­ской характеристике. Характеристика п = f (I 2 ) имеет вид, показанный на рис. 46. Там же дана характеристика n = f (I 1 ).

Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f(M). Эту характеристику (рис. 2.15) можно получить, используя зависимость M = f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Так как S = (n0 - n) / n0, отсюда n = n0(1 - S). Напомним, что n0 = (60 f) / p – частота вращения магнитного поля.

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 – неустойчивой работе. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n0. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты Мн и nн. Точка 3 соответствует критическому моменту Мкр и критической частоте вращения nкр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя Мпуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1:

n0 = (60 f) / p,

где: р – число пар полюсов машины;
f – частота сети.

Точка 2 с координатами nн и Мн. Номинальная частота вращения nн задается в паспорте. Номинальный момент рассчитывается по формуле:

здесь: Рн – номинальная мощность (мощность на валу).

Точка 3 с координатами Мкр nкр. Критический момент рассчитывается по формуле Мкр = Мн λ. Перегрузочная способность λ задается в паспорте двигателя nкр = n0 (1 - Sкр), , Sн = (n0 - nн) / n0 – номинальное скольжение.

Точка 4 имеет координаты n=0 и М=Мпуск. Пусковой момент вычисляют по формуле

Мпуск = Мн λпуск,

где: λпуск – кратность пускового момента задается в паспорте.

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1–3) мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из достоинств этих двигателей.

Асинхронный двигатель – это машина переменного тока. Слово «асинхронный» означает неодновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Рис.1. Устройство асинхронных двигателей

Статор – неподвижная часть машины (рис. 1, а ). Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Ротор – вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 1, б , в ). В пазах ротора укладывают обмотку, в зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни (рис. 1, г ), соединенные с торцов кольцами из этого же материала («беличья клетка»).

У фазного ротора (см. рис. 1, в ) в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой. Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пуско-регулировочный реостат.

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле это постоянный поток, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью.

Необходимыми условиями возбуждения вращающегося магнитного поля являются:

Пространственный сдвиг осей катушек статора,

Временной сдвиг токов в катушках статора.

Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120º. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений.

При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотой n 1 , об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

где f 1 – частота тока сети, Гц;

р – число пар полюсов магнитного поля.

При стандартной частоте тока сети Гц частота вращения поля по формуле (1) и в зависимости от числа пар полюсов имеет следующие значения:

р
n 1 , об/мин

Вращаясь, поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает токи, при взаимодействии которых с вращающимся магнитным полем возникает вращающий электромагнитный момент. Частота вращения ротора в двигательном режиме асинхронной машины всегда меньше частоты вращения поля, т.е. ротор «отстает» от вращающегося поля. Только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент. Явление отставания ротора от магнитного поля называется скольжением. Степень отставания ротора от магнитного поля характеризуется величиной относительного скольжения

где n 2 – частота вращения ротора, об/мин.

Для асинхронных двигателей скольжение может изменяться в пределах от 1 (пуск) до величины, близкой 0 (холостой ход).

Для двигателей с короткозамнутым ротором используют прямой пуск и пуск при пониженном напряжении.

1. Прямой пуск – обмотка статора включается непосредственно в сеть на полное напряжение. Прямой пуск допустим только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности (до 15-20 кВт). Однако при значительной мощности питающей сети этот способ можно распространить на двигатели большей мощности (примерно до 50 кВт).

2. Пуск при пониженном напряжении . Пусковой ток двигателя пропорционален напряжению на фазах обмотки статора U 1 , поэтому уменьшение напряжения U 1 сопровождается соответствующим уменьшением пускового тока. Однако такой способ приводит к уменьшению начального пускового момента, который пропорционален квадрату напряжения на фазах обмотки статора. Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска применим только при малых нагрузках на валу.

Имеется несколько способов понижения напряжения U 1 в момент пуска:

а) при легком пуске асинхронных двигателей средней мощности, которые нормально работают при соединении фаз обмотки статора треугольником, применяют снижение напряжения на зажимах этих фаз переключением их в звезду;

б) при любом типе соединения фаз обмотки статора понизить напряжение можно с помощью реактора (трехфазной индуктивной катушки), включенного последовательно в обмотку статора. Менее экономично снижать напряжение на статоре последовательным включением реостатов, так как они при этом сильно нагреваются и возникают дополнительные потери электрической энергии;

в) для двигателей большой мощности снижать напряжение целесообразно при помощи понижающего трехфазного автотрансформатора. Этот способ лучше предыдущего, но значительно дороже. После того, как ротор двигателя разгонится, и ток спадает, на обмотку статора подается полное напряжение сети.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора. Пусковой реостат снижает величину начального пускового тока и одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть величины, близкой к максимальному моменту. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводят.

