Явления в асинхронном электродвигателе в процессе работы

В асинхронном электродвигателе обмотки статора и ротора электрически не связаны, между ними существует только магнитная связь. Энергия из обмотки статора передается в обмотку ротора магнитным полем. В этом отношении асинхронный электродвигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора — вторичной и работающему на активную нагрузку.

Во время работы электродвигателя ротор вращается в сторону вращения поля с частотой n =n₁(1-s). По этому частота вращения основного потока Ф относительно ротора равна разности n_s = n₁ – n и также зависит от скольжения n_s =n₁- n = n₁ –n₁(1-s)= sn₁. Пропорционально этой частоте вращения изменяется частота f₂ э. д. с. и тока ротора или, иначе, частота скольжения ротора

f=

т. е. частота тока ротора пропорциональна частоте тока статора и скольжению.

Ток ротора, протекая по обмотке, создает свое магнитное поле, вращающееся относительно самого ротора с частотой

n_s =

Так как ротор также вращается с частотой n=n₁(1-s), то в пространстве поле ротора вращается с частотой

n_s + n = sn₁ + n₁(1-s) = n₁

Таким образом магнитное поле ротора вращается в пространстве с такой же частотой, как и магнитное поле статора. Другими словами, поле ротора и поле статора вращаются синхронно, несмотря на разные частоты токов статора и ротора. Действуя в одной и той же магнитной цепи, они создают результирующий магнитный поток Ф асинхронного электродвигателя. Следовательно, результирующее магнитное поле создается совместным действием м.д.с. статора и м.д.с. ротора.

Вращающий момент трехфазного асинхронного двигателя

Мощность, подводимая к статору к статору электродвигателя определяется формулой Р₁= 3 U₁I₁ cos φ =

где I₁U₁ — фазные величины напряжения и силы тока;

U,I—линейные значения напряжения и силы тока;

соs φ — коэффициент мощности электродвигателя.

Часть этой мощности теряется в статоре электродвигателя в виде потерь в стали Р_с и потерь в меди Р_м1. Другая же большая часть подводимой к статору мощности электромагнитным путем передается ротору. Эта мощность называется электромагнитной и определяется формулой Р_{ψ =} Р₁ – Р_м1 -Р_с

Часть электромагнитной мощности теряется в роторе в виде потерь в меди Р_м2, а остальная часть преобразуется в механическую, т. е.

Р_м =Рψ - Р_м2

В машине имеются также механические потери Р_мех, обусловленные трением вращающихся частей о воздух и в подшипниках, и добавочные Р_д, вызванные наличием в машине полей рассеяния и пульсацией поля в зубцах ротора и статора. Поэтому полезная мощность на валу асинхронного электродвигателя равна

Р₂ = Р_м – Р_мех - Р_д

Процесс преобразования электрической мощности в механическую сопровождается возникновением в асинхронном электродвигателе электромагнитного вращающего момента. Последний создается взаимодействием тока ротора с магнитным потоком машины. Установим выражение для вращающего момента и рассмотрим механическую характеристику асинхронного электродвигателя.

Вращающий момент электродвигателя М может быть определен по величине механической мощности Р, на валу ротора, вращающегося с угловой скоростью ω_р = π n/30, и по

величине электромагнитной мощности Р_ψ, передаваемой со статора на ротор магнитным потоком, вращающимся с угловой скоростью ω₁ = π n/30 = 2 π f₁/p т.е.

М =

Учитывая, что ω_р = ω₁(1-s) из выражения найдем P_м = ω_рМ= ω₁(1-s)М=(1-s) Р_ψ

подставив это значение Р_м в уравнение для Р_м, получим

Р_м2 = s Р_ψ

Откуда можно получить выражение вращающего момента

М =

По условию приведения ротора к статору Р_{м2 =} m₂I₂²r₂ = m₁

Пренебрегая током холостого хода получим упрощенную схему замещения (рис.5).

Рис.5 .Схема замещения асинхронного двигателя

Из этой схемы имеем

где U₁ — фазное напряжение обмотки статора.

Подставляя в уравнение для момента значение , а также значение ω=2πf₁/p, получим выражение для вращающего момента

М =

где р — число пар полюсов асинхронной машины.Из выражения для момента следует, что, во-первых, вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения. Это означает, что асинхронный электродвигатель весьма чувствителен к колебаниям напряжения. Во-вторых, вращающий момент обратно пропорционален частоте питающего напряжения. В-третьих, вращающий момент зависит от скольжения s, т. е. от частоты вращения двигателя, и от активного и индуктивного сопротивлений обмоток статора и ротора. На основании уравнения , определяющего вращающий момент, можно построить кривую(рис.) зависимости момента от скольжения М=f(s). Эта кривая называется механической характеристикой асинхронного электродвигателя.

