Какой параметр определяет режим работы асинхронной машины

В соответствии с принципом
обратимости элек­трических машин
(см. § В.2) асинхронные машины могут
работать как в двигательном,
так и в генератор­ном режимах.
Кроме того, возможен еще и режим
электромагнитного торможения
противовключением.

Двигательный
режим. Принцип действия
трехфазного асинхронного двигателя
рассмотрен в § 6.2. При включенииобмотки
статора в сеть трех­фазного тока
возникает вращающееся магнитное поле,
которое, сцепляясь с короткозамкнутой
обмот­кой ротора, наводит в ней ЭДС.
При этом в стерж­нях обмотки ротора
появляются токи (см. рис. 6.4). В результате
взаимодействия этих токов с вращаю­щимся
магнитным полем на роторе возникают
элек­тромагнитные силы. Совокупность
этих сил создает электромагнитный
вращающий момент, под дейст­вием
которого ротор асинхронного двигателя
при­ходит во вращение с частотойn₂ < n₁в
сторону вра­щения поля статора. Если
вал асинхронного двигателя механически
соединить с валом какого-либо
исполнительного механизма ИМ (станка,
подъ­емного крана и т. п.), то вращающий
момент двига­теля М, преодолев
противодействующий (нагрузоч­ный)
момент М_нагр, исполнительного
механизма, приведет механизм во вращение.
Следовательно, электрическая мощность
Р₁, поступающая в двига­тель из
сети, в основной своей части преобразуется
в механическую мощностьР₁
и передается исполни­тельному
механизму ИМ (рис. 10.1, б).

Весьма
важным параметром асинхронной ма­шины
является скольжение — величина,
характери­зующая разность частот
вращения ротора и вра­щающегося поля
статора:

S
= (n₁
– n₂)/
n₁

(10.1)

Скольжение выражают в долях единицы
либо в процентах. В последнем случае
величину, получен­ную по (10.1), следует
умножить на 100.

Вполне очевидно, что с увеличением
нагрузочного момента на валу асинхронного
двигателя частота вращения ротора n₂умень­шается. Следовательно, скольжение
асинхронного двигателя зави­сит от
механической нагрузки на валу двигателя
и может изме­няться в диапазоне 0 <s ≤ 1.

При включении асинхронного двигателя
в сеть в начальный момент времени ротор
под влиянием сил инерции неподвижен
(n₂⁼0). При этом скольжениеs равно единице.

Рис.
10.1. Режимы работы асинхронной машины

В режиме работы двигателя без нагрузки
на валу (режим холостого хода) ротор
вращается с частотой лишь немного
меньшей синхронной частоты вращения
n₁ и скольжение
весьма мало отличается от нуля (s≈ 0). Скольжение, соответствующее
номинальной нагрузке двигателя, называют
номинальным скольжением s_hom.
Для асинхронных дви­гателей
общего назначения s_hom
= 18%,
при этом для двигателей большой мощностиs_ном= 1%, а для
двигателей малой мощностиs_ном
= 8%.

Преобразовав выражение (10.1), получим
формулу для опре­деления асинхронной
частоты вращения (об/мин):

n₂ = n₁(1-s).
(10.2)

Генераторный режим.
Если обмотку статора включить в сеть,
а ротор асинхронной машины посредством
приводного дви­гателя ПД (двигатель
внутреннего сгорания, турбина и т. п.),
яв­ляющегося источником механической
энергии, вращать в направ­лении
вращения магнитного поля статора с
частотойn₂> n₁,
то направление движения ротора
относительно поля статора изме­нится
на обратное (по сравнению с двигательным
режимом работы пой машины), так как ротор
будет обгонять поле статора. При этом
скольжение станет отрицательным, а ЭДС,
наведенная в обмотке ротора, изменит
свое направление. Электромагнитный
момент на роторе М также изменит свое
направление, т. е. будет направлен
встречно вращающемуся магнитному полю
статора и станет тормозящим по отношению
к вращающемуся моменту приводного
двигателя М₁(рис. 10.1, а). В этом
случае механическая мощность приводного
двигателя в основной своей части будет
преобразована в электрическую активную
мощность Р₂ перемен­ного
тока. Особенность работы асинхронного
генератора состоит в том, что вращающееся
магнитное поле в нем создается реактивной
мощностьюQтрехфазной
сети, в которую включен генератор и да
он отдает вырабатываемую активную
мощностьР₂.
Следовательно, для работы
асинхронного генератора необходим
источник переменного тока, при подключении
к которому происходит возбуждение
генератора, т. е. в нем возбуждается
вращающееся маг­нитное поле.

