Асинхронных машин

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой , а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота является функцией угловой скорости ротора , которая в свою очередь зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели, в качестве генераторов они применяются редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименно-полюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели (см. рис.1.1).

Рис.1.1

Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2—5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5—7 раз превышающих номинальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами (см. 1.2) избавлены от этих недостатков ценой усложнения кон­струкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необ­ходимости плавного регулирования частоты вращения.

Рис.1.2

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за зна­чительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распро­странения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоеди­няются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприка­сающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить доба­вочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины. Щетки поз­воляют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к уве­личению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облег­чает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специаль­ным устройством, которое позволяет после завершения пуска замк­нуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназнача­ются для работы в определенных условиях с определенными техни­ческими данными, называемыми номинальными.

К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указыва­ются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

- механическая мощность, развиваемая двигателем ;

- частота сети ;

- линейное напряжение статора ;

- линейный ток статора ;

- частота вращения ротора ;

- коэффициент мощности ;

- коэффициент полезного действия ;

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз, то она может быть включена в звезду или треугольник. В этом случае ука­зываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений ( Y/ ) в виде дроби и .

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность - от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах - до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2-5% меньше синхронной; в микродвигателях - на 5-20%). Номинальное напряжение от 24В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения. При мощности более 0,5 кВт КПД составляет 0,65-0,95, в микродвигателях 0,2-0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потреб­ляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двига­телей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7—0,9; в микро­двигателях 0,3—0,7.

КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Конструктивная компоновка асинхронной машины с короткозамкнутым ротором представлена на рис. 39.1. В основных чертах она совпадает с типичной компоновкой вращающейся электриче­ской машины.

Статор машины состоит из магнитопровода 2, трехфазной разноименнополюсной обмотки 20, выводные концы которой с помощью выводной коробки 13 присоединяются к сети переменного тока, и станины 1.

Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод 2 и обмотка 20; станина выполняет только конструктив­ные функции, фиксируя активные части в определенном положении (с помощью лап 14 станина неподвижно закрепляется на фунда­менте).

Магнитопровод 2 набирается из изолированных пластин элек­тротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм. Пластины штампуются из листо­вой или рулонной электротехнической стали со стандартизован­ными размерами и изолируются с обеих сторон лаком. При наруж­ном диаметре магнитопровода менее 1 м, что имеет место во всех асинхронных двигателях, за исключением самых крупных, его набирают из цельных кольцеобразных пластин, на внутренней стороне которых вырублены пазы нужной формы (рис. 1.3б).

Рис.1.3

В конструкции по рис.1.3 радиальные каналы в магнитопроводе отсутствуют. В этом случае кольцевые пластины собираются в пакет и прессуются вне станины на специальной цилиндрической оправке. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается с помощью нажимных колец 6 и стяжных скоб 5 и лишь после укладки обмотки вставляется в станину.

При наружном диаметре магнитопровода более 1 м он набира­ется из отдельных сегментов и конструкция статора получается такой же, как в крупных синхронных машинах.

С целью уменьшения пульсаций магнитного поля и добавочных потерь, связанных с зубчатостью магнитопровода, обмотка статора, как правило, укладывается в асинхронных машинах в полузакрытые пазы (рис. 1.4а).

Рис.1.4

Для таких пазов пригодны как однослойные, так и двухслойные многовитковые катушечные всыпные обмотки. Катушки этих обмоток наматываются из изолированного обмоточного провода круглого сечения (1 на рис. 1.4); каждый проводник катушки «всыпается» в паз по отдельности.

Для изоляции витков катушки друг от друга оказывается достаточной собственная изоляция обмоточных проводников. Изо­ляция обмотки от заземленных частей, называемая корпусной изоляцией, делается в зоне пазовых и лобовых частей по-разному. Корпусная изоляция пазовой части катушки выполняется в виде «пазовой коробочки», образованной из нескольких слоев 2-4 изоляционных материалов, которая закладывается в паз перед укладкой обмотки. Обмотка закрепляется в пазах с помощью клиньев 7 из изоляционного материала. Под клинья подкладываются изоляционные прокладки 6. Изоляцией между слоями обмотки служит прокладка 5 (в однослойной обмотке эта прокладка отсут­ствует).