Рис.6 Механическая характеристика

В момент пуска электродвигателя в ход s = 1. Следовательно, пусковой момент, развиваемый машиной, определяется по выражению

М =

Под действием пускового момента ротор электродвигателя начинает вращаться и по мере разгона скольжение уменьшается, а вращающий момент увеличивается. При скольжении s_k вращающий момент достигает M_m. При дальнейшем уменьшении скольжения вращающий момент уменьшается примерно пропорционально скольжению.

Рассматриваемая механическая характеристика имеет два принципиально различных участка. Первый из них ОВ соответствует устойчивой работе электродвигателя, так как на этом участке в случае увеличения на грузки скольжение увеличивается и вместе с этим увеличивается вращающий момент, поддерживающий устойчивую работу двигателя. Наоборот, второй участок ВА соответствует неустойчивой работе электродвигателя так как при увеличении нагрузки скольжение возрастает, а вращающий момент уменьшается.

Отношение максимального момента к номинальному k_m = M_m/M_н называется перегрузочной способностью асинхронного электродвигателя. Обычно k_m =1,8 - 2,5 у электродвигателей нормального исполнения, k_m =2,8 - 3,5 - у электродвигателей специального исполнения

Пуск, реверс, торможение и регулирование частоты вращения асинхронных

Электродвигателей

Основными величинами, определяющими способы пуска в ход трехфазных асинхронных электродвигателей, является пусковой момент и сила пускового тока. Действительно, для того чтобы асинхронный электродвигатель тронулся с места и развил установившуюся частоту вращения, пусковой момент должен быть больше момента сопротивления. В общем случае, т. е. при пуске электродвигателя под нагрузкой, пусковой момент должен превышать момент сопротивления, равный сумме моментов холостого хода М₀, полезной нагрузки М_н и сил инерции системы М_j т. е.

М_п = Мо + Мн + Мj.

Сила пускового тока асинхронного электродвигателя при s=1

I_п =

по возможности должна быть наименьшая и не превышать допустимого предела для данного источника или системы питания.

В соответствии с этим к пуску асинхронных двигателей и предъявляются следующие основные требования:

а) кратность пускового момента у_м = по возможности должна быть наибольшая;

б) кратность силы пускового тока у_i= возможности должна быть наименьшая;

в) в ряде случаев учитываются продолжительность и плавность пуска в ход электродвигателя.

Эти требования в основном и определяют способы пуска в ход трехфазных асинхронных электродвигателей.

Способы пуска асинхронных двигателей и соответствующие схемы пуска должны быть максимально простыми, надежными и экономичными. Однако в некоторых случаях способ пуска должен сводить к возможному минимуму отрицательные качества обычного

асинхронного двигателя при пуске, т. с. большой пусковой ток и малый пусковой момент.

Таким образом, способ пуска должен выбираться в соответствии имеющимися условиями и требованиями. В настоящее время применяются несколько способов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Прямой пуск. Этот способ пуска заключается в том, что асинхронный двигатель непосредственно подключается к сети с помощью обычного рубильника или автоматического выключателя.

Данный способ пуска является в настоящее время наиболее распространенным и применяется в тех случаях, когда не требуется ограничения пускового тока,

Возможность такого идеально простого и быстрого пуска является одним из основных преимуществ короткозамкнутых двигателей.

Пуск при пониженном напряжении. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю при пуске напряжения: Включение в цепь статора реактивного (реактора) или активного сопротивления, включение автотрансформатора, переключение обмотки статора с треугольника на звезду.

При включении в цепь статора реактивного (индуктивного) сопротивления осуществляется последовательное соединение реактора и двигателя. При достижении нормальной скорости вращения реактор выключается, а статор включается па полное напряжение сети. Уменьшение пускового тока, создаваемое уменьшением напряжения на статоре, вызывает уменьшение пускового момента пропорционально квадрату напряжения на статоре. Например, уменьшение пускового тока в два раза будет сопровождаться уменьшением пускового момента в четыре раза.

Применение вместо индуктивного сопротивления активного менее выгодно, так как это связано с дополнительными потерями активной мощности, затрачиваемое на нагрев активного сопротивления.