Скольжение асинхронной
машины в генераторном режиме может
изменяться в диапазоне — ∞ < s
< 0, т. е. оно может прини­мать любые
отрицательные значения.

Режим торможения
противовключением. Если у
работаю­щего трехфазного асинхронного
двигателя поменять местами любую пару
подходящих к статору из сети
присоединительных
проводов, то вращающееся поле статора
изменит направление вращения на обратное.
При этом ротор асинхронной машины под
действием сил инерции будет продолжать
вращение в прежнем правлении. Другими
словами, ротор и поле статора асинхронной
машины будут вращаться в противоположных
направлениях. В этих условиях
электромагнитный момент машины,
направленный в сторону вращения поля
статора, будет оказывать на ротор
тормозящее действие (рис. 10.1, в). Этот
режим работы асинхронной машиины
называется электромагнитным торможением
противовключением. Активная мощность,
поступающая из сети в машину при этом
режиме, частично затрачивается на
компенсацию механической мощности
вращающегося ротора, т. е. на его
торможение.

В режиме электромагнитного торможения
частота вращения ротора является
отрицательной, а поэтому скольжение
приобрета­ет положительные значения
больше единицы:

s = [n₁
— (- n₂)]
/ n₁ = (n₁
+ n₂) /n₁
> 1.(10.3)

Скольжение асинхронной машины в режиме
торможения противовключением может

изменяться
в диапазоне 1 < s <
+ ∞ , т. е. оно может принимать любые
положительные значения больше единицы.

Обобщая изложенное о режимах работы
асинхронной маши­ны, можно сделать
вывод: характерной особенностью работы
асинхронной машины является неравенство
частот вращения маг­нитного поля
статора n₁ и
ротора n₂, т. е. наличие скольжения,
так как только в этом случае вращающееся
магнитное поле наводит в обмотке ротора
ЭДС и на роторе возникает электромагнитный
момент. При этом каждому режиму работы
асинхронной машины соответствует
определенный диапазон изменений
скольжения, а следовательно, и частоты
вращения ротора.

Из рассмотренных режимов работы
наибольшее практическое применение
получил двигательный режим асинхронной
машины, т. е. чаще используют асинхронные
двигатели, которые составля­ют основу
современного электропривода, выгодно
отличаясь от других электродвигателей
простотой конструкции и высокой
на­дежностью. Поэтому теорию асинхронных
машин принято изла­гать применительно
к асинхронным двигателям.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Во всех режимах работы асинхронный машин всегда присутствует вращающееся магнитное поле статора. Оно создаётся тремя обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 градусов, скорость этого вращения равна:

где:

n1 – Скорость вращения магнитного поля статора;

f – Частота питающей сети (50Гц);

Так же известно, что в их конструкции присутствует ротор, вращающаяся часть, которая может вращаться с различными скоростями. В целом можно сказать, что в асинхронных машинах скорость вращения изменяется только у ротора. Многочисленные наблюдения показали, что в зависимости от частоты вращения ротора асинхронной машины, с ней происходят различные явления. Для упрощения понимания этого вопроса, был введен параметр скольжение S – разность скоростей вращения магнитного поля статора, от скорости вращения ротора:

Эти скорости обозначают буквенно: n – скорость вращения ротора; n1 – скорость вращения магнитного поля.

Режим работы асинхронной машины зависит именно от этого значения разности скоростей вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора.

Различают следующие режимы работы асинхронных машин:

• Режим двигателя;
• Режим генератора;
• Режим электромагнитного тормоза;
• Режим динамического торможения;

Режим двигателя

Асинхронные двигатели стали очень популярна и наиболее часто применяемая в электроприводах. Режим электродвигателя применяется для приведения во вращение различные устройства, механизмы, насосы, лебедки, редуктора и т.д. путем преобразования электрической энергии в механическую.  Как уже многим известно, что её принцип действия объясняется взаимодействием двух магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле статора создается системой трехфазных обмоток и магнитопровода, расположенных непосредственно на статоре (корпусе асинхронной машины). Это поля является вращающимся, так как в трех фазной цепи, ток протекает из фазы А в фазу В, из фазы В в фазу С, а из фазы С обратно в фазу А. Обмотки каждой фазы располагают на статоре так, что бы равномерно заполнить всю окружность, т.е. окружность занимает 360 градусов, имея три обмотки, делим 360/3 получаем 120 градусов на каждую обмотку.

Это вращающееся магнитное поле пронизывая ротор, индуцирует в нем ЭДС, так как ротор короткозамкнутый, то по нему протекает ток. Протекание тока вызывает образование у ротора собственного магнитного поля. Поле статора, которое вращается с скоростью n1 взаимодействует с полем ротора, которое является неподвижным, и старается остановить, затормозить поле статора. Так как ротор закреплен на подшипниках, он способен свободно вращаться вокруг своей оси. Получается, что магнитное поля статора притягивает поле ротора, увлекает его за собой с определенной силой, в результате чего и сам ротор начинает вращаться.

Особенностью этого режима является то, что скорость вращения магнитного поля статора и скорость вращения ротора не должны быть равными, тем более, скорость ротора всегда меньше. Если же каким-либо образом их скорости будут равными, то исходя из явления электромагнитной индукции, обязательна разность магнитного потока, пересекающего тот или иной контур, что и обеспечивается отставанием ротора от магнитного поля статора. Если же все-таки их скорости сравняются, по короткозамкнутой обмотке ротора перестанет протекать электрический ток, исчернит его магнитное поле и ротор не будит увлекаться полем статора.  Скольжение в режиме электродвигателя должно быть положительным числом и не равным нулю.

Стоит добавить, что режим двигателя у асинхронных машин является самым часто используемым.

Режим генератора

Режим генератора у асинхронных машин является полной противоположностью режиму двигателя.  Самым главным отличием является то, что при режиме двигателя, асинхронная машина потребляет из сети электрическую энергию. А в режиме генератора наоборот отдает в сеть выработанную электрическую энергию.

Режим генератора возможен только тогда, когда скорость вращения ротора n будет выше скорости вращающегося магнитного поля статора. В этом случаи скольжение S будит отрицательным. Для этого необходимо ускорить ротор синхронной машины, то есть посадить на вал ротора, какой-либо механизм (турбина, редуктор, другой двигатель).

Допустим ротор мы разогнали до 3500 оборотов в минуту, а скорость магнитного поля статора 3000 оборотов в минуту, определим скольжение:

Режим генератора у асинхронных машин не является часто используемым, и может применяться в узких специализированных областях, в маломощных электростанциях.

Стоит отметить, что при таком режиме работы, отдаваемая в сеть электроэнергия совпадает по частоте с частотой самой сети. Так как она зависит только от частоты вращения магнитного поля статора, которая как мы знаем не изменяется.

В использовании таких генераторов есть огромный плюс, в его устройстве отсутствуют скользящие контакты, вращающиеся обмотки, это обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию. Так же эти генераторы мало восприимчивы к коротким замыканиям в сети. Еще не маловажным условием работы является, наличие остаточной намагниченности ротора, которое усиливается конденсаторными установками, включенными в цепи статорных обмоток.

Режим электромагнитного торможения

Режим электромагнитного торможения является еще более специфичными специализированным. Вся суть этого режима в том, что если вращение ротора асинхронной машины не совпадает с направлением вращения магнитного поля статора, то ротор будит затормаживаться под действием этого магнитного поля статора. Такой режим возможен только при реверсивном подключении асинхронной машины, так как путем переключения двух фаз достигается изменение направления вращения магнитного поля статора, и используется в различных грузоподъемных и транспортировочных устройствах. Этот режим часто называют режимом торможения противотоком или противовключением. При таком режиме, если нам необходимо остановить двигатель, при полной остановке, статор необходимо отключить от сети, так как вал начнет вращаться в обратном направлении.

Режим динамического торможения

В таком режиме, асинхронная машина отключается от трех фазной сети, и на обмотки статора подается постоянный ток. Таким образом на статоре образуется постоянное магнитное поле (постоянный магнит), которое тормозит ротор двигателя.

Все выше представленные режимы работы асинхронных машин, кроме режима двигателя, являются специализированными, и используются только в определенных установках, устройствах, станках и т.д.

Режимы работы асинхронных двигателей

Реферат выполнил ст-т 6-ого куса, 12 гр.,  спец. 1801, 
Полукаров А.Н.

Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра «Электромеханика и нетрадиционная энергетика»

Самара, 2006

1. Введение.

Общие сведения об асинхронных машинах.

Асинхронной
машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у
которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети
с постоянной частотой ω1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается
накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке
появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ω2 является
функцией угловой скорости ротора Ω, 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 крайне редко.

Асинхронный
двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная
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. 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 поминальный ток).

Двигатели
с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами 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.

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, Рн = P2н;

частота
сети f1;

линейное
напряжение статора U1лн

линейный
ток статора I1лн;

частота
вращения ротора nн;

коэффициент
мощности cos φ1н;

коэффициент
полезного действия ηн.

Если
у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть
включена в звезду или треугольник, то ука-зываются линейные напряжения и токи
для каждого из возможных соединений (Υ/Δ).

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 п1н = 60 f1/р 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 24 В 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 он 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.

Общие сведения о режимах работы асинхронного
двигателя.

В
двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве
случаев невелика и составляет лишь несколько процентов. Поэтому частоту
вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в
относительных, вводя понятие скольжения:

s
= (пс — п)/пс,

где
пс — частота вращения поля (синхронная частота вращения); п — частота вращения
ротора.

Скольжение
выражается либо в относительных единицах (s = = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в
процентах (s — 2 %; 2,5 % и т. п.).

Частота
тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и
ЭДС обмотки статора и от скольжения:

f2
— f1s;  Е’2 — E1s,

где
Е1— ЭДС обмотки статора; Е’2 — ЭДС обмотки ротора, приведенная к числу витков
обмотки статора.

Рис.
2.1. Механическая характеристика  асинхронной
машины

Теоретически
асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -∞…+∞
(рис. 2.1), но не при s = 0, так как в этом случае п — пс и проводники обмотки
ротора неподвижны относительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и
момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольжений различают
несколько режимов работы асинхронных машин (рис. 2.1): генераторный режим при s
< 0, двигательный при 0 < s < 1, трансформаторный при s = 1 и
тормозной при s > 1. В генераторном режиме ротор машины вращается в ту же
сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном —
направления вращения поля статора и ротора совпадают, но ротор вращается
медленнее поля статора: п = пс(1 — s). В трансформаторном режиме ротор машины
неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг друга.
Асинхронная машина в таком режиме представляет собой трансформатор и отличается
от него расположением первичной и вторичной обмоток (обмотки статора и ротора)
и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор
вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля статора
и машина создает момент, противоположный моменту, действующему на вал.
Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и
лишь очень небольшое количество — в генераторном и трансформаторном режимах, в
тормозном режиме — кратковременно.

Для
оценки механической характеристики асинхронного двигателя моменты, развиваемые
двигателем при различных скольжениях, обычно выражают не в абсолютных, а в
относительных единицах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному
моменту: М* = M/Мном. Зависимость М* = f(s) асинхронного двигателя (рис. 2.2)
имеет несколько характерных точек, соответствующих пусковому М*п, минимальному
М*min, максимальному М*max и номинальному М*ном моментам.

Пусковой
момент М*п характеризует начальный момент, развиваемый двигателем непосредственно
при включении его в сеть при неподвижном роторе (s — 1). После трогания
двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см.
рис. 2.2). Обычно М*min на 10…15 % меньше М*п. Большинство двигателей
проектируют так, чтобы их М*min был больше М*ном , так как они могут достигнуть
номинальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к
валу, будет меньше, чем М*min .

Максимальный
момент М*max  характеризует перегрузочную
способность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*max, двигатель
останавливается. Поэтому М*max называют также критическим, а скольжение, при
котором момент достигает максимума, — критическим скольжением sкp. Обычно sкр
не превышает 0,1…0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых,
металлургических и т. п.) sкp может быть значительно большим.

В
диапазоне 0 < s < sкр характеристика М — f(s) имеет устойчивый характер.
Она является рабочей частью механической характеристики двигателя. При
скольжениях s > sкр двигатель в нормальных условиях работать не может. Эта
часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до
выхода на рабочую часть характеристики.

Рис.
2.2. Зависимость тока и момента асинхронного двигателя от скольжения

Трансформаторный
режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена к сети, а ротор
неподвижен, называют также режимом короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток
двигателя в несколько раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем
при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный
двигатель, не рассчитанный для работы при скольжениях, близких к единице, может
находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим
короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае
он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд
или через короткие промежутки времени могут привести к превышению допустимой
температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

3. Аналитическое и графическое определение режимов
работы асинхронной машины

Электромеханическое
преобразование энергии может происходить в асинхронной машине в следующих трех
режимах:

в
режиме двигателя 0 < s < l, Ω1 > Ω > 0;

в
режиме генератора s < 0, Ω > Ω1;

в
режиме тормоза s > 1, Ω < 0.

Кроме
того, важны еще два характерных режима работы, в которых электромеханическое
преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0,
Ω = Ω1) и режим короткого замыкания (s = 1, Ω = 0).

В
режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного
момента Μ > 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в
сторону поля со скоростью, меньшей, чем скорость поля (Ω1 > Ω >
0, 0 < s < 1). В этом режиме

Ρэм
= ΜΩ1 =  > 0;    Ρмех = ΜΩ = Ρэ2  > 0.

Электрическая
мощность Р1 = Рэм + Рм + Рэ1 > 0 преобразуется в механическую мощность Р2 =
Рмех — Ρд — ΡΊ > 0, передаваемую через вал приводимой в
движение машины.

Энергетические
процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление
активной составляющей тока ротора i2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС.
Направление электромагнитного момента Μ определяется электромагнитной
силой Bmi2a, действующей на ток i2a .

Полезная
механическая мощность Р2 оказывается меньше потребляемой из сети мощности на
потери ΣΡ:

Ρ2
= Ρ1-ΣΡ = Ρ1 -(Ρэ1 + Ρм+Ρэ2 + Ρд +
Ρт),

И
КПД двигателя выражается формулой:

η
=  = 1- = f(s)

В
режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего   момента  
Мв > 0,   направленного   в   
сторону     поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со
скоростью, превышающей скорость поля (Ω > Ω1, s < 0). В этом
режиме в связи с изменением направления вращения поля (Ω^) относительно
ротора активная составляющая тока ротора г’2а изменяет свое направление иа обратное
(по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент Μ =
Bmi2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается
отрицательным (М < 0), мощности Рэ„ и Ртх также отрицательны:

Ρэм
= ΜΩ1 =  < 0;    Ρмех = ΜΩ = Ρэ2  < 0.

Рис.
3.1. Режимы работы асинхронной машины.

а
— двигательный;

б
— генераторный;

в
— тормоза;

г
— трансформатора (или короткого замыкания).

Направление
преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Рг,
подведенная к валу машины, преобразуется в электрическую мощность Plt
поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом
режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:

Ρмех
= Ρэм — Ρэ2 < 0   при   s < 0

по
абсолютному значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2):

|Ρмех|
= | Ρэм | + Ρэ2

Рис.
3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в относительных
единицах при 1/х = 1; /0 = 0,364; cos <р0 = 0,185; Хг = Х’2 = 0,125; Кг =
0,0375; R’s = 0,0425).

По
той же причине потребляемая механическая мощность

P2
= P1 — ΣΡ  < 0

по
абсолютному значению на потери больше электрической мощности, отдаваемой в
сеть:

|Ρ2|
= | Ρ1 | + ΣΡ,

и
КПД генератора

η
=  = 1-.

В
режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв
< 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины
вращается в сторону, противоположную полю (Ω<0, s =  >1). В этом режиме
электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме
двигателя (направление вращения поля Ω.5 относительно ротора остается
таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается
положительным (М > 0). Однако, поскольку Ω < 0, механическая
мощность оказывается отрицательной:

Ρмех
= ΜΩ = Ρэ2  < 0

Это
означает, что она подводится к асинхронной машине. Электромагнитная мощность в
этом режиме положительна:

Ρэм
= ΜΩ1 =  > 0

Это
означает, что она поступает из сети в машину.

Подведенные
к ротору машины со стороны сети |Ρэм| и вала |Ρмех|  мощности превращаются в электрические потери
Рэ2 в сопротивлении ротора R’2 (рис. 3.2):

|Ρмех|
+ | Ρэм | = Ρэ2  + Ρэ2 = Ρэ2 = m1 R’2(I ‘2)2 .

Асинхронная
машина в этом режиме может быть использована для притормаживания опускаемого
подъемным краном груза. При этом мощность | Ρмех | = | ΜΩ |
поступает в ротор машины (см. рис. 3.1).

В
режиме идеального холостого хода внешний вращающий момент Μв, момент
трения Μт = Ρт/Ω и момент, связанный с добавочными потерями, Мд
= Ρд/Ω равны нулю. Ротор вращается со скоростью поля (Ω =
Ω1, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Рмех =
ΜΩ = 0).

В
режиме идеального холостого хода внешний момент, приложенный к валу машины,
равен нулю (Мв = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения
вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и
вращающееся поле (Ω = Ω1), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи
в обмотке ротора не индуктируются (I2=0), и электромагнитный момент,
уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0).

Режим
холостого хода асинхронной машины аналогичен режиму холостого хода
трансформатора. В асинхронной машине и в трансформаторе ток в этом режиме
имеется только в первичной обмотке I1 ≠ 0, а во вторичной — отсутствует
(I2 = 0); в машине и в трансформаторе магнитное поле образуется в этом режиме
только первичным током, что позволяет называть ток холостого хода
намагничивающим током (I1 = I0). В отличие от трансформатора система токов I0 в
фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле.

По
аналогии с трансформатором уравнение напряжений необходимо составить при
холостом ходе только для фазы обмотки статора, являющейся первичной обмоткой:

,

где
  — ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся
магнитным полем с потоком Фга;

   — 
фазное напряжение первичной сети;

R1,
Х1  — активное и индуктивное
сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).

В
силу малости падений напряжений X1I0 и R1I0 напряжение  почти полностью
уравновешивается ЭДС   т. е.  = —.

В
режиме холостого   хода R’мех = R’2 = ∞,    ток   R’2 = 0 и схема  замещения содержит только одну ветвь Z1 + Z0
(Т-образная и Г-образная схемы не отличаются друг от друга).

В
режиме короткого замыкания под действием внешнего момента Μ в,
уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор удерживается в
неподвижном   состоянии (Ω = 0, s =  = 1) и не совершает
полезной механической работы (Рмех = Μ Ω = 0).

Направление
тока i2a и электромагнитного момента Μ остается таким же, как в режиме
двигателя, и Μ > 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Рэм =
ΜΩ1 > 0 — она поступает в ротор из статора и превращается в
электрические потери (Рэм = = Рэ2). В этом режиме асинхронная машина работает
как коротко-замкнутый со вторичной стороны трансформатор, отличаясь от него
только тем, что в ней существует вращающееся поле взаимной индукции вместо
пульсирующего поля в трансформаторе.

В
режиме короткого замыкания R’мех = R’2 = 0 и сопротивление схемы замещения по рис. 42-3
определяется параллельно включенными сопротивлениями Z1 + Z0 и Z1 + Z’2. Имея в
виду, что |Z1 + Z’2| « |Z1 + Z0|, можно отбросить ветвь Z1 + Z0 и считать
сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным

Zк
= Z1 + Z’2 = Rк + jXк     (43-3)

где

Rк=
R1+ R’2

Если
к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему
дополнительных сопротивлений R2д + jХ2д, то она будет работать как
трансформатор, преобразующий электрическую энергию, поступающую из первичной
сети, в электрическую энергию с другими параметрами, потребляемую
дополнительными сопротивлениями R2д + jХ2д. Поэтому режим при s = 1 называется
также режимом трансформатора.

Изменить
режим работы асинхронной машины или скольжение машины в данном режиме (при U1 =
const и f1 = const) можно только путем изменения внешнего момента Мв,
приложенного к валу машины. При Мв = 0 ротор вращается со скоростью поля
(Ω = Ω1, s = 0) и машина не совершает полезного преобразования
энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента Мв, направленного
против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока
не появится электромагнитный момент Μ = f(s),  который 
уравновесит момент Мв. Машина переходит в режим   двигателя s =  > 0.    Наоборот,  
при   воздействии внешнего момента
Мв направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем
скорость поля (Ω > Ω1), и машина переходит в режим генератора (s=<0).

Наконец,
к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя, изменяя внешний момент Мв
таким образом, чтобы ротор сначала остановился, а затем пришел во вращение в
противоположную сторону (по отношению к полю).

