Характеристика асинхронного двигателя

Коэффициент мощности асинхронной машины определяют как отношение активного тока к полному току или активной потребляемой мощности к полной мощности по выражению

.                            

 

Асинхронный двигатель, так же как и трансформатор, не зависимо от нагрузки потребляет из сети отстающий ток, поэтому его  всегда меньше единицы.

При холостом ходе асинхронного двигателя коэффициент мощности мал и составляет 0,08-0,15 (рис.3.9). Это объясняется малой величиной активной составляющей тока, идущего на покрытие лишь достаточно небольших потерь активной мощности. В то же время реактивная составляющая тока холостого хода сравнительно велика, поскольку потребляется двигателем для создания основного магнитного потока, практически не зависящего от нагрузки. При увеличении нагрузки сначала довольно быстро растет при увеличении момента на валу, затем рост его замедляется и достигает максимума при мощности, близкой номинальной (рис. 3.9). Но при увеличении момента уменьшается частота вращения и растет скольжение. При этом увеличивается частота тока в роторе , его индуктивное сопротивление , что ведет к уменьшению и активной составляющей тока ротора (рис. 4.10). Снижается и , как правило, при нагрузках выше номинальных.

Вследствие массового использования  асинхронных двигателей для рационального  электроснабжения предприятий следует  так организовывать технологический  процесс, чтобы асинхронные двигатели  были загружены в соответствии с  их номинальной мощностью и не работали на холостом ходу.

Величина коэффициента мощнос-ти для двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 100 кВт достигает 0,7-0,9, а для двигателей свыше 100 кВт = 0,9-0,95. В двигате-лях с фазным ротором и КПД несколько ниже, что объясняется дополнительными потерями на трение щеток, худшим использованием объема ротора из-за наличия изоляции в его пазах и увеличением намагничивающего тока в результате уменьшения сечения зубцов ротора.

 

 

3.8 Работа асинхронного двигателя при неноминальных условиях

Питание двигателя  несимметричным напряжением

 

Несимметричную систему  напряжений раскладывают на системы  прямой и обратной последовательности и рассматривают действие на двигатель  каждой из них. Система нулевой последовательности у двигателей, обмотки статора которых соединены по схеме «звезда», отсутствует, поскольку нулевые точки, как правило, не зануляют и не заземляют. В схеме «треугольник» система нулевой последовательности не создает вращающегося магнитного поля и момента.

Частота тока в роторе от поля прямой последовательности известна. Магнитное поле обратной последовательности наведет в обмотке ротора ток большей частоты, так как относительная частота вращения обратного поля относительно вращающегося ротора больше:

 

.        

 

Ток в роторе от составляющей прямой последовательности:

 

.                      

 

Ток в роторе от составляющей обратной последовательности:

 

.              

 

Соответственно моменты:

 

,                  

 

.           

 

В формулах сопротивления  за счет большой частоты ( ) токов в роторе от обратных полей, а из-за большего эффекта вытеснения.

Результирующий момент (рис. 3.11) при условии, что обратные поля создают тормозной момент на валу двигателя,

 

.     

 

Следовательно, чтобы двигатель  развивал такой же электромагнитный момент , что и при симметрии питающего напряжения, его момент следует увеличить на величину момента , что приведет       к возрастанию примерно в раз.

Под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент снижается и скольжение при том же нагрузочном моменте на валу возрастает (рис. 3.11). Из-за этого, а также под действием тока увеличиваются потери энергии в обмотке ротора и нагрев машины, уменьшается ее КПД. 

 

 

 

 

3.9 Обрыв фазы обмотки статора

 

При обрыве фазы обмотки  статора пуск трехфазного асинхронного двигателя аналогичен пуску однофазного  двигателя: его результирующий момент . Ротор двигателя находится в неподвижном состоянии и не может разогнаться. Пусковой ток в оставшихся в работе фазах приблизительно в пять раз больше номинального и, если двигатель не отключить от сети, он выйдет из строя.

