Асинхронный двигатель характеристики. Основные нагрузочные свойства асинхронных электродвигателей

Зависимости момента М, потребляемой мощностиP 1 , коэффициента мощности cos, коэффициента полезного действия (КПД), обычно обозначаемого символом  , скольжения ротораs и тока статора от полезной мощности, т.е. мощности на валу двигателяР 2 , называются рабочими характеристиками асинхронного электродвигателя. На рис. 9 показано поведение рабочих характеристик.

Зависимость М (Р 2) определяется формулой

М = 9,55Р 2 /n 2 ,

из которой следует, что полезный момент на валу двигателя М с увеличением полезной мощности Р 2 возрастает несколько быстрее, чем Р 2 , так как частота вращения ротора двигателяn 2 при этом уменьшается.

Характер зависимостиcos  (Р 2 ), т.е. зависимости коэффициента мощности асинхронного двигателя от мощности на валу, определяется выражением cos =Р 1 /3U 1 I 1 .

В связи с тем, что ток статора имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания вращающего магнитного поля, коэффициент мощности асинхронных двигателей всегда меньше единицы. Значение cosдля нормальных асинхронных двигателей средней мощности при номинальной нагрузке составляет 0,83–0,89. С уменьшением нагрузки на валу двигателя коэффициент мощности снижается и доходит до значений 0,2–0,3 при холостом ходе. В этом режиме полезная мощность на валу равна нулю, однако, при этом двигатель потребляет активную мощность из сети, расходуемую на магнитные потери, поэтому коэффициент мощности здесь не равен нулю. С увеличением нагрузки сверх нормативной наблюдается некоторое снижение значения коэффициента мощности за счет увеличения индуктивной составляющей сопротивления обмотки статора асинхронного двигателя. Характер изменения коэффициента мощности от нагрузки асинхронного двигателя имеет примерно такой же вид и изменяется по тем же причинам, что и у трансформатора.

Зависимость КПД асинхронного двигателя от нагрузки (Р 2) определяется формулой

 = Р 2 /Р 1 = Р 2 / (Р 2 +Р  

где Р 1 -активная мощность, потребляемая двигателем от питающей сети;Р  -суммарные потери мощности в двигателе, равные сумме потерь мощности в магнитопроводе, электрических потерь мощности в обмотках статора, электрических потерь мощности в обмотках ротора, механических потерь и добавочных потерь мощности. При отсутствии нагрузкиР 2 =0, поэтому КПД электродвигателя при этом также равен нулю.

С увеличением нагрузки КПД двигателя растет и принимает наибольшее значение при условии, что постоянные потери мощности в электродвигателе (Р С1 +Р С2 +Р мех) оказываются равными переменным потерям мощности (Р Э1 + Р Э2) в нем. При дальнейшем росте нагрузки КПД электродвигателя, так же как и трансформатора, снижается из-за сильного роста электрических потерь. Ток статора при отсутствии нагрузки равен току холостого хода (I 1 =I 0). При увеличении мощности на валу электродвигателя возрастает и токI 1 , потребляемый двигателем из питающей сети. Увеличение тока происходит приблизительно по линейному закону. Однако при значительном возрастании мощности на валу линейность нарушается и ток начинает возрастать более интенсивно, чем мощность, так как коэффициент мощности двигателя при этом снижается, а электрические потери мощности в обмотках двигателя при больших нагрузках значительно возрастают. Снижение cos  и увеличение потерь мощности в двигателе компенсируются увеличением тока вследствие возрастания мощности. Этим же объясняется и характер изменения потребляемой из сети мощностиР 1 (Р 2).

С увеличением мощности на валу, т.е. с увеличением нагрузки двигателя, вызываемой возрастанием момента сопротивления исполнительного механизма, частота вращения ротора уменьшается, а его скольжение при этом возрастает, вызывая увеличение ЭДС Е 2 в обмотках ротора, а следовательно, возрастание токов ротора и статора. При неизменном магнитном потоке двигателя это приводит к увеличению момента, развиваемого двигателем. Таким образом, с увеличением нагрузки на валу равновесие между моментом, развиваемым двигателем, и моментом сопротивления наступает при снижении частоты вращения. При возрастании мощности на валу асинхронного двигателя происходит снижение частоты вращения ротора.

§ 92. РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОД НАГРУЗКОЙ

В рабочем режиме ротор двигателя вращается с числом оборо­тов в минуту n2, меньшим числа оборотов n1 магнитного поля ста­тора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле, имеющее большую скорость, скользит относитель­но ротора с числом оборотов, равным разности чисел оборотов поля и ротора, т. е.

