23. Асинхронный двигатель с кз ротором: устройство, принцип работы, достоинства, недостатки, механическая характеристика.

Устройства, преобразующие электрическую энергию (вход) в механическую (выход), называются электрическими двигателями.

Механическая энергия необходима для работы производственных машин и механизмов.

АД состоит из статора (неподвижной части) и ротора (подвижной части).

• В статор входят: корпус; магнитопровод (сердечник), состоящий из тонких стальных пластин; три обмотки (катушки), смещенные между собой на 120°, которые укладываются в пазы магнитопровода.

• В ротор входят: вал, магнитопровод, короткозамкнутая (в виде беличьей клетки) обмотка.

К ротору подсоединяется производственный механизм, который является нагрузкой на двигатель.

Достоинства двигателя: простой, дешевый, надежный.

Недостатки: плохие пусковые качества, т. е. малый пусковой момент, большой пусковой ток, а также потребление из сети реактивного тока.

ПРИНЦИП РАБОТЫ U₁ → I₁ → Ф₁ (вращающееся магнитное поле) → Е₂ (Е₁) → I₂

В результате взаимодействия I₂ с Ф, создается момент М [Нм]. М = КI₂Фcosψ₂, где ψ₂ — фазовый сдвиг между Е₂ и I₂, под действием которого ротор приходит во вращение.

В АД имеет место АСИНХРОННОСТЬ (неодинаковость) вращения магнитного поля n₁ и ротора n₂. Благодаря этой асинхронности движения возникают электрические процессы в роторе (Е₂ и I₂). Величина асинхронности оценивается скольжением S, в относительных единицах или процентах: , , [%], n₁ — частота вращения магнитного поля.

, P_п — число пар магнитных полюсов поля: 1, 2, 3 … и т. д.; f — частота тока.

Если f_ном = 50 Гц, то = 3000, 1500,1000 об/мин и т. д. в зависимости от числа пар полюсов двигателя.

.

Работа двигателя начинается с n₂ = 0 (пуск), тогда (максимальное скольжение).

Теоретически максимальная частота вращения ротора при отсутствии нагрузки n₂ = n₁, тогда .

Диапазон изменений S составил от 1 (минимальная скорость ротора) до 0 (максимальная скорость ротора).

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АД — основная характеристика АД, показывающая как изменяется частота вращения ротора под действием нагрузки. Эту характеристику можно получить эксплуатационным или расчетным путем по формулам:

или

Задаваясь в формулах (1) и (2) S [0;1], можно найти n.

Задаваясь нагрузкой М можно найти скольжение, а, следовательно, и n₂.

Эта механическая характеристика имеет вид:

На характеристике можно выделить 4 основных точки и соответственно 3 участка. Рассмотрим эти точки:

• 1 — холостой ход (двигатель вращается без нагрузки).

• 2 — номинальный режим — наступает при нагрузке равной предельно допустимой в условиях длительной работы.

• 3 — критическая нагрузка, при которой двигатель развивает максимальный момент.

При нагрузке большей критической двигатель с ней не справляется, что приводит к остановке;

• 4 — пусковая точка, с этой точки начинается запуск двигателя.

Участки 1-3 — устойчивая работа, при нагрузке двигателя от 0 до М_кр двигатель обладает способностью подстраиваться под нагрузку и увеличивать свой момент (усилие), что не приводит к остановке двигателя.

3-4 — характеризует разбег двигателя, работа на этом участке неустойчива.

При этом:

1-2 — возможна длительная работа, при которой ток, потребляемый из сети, не превышает предельно допустимого, т. е. номинального.

2-3 — допустима только кратковременная работа, т. к. при таких нагрузках I_{двигателя} > I_ном и возможен перегрев двигателя.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА n=f(M), полученная при номинальных условиях работы, т. е. при U=U_ном, f=f_ном и естественной схеме включения (без дополнительных элементов) называется ЕСТЕСТВЕННОЙ.

24. Работа АД с кз при S=1. Схема замещения, векторная диаграмма, сравнительная оценка скоростей магнитных полей статора и ротора.

25. Электрические соотношения в работе АД при вращающемся роторе. Влияние нагрузки на работу АД. Сравнительная оценка движения магнитных полей статора и ротора при вращающемся роторе.

26. Электромагнитный момент АД. Вывод зависимости M=f(S) и её анализ.

Электромагнитный момент возникает при наличии магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Можно показать, что электромагнитный момент определяется соотношением: M=CΦI₂cosψ₂.

Здесь:   – конструктивный коэффициент; ω₀=2πf/p – скорость вращения магнитного поля; ψ₂ – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; I₂cosψ₂ – активная составляющая тока ротора.

