Асинхронные двигатели (стр. 2 из 3)

Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n = n0). При этом в обмотке ротора ЭДС E2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I2 = 0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

S = (n0 – n) / n0 или S = [(n0 – n) / n0] 100%

При пуске в ход асинхронного двигателя n=0, S=1. В режиме идеального холостого хода n = n0, S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах:

0 < S ≤ 1.

При работе асинхронных двигателей в номинальном режиме:

Sn = (2 ÷ 5)%.

В режиме реального холостого хода асинхронных двигателей:

Sхх = (0,2 ÷ 0,7)%.

Режим генератора

Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n > n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.

Пусть n > n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).

Рис. 2.10

При n > n0, S = 0.

При n → +∞, S → -∞.

Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах:

0 > S > -∞.

Режим электромагнитного тормоза

Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении.

Согласно рис. 2.11 электромагнитная сила будет создавать тормозной электромагнитный момент, под действием которого будет снижаться частота вращения ротора, а затем произойдёт реверс.

В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.

Рис. 2.11

При n = n0, S = 1.

При n → -∞, S → +∞.

Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах:

0 < S < ∞.

Процессы в асинхронной машине

Цепь статора

а) ЭДС статора.

Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, вращается относительно неподвижного статора с частотой n0 = (60 f) / p и будет наводить в обмотке статора ЭДС. Действующее значение ЭДС, наводимой этим полем в одной фазе обмотки статора определяется выражением:

E1 = 4,44 w1 k1 f Ф,

где: k1=0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент;

f1=f – частота сети;

w1 – число витков одной фазы обмотки статора;

Ф – результирующее магнитное поле в машине.

б) Уравнение электрического равновесия фазы обмотки статора.

Это уравнение составлено по аналогии с катушкой с сердечником, работающей на переменном токе.

Здесь Ú и Ú1 – напряжение сети и напряжение, подведённое к обмотке статора.

R1 – активное сопротивление обмотки статора, связанное с потерями на нагрев обмотки.

x1 – индуктивное сопротивление обмотки статора, связанное с потоком рассеяния.

z1 – полное сопротивление обмотки статора.

İ1 – ток в обмотке статора.

При анализе работы асинхронных машин часто принимают I1 z1 = 0. Тогда можно записать:

U1 ≈ E1 = 4,44 w1 k1 f Ф.

Из этого выражения следует, что магнитный поток Ф в асинхронной машине не зависит от её режима работы, а при заданной частоте сети ƒ зависит только от действующего значения приложенного напряжения U1. Аналогичное соотношение имеет место и в другой машине переменного тока – в трансформаторе.

Цепь ротора

а) Частота ЭДС и тока ротора.

При неподвижном роторе частота ЭДС f2 равна частоте сети f.

f2 = f = (n0 p) / 60.

При вращающемся роторе частота ЭДС ротора зависит от частоты вращения магнитного поля относительно вращающегося ротора, которая определяется соотношением:

n' = n0 – n.

Тогда частота ЭДС вращающегося ротора:

Частота ЭДС ротора изменяется пропорционально скольжению и в режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска в ход.

Пусть при f = 50 Гц, номинальное скольжение Sн = 2%. Тогда при номинальной частоте вращения ротора f2 = f × Sн = 1 Гц.

Таким образом, в обмотке ротора асинхронной машины частота наводимой ЭДС зависит от частоты вращения ротора.

б) ЭДС ротора.

При неподвижном роторе f2 = f и действующее значение ЭДС определяется по аналогии с E1.

E2 = 4,44 w2 k2 f Ф,

где: w2 и k2 – соответственно число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Если ротор вращается, то f2 = f × Sн и ЭДС вращающегося ротора определяется соотношением:

E2S = 4,44 w2 k2 f2 Ф = E2 S.

ЭДС, наводимая в обмотке ротора, изменяется пропорционально скольжению и в режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска в ход.

Отношение ЭДС статора к ЭДС неподвижного ротора называется коэффициентом трансформации асинхронной машины.

в) ток ротора.

Запишем уравнение равновесия для одной фазы короткозамкнутого ротора.

При неподвижном роторе.

где: x2 = 2 π f L2 – индуктивное сопротивление обмотки неподвижного ротора, связанное с потоком рассеяния;

R2 – активное сопротивление обмотки ротора, связанное с потерями на нагрев обмотки.

При вращающемся роторе.

где: – индуктивное сопротивление обмотки вращающегося ротора.

Для тока ротора в общем случае можно получить такое соотношение:

Отсюда следует, что ток ротора зависит от скольжения и возрастает при его увеличении, но медленнее, чем ЭДС.

г) поле ротора

Обмотка ротора, как и обмотка статора, является многофазной и при появлении в ней тока создаёт своё вращающееся магнитное поле. Обозначим через n2 частоту вращения магнитного поля ротора относительно ротора.

n2 = (60 f2) / p= (60 f S) / p.

Здесь p – число пар полюсов обмотки ротора, оно всегда равно числу пар полюсов обмотки статора.

Относительно статора магнитное поле ротора вращается с частотой

Из полученного соотношения следует, что магнитное поле ротора относительно статора вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Таким образом, магнитные поля ротора и статора относительно друг друга неподвижны. Поэтому при анализе работы асинхронной машины можно применить те же соотношения, что и трансформаторе.

Ток статора

Так как результирующее магнитное поле асинхронной машины не зависит от её режима работы, можно составить для одной фазы уравнение магнитодвижущих сил, приравняв магнитодвижущую силу в режиме холостого хода к сумме магнитодвижущих сил в режиме нагрузки.

– составляющая тока статора, которая компенсирует действие магнитодвижущей силы обмотки ротора. Полученное выражение для тока статора отражает свойство саморегулирования асинхронной машины. Чем больше ток ротора, тем больше ток статора. В режиме холостого хода ток статора минимальный. В режиме нагрузки ток статора возрастает. Ток реального холостого хода асинхронной машины и значительно больше по сравнению с номинальным током, чем у трансформатора. Это объясняется тем, что величина тока I0 зависит от магнитного сопротивления среды, в которой создаётся магнитное поле. У асинхронной машины, в отличие от трансформатора, есть воздушный зазор, который создаст большое сопротивление магнитному полю.

Электромагнитный момент асинхронной машины

Электромагнитный момент возникает при наличии магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Можно показать, что электромагнитный момент определяется соотношением:

М=СФI2cosψ2.

Здесь:

– конструктивный коэффициент;

ω0 = 2 π f / p – скорость вращения магнитного поля;

ψ2 – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора;

I2 cos ψ2 – активная составляющая тока ротора.

Таким образом, величина электромагнитного момента зависит от результирующего магнитного поля Ф и активной составляющей тока ротора.

На рис. 2.12 приведено пояснение влияния cosψ2 на величину электромагнитного момента: а) ψ2 = 0°, (cos ψ2 = 1); б) ψ2 = 90°, (cos ψ2 = 0).