Основной магнитный поток Ф в асинхронном двигателя создается совместным действием МДС обмоток статора F1 и ротора F2:
(3.13)
где RM — магнитное сопротивление магнитной цепи двигателя потоку Ф;
F0 — результирующая МДС двигателя, численно равная МДС обмотки статора в режиме ХХ:
(3.14)
I0 — ток ХХ в обмотке статора, А.
МДС обмоток статора и ротора на один полюс в режиме нагруженного двигателя
; (3.15)
где m2 — число фаз в обмотке ротора;
kоб2 — обмоточный коэффициент обмотки ротора.
При изменениях нагрузки на валу двигателя меняются токи в статоре I1 и роторе I2. Но основной магнитный поток Ф при этом сохраняется неизменным, так как напряжение, подведенное к обмотке статора, неизменно (U1 = const) и почти полностью уравновешивается ЭДС Е1 обмотки статора [см. (3.7)]:
(3.16)
Так как ЭДС Е1 пропорциональна основному магнитному потоку Ф (Е1 = 4,44f1Фw1kоб1), то последний при изменениях нагрузки остается неизменным. Этим и объясняется то, что, несмотря на изменения МДС F1 и F2, результирующая МДС остается неизменной, т. е.
|
|
Подставив вместо F0, F1 и F2 их значения по (3.14) и (3.15), получим
Разделив это равенство на , определим уравнение токов асинхронного двигателя:
(3.17)
где
(3.18)
- ток ротора, приведенный к обмотке статора.
Преобразовав уравнение (3.17), получим уравнение токов статора асинхронного двигателя
, (3.19)
из которого следует, что ток статора в асинхронном двигателе имеет две составляющие: — намагничивающую (почти постоянную) составляющую (I0 ≈I1µ) и —переменную составляющую, компенсирующую МДС ротора.
Следовательно, ток ротора I2 оказывает на магнитную систему двигателя такое же размагничивающее влияние, как и ток вторичной обмотки трансформатора.
Таким образом, любое изменение механической нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением тока в обмотке статора I1, так как изменение этой нагрузки двигателя вызывает изменение скольжения s. Это, в свою очередь, влияет на ЭДС обмотки ротора [см. (3.10)], а следовательно, и на ток ротора I2. Но так как этот ток оказывает размагничивающее действие на магнитную систему двигателя, то его изменения вызывают соответствующие изменения тока в обмотке статора I1 за счет составляющей .
Так, в режиме холостого хода, когда нагрузка на валу двигателя отсутствует и s ≈0, ток I2 ≈0. В этом случае ток в обмотке статора . Если же ротор двигателя затормозить, не отключая обмотки статора от сети (режим короткого замыкания), то скольжение s =1, и ЭДС обмотки ротора Е2s достигает своего наибольшего значения Е2. Также наибольшего значения достигнет ток I2, а следовательно, и ток в обмотке статора I1.
3.5. Приведение параметров обмотки ротора, векторная диаграмма и схемы замещения асинхронного двигателя
|
|
Чтобы векторы ЭДС, напряжений и токов обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме следует параметры обмотки ротора привести к обмотке статора, т. е. обмотку ротора с числом фаз т2, обмоточным коэффициентом kоб2 и числом витков одной фазной обмотки w2 заменить oбмоткой с т1, w1 и kоб1. При этом мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения. Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняется по формулам, аналогичным формулам приведения параметров вторичной обмотки трансформатора (см. разд. 1.5).
При s =1 приведенная ЭДС ротора
(3.20)
где — коэффициент трансформации напряжения в асинхронной машине при неподвижном роторе.
Приведенный ток ротора
(3.21)
где —коэффициент трансформации тока асинхронной машины.
В отличие от трансформаторов в асинхронных двигателях коэффициенты трансформации напряжения и тока не равны (kе≠ki). Объясняется это тем, что число фаз в обмотках статора иротора в общем случае не одинаково (m1≠m2). Лишь в двигателях с фазным ротором, у которых m1=m2, эти коэффициенты равны.
Активное и индуктивное приведенные сопротивления обмотки ротора:
(3.22)
Число фаз т2 и число витков w2 для короткозамкнутой обмотки ротора определяют следующим образом. Каждый стержень этой обмотки рассматривают как одну фазу, а поэтому число витков одной фазы короткозамкнутой обмотки ротора w2= 0,5; обмоточный коэффициент такой обмотки kоб2= 1, а число фаз т2=Z2, т. е. равно числу стержней в короткозамкнутой обмотке ротора.
