Режимы работы асинхронных двигателей

Лекция №19 Скольжение. Пуск асинхронных двигателей

Скольжение

Отличительным признаком асинхронного двигателя является всегда существующая положительная разность, n₁ – n₂> 0. Ротор никогда не может достигнуть частоты вращения магнитного поля n₁, так как при равенстве n₁= n₂ исчезнут электромагнитные силы, приводящие его в движение.

Разность частот вращения магнитного поля и ротора

n₁ – n₂ = n_s

называют частотой скольжения. Аналогичная разность скоростей

Ω₁ – Ω₂ = Ω_s

Называется скоростью скольжения.

Отношение частоты скольжения к частоте вращения поля n₁ обозначают s и называют скольжением:

Очевидно, что в первый момент пуска двигателя s = 1. Асинхронные двигатели проектируют так, что на холостом ходу s_х = 0,001 ÷ 0,005, а при номинальной нагрузке s_ном = 0,05.

В установившемся режиме n_s, Ω_s и s – постоянные. Это означает, что вращающий момент двигателя М уравновешивает противодействующий момент М_пр. Если по каким – либо причинам противодействующий момент увеличится, то ротор начнет тормозиться, т. е. скорость вращения Ω₂ будет падать, а скорость его скольжения – увеличиваться. Но последнее вызовет изменение ряда взаимно связанных величин. Увеличатся Э.Д.С. e₂ и токи I₂ в проводниках обмотки ротора, электромагнитные силы F_эм2 и вращающий момент М. Когда вращающий момент М станет равным противодействующему М_пр, изменения прекратятся. Двигатель возвратится в установившейся режим. Но скорость вращения ротора Ω₂ теперь меньше.

В случае уменьшения противодействующего момента произойдут аналогичные, но противоположно направленные физические процессы. Это означает, что асинхронный двигатель обладает свойством автоматического изменения вращающего момента, т. е. свойством саморегулирования.

Режимы работы асинхронных двигателей

Двигательный режим: При n<n₁ линии поля статора перемещаются относительно ротора также по часовой стрелке со скоростью n=0 до n=n₁ т.е. при скольжении от s=+1 до s=0

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки (а точнее, на зубцы сердечника ротора), действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор вслед за магнитным полем. Если этот момент достаточен для преодоления сил трения, ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения n₂ [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках, вентиляцией и т. д.

Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать вращающий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство: 0 < n₂< n₁

Очевидно, что при двигательном режиме: 0 < s < 1.

Генераторный режим: Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение s <0.

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

Ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью n>n₁. Асинхронная машина может работать в режиме генератора параллельно с сетью в пределах от n =n₁ до n=+∞ т.е. при скольжении от s=0 до s= -∞.

Асинхронный генератор потребляет реактивный ток и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Из-за этого, несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном в качестве ветрогенераторов малой мощности, вспомогательных источников небольшой мощности и тормозных устройств. Зато генераторный режим асинхронного двигателя используется довольно часто. В таком режиме работают двигатели эскалаторов метро, которые едут вниз. В генераторном режиме работают двигатели лифтов, в зависимости от соотношения веса в кабине и в противовесе.

Режим холостого хода: Режим холостого хода асинхронного двигателя возникает при отсутствии на валу нагрузки в виде редуктора и рабочего органа. Из опыта холостого хода могут быть определены значения намагничивающего тока и мощности потерь в магнитопроводе, в подшипниках, в вентиляторе. В режиме реального холостого хода s=0,01-0,08. В режиме идеального холостого хода n₂=n₁, следовательно s=0 (на самом деле этот режим недостижим, даже при допущении, что трение в подшипниках не создаёт свой момент нагрузки — сам принцип работы двигателя подразумевает отставание ротора от поля статора для создания поля ротора. При s=0 поле статора не пересекает обмотки ротора и не может индуцировать в нём ток, а значит не создаётся магнитное поле ротора.)

Режим электромагнитного тормоза (противовключение): Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Для режима справедливы неравенства: n2 < 0, s > 1

Этот режим применяют кратковременно, так как при нём в роторе выделяется много тепла, которое двигатель не способен рассеять, что может вывести его из строя.

Для более мягкого торможения может применяться генераторный режим, но он эффективен только при оборотах, близких к номинальным.

М_н – номинальный момент; М_п – пусковой момент; М_max – критический момент

Из анализа графика механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях, меньших критического (s < s_кр), т. Дело в том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента.