Характеристики асинхронных двигателей
Передача мощности от статора к ротору асинхронного двигателя осуществляется с помощью вращающегося поля, формируемого трехфазной обмоткой статора. Для создания момента на валу двигателя необходимо наличие тока в обмотке ротора, что возможно только при скольжении ротора относительно поля статора, т. е. угловая скорость ротора должна быть отличной от угловой скорости вращающегося поля, которая определяется как а>о и равна скорости холостого хода двигателя. Скольжение рассчитывается как отношение разности скоростей поля и ротора к скорости поля процесс преобразования энергии асинхронного двигателя иллюстрируется упрощенной энергетической диаграммой.
Двигатель потребляет из сети при фазных напряжении С/ф и токе /ф электрическую мощность, где cos фф—коэффициент мощности фазы двигателя, которая за вычетом мощности потерь в активных сопротивлениях статора передается через воздушный зазор ротору.
В режиме установившегося движения ротора вращающееся поле преодолевает момент сопротивления Мс. Таким образом, развиваемую двигателем электромагнитную мощность при М=МС можно определить как называемую мощностью потерь скольжения.
Потери скольжения в общем случае делятся на потери в электрических цепях и потери в стали от вихревых токов. Последние значительно меньше потерь в электрических цепях ротора, поэтому можно принять, что в свою очередь ток ротора является функцией скольжения. Асинхронный двигатель представляет собой индуктивно связанную систему, первичной обмоткой которой является обмотка статора, а вторичной — ротора. Уравнение записано для тока и сопротивления ротора, приведенных к первичной обмотке. При составлении уравнений электрического равновесия фазных обмоток статорного и роторного контуров следует учесть частоты токов, протекающих по контурам.
Уравнения электрического равновесия фазных контуров двигателя в комплексной форме можно записать в виде сопротивление рассеяния фазы ротора;— взаимное индуктивное сопротивление статора и ротора;— токи статора, ротора, приведенные к статору, и намагничивания. Тогда (2.30) может быть представлено как т. е. в виде уравнений трансформатора, вторичное активное сопротивление которого зависит от скольжения.
Однако, учитывая, что ток намагничивания изменяется незначительно по сравнению с изменением тока статора, схему замещения для практических расчетов удобнее представить с вынесенным контуром намагничивания.
Из схемы замещения получаем выражение электромеханической характеристики асинхронного двигателя, где— индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя. Подставив значение тока, найдем выражение механической характеристики двигателя M=f(s).
Расчет и построение механической характеристики асинхронного двигателя можно проводить по (2.33), однако анализ ее в таком виде затруднителен. Продифференцировав (2.33) по s и приравняв нулю производную, получим, что при скольжении, называемом критическим и равном кривая M=f(s) имеет экстремумы называемые критическими моментами.
При работе двигателя ниже синхронной скорости, перед корнем знаменателя следует взять знак «+», при работе двигателя выше синхронной скорости, — знак «—».
Совместное решение (2.33) — (2.35) дает выражение механической характеристики асинхронного двигателя имеющей вид рис. 2.26. Здесь a=RJR'2. Характерные точки: точка пускового момента Ма при неподвижном двигателе, когда s= 1; точка холостого хода (M=0, s=0); две критические точки — в двигательном режиме и в генераторном режиме. Под генераторным режимом асинхронного двигателя понимается отдача в сеть активной энергии при работе двигателя на скорости выше синхронной. Реактивная энергия для создания магнитного поля при этом потребляется из сети.
Точка номинального режима соответствует номинальному моменту двигателя Мп0м при номинальном скольжении "НОМ" Отношение А=Мкр/М ном называется перегрузочной способностью двигателя.
Электромеханическая характеристика для тока ротора представлена. Как следует, предельное значение тока имеет место, а максимальное, при штрихпунктирной линией показан график I=f(s)t представляющий собой электромеханическую характеристику для тока статора. Этот график существенно отличается от графика 2= =f(s) только в области малых скольжений. В области больших скольжений кривые / и 2 практически сливаются, поскольку ток статора является геометрической суммой токов ротора и намагничивания
С ростом мощности асинхронных двигателей снижается влияние активного сопротивления статора R на их характеристики. Если выполняются соотношения, то при пренебрежении значением формулы (2.32) — (2.36) принимают вид следующих упрощенных формул.
Расчет характеристик асинхронного двигателя приведен ниже, двигатели с фазным ротором. Более сложные формы паза характерны для короткозамкнутых машин. Высокий пусковой момент двигателей этих серий обусловлен явлением вытеснения тока при низких скоростях, так как частота тока в роторной обмотке в области низких скоростей близка к частоте питающей сети. Явление вытеснения тока вызывает увеличение сопротивления роторной цепи, что в соответствии с (2.34) приводит к увеличению критического скольжения. По мере разгон двигателя частота тока в роторе снижается и снижается проявление поверхностного эффекта.
Режим динамического торможения асинхронных двигателей обеспечивается отключением двигателя от сети переменного тока и подачей в статорную обмотку постоянного тока. Магнитодвижущие силы, а следовательно, и магнитные потоки, созданные постоянным током, распределен в пространстве по гармоническому закону, так как обмотка статора является распределенной. Неподвижным потоком статора в проводниках движущегося ротора наводится ЭДС, при этом в замкнутых цепях роторной обмотки возникают токи, создающие собственное поле и тормозной момент.
Ротор движется со скоростью <о относительно неподвижных полей статора и ротора, что равносильно движению полей статора и ротора в обратном направлении стой же скоростью при неподвижном роторе. Последнее обстоятельство с учетом гармонического закона распределения поля в пространстве позволяет предположить, что статор питается симметричной системой переменного тока. В отличие от схемы замещения асинхронного двигателя питание статорной обмотки происходит от источника тока.
В .связи с тем что = f , а индуктивное сопротивление взаимной индуктивной связи х^ связано с током намагничивания кривыми вида рис. 2.32, задача расчета механических и электромеханических характеристик асинхронного двигателя в режиме динамического торможения решается с использованием универсальных кривых рис. 2.32 в следующей последовательности. Задаваясь значениями тока намагничивания по графикам рис. 2.32, определяют соответствующее значение, рассчитывают скольжение, ток ротора и тормозной момент двигателя.
Механические характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения представлены на рис. 2.30,в. Характеристики / и 3 соответствуют одному и тому же эквивалентному току, но разным сопротивлениям в роторной цепи двигателя, характеристика 3 соответствует большему сопротивлению. Характеристики 1 и 2 соответствуют одному и тому же сопротивлению в роторной цепи, но разным эквивалентным токам, большему значению эквивалентного тока соответствует характеристика 2.