Ротор машины состоит из магнитопровода 3 (рис. 1.1), в пазах которого размещается неизолированная мно­гофазная короткозамкнутая обмотка 19, пристроен­ных к ней вентиляционных лопастей 7, вала 15 и двух вентилято­ров 8 и 11. Активными элементами ротора, принимающими уча­стие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод 3 и обмотка 19; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал 15 передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы 7, 8 и 11 обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды. Более детально устройство активных частей ротора пока­зано на рис. 1.5.

Рис.1.5

Магнитопровод ротора 4 набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на наружной стороне которых вырублены пазы нужной формы (на рис. 1.5 - закрытые, на рис. 1.3 - полузакрытые).

Пластины магнитопровода ротора набираются на специальную оправку, спрессовываются на ней и удерживаются в запрессован­ном состоянии в процессе изготовления короткозамкнутой обмотки. Короткозамкнутая обмотка отливается из алюминия и не изоли­руется от магнитопровода. Торцевые кольца 2 (рис 1.5), замыкаю­щие с двух сторон стержни обмотки 1, отливаются как одно целое со стержнями. Одновременно в виде приливов к короткозамыкающим кольцам отливаются вентиляционные лопасти 3.

Кроме своего основного назначения, короткозамкнутая обмотка служит также для стягивания пластин ротора после удаления оправки. Это позволяет обойтись без специальных прессующих деталей, удерживающих листы ротора в осевом направлении.

Вал ротора 15 (см. рис. 1,1) опирается на подшип­ники качения 12, 17, которые в свою очередь с помощью подшипниковых щитов 9, 21 и крышек подшипни­ков 16, 18 сопрягаются со станиной 1.

Шариковый подшипник 12 центрирует ротор не только в ради­альном, но и в осевом направлении, воспринимая наряду с ради­альными усилиями также и осевые. Консистентная смазка под­шипников закладывается в камеру между подшипниковыми крыш­ками 16, 18 и не нуждается в замене в течение нескольких лет эксплуатации. Поскольку зазор между магнитопроводами ротора и статора при мощности более 0,5 кВт обычно не превышает 0,3-1 мм (в микромашинах 0,02-0,3 мм), вал ротора должен быть достаточно жестким, а механическая обработка конструктивных частей, обеспечивающих правильное положение оси вала в пространстве, должна производиться с высокой точностью.

На рис. 1.1 представлено типичное для серийных короткозамкнутых асинхронных двигателей исполнение по способу охлаж­дения и защиты от воздействия внешней среды - обдуваемое исполнение, в котором внутреннее пространство машины защищено от брызг воды и пыли. Внешний обдув двига­теля создается наружным вентилятором 11 (кожух 10 защищает обслу­живающий персонал от прикосновения к вентилятору и направ­ляет воздух к оребренной поверхности станины). Циркуляция воз­духа внутри машины усиливается с помощью внутреннего венти­лятора 8 и вентиляционных лопастей 7 (направление движения воздуха показано на рисунке стрелками).

Подъем двигателя при монтаже производится с помощью рыма 4.

КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Конструктивная компоновка асинхронной машины с контакт­ными кольцами представлена на рис. 1.2. Двигатели этого типа отличаются от короткозамкнутых только устройством ротора.

Статор двигателя может иметь те же разновидности кон­структивных исполнений, что и в короткозамкнутом двигателе. Статор двигателя по рис. 1.2 с радиальными каналами в магнитопроводе. Статор состоит из станины 1, в кото­рой с помощью нажимных шайб 5 и шпонок 7 укреплены пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин 2. Для образо­вания каналов между пакетами служат распорки 4. В пазы магнитопровода статора уложена двухслойная обмотка, катушки 30 которой связаны между собой соединениями 8. Выводные концы обмотки статора сосредоточены в выводной коробке 23. К фунда­менту станина крепится лапами 22. Для подъема двигателя при монтаже служат рымы 6.

Ротор двигателя состоит из вала 26, на котором с помощью нажимных колец 24, шпонки 21 и разрезной шпонки 20 укреплены в запрессованном состоянии пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин 3 (см. рис. 1.3а). Радиальные вентиля­ционные каналы между пакетами образуются дистанционными распорками, помещенными на каждом зубцовом делении. В полузакрытых пазах магнитопровода ротора, показанных в разрезе па рис. 1.4. б, размещается трехфазная двухслойная волновая стержневая обмотка 29, соединенная обычно в звезду, выводные концы которой посредством электрических кабелей 19, проведен­ных через отверстие в валу, присоединены к контактным коль­цам 15.