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S.

Скольжение представляет собой отношение числа оборотов магнитного поля статора относительно вращающегося ротора к числу оборотов поля статора в пространстве, т. е.

Эта формула определяет скольжение в относительных едини­цах. Скольжение может быть также выражено в процентах:

Если ротор неподвижен (n2=0), то скольжение равно единице или 100%.

Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой скоростью (n2=n1), то скольжение равно нулю.

Таким образом, чем больше скорость вращения ротора, тем меньше скольжение.

В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало. У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3-5%, т. е. ротор вращается с числом оборо­тов, незначительно отличающимся от числа оборотов магнитного поля статора.

При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, сколь­жение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.

Скорость вращения ротора можно определить из следующих соотношений:

Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий момент двигателя Мвр будет равен тормозному моменту на валу двигателя Мтор, который развивает приемник механической энер­гии, например, резец токарного станка. Следовательно, можно записать:

Любой нагрузке машины соответствует определенное число обо­ротов ротора т2 и определенное скольжение S.

Магнитное поле статора вращается относительно ротора с чис­лом оборотов n8 и индуктирует в его обмотке э. д. с. Е2, под дей­ствием которой по замкнутой обмотке ротора протекает ток силой I2.

Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тор­мозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего. Это приведет к уменьшению скорости вращения ротора, а следовательно, к уве­личению скольжения. С увеличением скольжения магнитное поле статора будет пересекать проводники обмотки ротора чаще, э. д. с. E2, индуктированная в обмотке ротора возрастет, а в силу этого увеличится как сила тока в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент. Увеличение скольжения и силы тока в ротор; будет происходить до значений, при которых вновь наступит равновесие моментов, т. е. вращающий момент станет равным тормоз­ному.

Так же протекает процесс изменения числа оборотов ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя, С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению скорости вращения ротора или к уменьшению скольжения. В результате уменьшаются э.д. с. и сила тока в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней э.д. с. Е1 которая уравновешивает приложен­ное напряжение сети U1.

Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении обмотки статора, которое мало по сравнению с э.д.с, то между абсо­лютными значениями приложенного напряжения и э. д. с. обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е.

Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неиз­менна и э.д.с. обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки остается постоянным.

Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено навстречу магнитному полю, образуемому током обмот­ки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизмененным при любом изменении нагрузки двига­теля, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении силы тока в обмотке ротора увеличивается и сила тока в обмотке статора.

Таким образом, работа асинхронного двигателя принципиально подобна работе трансформатора, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.

В современной электроэнергетике почти повсеместно пе­ременный ток вытесняет постоянный. Это объясняется многими преимуществами машин переменного тока в сравнении с ма­шинами постоянного тока. В частности, у машин переменного тока вес, габариты и стоимость меньше, а к. п. д. выше; они проще в обслуживании, долговечнее и надежнее машин посто­янного тока. Правда, электродвигатели переменного тока хуже поддаются регулировке, они развивают значительно меньшие пусковые моменты. Поэтому, если от электродвигателей требу­ются высокие регулировочные качества и повышенные пусковые моменты, применяют электродвигатели постоянного тока.

Привод механизмов портовых подъемно-транспортных машин чаще всего осуществляется асинхронными электродвига­телями трехфазного переменного тока, получившими наибольшее распространение в электроэнергетике. Зависимости от исполнения ротора, различают асин­хронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором (с контактными кольцами). Принципиальная схема включения этих электродвигателей приведена на рис. 40..

Из курса электротехники известно, что принцип действия асинхронных электродвигателей основан на использовании так называемого вращающегося магнитного поля. При подаче трехфазного тока в обмотке статора создается магнитное поле, вращающееся со скоростью

где f - частота тока в обмотке статора;

р - число пар полюсов обмотки статора.

Эта скорость называется синхронной . Магнитное поле статора, (пересекая обмотку ротора, наводит в ней э. д. с., ко­торая создает в цепи ротора ток. Последний, взаимодействуя с магнитным полем статора, образует вращающий момент, заставляющий ротор вращаться в ту же сторону, что и магнит­ное поле статора. При нормальной работе асинхронного электродвигателя его ротор вращается со скоростью п 2 <п 1 . Если бы скорость вращения ротора была равна скорости, с которой вращается магнитное поле статора, то последнее относительно ротора было бы неподвижным. В этом случае э. д. с. и ток в обмотке ротора были бы равны нулю и никакого вращающего момента не возникло бы.