Регулирование- принудительное изменение частоты вращения при постоянной нагрузке на валу. Недостатком асинхронных двигателей является плохая регулировочная способность. Но все же некоторые возможности регулирования имеются.

Из формулы скольжения (2) можно получить выражение частоты вращения ротора асинхронного двигателя

. (3)

Из равенства (3) следует, что изменять частоту вращения можно следующими способами: изменением частоты тока статора f 1 , числа пар полюсов р и скольжения s . Частоту вращения ротора можно регулировать и изменением напряжения питания U 1 . Рассмотрим эти способы.

Регулирование изменением частоты тока статора f 1 . Частотное регулирование асинхронных двигателей является наиболее перспективным в связи с наличием простых и надежных трехфазных тиристорных преобразователей частоты, которые включают между промышленной сетью и асинхронным двигателем. При регулировании частоты f 1 скорость двигателя можно плавно изменять так, что ее максимальное значение будет в десятки или сотни раз превышать минимальные. p>

Регулирование изменением числа пар полюсов р . Переключение числа пар полюсов асинхронных двигателей обеспечивает ступенчатое регулирование частоты вращения ротора и отличается экономичностью. Оно применяется в машинах со специальным исполнением обмотки статора, допускающим переключение ее катушек на различное число пар полюсов, а также, когда в пазах магнитопровода статора размещено несколько поочередно включаемых обмоток, выполненных на разное число пар полюсов, например, р = 1 и р = 2. Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными, промышленностью выпускаются двигатели на две, три и четыре скорости.

Регулирование изменением подводимого напряжения U 1 . Понижение напряжения вызывает снижение скорости ротора. Уменьшать напряжение U 1 можно включением в цепь статора реостатов, автотрансформаторов или регулируемых дросселей. Данный метод применяется только у двигателей малой мощности, так как при уменьшении напряжения уменьшается максимальный момент двигателя, который пропорционален квадрату напряжения. Снижение максимального момента уменьшает запас по устойчивости работы двигателя. Кроме того, диапазон регулирования частоты вращения сравнительно небольшой.

Перечисленные выше способы регулирования применяются для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

У двигателей с фазным ротором частота вращения регулируется изменением скольжения. Для этого в обмотку ротора включают регулировочный реостат. При увеличении сопротивления регулировочного реостата скольжение увеличивается, а частота вращения уменьшается (рис. 2).

Этот способ обеспечивает плавное изменение частоты вращения.

Изменение направления вращения ротора называется реверсированием. Для реверса необходимо поменять местами два провода на зажимах статорной обмотки двигателя.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу n = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 - n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы , реакторы , конденсаторы . При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Основные точки механической характеристики: критическое сколь-жение и частота, максимальный момент, пусковой момент, номинальный момент.

Механическая характеристика - это зависимость вращающего момента от скольжения, или, иначе говоря, от числа оборотов:

Из выражения видно, что эта зависимость очень сложна, поскольку, как показывают формулы)
и , скольжение входит также в выражения для I 2 и cos ? 2 . Механическая характеристика асинхронного двигателя дается обычно графически

Начальная точка характеристики соответствует n = 0 и s = 1: это первое мгновение пуска двигателя. Величина пускового вращающего момента M n - очень важная характеристика эксплуатационных свойств двигателя. Если M n мал, меньше номинального рабочего момента, двигатель может запускаться только вхолостую или при соответственно сниженной механической нагрузке.

Обозначим символом M np противодействующий (тормозной) момент, создаваемый механической нагрузкой на валу, при которой двигатель пускается. Очевидным условием для возможности запуска двигателя является: M n > M np . Если это условие выполнено, ротор двигателя придет в движение, число оборотов его n будет возрастать, а скольжение s уменьшаться. Как видно из изображения выше, вращающий момент двигателя при этом растет от M n до максимального M m , соответствующего критическому скольжению s kp , следовательно, растет и избыточная располагаемая мощность двигателя, определяемая разностью моментов M и M np .

