Режим работы электрического двигателя

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.