§ 3.7. Вторая формула электромагнитного момента асинхронного двигателя. Связь активной составляющей тока ротора и электромагнитного момента

Путем соответствующих преобразований из выражения *** можно получить вторую формулу электромагнитного момента 3-фазного асинхронного двигателя [Н*м]

М = к*I' * cosψ *Фм,

где: к – конструктивный коэффициент электродвигателя;

I' - приведенный ток ротора, А;

ψ - угол сдвига по фазе между током ротора и ЭДС ротора, электрические градусы;

Фм – вращающийся магнитный поток обмотки статора.

Физический смысл формулы состоит в том, что электромагнитный момент двигате-

ля пропорционален активной составляющей тока ротора I' = I' * cosψ .

Рис. 1.41. Векторная диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором

Поэтому для получения больших пусковых моментов необходимо при пуске увели

чить активное сопротивление цепи обмотки ротора. Этого достигают применением специальных типов двигателей: с двумя клетками на роторе, с глубоким пазом ротора и

с фазным ротором.

У двигателя с фазным ротором при пуске вводят в цепь ротора пусковые резисторы

Вследствие чего пусковой ток уменьшается, а пусковой момент увеличивается ( рис. *** ).

Как следует из рис. 1.41, вращающийся магнитный поток Ф индуктирует в об

мотке ротора Е' ,отстающую от потока на 90º ( т.е. на четверть периода переменного тока ).

При пуске частота тока в неподвижном роторе имеет максимальное f = 50 Гц . Индуктивное сопротивление обмотки ротора х = 2π*f *L ≡ f и имеет максималь-

ное значение из-за большой частоты. Поэтому ток I носит индуктивный характер и отстаёт от ЭДС Е' на угол ψ , близкий к 90º .

Спроектируем конец вектора I' на вектор Е' и получим прямоугольный треуголь

ник ОАВ, в котором вектор ОВ = I * cosψ . Этот вектор совпадает по фазе с ЭДС Е' и поэтому он и есть активная составляющая тока ротора I .

Из диаграммы следуют два вывода:

1. пусковой ток двигателя велик ( вектор ОА ), на практике I = ( 4…7 ) I ;

2. тем не менее активная составляющая тока I ( вектор ОВ ) невелика.

Таким образом, диаграмма на рис. 1.41, подтверждает плохие пусковые свой-

ства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: при большом пусковом токе такой двигатель имеет небольшой пусковой момент.

При пуске асинхронного двигателя с фазным ротором введение резисторов в каж

дую фазную обмотку ротора уменьшает пусковой ток I ( вектор ОА' ) и делает его практически активным ( угол ψ' близок к нулю, т.е. пусковой ток практически совпа

дает с ЭДС Е' ). Поэтому увеличивается его активная составляющая ( вектор ОВ' ) , а значит, и пусковой момент.

Таким образом, диаграмма на рис.**** подтверждает хорошие пусковые свой

ства асинхронного двигателя с фазным ротором: при малом пусковом токе такой двига

тель имеет большой пусковой момент.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Устройство асинхронных двигателей

Асинхронной называется такая машина переменного тока, у которой ско­рость вращения ротора не равна скорости вращающегося магнитного поля, т. е. ротор вра-

щается несинхронно по отношению к вращаю­щемуся магнитному полю.

Асинхронные машины применяются в основном как двигатели, однако работа асин

хронного двигателя в генераторном режиме ши­роко используется для получения тормоз-

ного момента.

Наибольшее распространение получили трехфазные короткозамкнутые асинхронные двигатели. Обладая большой надежностью по сравнению с другими электродвигателями и простотой обслуживания, они нашли широкое применение на судах и составляют 80—90% по отношению к общему количеству устанавливаемых судовых электро­двигателей.

Асинхронные машины применяются в качестве двигателей палуб­ных механизмов, рулевых, швартовных, якорных устройств, машинно-котельных устройств (насосов, комп-

ресссоров, вентиляторов), электро­двигателей технологического оборудования (рефрижера-

торных, мо­розильных и других установок), электродвигателей бытовых приборов и т. д.

Рис. 1.34. Статор асинхронного двигателя ( а ) и его обмотка ( б );

1 – корпус ; 2 – обмотка

Асинхронная машина состоит из двух основных частей: статора - неподвижной части машины и вращающегося ротора.

Статор состоит из корпуса 1, в который впрессован сердечник статора, набранный из

листов электротехнической стали, изо­лированной лаком или слоем окалины. В листах сер-

дечника статора выштампованы пазы, в которые уложены ( намотаны ) три фазные обмотки 2, сдвинутые под углом 120º ( рис. 1.34, б ). Эти фазные обмотки соединяют в «звезду» или ;тренуольник».

