Асинхронной машины

1. Устройство асинхронной машины.

Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. По конструкции двигатели подразделяют на два основных типа: с фазным ротором (их иногда называют двигателями с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь формой выполнения ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 5.1, а). На статоре расположена трехфазная обмотка (одно- или двухслойная), которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде "беличьей клетки". Такая обмотка является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет (рис. 5.2, а). Беличья клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замк­нутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 5.2, а). Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. Пазы короткозамкнутого ротора обыч­но выполняют полузакрытыми, а для машин малой мощности – закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки. В двигателях боль­шой мощности беличью клетку выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рис. 5.2, б). В двигателях малой и средней мощности бе­личью клетку получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сер­дечника ротора (рис. 5.2, в). Вместе со стержнями беличьей клетки отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машин. Особенно пригоден для этой цели алюминий, так как он обладает малым удельным весом, легко­плавкостью и достаточно высокой электропроводностью.

Рис. 5.1. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (а) и схема его включения (б): 1 – обмотка статора, 2 – станина, 3 – сердечник статора,

4 – сердечник ротора, 5 – обмотка ротора (беличья клетка),

6 – подшипниковый щит.

Рис. 5.2. Конструкция короткозамкнутого ротора: 1 – сердечник ротора;

2 – стержни; 3 – короткозамыкающие кольца; 4 – лопасти вентилятора.

В электрическом отношении беличья клетка представляет собой многофазную об­мотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко.

Число фаз обмотки равно числу пазов ротора , причем в каждую фазу вхо­дят один стержень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

Двигатели с фазным ротором (рис. 5.3, а) обмотка статора выполнена таким же образом, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Об­мотку ротора обычно соединяют звездой, три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис. 5.3, б), вращающимися вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щеток, скользящих по контактным кольцам, в цепь обмотки ротора включают пусковой или пускорегулирующий реостат, т. е. в каждую фазу ро­тора вводят добавочное активное сопротивление.

Рис. 5.3. Асинхронный двигатель с фазным ротором (а), и схема его включения (б):

1 – обмотка статора, 2 – сердечник статора, 3 – станина, 4 – сердечник ротора,

5 – обмотка ротора, 6 – вал, 7 – кольца, 8 – пусковой реостат.

Для уменьшения износа колец и щеток двигатели с фазным ротором иногда снабжают приспособлениями для подъема щеток и замыкания колец накоротко после выключения реостата. Однако так как введение этих приспособлений усложняет электродвигатель и несколько снижает надежность его работы, то более часто применяют конструкции, в которых щетки постоянно соприкасаются с кон­тактными кольцами.

Области применения двигателей различных типов. По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуа­тации (у них отсутствуют кольца и щетки, требующие систематического наблюдения, пе­риодической замены и пр.). Основные недостатки этих двигателей – сравнительно неболь­шой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в тех элект­рических приводах, где не требуются больше пусковые моменты (электроприводы метал­лообрабатывающих станков, вентиляторов и пр.). Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели также выполняют с короткозамкнутым ротором.

В двигателях с фазным ротором, как будет показано далее, имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток. Следовательно, такие двигатели можно применять для приво­да и механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке (электроприводы грузо­подъемных машин, компрессоров и пр.).

2.Принцип действия асинхронного двигателя

Электромагнитная схема асинхронной машины (рис, 5.4, а) отличается от схемы трансформатора тем, что первичная обмотка размешена на неподвижном статоре, а вто­ричная - на вращающемся роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещены равномерно по окружности статора.

Рис. 5.4. Электромагнитная схема асинхронной машины

Фазы обмотки статора , и соединяют в звезду или треугольник и подключают к сети трехфазного тока (рис, 5.4, б). Обмотку ротора 4 в такой машине трех- или многофазной выполняют или размешают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее , и в простейшем случае замыкаются накоротко.

При питании трехфазным током обмотки статора создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная) . Если ротор неподвижен или вращается с частотой, меньшей , то вращающееся поле индук­тирует в проводниках ротора ЭДС и по ним проходит ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает электромагнитный момент. На рис 5.4. а показано направле­ние ЭДС, индуктированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока по часовой стрелке (согласно правилу правой руки). Активная составляющая тока ро­тора совпадает по фазе с индуктированной ЭДС; поэтому крестики и точки показы­вают одновременно и направление активной составлявшей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом правой руки. Суммарное усилие приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент , увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент доста­точно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, приложенному к ва­лу от приводимого во вращение механизма, и внутренних сил трения.

Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, при нем .

Относительную разность частот вращения маг­нитного поля и ротора называют скольжением:

. (5.1)

Скольжение часто выражают в процентах:

.

Очевидно, что при двигательном режиме:

.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и ак­тивной составляющей тока ротора, т.е. асинх­ронная машина перейдет в генераторный режим (рис. 5.5, а). При этом изменит свое направление и магнитный момент , который станет тормозящим. В данном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть. В генераторном режиме .

Если изменить направление вращения рото­ра (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противопо­ложных направлениях (рис. 5.5, б), то ЭДС и активная составляющая тока в провод­никах ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т.е. машина бу­дет получать из сети активную мощность. Однако в таком режиме электромагнитный момент направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим. Этот режим ра­боты асинхронной машины называют электромагнитным торможением. В режиме электро­магнитного торможения направление вращения ротора является отрицательным (по отно­шению к направлению магнитного поля, поэтому , а .

Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, т.е. неравенство частот вращения и . Только при этом условии в проводниках обмотки ротора индуктируется ЭДС и возникает электромагнитный мо­мент. По этой причине машину называют асинхронной (её ротор вращается не синхрон­но с полем).

а) б)

Рис. 5.5. Направление электромагнитного момента в асинхронной машине при работе её в режимах: генераторном (а), и электромагнитного торможения (б).

.

Параметры ротора зависящие от скольжения. Рассмотрим общий случай индуктирования ЭДС в об­мотке ротора, увлекаемого вращающимся магнитным потоком. Так как эта обмотка пере­секается магнитным потоком частотой , частота индуктируемой в ней ЭДС:

. S (5.12a)

При вращении ЭДС в обмотке ротора

. (5.13)

Учитывая, что эта ЭДС при заторможенном роторе

,

получаем

. (5.13a)

Если обмотка ротора замкнута, по ней будет проходить ток с частотой , кото­рый создает МДС .

. (5.14)

где: (5.15)

Направление вращения МДС ротора определяется порядком чередования максиму­мов тока в фазах, т.е. МДС ротора вращения в ту же сторону, что и магнитное по­ле статора.

Таким образом, в асинхронной машине магнитное поле, вращающееся с частотой , возникает в результате совместного действия МДС ротора и статора. Оно служит связующим звеном между статором и ротором, обеспечивая обмен энергией между ними.

3.Потери и КПД асинхронного двигателя.

Преобразование электрической энергии в меха­ническую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энер­гии, поэтому полезная мощность на выходе двигате­ля всегда меньше мощности на входе (потребляе­мой мощности) на величину потерь :

. (5.16)

Потери преобразуются в теплоту, что в ко­нечном итоге ведет к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические.

Магнитные потери в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вих­ревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания , где . Частота перемагничивания сердеч­ника статора равна частоте тока в сети , а частота перемагничивания сердечника ротора . При частоте тока в сети Гц и номинальном скольжении частота перемагничивания ротора Гц, поэтому магнитные потери в сердечнике ротора настолько малы, что их в практи­ческих расчетах не учитывают.

Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора прохо­дящими по ним токами. Величина этих потерь про­порциональна квадрату тока в обмотке (Вт):

электрические потери в обмотке статора

; (5.17)

электрические потери в обмотке ротора

. (5.18)

Здесь и – активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру :

, (5.19)

где: и – активные сопротивления обмоток при температу­ре 9 ; – температурный коэффициент, для меди и алю­миния .

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:

, (5.20)

где: – электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:

. (5.21)

Из (5.20) следует, что работа асинхронного двигателя эконо­мичнее при малых скольжениях, так как с ростом скольжения рас­тут электрические потери в роторе.

В асинхронных двигателях с фазным ротором помимо пере­численных электрических потерь имеют место еще и электричес­кие потери в щеточном контакте , где – переходное падение напряжения на пару щеток.

Механические потери – это потери на трение в подшип­никах и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора . В асинхронных двигателях с фазным ротором механические потери происходят еще и за счет трения между щетками и контактными кольцами ротора.

