11.5. Робочий процес і енергетична діаграма асинхронного двигуна

Асинхронна машина є універсальним перетворювачем. Дійсно, в ній підведена до статора напруга перетворюється в напругу на роторі, кількість фаз статора, можна перетворити в кількість фаз ротора, частота статораперетворюється в частоту ротора і, нарешті, підведена електрична потужність - в механічну потужність навалі двигуна.

Вказані перетворення супроводжуються втратами енергії, тому робочий, процес асинхронного двигуна, зручно подати за допомогою енергетичної діаграми (рис. 11.6).

До статора трифазного асинхронного двигуна підводиться потужність

(11.13)

Рис. 11.6. Енергетична діаграма асинхронного двигуна

Струм, що тече по статору, створює електричні втрати, а в сталі статора виникають втрати від гістерезису і вихрових струмів Потужність, що залишилася, передається на ротор через повітряний проміжокелектромагнітним шляхом і тому називаєтьсяелектромагнітною. Магнітний потік, що обертається, наводить в роторі ЕРС, а протікаючий струм створює електричні втрати. Ротор починає обертатися, розвиваючи механічну потужність. При обертанні ротора виникають механічні і додаткові втрати, віднявши які від, отримаємо корисну потужність на валу двигунаР₂.

Виходячи з умов рівноваги моментів (7.6), за допомогою енергетичної діаграми можна отримати ряд важливих співвідношень. В загальному випадку, коли асинхронний двигун має кількість пар полюсів , так звана механічна кутова швидкість магнітного потоку

(11.14)

а ротора [за аналогією з виразом (11.3)]

(11.15)

Електромагнітна і механічна потужності пов'язані з обертальним моментом двигуна співвідношеннями (див. п. 7.1)

(11.16)

(11.17)

Підставивши (11.15) в (11.17), з урахуванням (11.16) отримаємо

(11.18)

З енергетичної діаграми випливає, що

(11.19)

Прирівнявши праві частини рівнянь (11.18) і (11.19), знайдемо

звідки

(11.20)

Таким чином, електричні втрати в роторі пропорційні ковзанню.

11.6. Обертальний момент асинхронного двигуна

Загальний вираз моменту.Електричні втрати в роторі з урахуванням його приведення

(11.21)

де і - кількість фаз статора і ротора відповідно, а - кут зсуву між ЕРС і струмом ротора. Співставивши вирази (11.20) і (11.21), побачимо, що електромагнітна потужність

(11.22)

Тоді, згідно (11.16), обертальний момент з урахуванням (11.6)

(11.23)

де - стала.

Порівнюючи отриманий вираз з (3.29), бачимо їх ідентичність. Обертальний момент асинхронного двигуна залежить не від повного струму в роторі, а лише від його активної складової . Цей висновок, як і формула (11.23) справджується для електричних машин всіх типів.

Момент і втрати в колі ротора.З урахуванням виразу (11.20) формулу (11.23) можна записати так:

(11.24)

тобто обертальний момент асинхронного двигуна залежить від електричних втрат в колі ротора. Значить, двигун, обмотка ротора якого має значний опір, розвиває при інших рівних умовах значніший момент. В той же час збільшення електричних втрат робить роботу двигуна менш економною.

Залежність моменту від напруги.Електричні втрати в роторі. Підставивши сюди значення струму з (11.12), отримаємо

(11.25)

Остаточне рівняння обертального моменту отримаємо підстановкою (11.14) і (11.25) у (11.24):

(11.26)

Формула (11.26) дозволяє зробити важливий практичний висновок: обертальний момент, асинхронного двигуна пропорційний квадрату напруги, прикладеної до статора. Ця властивість асинхронного двигуна є його істотним недоліком. Наприклад, якщо допоміжний двигун електровоза розвиває моментпри напрузі в контактній мережі 10 кВ, то при допустимому зменшенні напруги до 7 кВ обертальний момент становитиме(7/10)М=0,49М, що може негативно відобразитися на роботі механізму приводу і самого двигуна. Тому асинхронні двигуни електровозів вибирають зі значним запасом по потужності у порівнянні з двигунами постійного струму, що приводять в дію аналогічні механізми.

Залежність моменту від ковзання. З виразу (11.26) випливає, що при такожМ>0, тобто має місце режим двигуна або режим електромагнітного гальма; при такожМ<0 (режим генератора). Крім цього, при або; отже, між цими значеннями ковзання знаходяться (максимум і мінімум) моменту.