Стержни 1 обмотки с заранее наложенной витковой изоляцией 2, 3 (рис. 1.4.б) вставляются в пазы с торцевой сто­роны магнитопровода. Предварительно в пазы вводится пазовая коробочка 4, играющая роль корпусной изоляции. Для укрепления стержней в радиальном направлении и усиления витковой и кор­пусной изоляции используются изоляционные прокладки 5,6. Центробежная сила, действующая на пазовую часть обмотки, вос­принимается клиньями 7 из изоляционного материала.

Лобовые части обмоток укладываются на нажимные шайбы 24 (рис. 1.2), которые одновременно выполняют роль обмоткодержателей, и охватываются снаружи кольцевыми бандажами 32, рас­считанными на восприятие центробежной силы.

Электрическое соединение вращающейся обмотки ротора с внеш­ними (неподвижными) электрическими цепями производится с по­мощью контактных колец, на которые выведены обмотки, и щеточ­ного устройства, связанного с неподвижными электрическими цепями. Контактные кольца выполняются как отдельный узел машины. Кольца 15, изготовленные из стали, отделяются друг от друга и от корпуса с помощью изоляционных прокладок 17.

Все эти детали стягиваются вместе изолированными шпильками 16 и крепятся с помощью фланца к торцу вала. К кольцам плотно прижима­ются щетки, электрически соединенные с токоподводящими ши­нами 12 щеточной траверсы (кроме этих шин, на рис. 1.2 показаны болты 11 щеточной траверсы и ее изоляционные детали, а также корпус 13 и крышка 14; щетки и щеткодержатели не показаны). Необходимый электрический контакт щеток с кольцами обеспе­чивается с помощью щеткодержателей, укрепленных на шинах 12. Соединение токоподводящих шин 12 щеточной траверсы с пусковым реостатом производится в выводной коробке контактных колец 18.

Правильное расположение оси ротора по отношению к статору и возможность вращения ротора обеспечиваются с помощью таких же деталей, как в короткозамкнутом двигателе по рис. 1.1 (под­шипников качения, роликового 25 и шарикового 10, подшипнико­вых крышек 27 и подшипниковых щитов 31).

По способу охлаждения и защиты от воздействия внешней среды двигатель по рис. 1.2 имеет продуваемое каплезащищенное исполнение. Внутри машины воздух перемещается аксиально-радиально. Наружный воздух поступает в машину с двух сторон через отверстия в подшипниковых щитах 31 и направляется диффузорами 9 к вентиляционным лопастям 28, промежуткам между лобовыми частями стержней обмотки ротора и к аксиальным каналам в магнитопроводе ротора; далее воздух из аксиальных каналов попадает в радиальные каналы в магнитопроводе ротора и статора; воздух от вентиляционных лопастей 28 и лобовых частей ротора омывает лобовые части обмотки статора. Нагретый потерями в машине воздух попадает в пространство между ярмом статора и корпусом станины, откуда он выбрасывается наружу через боко­вые отверстия в корпусе. Необходимый для циркуляции воздуха напор создается радиальными каналами в роторе, которые играют роль центробежных вентиляторов.

Принцип действия асинхронной машины.

Предположим, что ротор асинхронного двигателя непо­движен и к его валу не приложен тормозной момент. Если трехфазную обмотку статора подключить к трехфазной се­ти, то токи, протекающие по обмотке, создадут вращающее­ся магнитное поле. Угловая скорость этого поля, называе­мая синхронной, равна , ( - частота сети). Маг­нитное поле при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Направление ин­дуцируемой в одном из проводников ротора ЭДС показано на рис. 20.7 (при определении направления ЭДС по пра­вилу правой руки принималось, что поле неподвижно, а дви­жение проводника происходит в сторону, противоположную вращению поля).

Рис. 1.6. Направление электромагнитного момента, созданно­го током ротора

Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток , активная составляющая которого будет по направ­лению совпадать с ЭДС. Ток , взаимодействуя с магнит­ным полем, создаст вращающий момент , под действием которого ротор придет во вращение. Как можно установить по правилу левой руки, направление момента и вращения ротора будут совпадать с направлением вращения поля.