Добавочные потери включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник МДС, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных двига­телей принимают равными 0,5% от подводимой к двигателю мощ­ности :

. (5.22)

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

. (5.23)

где: – коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

. (5.24)

На рис. 5.8. представлена энергетическая диаграмма асин­хронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности затрачивается в статоре на магнитные и электрические потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность . передается на ротор где частично расходуется на электрические потери и преобра­зуется в полную механическую мощность . Часть мощности идет на покрытие механических и добавочных потерь , а оставшаяся часть этой мощности составляет полезную мощ­ность двигателя.

Рис. 5.8. Энергетическая диа­грамма асинхронного двигателя

У асинхронного двигателя КПД

. (5.25)

Электрические потери в об­мотках и являются пере­менными потерями, так как их величина зависит от нагрузки дви­гателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора. Переменными яв­ляются также и добавочные потери. Что же касается магнитных и механических , то они практически не зависят от нагруз­ки (исключение составляют двига­тели, у которых с изменением на­грузки в широком диапазоне меняется частота вращения).

Коэффициент полезного дей­ствия асинхронного двигателя с изменениями нагрузки также ме­няет свою величину: в режиме хо­лостого хода КПД равен нулю, а затем с ростом нагрузки он увели­чивается, достигая максимума при нагрузке . При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке он резко убывает, что объясняется ин­тенсивным ростом переменных потерь , величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности. График зависимости КПД от нагрузки Для асинхронных двигателей имеет вид, рис. 5.9.

КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт , для двигателей мощностью более 10 кВт .

Коэффициент полезного действия является одним из основ­ных параметров асинхронного двигателя, определяющим его энер­гетические свойства – экономичность в процессе эксплуатации. Кроме того, КПД двигателя, а точнее величина потерь в нем, рег­ламентирует температуру нагрева его основных частей и в первую очередь его обмотки статора. По этой причине двигатели с низким КПД (при одинаковых условиях охлаждения) работают при более высокой температуре нагрева обмотки статора, что ведет к сниже­нию их надежности и долговечности.

4.Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости часто­ты вращения , КПД , полезного момента (момента на валу) , коэффициента мощности и тока статора от полезной мощности при и .

Скоростная характеристика . Частота вращения ро­тора асинхронного двигателя

Рис. 5.9. Рабочие характеристики асинхрон­ного двигателя

Скольжение , а следователь­но, и его частота вра­щения определяются отношением электри­ческих потерь в рото­ре к электромагнитной мощности . Пре­небрегая электричес­кими потерями в рото­ре в режиме холостого хода, можно принять , а поэтому и . По мере увеличения нагрузки на валу двигателя отношение растет, достигая значений 0,01-0,08 при но­минальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изме­нения частоты вращения при колебаниях нагрузки возраста­ют. Объясняется это тем, что с увеличением возрастают элек­трические потери в роторе.

Зависимость . Зависимость полезного момента на валу двигателя от полезной мощности Р2 определяется выражением

, (5.26)

где: – полезная мощность, Вт; – угловая частота враще­ния ротора.

Рис. 5.10. Векторная диаграмма асинхронно­го двигателя при большой нагрузке

Из этого выражения следует, что если , то график представля­ет собой прямую линию. Но в асинхрон­ном двигателе с увеличением нагрузки частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу с увеличением нагрузки возрастает не­сколько быстрее нагрузки, а следователь­но, график имеет криволиней­ный вид.

Зависимость . В связи с тем что ток статора имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для созда­ния магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму х.х. Объясняется это тем, что ток х.х. при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых на­грузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реак­тивным . В результате сдвиг по фазе тока статора относительно на­пряжения получается значительным , лишь немногим меньше 90° (рис. 63). Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме х.х. обычно не превышает 0,2.

Рис. 5.11. Зависимость , от нагрузки при соединении обмотки статора

звездой (1) и треугольником (2)

При увели­чении нагрузки на валу двигателя рас­тет активная составляющая тока и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80—0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее уве­личение нагрузки сопровождается уменьшением , что объясня­ется возрастанием индуктивного сопротивления ротора за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе. В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номиналь­ной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения целесообразно подводимое к двигателю напряжение уменьшить. Например, в двигателях, ра­ботающих при соединении обмотки статора треугольником, это мож­но сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный по­ток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерное раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффи­циента мощности двигателя. На рис. 5.11. представлены графики зави­симости асинхронного двигателя от нагрузки при соединении обмоток статора звездой (кривая 1) и треугольником (кривая 2).