Список литературы

Иванов-Смоленский
А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с.,
ил.

Вольдек
А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л.,
«Энергия», 1974.

Проектирование
электрических машин: Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк.,
2002. – 757 с.: ил.

Дата добавления: 29.06.2006

Режимы работы асинхронных двигателей.

Холостой ход.

Если пренебречь трением и магнитными потерями в стали (идеализированная машина), то ротор асинхронного двигателя при холостом ходе вращался бы с синхронной частотой n=n₁ в ту же сторону, что и поле статора; следовательно, скольжение было бы равно нулю. Однако в реальной машине частота вращения ротора n при холостом ходе никогда не может стать равной частоте вращения n₁, так как в этом случае магнитное поле перестанет пересекать проводники обмотки ротора и в них не возникнет электрический ток.

Поэтому двигатель в этом режиме не может развить вращающего момента и ротор его под влиянием противодействующего момента сил трения начнет замедляться. Замедление ротора будет происходить до тех пор, пока вращающий момент, возникший при уменьшенной частоте вращения, не станет равным моменту, создаваемому силами трения. Обычно при холостом ходе двигатель работает со скольжением s = 0,2-0,5 %.

При холостом ходе в асинхронном двигателе имеют место те же электромагнитные процессы, что и в трансформаторе (обмотка статора аналогична первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора—вторичной обмотке). По обмотке статора проходит ток холостого хода I₀, однако его значение в асинхронном двигателе из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20—40 % номинального тока по сравнению с 3—10 % у трансформатора). Для уменьшения тока I₀ в асинхронных двигателях стремятся выполнить минимально возможные по соображениям конструкции и технологии зазоры.

Например, у двигателя мощностью 5 кВт зазор между статором и ротором обычно равен 0,2—0,3 мм. Ток холостого хода, так же как и в трансформаторе, имеет реактивную и активную составляющие. Реактивная составляющая тока холостого хода (намагничивающий ток) обеспечивает создание в двигателе требуемого магнитного потока, а активная составляющая — передачу в обмотку статора из сети энергии, необходимой для компенсации потерь мощности в машине в этом режиме.

Нагрузочный режим.

Чем больше нагрузочный момент на валу, тем больше скольжение и тем меньше частота вращения ротора. Увеличение скольжения при возрастании момента объясняется следующим образом. При увеличении нагрузки на валу ротора он начинает тормозиться и частота его вращения т уменьшается.

Но одновременно увеличивается частота n₁— n персечения вращающимся полем проводников обмотки ротора, а следовательно, э. д. с. Е₂, индуцированная в этой обмотке, ток в роторе I₂ и образованный им электромагнитный вращающий момент М. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока электромагнитный момент двигателя M не сравняется с нагрузочным моментом М_вн.

При достижении равенства моментов М = М_вн торможение прекратится и двигатель будет снова вращаться с постоянной частотой вращения, но меньшей, чем до увеличения нагрузки. При уменьшении нагрузочного момента М_вн частота вращения ротора по той же причине будет увеличиваться. Обычно при номинальной нагрузке скольжение для двигателей средней и большой мощности составляет 2—4 %, а для двигателей малой мощности от 5 до 7,5 %.

При работе двигателя под нагрузкой по обмоткам его статора и ротора проходят токи i₁ и i₂. Частота тока в обмотках статора f₁ и ротора f₂ определяется частотой пересечения вращающимся магнитным полем проводников соответствующей обмотки. Обмотка статора пересекается магнитным полем с частотой n₁, а обмотка вращающегося ротора — с частотой n₁ — n. Следовательно,

f₂/f₁ = (n₁— n)/n₁= s или f₂ = f₁s (83)

Передача электрической энергии из статора в ротор происходит так же, как и в трансформаторе. Двигатель потребляет из сети электрическую мощность P_эл = 3U₁I₁cosφ₁ и отдает приводимому им во вращение механизму механическую мощность Р_мх (рис. 260).

Рис. 260. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

В процессе преобразования энергии в машине имеют место потери мощности: электрические в обмотках статора ΔР_эл1 и ротора ΔР_эл2, магнитные ΔР_м от гистерезиса и вихревых токов в ферромагнитных частях машины и механические ΔР_мх от трения в подшипниках и вращающихся частей о воздух.