По мере разгона ротора его угловая скорость будет увеличиваться, но даже при отсутствии нагрузки на валу (холостой ход) он не сможет достигнуть скорости враще­ния поля. Объясняется это тем, что ток в роторе, а следо­вательно, и вращающий момент могут возникать только в том случае, если магнитное поле пересекает проводники ротора, т.е. когда . Так как при холостом ходе в ма­шине существует небольшой тормозной момент , обуслов­ленный механическим трением в подшипниках, трением ротора о воздух и потерями на перемагничивание стали, то для его преодоления двигатель должен создавать вращающий момент, а поэтому должно выпол­няться неравенство .

Ток и момент двигателя увеличиваются с ростом ЭДС в роторе, которая пропорциональна разности . При увеличении момента нагрузки на валу двигателя должен увеличиваться электромагнитный момент двигате­ля , вследствие чего возрастает разность .

Таким образом, для рассматриваемого двигателя ха­рактерной особенностью является несинхронное (асинхрон­ное) вращение его ротора с магнитным полем. Отсюда и его название - асинхронный двигатель. Разни­цу между скоростями или частотами вращения ротора и поля принято оценивать величиной, называемой скольжением :

,

где угловые скорости поля и ротора.

Так как частота вращения магнитного поля относитель­но ротора равна , то частота индуцируемых в его обмотке ЭДС и тока

.

Откуда следует, что частота в роторе не постоянна, а из­меняется пропорционально скольжению.

Найдем диапазон изменения скольжения в двигатель­ном режиме. При (ротор неподвижен) = l. Если в идеальном случае , то = 0. Следова­тельно, в двигательном режиме работы машины скольже­ние изменяется в пределах от 0 до 1. При номинальной нагрузке скольжение обычно находится в пределах 0,015- 0,05 или 1,5-5 %. При холостом ходе оно равно долям про­цента.

Скорость ротора , выраженная через скольжение , , а частота вращения . Отсюда видно, что частота вращения ротора близка к частоте вращения поля и мало изменяется при возрастании нагрузки.

Номинальная частота вращения двигателя зависит от частоты вращения магнитного поля и не может быть выбрана произвольно. При стандартной частоте промышленного тока = 50 Гц возможные частоты вращения магнитного поля приведены ниже.

, об/мин

В зависимости от необходимой номинальной частоты вращения обмотки двигателя выполняют на соответствую­щее число пар полюсов . Асинхронные двигатели общего назначения выпускаются с синхронными частотами враще­ния 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин.

Асинхронная машина может работать также в генера­торном режиме и режиме электромагнитного тормоза.

Генераторный режим возникает в том случае, когда ротор с помощью посторон­него двигателя будет вращаться в направлении поля со скоростью, большей скорости поля. Скольжение в этом ре­жиме будет отрицательным. Теоретически можно как угод­но увеличивать скорость ротора относительно вращающе­гося поля. Поэтому при работе асинхронной машины в ге­нераторном режиме скольжение находится в пределах от =0 до =- .

Если ротор под действием посторонних сил начнет вращаться в сторону, противоположную вращению поля, то возникает режим электромагнитного тормоза. Так как скорость ротора отрицательна, то скольжение в этом режиме будет >1. Ре­жим электромагнитного тормоза начинается при и может продолжаться теоретически до , при этом скольжение изменяется от 1 до . Таким образом, пределы изменения скольжения в асин­хронной машине от до . На рис. дана шкала скольжений, а также показаны направления скоро­стей ротора и поля для различных режимов работы машины.

Электромагнитный момент асинхронной машины

Выражение для электромагнитного момента асинхрон­ной машины может быть получено через электромагнитную мощность (1)

. Из Г-образной схемы замещения асинхронной машины найдем приведенный ток ротора , (2)

где - активные сопротивления обмотки статора и приведенной обмотки ротора;

- индуктивные сопротивления рассеяния обмотки статора и приведенной обмотки ротора;

- фазное напряжение обмотки статора,

- комплексный коэффициент, модуль которого равен отношению первичного напряжения к первичной ЭДС при идеальном холостом ходе.

Поделим на угловую скорость поля и заменим ток его значением из. Тогда выражение для электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид

(3).

Если принять, что параметры машины являются постоянными, то момент при = const является функцией только скольжения s. Поэтому эта формула удобна для построе­ния механической характеристики машины = f(). Выяс­ним характер изменения этой зависимости. При малых значениях скольжения (s<<1) в квадратных скобках знамена­теля можно пренебречь всеми слагаемыми кроме . Тогда получим

, т.е. при малых электромагнитный момент изменяется про­порционально скольжению и зависимость = f() имеет линейный характер.