5.Электромагнитный момент и механическая характеристика асинхронного двигателя

Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнит­ным полем. Электромагнитный момент М пропорционален элек­тромагнитной мощности:

, (6.1)

где:

. (6.2)

– угловая синхронная скорость вращения.

Подставив в (6.1) значение электромагнитной мощности по (5.20 и5.18), получим

, (6.3)

т. е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропор­ционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.

Если значение тока ротора для Г-образной схемы замещения подставить в (6.3), то получим формулу электромагнитного момента асин­хронной машины :

. (6.4)

Параметры схемы замещения асинхронной машины , , и , входящие в выражение (6.4), являются постоянными, так как их значения при изменениях нагрузки машины остается практически неизменными. Также постоянными можно считать напряжение на обмотке фазы статора и частоту . В выражении момента единственная переменная величина – скольжение , которое для различных режимов работы асинхронной машины может принимать разные значения в диапазоне от до .

Рассмотрим зависимость момента от скольжения при , и постоянных параметрах схемы замещения. Эту зависимость принято называть механической характеристи­кой асинхронной машины. Анализ выражения (6.4), представ­ляющего собой аналитическое выражение механической характе­ристики , показывает, что при значениях скольжения и электромагнитный момент . Из этого следует, что механическая характеристика имеет максимум.

Для определения величины критического скольжения , со­ответствующего максимальному моменту, необходимо взять пер­вую производную от (6.4) и приравнять ее нулю: . В результате

. (6.5)

Подставив значение критического скольжения (по 6.5) в выражение электромагнитного момента, после ряда преоб­разований получим выражение максимального момента :

. (6.6)

В (6.5) и (6.6) знак плюс соответствует двигательному, а знак минус – генераторному режиму работы асинхронной машины.

Для асинхронных машин общего назначения активное сопро­тивление обмотки статора намного меньше суммы индуктивных сопротивлений: . Поэтому, пренебрегая величиной , получим упрощенные выражения критического скольжения

, (6.7)

и максимального момента

. (6.8)

Рис. 6.1. Зависимость режимов работы асинхронной машины от скольжения

Анализ выражения (6.6) показывает, что максимальный мо­мент асинхронной машины в генераторном режиме больше, чем в двигательном . На рис. 6.1 показана механическая асинхронной машины при . На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим , когда электро­магнитный момент является вращающим; генераторный режим и тормозной режим противовключением , когда электромагнитный момент М является тормозящим.

Из (6.4) следует, что электромагнитный момент асинхрон­ного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети: .

Это в значительной степени отражается на эксплуатаци­онных свойствах двигателя: даже небольшое снижение напряже­ния сети вызывает заметное уменьшение вращающего момента асинхронного двигателя. Например, при уменьшении напряжения сети на 10% относительно номинального электро­магнитный момент двигателя уменьшается на 19%: , где – момент при номинальном напря­жении сети, а – момент при пониженном напряжении.

Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее восполь­зоваться механической характеристикой , представленной на рис. 6.2. При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с син­хронной частотой , в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным и скольжение .

. (6.9)

Рис. 6.2. Зависимость электромагнитного момента асинхронного двигателя от скольжения

Под действием этого момента начи­нается вращение ро­тора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вра­щающий момент воз­растает в соответст­вии с характеристи­кой . При критическом сколь­жении момент достигает максималь­ного значения . С дальнейшим нараста­нием частоты вращения (уменьшением скольжения) момент на­чинает убывать, пока не достигнет установившегося значения, равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента х.х. и полезного нагрузочного мо­мента (момента на валу двигателя) , т. е.

. (6.10)

Статический момент равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора . Допус­тим, что противодействующий момент на валу двигателя соот­ветствует номинальной нагрузке двигателя. В этом случае устано­вившийся режим работы двигателя определится точкой на механической характеристике с координатами и ,

где: и – номинальные значения электромагнитного мо­мента и скольжения.