Величиной, характеризующей работу асинхронного электро­двигателя, является скольжение s :

где n 1 -синхронная скорость;

n 2 - скорость вращения ротора.

Зная скольжение, нетрудно определить скорость вращения электродвигателя

При работе электродвигателя без нагрузки скорость его близка к синхронной, а скольжение очень мало.

Двигательный режим асинхронного электродвигателя имеет место при скольжениях, изменяющихся в пределах от 0 до 1, при этом число оборотов ротора изменяется от n 1 до 0. Номинальная величина скольжения асинхронного электродви­гателя составляет 0,03-0,1, причем первая цифра относится к более мощным, а вторая - к менее мощным электродвигателям (до 10-20 квт ).

Очевидно, s = 0 в том случае, когда ротор вращается с син­хронной скоростью n 1 . Можно считать, что на холостом ходу электродвигателя его ротор вращается с этой скоростью, если не учитывается трение.

Величина скольжения s =1, когда ротор электродвигателя не вращается при включенной обмотке статора. Этот режим называют режимом короткого замыкания электродвигателя (или режимом стоянки под током). Получить режим короткого замыкания можно, искусственно затормозив ротор или пере­грузив электродвигатель до полной остановки его. Пуск асин­хронного электродвигателя также начинается именно с этого режима.

Выражение (81) показывает, что скольжение может изме­няться гораздо в больших пределах, чем указано выше. Дей­ствительно, ротор электродвигателя под действием посторон­него источника механической энергии (например, под действи­ем опускающегося груза) может вращаться со скоростью больше синхронной. В этом случае скольжение будет отрицательным (s <0). Отрицательное скольжение имеет место при работе асинхронного электродвигателя в генераторном режиме, когда, например, под действием опускающегося груза ротор вращается в ту же сторону, что и магнитное поле статора со скоростью n 2 >n 1 .

Можно также представить, что ротор электродвигателя под действием опускающегося груза вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля ста­тора. В этом случае s >1, так как в выражение (81) величи­ну п 2 нужно подставить с отрицательным знаком. Такой ре­жим называется режимом противовключения.

Таким образом, теоретически скольжение асинхронного электродвигателя может изменяться в пределах от -? до + ?. Практически же скольжение асинхронного электродви­гателя при работе последнего в двигательном и тормозных режима« изменяется в пределах от -2 до +2.

Из курса электрических машин известно, что для асинхрон­ного электродвигателя может быть составлена схема замеще­ния, с помощью которой производится анализ работы электродвигателя и исследуются режимы его работы. На рис. 41 при­ведена упрощенная схема замещения асинхронного электро­двигателя, в которой приняты следующие обозначения:

U 1 - фазное напряжение обмотки статора, в ;

I 1 - фазный ток обмотки статора, а ;

I 0 - фазный ток холостого хода электродвигателя, а ;

I 2 - приведенный фазный ток обмотки ротора, а ;

r 1 и х 1 - активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора, ом ;

r 2 ’ и х 2 ‘ - приведенные активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки ротора, ом .

Для приведенных величин могут быть выведены следующие соотношения:

где т 1 и т 2 - число фаз обмоток статора и ротора;

к = U 1н / E 2н - коэффициент трансформации э. д. с. (U 1н - номи­нальное фазное напряжение обмотки статора; E 2н - фазная э. д. с. обмотки ротора при разом­кнутых контактных кольцах).

Мощность Р 1 забираемая электродвигателем из сети, опре­деляется напряжением сети U 1 , током статора I 1 зависящим от нагрузки, и коэффициентом мощности cos? т.е.

Мощность на валу электродвигателя зависит от его к. п. д.? и может быть вычислена по формуле

Если пренебречь механическими и вентиляционными поте­рями, которые незначительны, то можно считать, что механи­ческая мощность асинхронного электродвигателя (мощность на валу) равна, потерям мощности в сопротивлении схемы замещения, приведенной на рис. 41, т. е.

где т 2 = т 1 - приведенное число фаз обмотки ротора.

Между токами асинхронного электродвигателя, согласно схеме замещения, существует зависимость

Ток статора асинхронных электродвигателей I 1 очень велик даже при отсутствии нагрузки на валу. Это объясняется тем, что намагничивающий ток этих электродвигателей составляет 50-70% номинального тока статора.