При скольжениях, близких или больших единицы, мож­но пренебречь активными сопротивлениями обмоток по сравнению с их индуктивными сопротивлениями . Тогда можно записать

, откуда следует, что при больших момент обратно пропорционален скольжению и кривая = f () имеет вид ги­перболы.

На основании изложенного, кривая = f () при = const имеет характер, изображенный на рис. 1.7.

Рис.1.7 M_m

Физи­чески такой сложный вид этой характеристики объясняется аналогичным характером изменения активной составляю­щей тока ротора. С увеличением скольжения активная со­ставляющая тока сначала растет, а затем вследствие увеличения частоты индуктивное сопротивле­ние ротора возрастает, угол увеличивается и активная составляющая тока начинает уменьшаться, несмотря на увеличение полного тока .

Зависимость = f () на рис. 1.7 построена для трех возможных режимов работы асинхронной машины. В обла­сти скольжений от 0 до 1 характеристика соответствует дви­гательному режиму работы (), в области скольжений от 1 до - режиму электромагнитного тормоза (ротор вращается в сторону, противоположную вращению поля) и в области от 0 до - — генераторному режиму ().

Согласно выражению (3) электромагнитный момент при любом значении скольжения пропорционален квадрату приложенного напряжения .

На механической характеристике рис. 1.7 показаны три наиболее важные точки двигательного режима. Нормаль­ная работа двигателя обычно протекает на прямолинейной части характеристики. Здесь располагается точка, соответ­ствующая номинальному моменту . Скольжение при этом моменте = 0,015-0,05. Перегрузочная способность двигателя оценивается по максимальному моменту . Скольжение, соответствую­щее этому моменту, называется критическим и обычно = 0,07-0,15. Часто выражают в долях . Крат­ность максимального момента для асинхронных двигателей = 1,7-3. Более высокие значения соответ­ствуют двигателям с меньшим числом полюсов.

Момент при скольжении = 1 называется начальным пусковым моментом . Он яв­ляется важной величиной для оценки пусковых свойств дви­гателя. Момент также вы­ражается в долях . Для асинхронных двигателей обще­го назначения кратность на­чального пускового момента = 1-1,35.

Максимальный и пусковой электромагнитные моменты

Кривая имеет два явно выраженных максиму­ма: один — в генераторном, другой - в двигательном ре­жимах. Определение проводится обычным путем. Для этого выражение (3) дифференцируют по скольжению и первую производную функции приравнивают нулю, т. е. = 0. В результате получают значение критического скольжения :

. (4)

Подставив из (4) в (3), после преобразований получаем максимальный электромагнитный момент:

(5).

Знак плюс в (4) и (5) относится к двигательному или тормозному режимам работы, знак минус - к генера­торному.

Из (4) и (5) следует, что значения как в двига­тельном, так и в генераторном режиме одинаковы, а мак­симальный момент в генераторном режиме больше, чем в двигательном. Обычно из-за малого сопротивления раз­ница в моментах получается небольшой. Из (5) также следует, что максимальный момент не зависит от активного сопротивления цепи ротора , однако согласно (4) это сопротивление оказывает влияние на скольжение , при котором асинхронная машина развивает момент .

На рис. 1.8 приведены кривые для различных значений при работе машины с >0. Они показывают, что с увеличением максимум момента смещается в об­ласть больших скольжений, сохраняя при этом свое зна­чение.

рис1.8

В соответствии с (5) пропорционален квадрату приложенного к обмотке статора напряжения. Поэтому снижение напряжения приводит к более сильному уменьше­нию кратности максимального момента и перегрузочной способности двигателя.

В асинхронных машинах активное сопротивление стато­ра в несколько раз меньше индуктивных сопротивлений . Поэтому для практических целей, полагая = 0 из (4) и (5) получим

(6)

(7).

Из (7) видно, что максимальный момент обратно про­порционален индуктивным сопротивлениям рассеяния об­моток статора и ротора . Поэтому при проектировании машины для увеличения в первую очередь следует уменьшать эти сопротивления.

Начальный пусковой электромагнитный момент соответ­ствует значению электромагнитного момента в начальный момент пуска двигателя, т. е. при = 1, Согласно выражению (3)

(8).

