3.5. Электромеханические и механические

характеристики асинхронных двигателей

3.5.1. Общие сведения

По своей природе асинхронный двигатель (АД) является универсальным преобразователем энергии, в котором происходит преобразование напряжения статора U₁ в напряжение ротора U₂, частоты питания f₁ в частоту тока ротора f₂, электрической мощности Р₁, потребляемой из сети, в механическую мощность Р₂, развиваемую двигателем. Обмотка статора в зависимости от номинального напряжения, на которое выполнен двигатель, и напряжения сети может быть соединена в

звезду или треугольник, обмотка ротора, как правило, в звезду.

Наличие фазной обмотки на роторе позволяет в целях регулирования машины включать в роторную цепь различные регулировочные приборы: реостаты, дроссели, коммутирующие

аппараты и т.п. АД с фазным ротором из-за наличия щеточно-го контакта требуют более внимательного ухода, системати-ческого контроля степени износа и усилия нажатия щеток, периодической очистки полости машины от токопроводящей пыли (продувка сжатым воздухом). Такие двигатели широко используются в различных подъемных устройствах (краны, кран-балки, тельферы и т.п.), в других регулируемых приводах. Асинхронные машины выгодно отличаются от двигателей постоянного тока низкой стоимостью, простотой обслуживания, высокой надежностью. К недостаткам этих машин можно

отнести сложность их регулирования и резкое снижение коэф-

62

фициента мощности при недогрузке. Большинство асинхронных двигателей выполняются трёхфазными, поэтому при дальнейшем изложении электромеханические свойства будут рассматриваться этих двигателей. Так как обмотка статора подключена к питающей сети, то для удобства рассмотрения

протекающих процессов и упрощения уравнений обмотка ротора приводится к обмотке статора. Смысл приведения состоит в условной замене действительной роторной обмотки фиктивной, имеющей число фаз и витков, а также обмоточный коэффициент такие же, как и у статорной обмотки.

Упрощённая схема замещения одной фазы асинхронного двигателя с фазным ротором приведена на рис.3.29, где в обозначениях коэффициенты с индексом 1 относятся к обмотке статора (первичной цепи), а с индексом 2 – к обмотке ротора (вторичной цепи). На рис. 3.29 введены обозначения: U₁ – действующее значение фазного напряжения; I_μ, I₁ – ток

намагничивания и ток обмотки статора; X_μ – индуктивное со-

противление контура намагничивания; X₁, R₁ – индуктивное и активное сопротивления обмотки фазы статора; I₂', R₂', X₂' – приведённые к обмотке статора ток ротора, активное и индуктивное сопротивления фазы ротора; s – скольжение двигателя.

Рис.3.29 Упрощенная схема замещения АД

Приведённый к статору ток ротора

I'₂ = I₂/(К_е·m₁/m₂), (3.35)

63

где I₂ – действительный ток ротора, А;

Ке – коэффициент трансформации ЭДС, К_е = Е₁/Е₂;

m₁, m₂ – число фаз статора и ротора.

Приведённые к обмотке статора сопротивления ротора:

R'₂ = R₂·К_е·К_т = R₂·(m₁/m₂)·К_е²; X'₂ = X₂·(m₁/m₂)·К_е², (3.36)

где R₂, X₂ – действительные активное и индуктивное сопротивления фазы ротора, Ом.

Коэффициент К_е можно определить из паспортных данных двигателя, поскольку К_е ~ 0.95·U_лн/Е_2к, где 0.95 – коэффициент, учитывающий 5 % - ю потерю напряжения в обмотке статора; U_лн – номинальное линейное напряжение статора; E_2к – ЭДС между кольцами неподвижного фазного ротора при неподвижном роторе.

На практике у большинства двигателей m₁ = m₂, тогда

формулы (3.36) примут более простой вид:

R'₂ = R₂·К_е² , X'₂ = X₂·К_е². (3.37)

Из определения коэффициента К_е известно, что приведённая к обмотке статора ЭДС ротора Е₂' равна Е₁, то есть E₂' = Е₂·К_е = Е₁, а коэффициент трансформации тока

К_т = I₂/I₂'. Сопротивления короткого замыкания двигателя в общем случае определяются:

R_к = R₁ + R'₂ , X_к = X₁ + X'₂ . (3.38)

Если обмотки двигателя соединены в треугольник, то его следует заменить схемой эквивалентной звезды, для которой сопротивления принять равными 1/3 фактических сопротивлений фаз статора и ротора. При подключении обмотки статора двигателя к сети трёхфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого ω₁ называется синхронной, находится по формуле

ω₁ = , (3.39)

где f₁ – частота переменного тока промышленной частоты, Гц;

р_n – число пар полюсов двигателя, которые определяются

64

из паспортных данных.

Разность между синхронной угловой скоростью и текущим значением угловой скорости ротора, отнесённая к синхронной скорости ω₁, называется скольжением

s = (ω₁-ω)/ω₁ . (3.40)

Для двигательного режима s = 1...0. Мощность на валу двигателя составляет P₂ = M·ω= P_эм·(1– s), a разность Р_эм – P₂ = P_эм·s даёт тепловые потери в цепи ротора, которые пропорциональны скольжению s. Максимальное значение КПД составит

η = P₂/P_эм = P_эм·(1– s)/P_эм = 1 – s. (3.41)

По паспортным данным номинальный ток статора двигателя подсчитывается по формуле

I_1н = P_н/( ·U_лн·cosφ_н·η_н). (3.42)