Характеристики асинхронного двигателя

Существуют два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателей:

1) Метод непосредственной нагрузки – заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от х. х. до режима номинальной нагрузки с измерением необходимых параметров. Этот метод применяют для двигателей мощностью не более (10÷15) кВт.

2) Косвенный метод – заключается в выполнении опыта х. х. и опыта к. з. Его применение не ограничивается мощностью двигателя. Опыты х. х. и к. з. асинхронных двигателей аналогичны таким же опытам трансформаторов, но имеют и некоторые особенности, обусловленные наличием у двигателей вращающегося ротора.

а) Опыт х. х. осуществляется при питании двигателя от регулятора напряжения, изменяя его в широких пределах; при этом вал двигателя свободен от механической нагрузки (рис.49). Опыт начинают с повышенного напряжения питания U1 = 1,15 U1 ном, затем постепенно понижая его до 0,4 U1 ном, снимают показания вольтметра (U0), амперметра (I0), ваттметра (P0) в 5÷7 точках. Затем вычисляют сумму магнитных и механических потерь P´0:

P´0 = P0-(m1×I0×r1),

где m1 – число фаз обмотки статора, r1 – активное сопротивление одной фазы обмотки статора.

Коэффициент мощности для режима х. х. cos φ0:

cos φ0 = P0/(m1×U1×I0).

По результатам измерений и вычислений строят характеристики х. х.: I0 = f (U1), P0 = f (U1), P´0 = f (U1), cos φ0 = f (U1) (рис. 50).

Рис. 49. Схема включения трёхфазного асинхронного двигателя при опытах холостого хода и короткого замыкания.

Рис. 50. Характеристики холостого хода трёхфазного асинхронного двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин).

б) Опыт к. з. осуществляется при жёстко закреплённом роторе двигателя, предварительно установленном в положение, соответствующее среднему току к. з. Iк. Предельное значение тока статора при опыте к. з. для двигателей мощностью до 1 кВт – Iк = (5÷7) I1 ном, для двигателей большей мощности - Iк = (2,5÷5) I1 ном. Затем, при предельном Iк, определяют соответствующее напряжение Uк и снимают его до значения, при котором Iк достигнет низшего значения, снимая при этом показания вольтметра (U0), амперметра (I0), ваттметра (P0) в 5÷7 точках.

Коэффициент мощности для режима к.з. cos φк:

cos φк = Pк/(m1×Uк×Iк).

По результатам измерений и вычислений строят характеристики к. з.: Iк = f (Uк), Pк = f (Uк), cos φк = f (Uк) (рис. 51).

Рис. 51. Характеристики короткого замыкания трёхфазного асинхронного двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин).

Кроме характеристик х. х. и к. з., работа асинхронного двигателя характеризуется рабочими характеристиками; представляющими собой зависимости частоты вращения n2, момента на валу M2, тока статора I1, КПД η и коэффициента мощности cos φ1 от полезной мощности P2, т. е. n2 = f (P2)), M2 = f (P2), I1 = f (P2), η = f (P2) и cos φ1 = f (P2) при U1 = const и f1 = const (рис. 52).

Зависимость n2 = f (P2) является скоростной характеристикой, показывающей, что с увеличением мощности на валу двигателя P2 частота вращения n2 уменьшается.

Зависимость M2 = f (P2) показывает, что при n2 = const её график представляет прямую линию, но с увеличением нагрузки n2 уменьшается и график M2 = f (P2) имеет криволинейный вид.

Зависимость cos φ1 = f (P2) показывает, что при увеличении нагрузки cos φ1 возрастает, достигая максимума (0,8÷0,9) при нагрузке близкой к номинальной.

Вид графика η = f (P2) имеет характер, общий для всех электрических машин.

Рис. 52. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

3.4.5. Пуск и регулирование частоты вращения трёхфазных асинхронных двигателей

Пусковые свойства двигателя определяются в первую очередь значением пускового тока Iп или его кратностью Iп/I1 ном. Двигатель, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. Однако добиться этого в асинхронных двигателях сложно, а иногда и невозможно.