Пусковой момент при данных значениях параметров машины также пропорционален квадрату приложенного напряжения.

Из выражения (8) следует, что с увеличением момент растет до тех пор, пока при = 1 не будет = . При этом, согласно равенству (4),

.

При дальнейшем увеличении момент будет снова умень­шаться.

Механическая характеристика асинхронного двигателя и эксплуатационные требования к ней.

Полезный вращающий момент на валу двигателя меньше электромагнитного момента М на величину

, которая соответствует механическим и добавочным потерям, покры­ваемым за счет механической мощности на роторе. Поэтому .

Механическая характеристика двигателя представляет собой зависимость или, наоборот .

Так как при нагрузке момент мал по сравнению с и , то можно положить 0 или включить в значение статиче­ского тормозного момента , который развивается рабочей ма­шиной или механизмом, приводимым во вращение асинхронным двигателем. Поэтому ниже в качестве механической характеристики двигателя будем рассматривать зависимость между (или s) и электромагнитным моментом :

. Изображенные на рис.1.7 и рис.1.8 кривые момента при ука­занных условиях и представляют собой механические характери­стики асинхронного двигателя с постоянными параметрами.

Очевидно, что вид механических характеристик существенно зависит от значения вторичного активного сопротивления.

Процесс пуска и установившийся режим работы асинхронного двигателя

Рассмотрим процесс пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой вторичной об­моткой при его включении на полное напряжение сети. Так производится пуск подавляю­щего большинства находящих­ся в эксплуатации асинхрон­ных двигателей. При рассмот­рении процесса пуска не будем принимать во внимание электромагнитные переходные процессы, связанные с тем, что при включении любой электрической цепи электромагнитного механизма под напряжение и при измене­нии режима его работы токи достигают практически установившихся значений не сразу, а после истечения некоторого времени, которое пропорционально электро­магнитной постоянной времени Т, зависящей от индуктивности и активного сопротивления цепи.

Обычно при пуске асинхронного двигателя время его разбега до нормальной скорости значительно больше длительности электромагнитных переходных процессов, и поэтому влияние этих процессов на процесс пуска невелико. Сле­довательно, процесс пуска можно рассматривать на основе полу­ченных выше зависимостей для вращающего момента и токов в условиях работы двигателя при установившемся режиме с за­данным скольжением.

На рис. 1.9 показана механическая характеристика асинхронного двигателя и механическая характеристика некоторого производственного механизма, приводимого во враще­ние двигателем.

Рис. 1.9

Уравнение моментов агрегата «двигатель — производственный механизм» имеет вид

,где

представляет собой динамический вращающий момент агрегата, пропорциональный моменту его инерции . Если при = 0, как это показано на рис. 1.9, пусковой момент > , то > 0, > 0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область на рис. 1.9) = - >0.

В точке 1 (рис. 1.9) достигается равновесие моментов.

При этом =0, =0 и наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения и сколь­жением . Величина будет тем больше, чем больше и чем больше, следовательно, нагрузка двигателя. Если при работе дви­гателя его нагрузку (статический момент производственного меха­низма ) увеличить (кривая 2 на рис. 1.9), то возрастет, а уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 на рис. 1.9), наоборот, уменьшится, а увеличится.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим обра­зом. Если возрастет, то будет < , < 0, < 0 и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом сколь­жение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также э. д. с. и ток вторичной цепи. В результате электромагнитный мо­мент увеличивается и уменьшение (увеличение ) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов = . При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направ­лении.

Как видно из рис. 1.9, при круто поднимающейся начальной (левой) части кривой момента = f () асинхронный двигатель обладает жесткой механической характеристикой, т.е., при из­менении нагрузки скорость вращения двигателя изменяется мало. Все нормальные асинхронные двигатели проектируются с жесткой механической характеристикой, когда и относительно малы. При этом и, следовательно, электрические потери в роторе при работе также малы и двигатель имеет высокий к. п. д.

Перегрузочная способность асинхронного двигателя

При работе двигателя на нормальном устойчивом участке механической харак­теристики (влево от точки 4 на рис. 1.9), его нагрузку, опре деляемую статическим моментом рабочего механизма или ма­шины, можно постепенно поднять до значения = (точка4 на рис. 1.9), причем устойчивая работа сохраняется вплоть до этой точки. При дальнейшем увеличении нагрузки, когда > , двигатель будет быстро затормаживаться и либо остано­вится, либо перейдет в устой­чивый режим работы при малой скорости вращения. В обоих слу­чаях, если двигатель не будет отключен, возникает опасный в от­ношении нагрева режим.