Из статора в ротор вращающимся электромагнитным полем передается электромагнитная мощность P_эм роторе она превращается в механическую мощность ротора Р’_мх. Полезная механическая мощность на валу двигателя P_мх меньше мощности Р’_мх на значение потерь мощности на трение ?Р_мх.

При возрастании механической нагрузки на валу двигателя увеличивается ток I₂. В соответствии с этим возрастает и ток I₁ в обмотке статора.

Электромагнитный момент М создается в асинхронном двигателе в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с током I₂, индуцируемым им в проводниках обмотки статора. Однако в создании его участвует не весь ток I₂, а только его активная составляющая I₂cosφ₂ (здесь φ₂ — угол сдвига фаз между током I₂ и э. д. с. Е₂ в обмотке ротора).

Поэтому

M = c_мФ_тI₂ cosφ₂ (84)

где

Ф_т — амплитуда магнитного потока, созданного обмоткой статора;

c_м — постоянная, определяемая конструктивными параметрами данной машины и не зависящая от режима ее работы.

Поясним физический смысл формулы (84). На рис. 261 изображен ротор двухполюсного асинхронного двигателя в развернутом виде, на котором кружками показаны поперечные сечения проводников.

Крестики и точки внутри проводников обозначают направление в них тока i₂, а под проводниками — направление индуцированных э. д. с. e₂, которые пропорциональны индукции В в данной точке воздушного зазора между статором и ротором. Кривая В показывает распределение вдоль окружности ротора индукции, создаваемой вращающимся магнитным полем, кривая i₂ — распределение тока в проводниках, а кривая f — распределение электромагнитных сил, возникающих в результате взаимодействия тока (а с вращающимся магнитным полем.

Электромагнитный вращающий момент М, создаваемый в результате совместного действия всех сил f, будет пропорционален среднему значению электромагнитной силы fср. Легко заметить, что к проводникам, лежащим на дуге, равной 180° — φ₂, приложены силы f, увлекающие ротор за вращающимся магнитным полем, а на дуге φ₂ — тормозящие силы. Поэтому при неизменном токе I2 среднее значение электромагнитной силы f_ср, а следовательно, и электромагнитный момент М будут тем больше, чем меньше угол φ₂. Электромагнитный момент М зависит от скольжения s.

Рис. 261. Распределение индукции В, тока i2 и электромагнитных сил f, действующих на проводники асинхронного двигателя

Так, при увеличении скольжения возрастает э. д. с. Е₂ в обмотке ротора и ток I₂. Однако одновременно уменьшается cosφ₂, так как активное сопротивление обмотки ротора R₂ остается неизменным, а реактивное Х₂ увеличивается (возрастает частота тока f₂ в обмотке ротора).

При s < 10-20% увеличение скольжения приводит к незначительному уменьшению cos φ₂, вследствие чего активная составляющая тока в обмотке ротора I₂cos φ₂ и электромагнитный момент М возрастают.

При некотором критическом скольжении s_кр двигатель развивает наибольший момент М_max, который определяет его перегрузочную способность. При дальнейшем увеличении скольжения (большем s_кр) происходит резкое уменьшение cos ?₂, поэтому активная составляющая тока I₂cos φ₂ и электромагнитный момент М уменьшаются.

Номинальный вращающий момент Мном двигатели средней и большой мощности развивают при скольжении S_ном = 2-4%.

Согласно государственным стандартам на асинхронные двигатели отношение M_max/M_ном = 1,8-2,5. Критическое скольжение s_кр для мощных двигателей составляет 5—10%, для двигателей средней и малой мощности — от 10 до 20 %.

Асинхронный двигатель, как и любая электрическая машина, может работать в генераторном режиме, создавая тормозной момент. Этот режим используется для электрического торможения приводов.

Режим пуска.

В начальный момент пуска ротор двигателя неподвижен: скольжение s=1, магнитное поле пересекает ротор с максимальной частотой, индуцируя в нем наибольшую э. д. с. Е₂. Так как ток в роторе I₂ определяется значением э. д. с. Е₂, то в начальный момент пуска он будет наибольшим. Наибольшим будет и ток в статоре.

Обычно пусковой ток двигателя в 5—7 раз больше номинального. Вращающий момент Мп при пуске называется пусковым. Он обычно меньше наибольшего момента, который может развить двигатель. Для двигателей различных типов и мощностей отношение М_п/М_ном = 0,7 – 1,8.