Чем больше разность между располагаемым моментом двигателя (возможным при данном скольжении по рабочей характеристике) М и противодействующим М np , тем легче режим запуска и тем быстрее двигатель достигает установившейся скорости вращения.

Как показывает механическая характеристика, при некотором числе оборотов (при s = s kp ) располагаемый вращающий момент двигателя достигает максимально возможного для данного двигателя (при данном напряжении U ) значения M т . Далее двигатель продолжает увеличивать скорость вращения, но располагаемый вращающий момент его быстро уменьшается. При каких-то значениях n и s вращающий момент двигателя становится равным противодействующему: пуск двигателя заканчивается, число оборотов его устанавливается на значении, соответствующем соотношению:

Это соотношение является обязательным для всех нагрузочных режимов двигателя, то есть для всех значений M np , не выходящих за пределы максимального располагаемого вращающего момента двигателя М т . В этих пределах двигатель сам автоматически приспосабливается ко всем колебаниям нагрузки: если во время работы двигателя его механическая нагрузка увеличивается, на какое-то мгновение M np станет больше момента, развиваемого двигателем. Обороты двигателя начнут снижаться, а момент увеличиваться.

Скорость вращения установится на новом уровне, отвечающем равенству M и M np . При снижении нагрузки процесс перехода к новому нагрузочному режиму будет обратным.

Если нагрузочный момент M np превысит М т , двигатель сразу остановится, так как с дальнейшим уменьшением оборотов вращающий момент двигателя уменьшается.

Поэтому максимальный момент двигателя М т называется еще опрокидывающим или критическим моментом.

Если в формулу момента подставить:

то получим:

Взяв первую производную от М по и приравняв ее к нулю, найдем, что максимальное значение вращающего момента наступает при условии:

то есть при таком скольжении s = s kp , при котором активное сопротивление ротора равно индуктивному сопротивлению

Значения s kp у большинства асинхронных двигателей лежат в пределах 10 - 25%.

Если в написанную выше формулу момента вместо активного сопротивления r 2 подставить индуктивное по формуле

Максимальный вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату магнитного потока (а значит, и квадрату напряжения) и обратно пропорционален индуктивности рассеяния обмотки ротора.

При постоянстве напряжения, подводимого к двигателю, его поток Ф остается практически неизменным.

Индуктивность рассеяния роторной цепи тоже практически постоянна. Поэтому при изменении активного сопротивления в цепи ротора максимальное значение вращающего момента M т изменяться не будет, но будет наступать при разных скольжениях (с увеличением активного сопротивления ротора - при больших значениях скольжения).

Очевидно, что максимум возможной нагрузки двигателя определяется значением его M т . Рабочая часть характеристики двигателя лежит в узком диапазоне чисел оборотов от n , соответствующего M т , до. При n = n 1 (конечная точка характеристики) М = 0, так как при синхронной скорости ротора s = 0 и I 2 = 0.

Номинальный вращающий момент, определяющий значение паспортной мощности двигателя, принимается обычно равным 0,4 - 0,6 от M т . Таким образом, асинхронные двигатели допускают кратковременные перегрузки в 2 - 2,5 раза.

Основным параметром, характеризующим режим работы асинхронного двигателя, является скольжение s - относительная разность частоты вращения ротора двигателя n и его поля n о: s = (n o - n) / n o .

Область механической характеристики, соответствующая 0 ≤ s ≤ 1 - область двигательных режимов, причем при s < s кр работа двигателя устойчива, при s > s кр - неустойчива. При s < 0 и s > 1 момент двигателя направлен против направления вращения его ротора (соответственно рекуперативное торможение и торможение противовключением).

Устойчивый участок механической характеристики двигателя часто описывается формулой Клосса , подстановкой в которую параметров номинального режима можно определить критическое скольжение s кр:

,

где: λ = M kp / M н - перегрузочная способность двигателя.

Механическая характеристика по данным справочника или каталога приближенно может быть построена по четырем точкам (рис. 7.1):

Точка 1 - идеальный холостой ход, n = n o = 60 f / p, М = 0, где: р - число пар полюсов магнитного поля двигателя;

Точка 2 - номинальный, режим: n = n н, М = М н = 9550 P н / n н, где P н - номинальная мощность двигателя в кВт;

Точка 3 - критический режим: n = n кр, М = М кр =λ М н;

Точка 4 - режим пуска: n = 0, М = М пуск = β М н.