Более эффективной с точки зрения величины пускового момента схемой для снижения пускового тока является автотрансформаторный пуск двигателя. В этом случае фазное напряжение двигателя при пуске и его ток уменьшаются пропорционально коэффициенту трансформации, а пусковой ток в цепи меньше пускового тока двигателя в k раз. Это объясняется тем, что для автотрансформатора

I_1cU₁ ≈I_1пU₂ откуда I_1п= I_1c

Следовательно, уменьшение пускового тока двигателя в k раз уменьшает пусковой ток в сети в k² раз. В то же время пусковой момент, пропорциональный квадрату подведенного к двигателю напряжения, уменьшается в k² раз.

Таким образом, благодаря применению автотрансформатора пусковой момент уменьшается пропорционально линейному пусковому току в сети. Например, если пусковой ток в сети понизится в два раза, то в два раза понизится и пусковой момент.

Следует, однако, отметить, что схема автотрансформаторного пуска значительно сложнее и дороже схемы реакторного пуска.

Понижение напряжения на статоре на время пуска можно осуществить также посредством переключения на это время обмотки статора, нормально работающей при соединении треугольником, на соединение звездой. При этом напряжение на фазе двигателя уменьшится в раз и в раз уменьшится фазный пусковой ток:

I_лY = I_фY =

Если бы обмотка статора была соединена треугольником, то линейный ток был бы равен

I_л∆ =

Из приведенных соотношений следует, что переключение на звезду уменьшает пусковой ток в линии в З раза. Так как при таком включении подводимое к двигателю фазное напряжение снижается в З раз, то пусковой момент снизится в З раза, т. е. во столько же раз, во сколько и пусковой ток.

Таким образом, в данной схеме получаются те же соотношения, что и в схеме с автотрансформатором, однако эта схема значительно проще и дешевле, так как для нее требуется только один переключатель.

Рассмотренные способы пуска двигателей посредством уменьшения подводимого к статору напряжения применяются сравнительно редко и только в том случае, если требуется ограничение пускового тока. При этом происходит соответствующее уменьшение пускового момента, следовательно, эти способы могут быть использованы только для двигателей, имеющих па валу небольшой момент сопротивления, например для двигателей механизмов вентиляторного типа.

Реверс асинхронных электродвигателей можно осуществить путем изменения направления вращения поля машины, что достигается переключением любых двух проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Торможение же асинхронных электродвигателей можно производить:

а) с помощью механических тормозов;

б) по способу противовключения, когда изменяют направление вращения поля путем переключения любой пары проводов, питающих обмотку статора;

в) режимом генераторного торможения с возвратом энергии в сеть;

г) электродинамическим способом, путем отключения электродвигателя от сети и включение обмотки его статора под напряжение постоянного тока или на батарею конденсаторов.

Рис.7 . Характеристики М= f(s)

Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных электродвигателей, как это видно из выражения

n = n₁(1 – s) =

может быть осуществлено: а) изменением скольжения; б) изменением числа пар полюсов; в) изменением частоты тока статора.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения применяется только в электродвигателях с фазным ротором с помощью регулировочного реостата, включение в цепь ротора. Схема включения регулировочного реостата такая же, как и схема включения пускового реостата. При увеличении сопротивления реостата характеристики М= f(s) делаются более мягкими (рис.77 ), скольжение при этом увеличивается, а частота вращения электродвигателя n = n₁(1 - s) уменьшается. Таким путем можно изменять частоту вращения двигателя от номинальной до нуля. Но при таком регулировании получаются относительно большие потери в реостате, а следовательно, снижается к. п. д. двигателя. Недостатком данного способа регулирования является и то, что на частотах вращения механические характеристики становятся мягкими, т. е. частота вращения двигателя резко меняется при изменениях момента нагрузки на валу машины.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов основано на изменении частоты вращения магнитного поля, которая определяется из соотношения

n₁ = . Действительно, при изменении числа пар полюсов р будет изменяться частота вращения поля n₁ и, следовательно, частота вращения ротора n=n₁ (1 –s). Для изменения числа пар на статоре двигателя укладывают две независимые обмотки на разные числа пар полюсов, или каждую фазную обмотку делают из двух катушек из которых, комбинируя разные соединения, получают то или иное число пар полюсов. Электродвигатели, обмотка статора которых позволяет изменять число пар полюсов, называются много-скоростными. Такие электродвигатели обычно выпускаются двух-, трех- и четырехскоростными. Например, при частоте f₁=50 Гц синхронные частоты вращения этих машин могут быть 500, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин. В большинстве случаев многоскоростные двигатели выполняются короткозамкнутыми, так как в фазных двигателях переключение обмотки на разное число полюсов надо производить не только на статоре. но и на роторе.