Ротор асинхронного двигателя ( рис.1.35, б ) состоит из стального вала, на кото

рый напрессован сердечник ротора, набранный из из листов электротехнической стали, изо

лированной лаком. В листах сердечника ротора выштампованы пазы, в которых находится обмотка ротора. Пазы могут иметь разную форму

.

Рис. 1.35. Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя с медной обмоткой

( а ); с алюминиевой обмоткой ( б )

Различают два вида обмотки ротора:

4. короткозамкнутая;

5. фазная.

В машинах мощностью свыше 100 кВт в пазы ротора укладывают обмотку в виде

беличьего колеса из латунных или медных стержней, которые вставляются в пазы ротора. Концы стержней замыкаются накоротко медными кольцами ( рис. 1.35, а ).

В двигателях до 100кВт беличью клетку изготовляют, заливая пазы ротора расплав-

ленным алюминием под давлением ( рис. 1.35, б ). При этом одновременно отливают и бо-

ковые кольца вместе с вентиляционными лопастями ( крыльями ).

Формы пазов ротора могут иметь разную форму ( рис. **** ).

Рис. **** Пазы короткозамкнутого ротора: а, в – с алюминиевой обмоткой;

б – с двумя обмотками ( верхней пусковой и нижней рабочей ); г - глубокопазной

Для улучшения пусковых свойств двигателя, которые будут рас­смотрены ниже, при-

меняется двойная беличья клетка, закрываемая в паз (рис. 24-2, б), или применяется ротор с глубокими пазами (24-2, в, г).

В роторе с двойной беличьей клеткой наружная клетка вы­полняется с большим активным и меньшим индуктивным сопротивле­нием по сравнению с внутренней клеткой. Поэтому она работает в ос­новном в процессе пуска двигателя, обеспечивая его пусковые харак­теристики, и выполняет роль пусковой обмотки. Для увеличения активного сопротивления наружная клетка изготовляется из латуни или специальной бронзы. Внут­ренняя клетка изготовляется из меди и обладает большим "реактив­ным сопротивлением и малым активным. Ее параметры опреде­ляют рабочие характеристики дви­гателя.

Короткозамыкающие кольца обеих клеток обычно выполняются из меди.

Беличья клетка с глубокими пазами выполняется из медных стерж­ней прямоугольно-

го сечения, уложенных в глубокие пазы. Глубина паза, изображенного на рис. 24-2, г, значительно больше его ширины.

Путем заливки алюминия в паз фигурного поперечного се­чения, (рис. 24-2, в) можно изготовить обмотку, которая по своим характеристикам будет похожа на глубоко-

пазную и на обмотку с двойной клеткой, у которой активное сопротивление наружной клет

ки больше, чем у внутренней, ввиду меньшего ее сечения.

Существуют также другие исполнения короткозамкнутых роторов, которые отлича

ются в основном формой пазов и материалом стержней обмотки.

Схема асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой на роторе приведена на рис. 1.36, а.

Рис. 1.36. Схемы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ( а ) и фазным ( б ) роторами

Фазная обмотка ротора выполняется из медного провода аналогично трехфаз-

ной обмотке статора, имеет такое же ко­личество полюсов, и соединяется, как прави

ло, звездой ( рис. 1.36 , б ). Начала фаз обмотки присоединяются к контактным коль-

цам ротора Р1, Р2, Р3, по кото­рым скользят неподвижные щетки, имеющие выводы нару-

жу. К этим выводам подключается пусковой или регулировочный реостат.

Для подключения двигателя к питающей сети используется клеммная коробка.

Клеммная коробка асинхронного двигателя отливается из стали или алюминиевого сплава и располагается сверху или сбоку корпуса асинхронного двигателя. Внутри этой коробки находится клеммная колодка, выполненная из изоляционного материала, чаще всего - гетинакса.

Клеммная колодка имеет 3 или 6 отверстий, через которые пропущены медные шпильки. К нижним ( со стороны двигателя ) концам шпилек присоединяются выводы обмотки статора, к верхним ( свободным ) – 3-жильный питающий кабель. Шпилек может быть 3 или 6.

Если шпилек 3, то двигатель предназначен для включения в сеть с одним, опреде-

ленным значением напряжения, например, 380 В. Обмотка статора такого двигателя при его сборке на заводе собрана в «звезду» или «треугольник», в процессе эксплуатации схе-

ма соединения обмотки не меняется. Двигатель нельзя включать в сеть с иным напряжени

ем ( в данном примере, в сеть с напряжением 220 или 660 В ).