При анализе работы двигателя в диапазоне нагрузок до М н и несколько больше устойчивый участок механической характеристики можно приближенно описать уравнением прямой линии n = n 0 - вМ, где коэффициент “в” легко определяется подстановкой в уравнение параметров номинального режима n н и М н.

Конструкция обмоток статора. Однослойные и двухслойные петле-вые обмотки.

По конструкции катушек обмотки подразделяют на всыпные с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками или полукатушками. Мягкие катушки изготовляют из круглого изолированного провода. Для придания требуемой формы их предварительно наматывают на шаблоны, а затем укладывают в изолированные трапецеидальные пазы (см. рис. 3.4, в , г и 3.5, в ); междуфазовые изоляционные прокладки устанавливают в процессе укладки обмотки. Затем катушки укрепляют в пазах с помощью клиньев или крышек, придают им окончательную форму (формируют лобовые части), осуществляют бандажирование обмотки и ее пропитку. Весь процесс изготовления всыпных обмоток можно полностью механизировать.

Жесткие катушки (полукатушки) изготовляют из прямоугольного изолированного провода. Окончательную форму им придают до укладки в пазы; одновременно на них накладывают корпусную и междуфазовую изоляцию. Затем катушки укладывают в предварительно изолированные открытые или полуоткрытые пазы , укрепляют и подвергают пропитке.

1. Однослойные обмотки - наиболее пригодны для механизированной укладки, так как в этом случае обмотка должна быть концентрической и укладываться в пазы статора обеими сторонами катушки одновременно. Однако применение их приводит к увеличенному расходу обмоточного провода из-за значительной длины лобовых частей. Кроме того, в таких обмотках не представляется возможным выполнить укорочение шага, что приводит к ухудшению формы магнит-ного поля в воздушном зазоре, увеличению добавочных потерь, возникновению провалов в механической характеристике и повышению шума. Однако из-за своей простоты и дешевизны такие обмотки широко применяют в асинхронных двигателях небольшой мощности до 10-15 кВт.

2. Двухслойные обмотки - позволяют выполнить укорочение шага обмотки на любое количество зубцовых делений, благодаря чему улучшается форма магнитного поля, создаваемого обмоткой, и подавляются высшие гармонические в кривой ЭДС. Кроме того, при двухслойных обмотках получается более простая форма лобовых соединений, что упрощает изготовление обмоток. Такие обмотки применяют для двигателей мощностью свыше 100 кВт с жесткими катушками, которые укладывают вручную.

Обмотки статора. Однослойные и двухслойные волновые обмотки

В пазах сердечника статора раз-мещается многофазная обмотка, которая подсоединяется к сети переменного тока. Многофазные симметричные обмотки с числом фаз т включают в себя т фазных обмоток, которые соединяются в звезду или многоугольник. Так, например, в случае трехфазной обмотки статора число фаз т = 3 и обмотки могут соединяться в звезду или треугольник. Между собой обмотки фаз смещены на угол 360/т град; для трехфазной обмотки этот угол равен 120°.

Обмотки фаз выполняются из отдельных катушек, соединенных последовательно, параллельно либо последовательно-параллельно. В данном случае под катушкой подразумеваются несколько последовательно соединенных витков обмотки статора, размещенных в одних и тех же пазах и имеющих общую изоляцию относительно стенок паза. В свою очередь витком считаются два активных (т. е. расположенных в самом сердечнике статора) проводника, уложенных в двух пазах под соседними разноименными полюсами и соединенных друг с другом последовательно. Проводники, расположенные вне сердечника статора и соединяющие активные проводники между собой, называются лобовыми частями обмотки. Прямолинейные части катушек обмоток, уложенные в пазы, называются сторонами катушек или пазовыми частями.

Пазы статора, в которые укладываются обмотки, образуют на внутренней стороне статора так называемые зубцы. Расстояние между центрами двух соседних зубцов сердечника статора, измеренное по его поверхности, обращенной к воздушному зазору, называется зубцовым делением или пазовым делением.

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рисунок 3) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при S ст ≤ 335 кВ×А, I ст ≤ 45 А и U л.н ≤ 35 кВ.

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки (рисунок 4) наматываются из одного или нескольких (до четырех) параллельных прямоугольных проводников и применяются при S ст ≤ 200 кВ×А,I ст ≤ 800 А и U л.н ≤ 6 кВ.