Подставив в (3.12) приведенные значения параметров обмотки ротора Е¢2, I¢2, r¢2 и х¢2, получим уравнение напряжений обмотки ротора в приведенном виде:
(3.23)
Величину можно представить в виде
(3.24)
тогда уравнение ЭДС для цепи ротора в приведенных параметрах примет вид
(3.25)
Для асинхронного двигателя (так же как и для трансформатора) можно построить векторную диаграмму. Основанием для построения этой диаграммы являются уравнение токов (3.17) и уравнения напряжений обмоток статора (3.7) и ротора (3.25)
Рис. 3.4. Векторная диаграмма асинхронного двигателя
Угол сдвига фаз между ЭДС Е¢2 и током I¢2
.
Так как векторную диаграмму асинхронного двигателя строят по уравнениям напряжений и токов, аналогичным уравнениям трансформатора, то порядок построения этой диаграммы такой же, что и векторной диаграммы трансформатора (см. разд. 1.6).
На рис. 3.4 представлена векторная диаграмма асинхронного двигателя. От векторной диаграммы трансформатора (см. рис. 1.8) она отличается тем, что сумма падений напряжения в обмотке ротора (во вторичной обмотке) уравновешивается ЭДС обмотки неподвижного ротора (n2= 0), так как обмотка ротора замкнута накоротко. Однако если падение напряжения рассматривать как напряжение на некоторой активной нагрузке , подключенной на зажимы неподвижного ротора, то векторную диаграмму асинхронного двигателя можно рассматривать как векторную диаграмму трансформатора, на зажимы вторичной обмотки которого подключено переменное активное сопротивление . Иначе говоря, асинхронный двигатель в электрическом отношении подобен трансформатору, работающему на чисто активную нагрузку. Активная мощность вторичной обмотки такого трансформатора
(3.26)
представляет собой полную механическую мощность, развиваемую асинхронным двигателем.
Уравнениям напряжений и токов, а также векторной диаграмме асинхронного двигателя соответствует электрическая схема замещения асинхронного двигателя.
На рис. 3.5, а представлена Т-образная схема замещения.
Рис. 3.5. Схемы замещения асинхронного двигателя:
|
|
а) Т-образная схема замещения;
б) Г-образная схема замещения
Магнитная связь обмоток статора и ротора в асинхронном двигателе на схеме замещения заменена электрической связью цепей статора и ротора. Активное сопротивление можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное обмотку неподвижного ротора. В этом случае асинхронный двигатель аналогичен трансформатору, работающему на активную нагрузку. Сопротивление — единственный переменный параметр схемы. Значение этого сопротивления определяется скольжением, а следовательно, механической нагрузкой на валу двигателя.
Так, если нагрузочный момент на валу двигателя М2=0, то скольжение s≈0. При этом , что соответствует работе двигателя в режиме ХХ.
Если же нагрузочный момент на валу двигателя превышает его вращающий момент, то ротор останавливается (s= 1). При этом , что соответствует режиму КЗ асинхронного двигателя.
Более удобной для практического применения является Г-образная схема замещения (рис. 3.5, б), у которой намагничивающий контур (Zm = rm+jxm) вынесен на входные зажимы схемы замещения. Чтобы при этом намагничивающий ток I0 не изменил своего значения, в этот контур последовательно включают сопротивления обмотки статора r1 и x1.
Полученная таким образом схема удобна тем, что она состоит из двух параллельно соединенный контуров: намагничивающего с током и рабочего с током .
Расчет параметров рабочего контура Г-образной схемы замещения требует уточнения, что достигается введением в расчетные формулы коэффициента с1 (рис. 3.5, б), представляющего собой отношение напряжения сети U1 к ЭДС статора Е1 при идеальном холостом ходе (s =0). Так как в этом режиме ток холостого хода асинхронного двигателя весьма мал, то U1 оказывается лишь немногим больше, чем ЭДС Е1, а их отношение мало отличается от единицы. Для двигателей мощностью 3 кВт и более с1 =1.05÷1.02, поэтому с целью облегчения анализа выражений, характеризующих свойства асинхронных двигателей и упрощения практических расчетов, примем с1 =1. Возникшие при этом неточности не превысят значений, допустимых при технических расчетах. Например, при расчете тока ротора I¢2 эта ошибка составит от 2 до 5 %% (меньшие значения относятся к двигателям большей мощности).
|
|
Воспользовавшись Г-образной схемой замещения и приняв с1 =1, запишем выражение тока в рабочем контуре:
(3.27)
или с учетом (3.24) получим
(3.28)
Знаменатель выражения (3.28) представляет собой полное сопротивление рабочего контура Г-образной схемы замещения асинхронного двигателя.