Трехфазный асинхронный двигатель

5.11. МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В последнем выражении для M₁ единственным переменным параметром является скольжение S. Зависимость
М=f(S) получило название механической характеристики двигателя (рис. 5.11.1).

В момент пуска двигателя, когда n₂=0, скольжение S=1, тогда:

.

Под действием момента M_n ротор придет во вращение. В дальнейшем скольжение будет уменьшаться,
а вращающий момент увеличиваться. При скольжении S_кр он достигает максимального
значения M_max.. Величина критического скольжения

Тогда, подставив его значение в формулу для М, получим:

.

Дальнейший разгон двигателя
будет сопровождаться уменьшением скольжения и, вместе с тем уменьшением вращающего
момента. Равновесие наступит, когда величине вращающего момента будет противостоять
тормозной момент, вызванный нагрузкой.

При номинальной нагрузке будут номинальный вращающий момент М_н и номинальное скольжение S_н.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя.

Обычно она составляет величину от 1,7 до 2,5.

Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента

Эта величина может быть меньше единицы (например, 0,8) и больше ее (до 1,2). При меньшей кратности двигатель
следует включать в работу без нагрузки, и лишь после разгона подается нагрузка.
Двигатель с кратностью К_п.м.>1 можно включать в сеть с полной нагрузкой.

Принцип действия асинхронного электродвигателя

Частота вращения ротора n 2 будет всегда меньше синхронной частоты n 1 , то есть ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой n 2 равной частоте статора n 1 . В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного электродвигателя принципиально не может вращаться синхронно c полем статора. Разность между частотами поля статора n 2 и ротора n 1 называется частотой скольжения Δ
n.

Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:

В общем случае скольжение в может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение S н обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя формулу скольжения, получим выражение частоты вращения ротора:

Обмотка ротора асинхронного электродвигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении подобен , в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора — вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а — потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора электродвигателя вместе с ним вращается.

ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном электродвигателе.

Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения Δ
n. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС E 2 , частота которой f 2 связана со скольжением S:

Учитывая, что f 1 =рn 1 /60, f 2 =рn 1 S/60.

Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при f 1 =50 Гц).

В процессе взаимодействия магнитного поля и тока в роторе асинхронного электродвигателя создается вращающий момент, который позволяет уровнять скорость статора, ротора и вращения электромагнитного поля. Величина скольжения характеризуется скоростью вращения ротора, статора и магнитного поля.

§ 8.2. Схемы замещения асинхронных двигателей с фазным ротором и пуск с использованием сопротивлений

При подключении к фазной обмотке ротору асинхронного
двигателя активных сопротивлений сохраняется математическое описание машины,
приведенное в предыдущих разделах. При этом отличием является только
увеличенное активное сопротивление обмотки ротора. Г-образная схема замещения машины,
изображенной на рис.8.1.1 а),
представлена на рис.8.2.1. В схеме замещения
учтены коммутационные аппараты K₁ и K₂,
шунтирующие активные сопротивления в цепи ротора.

Рис.8.2.1 Схема замещения
асинхронного двигателя с фазным ротором

В соответствии со схемой замещения и формулой (4.4.1),
дополнительные сопротивления в цепи ротора, в частности R_д1 и R_д2, позволяют ограничить пусковой ток двигателя

,                                    (8.2.1)

где
K₁ и K₂ – функции состояния
коммутационных аппаратов (0 – замкнут, 1– разомкнут).

В соответствии с формулой (4.4.6) дополнительные
сопротивления не влияют на критический момент двигателя.

Если активные сопротивления цепей ротора существенно
меньше индуктивных сопротивлений, то увеличение активных сопротивлений в роторе
приводит к увеличению критического скольжения

                                                              (8.2.2)

и
к увеличению пускового момента

.                                               (8.2.3)

В процессе пуска асинхронного двигателя с фазным
ротором по мере изменения частоты вращения ротора изменяются ток, момент и
скольжение и изменяются состояния коммутационных аппаратов, шунтирующих
сопротивления в цепи ротора. Эти изменения отражены на рис.8.2.2.

В начале процесса пуска коммутационные аппараты K₁ и K₂ разомкнуты и в цепи
ротора включены добавочные сопротивления R_д1 и R_д2. Разгон двигателя осуществляется по реостатной механической
характеристике с начальным пусковым моментом двигателя, равным M₂ на рис.8.2.2.