Пуск двигателей с фазным ротором (с контактными кольцами) можно осуществлять включением в цепь ротора пускового реостата (ПР) (рис. 53). При пуске сопротивление ПР уменьшают таким образом, чтобы ток ротора оставался приблизительно неизменным (I1 ном). ПР состоят из кожуха, рычага с переключающим устройством и сопротивлений из металлической проволоки или ленты. В асинхронных двигателях с фазным ротором обеспечивается наиболее благоприятное соотношение между пусковым моментом и пусковым током: большой пусковой момент при небольшом пусковом токе. Недостатком пусковых свойств двигателей с фазным ротором являются сложность, продолжительность и неэкономичность пусковой операции.

Рис. 53. Схема включения пускового реостата (ПР) при пуске асинхронного двигателя с фазным ротором.

Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором осуществляются двумя способами (рис.):

1) Непосредственное включение в сеть – при этом пусковой ток Iп = (5÷7) I1 ном, но он быстро спадает и поэтому, а также благодаря простоте, этот способ получил наибольшее распространение для двигателей мощностью до 50 кВт.

2) Понижение питающего напряжения – при этом понижается пусковой ток пропорционально понижению напряжения. Существует несколько способов понижения питающего напряжения:

а) переключение обмоток со «звезды» на «треугольник» - применяют для двигателей, работающих при соединении обмоток статора «треугольником».В момент подачи на двигатель напряжения переключатель ставят в положение «звезда», при этом фазное напряжение на статоре уменьшается в раз по сравнению с соединением «треугольником». Во столько же уменьшится и фазный ток, а линейный ток уменьшится в три раза. После разгона двигателя до частоты вращения, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение «треугольник». Этот способ пуска приводит к уменьшению пускового момента в три раза, что не позволяет применять его для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.

б) пуск посредством реакторов (реактивных сопротивлений - дросселей) – при этом в момент пуска обмотку двигателя включают через реакторы (рис. 54, а.). В результате на обмотку подаётся пониженное напряжение, что приводит к понижению пускового тока. После разгона двигателя реакторы отключают и на двигатель подают номинальное напряжение. Недостаток: уменьшение пускового момента.

Рис. 54. Схемы реакторного (а) и автотрансформаторного (б) способов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

в) автотрансформаторный пуск – осуществляется через понижающие автотрансформаторы (рис. 54,б.). При этом пусковой ток двигателя уменьшается в КА раз, где КА – коэффициент трансформации автотрансформатора. Автотрансформаторный пуск проходит тремя ступенями: на первой к двигателю подводится пониженное напряжение от вторичной обмотки автотрансформатора, на второй вторичные обмотки автотрансформаторов отключают и первичные работают как реакторы, на третьей к двигателю подводится номинальное напряжение. Недостатки: уменьшение пускового момента и сложность пусковой аппаратуры.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя осуществляется изменением одной из трёх величин: скольжения (s),частоты тока в обмотке статора (f) или числа пар полюсов (p), что следует из формулы

n2 = n1×(1-s) = (f×60/p)×(1-s).

1) Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением скольжения происходит только в нагруженном двигателе и возможно тремя способами: изменением подводимого к обмотке статора напряжения (осуществляется либо регулировочным трансформатором, либо реакторами, включенными в разрыв линейных проводов), нарушением симметрии этого напряжения (осуществляется включением в цепь одной из фаз однофазного регулировочного автотрансформатора) и изменением активного сопротивления обмотки ротора (осуществляется включением в цепь обмотки ротора регулировочного реостата РР – возможно только в двигателе с фазным ротором).

2) Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты тока в обмотке статора (частотное регулирование) основано на зависимости синхронной частоты вращения n1 от частоты тока f1. Для осуществления этого способа регулирования необходим источник питания двигателя переменным током с регулируемой частотой.

3) Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением числа полюсов даёт ступенчатую регулировку. Так при f =50 Гц и p = (1÷5) можно получить следующие частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин. Изменяют число полюсов в обмотке либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой одной обмотки, конструкция которой позволяет путём переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Этот способ получил наибольшее распространение.