У такого двигателя на бирке ( медной табличке на корпусе двигателя ) указывают

способ соединения обмотки и линейное напряжение, например,

Δ 220

Это означает, что двигатель можно включать только в сеть с линейным напряжени-

ем 220 В, а обмотку надо соединять «треугольником».

Во втором случае двигатель предназначен для включения в сети с двумя разными линейными напряжениями, например, 380 и 220 В.

У такого двигателя на бирке указывают два способ соединения обмотки и два значе

ния линейного напряжения, например:

Δ / Ү 220 / 380В

Это означает, что при напряжении сети 220 В обмотку надо соединить «треугольником», а при напряжении сети 380 В – «звездой».

Такое переключение необходимо для того, чтобы в каждом случае фазное напряже-

ние обмотки статора было бы одним и тем же, а именно: U = 220 В.

Для этого на клеммной колодке в располагают 6 выводов обмотки статора ( рис.

1. 37, а ).

Рис. 1.37. Клеммная колодка 3-фазного асинхронного двигателя: расположе

ние выводов ( а ); соединение «звездой» ( б ) ; соединение «треугольником» ( в )

Выводы фазных обмоток статора асинхронных двигателей обозначают следующим образом:

	Начала	Концы	Начала	Концы
1-я фаза	С1	С4	U1	U2
2-я фаза	С2	С5	V1	V2
3-я фаза	С3	С6	W1	W2

Примечание: обозначение выводов буквами С1…С6 действовало до 1985 г. С 1985 г.

выводы обмоток обозначаются буквами U, V, W.

Тогда при наборе схемы «звезды» перемычки устанавливают в нижнем ряду гори-

зонтально, т.е. соединяют в нулевую точку выводы С6, С4 и С5 ( рис. 1.37, б ).

При наборе схемы «треугольника» перемычки устанавливают вертикально, соеди-

няя такие пары выводов: С1 – С6, С2 – С5 и С3 – С2, т.е конец первой фазы С3 соединяют с началом второй С2, конец второй С5 – с началом третьей С3, и конец третьей С6 с нача-

лом первой С1 ( рис. 1.37, в )..

Питающий кабель как на «звезде», так и «треугольнике» подключают на верхние выводы С1, С2 и С3.

Ниже изображены промышленные типы асинхронных двигателей с короткозамк-

нутым ( рис. 1.38) и фазным ( рис. 1.39 ) ротором

Рис. 1.38. Асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора:

1 – обмотка ротора; 2 – сердечник ротора; 3 – сердечник статора; 4 – обмотка ста-

тора; 5 – лопасти вентилятора; 6 – коробка зажимов ( клеммная коробка )

Рис. *** Асинхронный двигатель с фазной обмоткой ротора:

1 – обмотка ротора; 2 – сердечник ротора; 3 – сердечник статора; 4 – обмотка

статора; 5 – контактные кольца; 6 – коробка зажимов ( клеммная коробка )

Из сравнения рис. **** и *** видно, что эти двигатели легко отличить – у двигате-

ля с фазным ротором на одном из концов вала имеется дополнение в виде цилиндрическо

го кожуха со щеточным устройством внутри кожуха.

Принцип действия асинхронного двигателя

При прохождении по обмотке статора трехфазного тока, подводимого от сети, создается вращающееся магнитное поле статора. Скорость вращения поля n , называемая синхронной ско­ростью, равна

n = ,

где f = 50 Гц – промышленная частота переменного тока;

р – число пар электромагнитных полюсов обмотки статора.

Рис. 1.39. К принципу действия асинхронного двигателя

Изобразим это поле двумя полюсами ( рис. 1.39 ), вращающимися со скоростью n . Магнитное поле этих вращающихся полюсов пере­секает замкнутые проводники обмотки ротора и индуктирует в них э. д. с., которая в замкнутых проводниках роторной обмотки наводит токи. Направление токов указано на рис. 1.39 и определяется по пра­вилу правой руки.

Токи в роторной обмотке, взаимодействуя с вра­щающимся магнитным полем статора, создают электромагнитный вращающий момент, приводящий ротор во вращение. Если по пра

вилу левой руки определить направление электромагнитных сил, дейст­вующих на отдель-

ные проводники обмотки ротора, то убеждаемся, что ротор будет вращаться в сторону вращения магнитного поля ста­тора. Скорость вращения ротора n₂ будет меньше скорости вращения поля статора n , так как только в этом случае поле будет пересекать проводни

ки обмотки ротора.