Если ротор  двигателя в момент обрыва вращается, то момент прямого поля , и при результирующем моменте, большем, чем момент нагрузки на валу, двигатель будет продолжать вращаться. Однако максимальный момент оказывается существенно меньшим, чем при неповрежденной фазе. Частота вращения при переходе в однофазный режим остается приблизительно одинаковой, поэтому мощность на валу также остается приблизительно прежней. Ток в однофазном режиме увеличивается в 1,5–2 раза. При работе двигателя с нагрузкой, близкой к номинальной, его обмотки быстро перегреваются и двигатель выходит из строя.

 

3.10 Обрыв фазы обмотки ротора

 

Симметричная система  напряжений и соответственно сопротивлений  статорной обмотки обеспечивают возникновение только синхронного (прямого) поля , наводящего в фазах ротора также симметричные ЭДС. Система же роторных токов, вследствие несимметрии сопротивлений, будет асимметричной. Разложением ее получают две составляющие – прямую и обратную, каждая из которых изменяется с частотой .

Составляющей нулевой последовательности не будет, так как роторные обмотки соединены по схеме звезда.

Токи прямой последовательности и обратной последовательности образуют магнитные потоки и . Составляющая прямой последовательности потока вращается относительно ротора       с частотой:

,                                 

 

но ротор сам вращается  с частотой . Следовательно, частота вращения потока относительно статора, оказывается равной частоте вращения поля статора:

.                                    

Момент от прямой составляющей тока – асинхронный момент симметричного  режима (кривая , рис. 3.12).

Составляющая обратной последовательности потока вращается  относительно самого ротора с той  же частотой вращения , что и прямое поле (так как частоты у них одинаковые), но относительно статора имеет другую частоту вращения:

 

.                        

 

В начале разгона  ротора, когда  , частота вращения обратного поля относительно статора отрицательная, т. е. поток вращается против основного поля статора. Набегая на про-водник статора справа (рис. 3.13, а), поток наводит в нем ЭДС (и активную составляющую тока) знака точки. Взаимодействуя с потоком , ток создает электромагнитную силу f, направленную (по правилу левой руки) влево. Проводник статора закреплен и переместиться не может. Следовательно, под действием этой силы станет перемещаться подвижно укрепленный ротор, но в противоположную сторону или по вращению основного потока и ротора, способствуя моменту .

 

 Во второй половине времени разгона, когда  , частота вращения обратного поля  положительна. Знак наводимых этим полем ЭДС и активной составляющей тока в проводнике статора изменяется на противоположный, вместе с этим изменяется и направление электромагнитной силы (рис. 3.13, б). Сила f стремится теперь сдвинуть проводник статора вправо, по вращению ротора, отталкивая ротор влево, против его вращения, и создавая таким образом тормозной момент на валу двигателя.

При скольжении частота вращения обратного поля равна нулю, взаимодействия между полями ротора и статора нет, отсутствует и какой-либо момент.

Форма кривой момента  от токов и потоков обратной последовательности показана на рис. 3.12. Результирующая кривая момента , образованная сложением моментов и , имеет провал на частоте вращения, близкой к полусинхронной ( ).

Если момент сопротивления  двигателя  , больше минимума электромагнитного момента , то в точке А моменты уравновесятся и ротор станет устойчиво вращаться с частотой . Ток обмотки статора превышает номинальный.

Это явление известно под названием  одноосного  включения.  При крайней асимметрии роторной цепи, когда обрывается, например, провод в одной из фаз, результирующий момент при становится отрицательным.

 

 

ТЕСТ ДЛЯ САМОПРОЕРКИ

ТЕМА: ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

 

1. МАКСИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МОМЕНТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ДОСТИГАЕТСЯ ПРИ…

1. ;  б) ; в) ; г) .

(Эталон: г).

 

2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА – ЭТО ЗАВИСИМОСТИ ВИДА:

1. ;
2. ;
3. ;
4. ;

(Эталон: а, б).

3. МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАВЕН:

1. ;  б) ;  в)

(Эталон: а).

 

4. ФОРМУЛА ПРИБЛИЖЕННОГО РАСЧЕТА КРИТИЧЕСКОГО СКОЛЬЖЕНИЯ:

1. ; б) ; в) ; г) .