Таким образом, величина электромагнитного момента зависит от результирующего магнитного поля Φ и активной составляющей тока ротора.

Н а рис приведено пояснение влияния cosψ₂ на величину электромагнитного момента: а) ψ₂=0°, (cosψ₂=1); б) ψ₂=90°, (cosψ₂=0).

Как следует из рис.а, если ψ₂=0°, в создании электромагнитного момента участвуют все проводники обмотки ротора, т.е. момент имеет наибольшее значение. Если ψ₂=90° (рис.б), результирующая электромагнитная сила и момент равны нулю.

В режиме двигателя при изменении нагрузки на валу изменяется частота вращения ротора, что приводит к изменению скольжения, частоты тока ротора, индуктивного сопротивления ротора и cosψ₂. В результате изменяется вращающий момент. На рис. 2.13 приведено пояснение влияния индуктивного сопротивления ротора на угол ψ₂: а) при S=1 (пуск в ход); б) при S≤1 (после разгона). Наибольшие значения ЭДС и частота тока ротора имеют в момент пуска в ход, когда скольжение S=1. При этом f₂=f₁, X₂>>R₂, угол ψ₂ близок к 90° (рис. 2.13.а).

Рис. 2.13

За счет малого cosψ₂ в момент пуска в ход асинхронные двигатели имеют ограниченный пусковой момент. Кратность пускового момента (по сравнению с номинальным) у них составляет

M_пуск/M_н=0,8÷1,8.

Причем большие цифры относятся к двигателям специальной конструкции с улучшенными пусковыми свойствами.

По мере разгона ротора двигателя частота тока ротора падает, уменьшается индуктивное сопротивление ротора X_2S и угол ψ₂ уменьшается (рис. 2.13.б). Это приводит к увеличению вращающего момента и дальнейшему разгону двигателя.

Подставим в выражение для электромагнитного момента соотношения для I₂, cosψ₂ и Φ, полученные ранее: ,  ,  .

Тогда M=C					E1E2R2S		,
					4,44w1k1f[R22+(SX2)2]
Используя соотношение	E1	=	w1k1	=kтр,
	E2		w2k2

где: k_тр – коэффициент трансформации асинхронной машины.

Выразим E₂=E₁/k_тр, а E₁ приравняем к напряжению U₁, подведенному к обмотке статора (E₁≈U₁). В результате получим другое выражение для электромагнитного момента, которое удобно использовать при анализе работы машины, при построении ее характеристик

(*)

M=Cм	U12R2S	.
	R22+(SX2)2

Из полученного выражения для электромагнитного момента следует, что он сильно зависит от подведенного напряжения (M∼U₁²). При снижении, например, напряжения на 10%, электромагнитный момент снизится на 19% (M∼(0,9U₁)²=0.81U₁²). Это является одним из недостатков асинхронных двигателей, так как приводит на производстве к снижению производительности труда и увеличению брака.

Зависимость электромагнитного момента от скольжения

Выражение для электромагнитного момента (*) справедливо для любого режима работы и может быть использовано для построения зависимости момента от скольжения при изменении последнего от +∞до −∞ (рис. 2.14).

Рассмотрим часть этой характеристики, соответствующая режиму двигателя, т.е. при скольжении, изменяющемся от 1 до 0. Обозначим момент, развиваемый двигателем при пуске в ход (S=1) как M_пуск. Скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения, называют критическим скольжением S_кр, а наибольшее значение момента – критическим моментом M_кр. Отношение критического момента к номинальному называют перегрузочной способностью двигателя M_кр/M_н=λ=2÷3.

Из анализа формулы (*) на максимум можно получить соотношения для M_кр и S_кр

Mкр=Cм	U12	;     Sкр≈	R2	.
	2X2		X2

Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора, но зависит от подведенного напряжения. При уменьшении U₁ снижается перегрузочная способность асинхронного двигателя.

Из выражения (*), разделив M на M_кр, можно получить формулу, известную под названием «формула Клосса», удобную для построения M=f(S).

	M	=	2
	Mкр		S/Sкр+Sкр/S

Если в эту формулу подставить вместо M и S номинальные значения момента и скольжения (M_н и S_н), то можно получить соотношение для расчета критического скольжения.

.

Участок характеристики (рис. 2.14), на котором скольжение изменяется от 0 до S_кр, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом участке располагается точка номинального режима (M_н, S_н). В пределах изменения скольжения от 0 до S_кр изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электромагнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится.

Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от S_кр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и при торможении.