Если под действием внешних ( например, механических ) сил разогнать ротор до синх

ронной скорости, вращающееся магнитное поле обмотки статора перестанет персекать провод

ники обмотки ротора, поэтому в последней э.д.с. исечзнет, поэтому ротор под действием сил трения и других станет отставать от магнитного поля. При этом вновь возникнет песечение вращающимся магнитным полем проводников обмотки статора, в последней восстановятся э.д.с, ток ротора и электромагнитный момент. Ротор вновь получит ускорение и станет дого

нять магнитное поле обмотки статора.

На самом деле ротор не совершает колебательных движений ( отстает – догоняет ), про-

сто его скорость несколько меньше скорости вращения магнитного поля обмотки статора..

Из сказанного следует, что электромагнитный момент ротора возникает при условии, что скорости ротора и магнитного поля обмотки статора неодинаковы. Иначе говоря, ротор вращается несинхронно по отношению к магнитному полю обимотки статора. Отсюда назва-

ние двигателя – «асинхронный» ( в последнем слове приситавка «а» в переводе с греческого

означает «не», т.е. асинхронный двигатель – несинхронный ).

Скорость ротора ( n - n ) называется скоро­стью скольжения, а отно-

ше­ние этой скорости к скорости поля п₁ называется скольжением ( S ), которое рав-

но ( в относительных единицах )

S = ,

или в процентах

S = *100.

Скольжение современных двигателей при номинальной нагрузке находится в преде-

лах 2—6%.

Пример 1.

Номинальная cкорость ротора асинхронного двигателя типа 4А250М4ОМ2 n =

= 1470 об/мин. Найти номинальное скольжение .

Решение

1. число полюсов этого двигателя 2р = 4 ( число «4» после первой буквы «М» ):

2. число пар полюсов р = ( 2р ) / 2 = 4 / 2 = 2

3. синхронная частота вращения

n = 60 f / р = 60*50 / 2 = 1500 об/мин

4. скольжение

s = ( n - n ) / n = ( 1500 – 1470 ) / 1500 = 30 / 1500 = 0,02,

или, в процентах,

s% = 2%.

Синхронная скорость асинхронного электродвигателя

Синхронной называют скорость ротора асинхронного двигателя n , равную скоро-

сти вращения магнитного поля обмотки статора n ( n = n ).

При таком равенстве скоростей магнитный поток обмотки статора перестаёт пересе

кать проводники обмотки ротора, поэтому ЭДС, ток и электромагнитный момент ротора исчезают. В этом случае наступает синхронный режим или, иначе, режим идеального холостого хода асинхронного двигателя.

Идеальным холостым ходом называют такой режим электродвигателя, когда его электромагнитный момент равен 0.

Таким образом, условие наступления режима идеального холостого хода асинхронного двигателя такое:

n = n .

Режим идеального холостого хода может наступить, например, при спуске тяжёло-

го груза, когда к ротору приложены два одинаково направленных момента: момент груза и момент электродвигателя, включённого в направлении на спуск. Совместное действие этих двух моментов заставляет ротор разогнаться до скорости идеального холостого хода и даже превзойти её.

Скорость идеального холостого хода выражают в единицах частоты вращения «n» (об/мин ) или угловой частоты «ω» ( рад/с, или с ) при помощи таких формул:

n = 60 f / р ( ***)

и

ω = 2πf / р ( ***).

В обеих формулах :

f = 50 Гц – промышленная частота переменного тока;

р – число пар полюсов обмотки статора электродвигателя.

Составим таблицу со значениями скоростей идеального холостого хода (таблица 1),

для чего используем приведенные выше формулы.

Таблица 1.

Число пар полюсов	1	2	3	4	5	6	8
Частота вращения, об/мин	3000	1500	1000	750	600	600	375
Угловая частота, рад/с	314	157	104,66	78,5	62,8	52,33	39,25

Значения синхронных скоростей широко применяют в теории и при решении задач.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя

Электромагнитный момент асинхронного двигателя может описываться тремя рав-

нозначными выражениями ( формулами ). Переход от одной формулы к другой произво-

дится путем несложных математических преобразований.

Область применения той или иной формулы зависит от того, какие именно электро

механические свойства асинхронного двигателя надо выделить.

Первая формула электромагнитного момента

Первая формула электромагнитного момента показывает зависимость момента от скольжения ротора асинхронного двигателя, т.е. представляет собой зависимость М ( s ).