(Эталон: г).

5. МЕХЕНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИДА b И c АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (a-ЕСТЕСТВЕННАЯ) ПОЛУЧАЮТСЯ ПРИ …

 

 

 

 

 

1. изменении числа пар полюсов машины;
2. увеличении момента нагрузки на валу;
3. изменении частоты напряжения сети;
4. уменьшении напряжения питающей сети;
5. введении активного добавочного сопротивления в обмотку ротора.

(Эталон: г).

 

6. СООТНОШЕНИЯ ТОКОВ РОТОРА ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ В ТОЧКАХ а, б, в И г МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

1. ;
2. ;
3. .

(Эталон: а).

 

7. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВИДА b И c ПОЛУЧАЮТ ПРИ….

 

 

 

 

 

1. изменении частоты  напряжения сети;
2. уменьшении напряжения питающей сети;
3. увеличении момента нагрузки на валу;
4. изменении числа пар полюсов машины;
5. введении активного добавочного сопротивления в обмотку ротора.

(Эталон: д).

 

8. ВИД ПРИБЛИЖЕННОЙ ФОРМУЛЫ КЛОССА:

1. ; б) ;

в) ; г)  .

(Эталон: б).

9. РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОСТОЯННОМ МОМЕНТЕ НА ВАЛУ В ТОЧКАХ a, b, c МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ….

 

 

 

 

 

1. а и b устойчива, с не устойчива;
2. а, b и с устойчива;
3. а и с устойчива, b не устойчива;
4. а устойчива, b и с не устойчива;
5. b и с устойчива, а неустойчива.

(Эталон: д).

 

10. ВЫРАЖЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ:

1. ;
2. ;
3. ;
4. .

(Эталон: а)

 

11. ФОРМУЛЫ ОПИСЫВАЮЩИЕ УСТОЙЧИВУЮ РАБОТУ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ:

1. ;  б) ;

в)  ;  г) .

(Эталон: а, г).

 

12. СООТВЕТСТВИЕ РАБОТА АСИХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УЧАСТКОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

 

 

 

 

 

 

 

• 1.a   а) устойчива без ограничений;
• 2.b   б) не устойчива;
• 3.c в) устойчива, но при длительной работе двигателя момент нагрузки на валу не должен превышать номинальный;

г) устойчива, но не применяется  из-за больших токов в обмотках, сопровождающихся выгоранием изоляции обмоток;

(Эталон: 1-а, 2-б, 3-г).

 

13. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ – ЭТО ЗАВИСИМОСТИ ВИДА:

1. ; б) ; в) ; г) .

(Эталон: б, г).

 

 

14. ВИД КРИВОЙ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ОТ НАГРУЗКИ:

1. гипербола;
2. парабола;
3. прямая из начала координат;
4. кривая, слабо наклоненная к оси абсцисс.

(Эталон:  г).

 

15. ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОСТОЯННЫХ ПОТЕРЬ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ:

1. магнитные; б) механические;

в)  электрические в  обмотках статора и ротора;

г)  электрические холостого  хода;

(Эталон: а, б, г)

 

16. ТОК ХОЛОСТОГО ХОДА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА….

1. не изменится;
2. увеличится;
3. уменьшится.

(Эталон: б)

17. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА….

1. не изменится;
2. увеличится;
3. уменьшится.

(Эталон: в)

18. УСЛОВИЕ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМУМА ЗНАЧЕНИЯ КПД:

1. переменные и постоянные потери равны;
2. переменные потери меньше постоянных;
3. переменные потери больше постоянных;
4. нагрузка двигателя составляет 20%.

(Эталон: а)

19. ПРИЧИНА МАЛОГО ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА:

1. магнитопровод машины собран из листов электротехнической стали;
2. есть немагнитный зазор между статором и ротором;
3. для намагничивания машины из сети потребляется в основном реактивная мощность;
4. обмотки статоров асинхронных машин выполняют из материалов с малым активным сопротивлением;
5. в асинхронных машинах малы потери холостого хода.