Из анализа механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического , т. е. на участке механической характеристики. Делов том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента. Так, если двигатель работал в номинальном режиме , то име­ло место равенство моментов: . Если произошло увеличение нагрузочного момента до значения , то равен­ство моментов нарушится, т. е. , и частота враще­ния ротора начнет убывать (скольжение будет увеличиваться). Это приведет к росту электромагнитного момента до значения (точка ), после чего режим работы двигателя вновь станет установившимся. Если же при работе двигателя в номинальном режиме произойдет уменьшение нагрузочного мо­мента до значения , то равенство моментов вновь нарушится, но теперь вращающий момент окажется больше суммы противо­действующих: . Частота вращения ротора начнет возрастать (скольжение будет уменьшаться), и это приведет к уменьшению электромагнитного момента до значения (точка ); устойчивый режим работы будет вновь восстановлен, но уже при других значениях и .

Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при скольжениях . Так, если электромагнитный момент двигате­ля , а скольжение , то даже незначительное увели­чение нагрузочного момента , вызвав увеличение скольжения , приведет к уменьшению электромагнитного момента . За этим последует дальнейшее увеличение скольжения и т. д., пока сколь­жение не достигнет значения , т. е. пока ротор двигателя не остановится.

Таким образом, при достижении электромагнитным момен­том максимального значения наступает предел устойчивой ра­боты асинхронного двигателя. Следовательно, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы сумма нагрузочных момен­тов, действующих на ротор, была меньше максимального момен­та: . Но чтобы работа асинхронного дви­гателя была надежной и чтобы случайные кратковременные перегрузки не вызывали остановок двигателя, необходимо, чтобы он обладал перегрузочной способностью. Перегрузоч­ная способность двигателя определяется отношением макси­мального момента к номинальному . Для асинхронных двигателей общего назначения перегрузочная способность состав­ляет .

Следует также обратить внимание на то, что работа двигателя при скольжении , т. е. на рабочем участке механической ха­рактеристики, является наиболее экономичной, так как она соот­ветствует малым значениям скольжения, а следовательно, и мень­шим значениям электрических потерь в обмотке ротора .

Применение формулы (6.4) для расчета механических ха­рактеристик асинхронных двигателей не всегда возможно, так как параметры схемы замещения двигателей обычно не приводятся в каталогах и справочниках, поэтому для практических расчетов обычно пользуются упрощенной формулой момента. В основу этой формулы положено допущение, что активное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя , при этом

. (6.11)

Критическое скольжение определяют по формуле

. (6.12)

Расчет механической характеристики намного упрощается, если его вести в относительных единицах . В этом случае уравнение механической характеристики имеет вид

. (6.13)

Рис. 6.3, Механическая ха­рактеристика асинхронного двигателя типа 4А160М4УЗ

Применение упрощенной формулы (6.13) наиболее целесо­образно при расчете рабочего участка механической характери­стики при скольжениях , так как в этом случае величина ошибки не превышает значений, допустимых для технических расчетов. При скольжениях ошибка может достигать 15-17%.

6.Способы пуска и регулирование скорости АД.

6.1.Пуск асинхронных двигателей.

При пуске двигателя в ход по возможности должны удовлетворяться следующие ос­новные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств; пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые то­ки – по возможности малыми, иногда к этим требованиям добавляются и другие, обус­ловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: не­обходимость плавного пуска, максимального пускового момента и пр.

Практически используют следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск. Применяют для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, что­бы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые то­ки не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опас­ных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины.

Двигатели обычно пускаются с помощью электромагнитного выключателя (магнит­ного пускателя) по схеме, изображенной на рис. 70 а, и разгоняются по естественной механической характеристике (рис. 70, б) от точки соответствующей начальному моменту пуска, до точки , соответствующей условию – Ускорение при разгоне при любой частоте определяется разностью абсцисс кривых и . Если в начальный , то двигатель разогнаться не сможет.

Величину начального пускового момента можно получить из формулы (45), положив в ней :

. (55)

Отношение моментов

, (56)

называют кратностью начального пускового момента. Для двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью 0,6-100 кВт ГОСТом установлено ; мощностью 100-1000 кВт – .

а) б)

Рис. 70. Схема включения асинхронного двигателя при прямом пуске и графики изменения момента двигателя, статического момента и тока

Кроме сравнительно небольшого пускового момента недостатком данного способа пуска является также большой бросок пускового тока, в пять-семь раз превышающий номинальное значение тока.

Несмотря на указанные недостатки, пуск двигателя путем непосредственного под­ключения обмотки статора к сети весьма широко применяется благодаря простоте опера­ций пуска и хорошим технико-экономическим свойствам двигателя с короткозамкнутым ротором: низкой стоимости и высоким энергетическим показателям (КПД, и др.).