Короткозамкнутый же ротор автоматически образует то число полюсов, которое имеет обмотка статора.

Недостатками многоскоростных электродвигателей являются: ступенчатость регулирования частоты вращения, разрыв цепи при переключениях, наличие громоздкого многоконтактного переключающего устройства.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения наиболее перспективно и широко используется в настоящее время. Принцип его заключается в том, что изменяя f₁ напряжения на статоре АД, можно изменять скорость идеального холостого хода ω₀= . Регулируя f₁, можно получать различные искусственные характеристики. Частотный способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, высокую жесткость получаемых механических характеристик. Регулирование скорости АД не сопровождается увеличением его скольжения. Поэтому потери мощности при регулировании скорости оказываются небольшими.

Пренебрегая падением напряжения в первичной цепи, можно записать, что напряжение сети уравновешивается э.д.с. двигателя

U₁≈E =

где w₁ – число витков фазы обмотки статора; k – обмоточный коэффициент; Ф - магнитный поток в воздушном зазоре АД.

Из последнего выражения следует, что при изменении частоты с целью регулирования скорости равновесие э.д.с. и напряжения сети может быть сохранено только за счет увеличения магнитного потока двигателя. При этом магнитная цепь будет насыщаться, а ток статора интенсивно нарастать по нелинейному закону. Поэтому работа АД в режиме частотного управления при неизменном напряжении оказывается невозможной. Чтобы сохранить неизменным магнитный поток при уменьшении частоты, необходимо одновременно снижать и величину напряжения. Закон изменения напряжения определяется характером зависимости момента сопротивления от скорости.

При постоянном моменте нагрузки М_с = const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально его частоте:

U₁/f₁ = const

Для момента сопротивления, пропорционального квадрату скорости электродвигателя М_с =сω², это соотношение примет вид

U₁/f₁²= const

При моменте сопротивления, обратно пропорциональном скорости М_c = с/ω, оно запишется в виде

U₁/√f₁ = const

Для реализации частотного способа регулирования скорости АД используются тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ)

На вход ТПЧ подается стандартное напряжение сети U₁ (220, 380 В и т. д.) промышленной частоты f₁= 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение U_1рег. регулируемой частоты f_1рег., значения которых находятся между собой в определенных соотношениях в зависимости от вида функции М_с = f(ω). Выходная частота и напряжение регулируются с помощью напряжения управления U_упр.,, изменение которого определяет изменение частоты.

Тормозные режимы работы. Сокращение времени торможения, особенно когда время технологической операции мало и исчисляется минутами или секундами, может значительно повысить производительность механизма, так как при торможении обычно полезной работы не совершается. Поэтому для сокращения времени торможения применяются механические тормоза.

Транспортные устройства (электровозы, лебедки, мостовые краны, экскаваторы, эскалаторы и др.) отличаются тем, что в них возникают условия, когда под действием сил тяжести они могут развивать недопустимо высокие скорости. Для поддержания скорости на заданном уровне в этих устройствах используются рабочие механические тормоза, которые обычно состоят из неподвижных тормозных колодок, прижимающихся силами пружины или другими способами к тормозному диску или барабану; в результате трения между колодкам и диском возникает тормозной момент. Механические тормоза имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются быстрый износ трущихся поверхностей, трудность регулирования силы трения, значительное место, занимаемое тормозом, и т. д. Оказывается, двигатель может выполнять функции механических тормозов, работая при этом в том или ином тормозном режиме.

В настоящее время широко используются тормозные свойства двигателя, что во многих случаях позволило отказаться от механических тормозов. Механические тормоза необходимы как запасные или аварийные, если откажет электрическое торможение, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии.

Асинхронный двигатель может работать в следующих тормозных режимах;

1) генераторном с отдачей энергии в сеть;

2) противовключения;

3) динамического торможения и др.

Во всех тормозных режимах двигатель развивает момент, действующий в сторону, противоположную направлению вращения ротора, поэтому он называется тормозным моментом. Под действием этого момента в одних случаях происходит быстрый останов, в других поддержание скорости заданной величины.

Тормозным режимом называется режим работы двигателя, когда под действием внешнего момента ротор двигателя вращается в том же направлении, что и магнитное поле, но с большей скоростью. Направление возникающей при этом э. д. с. в обмотке ротора определяется по правилу правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, в ней возникает ток того же направления. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем создаются сила и момент, направленные в сторону, противоположную вращению ротора.