Рис.8.2.2 Диаграмма пуска
асинхронного двигателя с фазным ротором при использовании коммутируемых
активных сопротивлений

На некоторой частоте вращения ротора, на которой
двигатель развивает момент M₁,
замыкаются коммутационные аппараты K₂ и шунтируют сопротивления R₂. При этом двигатель переключается на другую
реостатную характеристику, момент двигателя скачкообразно увеличивается до
значения M₂ и разгон
продолжается с большим моментом двигателя. В процессе разгона момент двигателя
уменьшается и снова достигает величины M₁. В этой точке замыкаются контакты аппарата K₁, которые шунтируют
сопротивления R₁. При
этом происходит скачкообразный переход на естественную механическую
характеристику двигателя. По этой характеристике разгон осуществляется до
точки, в которой момент двигателя равен моменту сопротивления M_с. Переключения коммутационных
аппаратов могут осуществляться по заданным временам работы ступеней
сопротивлений, по частоте вращения ротора, по величине пускового тока. При
выборе сопротивлений R₁ и R₂ и способа переключений
следует стремиться к тому, чтобы на искусственных и естественной механических
характеристиках в точках переключения моменты M₁ были одинаковы. Моменты M₂ на этих характеристиках также должны быть одинаковы.

СОПРОТИВЛЕНИЯ В ОБМОТКЕ РОТОРА

Как и в трансформаторе, часть потока статора замыкается по путям рассеяния, т. е. вокруг проводов статора, не заходя в ротор (рис. 10-19). Известно, что эти потоки обусловливают реактивное (индуктивное) сопротивление обмотки x₁.Такие же потоки рассеяния существуют и вокруг проводов обмотки ротора, когда в ней протекает ток. Ими обусловлено реактивное сопротивление ротора x₂.

При неподвижном роторе

x₂ = ω₁L₂ = 2πf₁L₂ 

При вращающемся роторе

x₂ = 2πf₂L₂ = 2πf₁sL₂

Отсюда следует, что реактивное сопротивление ротора непрерывно и сильно меняется при изменении режима работы двигателя от величины x_2s = х₂• 1 = х₂при неподвижном роторе до величины x_2s = х₂• 0 = 0, если бы ротор вращался синхронно.

В двигателях нормального исполнения изменением активного сопротивления ротора при изменении частоты от 50 гц до 0 можно пренебречь и считать r₂ = const.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Watch this video on YouTube

Принцип работы

Рассмотрим асинхронный двигатель принцип работы и устройство. Для корректного подключения агрегата к сети, обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Действие механизма основано на использовании вращающегося магнитного поля статора. Частота вращения многофазной обмотки переменного поля (n1) определяется по формуле:

Здесь:

• f – частота сети в Герцах;
• p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).

Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.

Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.

Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля

Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2

Таким образом, частота вращения ротора (обороты) будет равна:

Принцип работы асинхронного электрического двигателя легко объясняется с помощью устройства, называющегося диск Арго – Ленца.

Постоянный магнит закрепляют на оси, которая устанавливается в устройстве, способном обеспечить её вращение. Перед полюсами магнита (N-S) помещают диск, выполненный из меди. Диск так же крепится на оси и свободно вращается вокруг неё.

Если вращать магнит за рукоятку, диск тоже будет вращаться в том же направлении. Эффект объясняется тем, что магнитные линии поля, создаваемые магнитом, замыкаются от северного полюса к южному полюсу, пронизывая диск. Эти линии образуют в диске вихревые токи, которые взаимодействуя с полем, приводят к возникновению силы, вращающей диск. Закон Ленца гласит, что направление всякого индукционного тока противодействует величине, вызвавшей его. Вихревые токи пытаются остановить магнит, но поскольку это не возможно, диск следует за магнитом.

Примечательно, что скорость вращения диска всегда меньше скорости вращения магнита. В асинхронных электродвигателях магнит заменяет вращающееся магнитное поле, созданное токами трёхфазной обмотки статора.

Способы измерения

Существует несколько способов измерения скольжения асинхронного двигателя. Если частота вращения значительно отличается от синхронной, то ее можно измерить с помощью тахометра или тахогенератора, подключенного на валу ЭД.

Вариант измерения стробоскопическим методом с помощью неоновой лампы подходит при величине скольжения не более 5%. Для этого на валу двигателя либо наносят мелом специальную черту, либо устанавливают специальный стробоскопический диск. Освещают их неоновой лампой, и отсчитывают вращение за определенное время, потом, по специальным формулам производят вычисления. Также возможно использование полноценного стробоскопа, подобно тому что показано ниже.

Также, для измерения величины скольжения всех видов машин подходит способ индуктивной катушки. Катушку лучше всего использовать от реле или контактора постоянного тока, из-за количества витков (там 10-20 тысяч), количество витков должно быть не менее 3000. Катушку с подключенным к ней чувствительным милливольтметром, располагают у конца вала ротора. По отклонениям стрелки прибора (числу колебаний) за определенное время высчитывают по формуле величину скольжения. Помимо этого, у асинхронного двигателя с фазным ротором скольжение можно замерить с помощью магнитоэлектрического амперметра. Амперметр подключается к одной из фаз ротора и по числу отклонений стрелки амперметра производят вычисления (по формуле из способа с индуктивной катушкой).

Материалы по теме:

• Виды испытаний асинхронных двигателей
• Правила определения фазы, нуля и заземления в сети
• Как выбрать мультиметр для дома и работы