Пуск при пониженном напряжении. Такой пуск применяется для асинхронных двига­телей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения может осуществляться следующими способами:

1. Переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда». Это можно осуществить с помощью трехполюсного переключателя (рис. 71, а) или контактора. При включении обмотки статора по схеме «звезда» напряжение, подаваемое на фазы этой обмотки, уменьшается в раз, что обуславливает уменьшение фазных токов в раз и линейных токов в три раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на схему «треугольник»;

2. Включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов) сопротивлений (рис. 71, б). При этом на ука­занных сопротивлениях создаются некоторые падения напряжения пропорциональ­ные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение. По мере разгона двигателя снижается ЭДС, , индуктированная в обмот­ке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения на указанных сопротивлениях и возрастает приложенное к двигателю напряжение. Таким образом, при рассматриваем способе пуска напряжение, приложенное к двигателю, автоматически растет по мере разгона ротора. После окончания разгона добавочные резисторы или реакторы замыкаются накоротко контактором ;

Рис. 71. Схемы включения асинхронного двигателя при пуске с понижением напряжения

3. Подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор (рис. 71, в). Последний может иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой.

Недостатком указанных способов является значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому их можно использовать только при пуске двигателей без нагрузки.

Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Рассматриваемый способ применяют для пуска двигателей с фазным ротором. Пусковой реостат обычно имеет три-шесть ступеней (рис. 72, а), что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пус­ковое сопротивление, подчеркивая высокое значение пускового момента в период разгона двигателя.

Вначале двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 72, б), соответствующей сопротивлению пускового реостата и развивает вращающий момент . По мере увеличения частоты вращения вращающий момент ум­еньшается и может стать меньше некоторого момента .

Рис. 72. Схема включения асинхронного двигателя при реостатном пуске (а), его пусковая диаграмма (б), графики изменения частоты вращения и тока при пуске (в)

Поэтому при часть сопротивления пускового реостата выводят, замыкая контактор . Вращающий момент при этом мгновенно возрастает до а затем с увеличением частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата . При дальнейшем уменьшении момента до часть сопротивления реостата снова выключается контактором , и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению . Таким образом, при постепенном (ступен­чатом) уменьшении сопротивления пускового реостата вращающий момент двигателя изме­няется от до частота вращения возрастает до ломанной кривой, показанной на рис. 72 б жирной кривой. В конце пуска пусковой реостат полностью выводится кон­тактором , обмотка ротора замыкается накоротко, двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1, при этом разгон осуществляется до точки Р. Выключение отдельных ступеней пускового реостата в процессе разгона двигателя может осуществлять­ся вручную или автоматически. Таким образом, включение реостата в цепь ротора мож­но осуществить пуск двигателя при и резко уменьшить пусковой ток.

На рис. 72 в показан характер изменения тока и частоты вращения , при пуске двигателя указанным способом. Ток также изменяется по ломанной кривой между двумя крайними значениями и .

Недостатком рассмотренного способа является относительная сложность пуска и необходимость применения более сложных и дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, эти двигатели имеют несколько худшие показатели рабочих характеристик, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности (кривые , проходят ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых усло­виях пуска (когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент), при малой мощности электрической сети или необходимости плавного регулирования частоты вращения.

6.2.Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения асинхронного двигателя определяется фор­мулой

, (57)

. (57а)

из которой следует три принципиально возможных метода регулирования скорости асинхронных двигателей: изменением частоты питающего напряжения, числа пар полюсов и величи­ны скольжения .

Частотное регулирование. Этот способ регулирования скорости позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигателя с короткозамкнутым ротором. Од­нако для изменения частоты питающего напряжения требуется наличие источника элект­рического тока переменной частоты. В качестве последнего можно использовать: синхронный генератор с переменной частотой вращения; преобразователи частоты: электромашин­ные или статические, выполненные на полупроводниковых тиристорах или силовых транзисторах.

При частотном регулировании скорости можно регулировать вниз от (номинальной скорости) и вверх от номинальной. При регулировании скорости вниз от номинальной с изменением частоты изменяют подводимое напряжение ; при этом магнитный поток остаётся неизменным. Графики механических характеристик представлены на рис, 73.