Таким образом, в принципе работа асинхронного двигателя возможна при 0< < . Однако продолжительная работа при в отношении нагрева также недопустима.

Кроме того, при работе двигателя необходимо иметь некото­рый запас по моменту, так как возможны кратковременные пере­грузки случайного характера, а также кратковременные или длительные понижения напряжения сети.

Так как ~ , то при уменьшении , например, на 15% максимальный момент двигателя снизится до 0,85³ = 0,72 или 72 % от своего первоначального значения.

В связи с изложенным, должно выполняться > .

Отношение максимального момента при номинальном напря­жении к номинальному

(25-35)

определяет перегрузочную способность двигателя и называется кратностью максимального момента. Для двигателей разных мощностей и скоростей вращения требуется, чтобы > 1,7 -2,2. Меньший предел относится к двигателям со скоростью вращения < 750 об/мин.

Кратности начального пускового момента и пускового тока

Часто асинхронные двигатели можно пускать в ход на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу и нагружать их до номиналь­ной или иной мощности после достижения нормальной скорости вращения. В других случаях рабочие механизмы и машины (на­пример, вентиляторы) имеют механическую характеристику = такого вида, что при = 0 статический момент мал и постепенно повышается с увеличением . При этом не требуется, чтобы двигатель развивал большой пусковой момент. Однако иногда двигатели необходимо пускать в ход под значительной нагрузкой (например, крановые механизмы, подъемники, различные мель­ницы и т. д.), и в этих случаях требуется, чтобы двигатели имели большие пусковые моменты.

Асинхронные двигатели с фазным ротором можно пускать в ход с помощью реостата, включаемого на время пуска во вторичную цепь двигателя. Как следует из рис. 1.8, при этом пусковой момент двигателя увеличивается, а пусковой ток умень­шается. Поэтому стандарты не регламентируют значений пусковых моментов и токов асинхронных двигателей с фазным ротором. В то же время выпускаемые электромашиностроительными заводами серийные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором должны удовлетворять разнообразным условиям пуска производ­ственных механизмов и их пусковые моменты должны быть доста­точно велики.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели должны иметь при пуске под номинальным напряжением кратность начального пускового момен­та

не менее 0,7-1,8. Меньшие значения относятся к двигателям большей мощности. Кратность пускового тока

для двигателей с короткозамкнутым ротором разных мощностей и разных скоростей вращения при этом должна быть не больше 5,5-7,0.

1.10. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

При изменении нагрузки двигателя происходит измене­ние как потребляемых из сети тока и мощности , так и угловой скорости (или скольжения ), КПД и . Нагрузкой для двигателя служит нагрузочный момент , приложенный к его валу. При увеличении нагрузочного момента соответственно увеличивается электромагнитный момент, создаваемый двигателем:

= + = ;

здесь — момент, обусловленный механическими и доба­вочными потерями.

Момент слабо зависит от нагрузки. Он относительно мал и можно принять, что . От момента зависит механическая мощность , снимаемая с вала двигателя:

= (9).

Зависимости , , , , , = f() называются рабочими характеристиками двигателя. Примерный их вид показан на рис. 1.10.

Рис. 1.10

холостом ходе, когда =0 и =0, ток будет равен току холостого хода . Как и у трансформатора, этот ток является в основном намагничивающим и создает ос­новное магнитное поле. Однако из-за наличия воздушного зазора между статором и ротором относительное значение его больше, чем у трансформатора, и составляет 25—50 % номинального тока статора.

Мощность , потребляемая двигателем из сети при хо­лостом ходе, расходуется на потери внутри машины: меха­нические потери, магнитные потери в статоре, элек­трические потери в обмотке статора от тока .

При увеличении момента ток ротора должен увеличиваться. Возрастание тока происходит за счет увеличения индуцируемой в обмотке ротора ЭДС = вследствие снижения угловой скорости (увеличения ). Поэтому зависимость = () имеет падающий характер. Однако, у большинства асинхронных двигателей изменение частоты вращения при нагрузке незначительно, и характе­ристика = () является достаточно жесткой. Скольже­ние с ростом будет возрастать. При холостом ходе из-за наличия механических и магнитных потерь (момент