Зависимость момента от мощности асинхронного двигателя. Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

Зависимость момента от мощности асинхронного двигателя. Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

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 / E - коэффициент трансформации э. д. с. (U - номи­нальное фазное напряжение обмотки статора; E - 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.

Основные нагрузочные свойства асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели в процессе эксплуатации работают с нагрузками на валу от холостого хода до номинальной. Напряжение и частота сети могут сохранять номинальные значения или длительно изменяться в зависимости от режима работы энергосистемы. Под нагрузочными свойствами асинхронного двигателя при отклонениях напряжения и частоты подразумеваются изменения основных параметров, характеризующих его установившийся режим, -ЭДС магнитного потока, вращающего момента, скольжения и частоты ротора, модуля и фазы тока ротора, намагничивающего тока, модуля и фазы тока статора.

Встречается необходимость использования двигателя для работы в сети с напряжением и частотой, отличающимися от его номинальных значений, в случаях:
а) применения двигателей, рассчитанных на частоту 60 Гц, в сети с частотой 50 Гц;
б) работы двигателя с нормальным соединением обмотки статора в звезду, в сети другого номинального напряжения - при соединении обмотки статора в треугольник;
в) переключения обмотки статора на звезду вместо нормального соединения треугольником для уменьшения потерь активной мощности и потребления реактивной мощности незагруженных двигателей.

Рассмотрим сначала в общих чертax явления, происходящие в двигателе при отклонении от номинальных значений нагрузки на валу (момента сопротивления приводимого двигателем механизма), напряжения и частоты питающей сети. По основным параметрам режима определяются такие важные факторы, как нагрев активных частей двигателя, изменение потерь и КПД, потребление из сети активной и реактивной мощностей, изменение начального вращающего момента при неподвижном роторе (для оценки возможности пуска двигателя при отклонениях напряжения и частоты).

Определим общий характер изменения перечисленных выше величин, исходя из основных соотношений, принимая для упрощения момент сопротивления механизма не зависящим от угловой скорости ротора. Изменение нагрузки на валу двигателя при номинальных напряжении и частоте питающей сети. Рассмотрим влияние увеличения нагрузки на валу на основные параметры установившегося режима. Вследствие увеличения нагрузки угловая скорость ротора несколько снижается, а следовательно, скольжение увеличивается до такого значения, при котором вращающий момент двигателя уравновешивает повышенный момент сопротивления. Поскольку при скольжениях меньше критического сопротивление статора составляет незначительную долю общего сопротивления двигателя, то ЭДС, магнитный поток и намагничивающий ток практически не изменяются при изменении нагрузки.

Увеличение вращающего момента двигателя сопровождается соответствующим увеличением тока ротора. С увеличением скольжения возрастает фазный угол приведенного тока ротора, что приводит к увеличению реактивного тока двигателя, практически равного сумме индуктивного намагничивающего тока и реактивной составляющей приведенного тока ротора. В связи с ростом активной и реактивной составляющих тока статора последний также возрастает при увеличении нагрузки на валу. Увеличение токов ротора и статора обусловливает возрастание потерь в меди обмоток.

У двигателей нормального исполнения с короткозамкиутым и с фазным роторами при нормальной работе с закороченным реостатом угловая скорость ротора при изменении нагрузки в пределах номинальной изменяется незначительно и поэтому мощность на валу увеличивается практически пропорционально моменту сопротивления. В связи с увеличением реактивного тока двигателя при увеличении нагрузки увеличивается реактивная мощность, потребляемая из сети. При уменьшении нагрузки на валу скольжение, ток ротора и его фаза, а также ток статора уменьшаются, что приводит к снижению потребления двигателем из сети активной и реактивной мощностей.

При определении полезной мощности на валу двигателей с повышенным скольжением, а также двигателей с фазным ротором, работающих нормально с регулировочным реостатом, следует учитывать изменение угловой скорости ротора. Изменение напряжения при номинальной частоте. Предположим, что напряжение, подводимое к обмотке статора двигателя, работающего с постоянным моментом сопротивления, уменьшилось. Вследствие уменьшения напряжения уменьшаются ЭДС двигателя и магнитный поток. Вращающий момент двигателя, пропорциональный квадрату напряжения, окажется при прежнем скольжении меньше, чем момент сопротивления, и скольжение двигателя увеличится до такого значения, при котором вновь наступит равенство между указанными моментами.

Увеличение скольжения вызовет возрастание тока ротора и увеличение угла сдвига между приведенным током ротора и напряжением сети. При уменьшении напряжения намагничивающий ток уменьшается, а ток статора, равный геометрической сумме приведенного тока ротора и тока холостого хода, в зависимости от загрузки и соотношения между намагничивающим током и током ротора может увеличиться или уменьшиться. При увеличении напряжения увеличатся ЭДС и магнитный поток, а скольжение и ток ротора уменьшатся. Намагничивающий ток увеличится, а ток статора может увеличиться или уменьшиться в зависимости от загрузки двигателя и указанного выше.

Таким образом, понижение напряжения всегда вызывает увеличение тока ротора, а увеличение напряжения - уменьшение тока ротора. Работа с напряжением, пониженным более чем на 5 % номинального, допустима согласно ГОСТ 183-74 только при условии, что нагрузка двигателя меньше номинальной. При несоблюдении этого обстоятельства возможен перегрев обмотки ротора и, как следствие, ее преждевременный износ. Мощность, развиваемая двигателем, останется практически без изменения, так как угловая скорость ротора изменится незначительно.

Изменение частоты при номинальном напряжении

Рассмотрим случай, когда двигатель с постоянным моментом сопротивления на валу питается при номинальном напряжении от сети с частотой меньше номинальной. Уменьшение частоты вызовет увеличение магнитного потока и увеличение вращающего момента. Поскольку момент сопротивления остается постоянным, скольжение уменьшится так, чтобы сохранилось равновесие между вращающим моментом двигателя при пониженной частоте и моментом сопротивления. Вследствие увеличения потока уменьшится ток ротора, а ток холостого хода увеличится. Ток статора может увеличиться или уменьшиться, так же как для случая повышения напряжения. Таким образом, понижение частоты практически равнозначно увеличению напряжения.

Следовательно, если при понижении частоты соответственно уменьшить напряжение, то магнитный поток, а следовательно, и токи холостого хода, ротора и статора останутся такими же, как и при нормальной работе. При этом будет иметь место некоторое изменение потерь в стали, а следовательно, и активной составляющей тока холостого хода. Эти изменения практически не скажутся на токе статора. Однако существенным отличием от рассмотренных выше двух режимов будет значительное изменение угловой скорости ротора, практически пропорциональной частоте статора.

Во всех случаях, когда имеет место изменение угловой скорости ротора двигателя, происходит изменение полезной мощности на валу и производительности механизма. Полезная мощность на валу изменяется пропорционально произведению момента сопротивления на угловую скорость. Поэтому для рассмотрения режима работы двигателей при любых значениях нагрузки на валу, напряжения и частоты питающей сети необходимо знать характеристики моментов сопротивления механизмов

§ 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.



top