Тормозной режим противовключения возникает в том случае, когда под действием внешнего момента, приложенного к валу двигателя, ротор вращается в противоположную сторону.

Для получения режима динамического торможения обмотку статора отключают от сети трехфазного тока и подключают на время торможения к источнику энергии постоянного тока по одной из схем, изображенных на рис., а, б, в. Постоянный ток создает неподвижное в пространстве магнитно поле

Рис.9. Схемы для динамического торможения

Если ротор вращается, то его про водники пересекают неподвижное магнитное поле и в них возникает э. д. с., а следовательно и ток. В результате взаимодействия тока ротора с неподвижным магнитны полем возникают сила и момент, действующие на ротор в направлении, противоположном направлению вращения ротора

Для анализа тормозных режимов воспользуемся уравнением механической характеристики двигателя:

М=

В двигательном режиме скольжение изменяется в пределах от s=1 до s= 0 механические характеристики располагаются в квадранте I (графики 1 и 2 на рис.). Если в уравнение подставлять значения s больше единицы и меньше нуля, то механическая характеристика окажется соответственно в квадрантах IV и II. В квадранте II ротор вращается в сторону поля, но с большей скоростью (n > n₀), в квадранте IV — против поля. Таким образом, участок механической характеристики, расположенный в квадрате II, соответствует генераторному тормозному режиму, в квадранте IV тормозному режиму противовключения.

Рис.80.Естественная (1) и реостатная (2) механические характеристики двигателя; динамический (3) и конденсаторный (4) режим торможения

Рабочие характеристики трехфазных асинхронных электродвигателей

Под рабочими характеристиками асинхронных электродвигателей понимаются зависимости n, I₁, M, cosφ, η = f(P₂) при U = U_н = const f = const. На рис. приведены рабочие характеристики трехфазного асинхронного электродвигателя. Характеристика n =f(P₂), называемая скоростной, показывает, что при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной частота вращения асинхронного двигателя изменяется незначительно (у электродвигателей общего применения от 1 до 6% номинальной величины). Благодаря этому скоростная характеристика асинхронного двигателя называется жесткой.

Вращающий момент М, развиваемый электродвигателем складывается из момента холостого хода М₀ и полезного момента М₂ на валу машины. Момент холостого хода, затрачиваемый на покрытие механических потерь, почти не зависит от нагрузки электродвигателя. Полезный момент М₂ = Р₂/ω_р, если бы ω_р = const , изменялся бы линейно.

Но так как ω_р немного уменьшается с увеличением Р₂, то кривая М= f(P₂) немного изгибается вверх.

Коэффициент мощности cos φ сильно зависит от нагрузки. При холостом ходе cos φ обычно не превышает 0,2—0,3. Объясняется это тем, что в этом случае асинхронный двигатель потребляет из сети большой намагничивающий ток. При увеличении нагрузки на валу cos φ вследствие увеличения активной составляющей тока быстро увеличивается достигая при нагрузке, близкой к номинальной, максимального значения 0,8—0,9. При дальнейшем увеличении нагрузки выше номинальной коэффициент мощности снова уменьшается вследствие увеличения скольжения и, следовательно, увеличения индуктивного сопротивления ротора. Для того чтобы cos φ был высоким, необходимо загружать асинхронный двигатель в соответствии с его мощностью.

Рис.81. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Характер изменения к. п. д. асинхронных двигателей зависит от потерь, которые в асинхронных двигателях, как отмечалось, слагаются из электрических потерь в об мотках статора Р_м1 = m₁I²₁r₁ и ротора P_м2= m₂I₂²r₂ потерь в стали Рс, механических потерь Р_мех и добавочных Р_д. Электрические потери, зависящие от силы токов, считаются переменными. Сумма потерь Р_с +Р_мех +Р_д составляет потери холостого хода. Эти потери почти не зависят от нагрузки и поэтому называются постоянными потерями электродвигателя.

К. п. д. асинхронных электродвигателей определяется формулой

,

где Р₁ — мощность, подводимая к электродвигателю;

Р₂ — полезная мощность электродвигателя.

Обычно номинальный к. п. д. для большинства современных асинхронных двигателей составляет 80-90% а для мощных электродвигателей 90—95%. Таких значений к. п. д. достигает при нагрузках близких к номинальной. При дальнейшем увеличении нагрузки к. п. д. уменьшается за счет значительного увеличения электрических потерь в обмотках электродвигателя.