2.8. Работа тад при заторможенном роторе
Рассмотрим ТАД с фазным ротором. Будем считать, что ротор этой машины заторможен (s=1). Если обмотку статора подключить к трехфазной сети, а к обмотке ротора подключить электрическую нагрузку с сопротивлением Zнаг, то асинхронная машина будет работать как трансформатор, причем обмотка статора будет первичной, а обмотка ротора вторичной.
2.8.1. Холостой ход тад с заторможенным ротором
В режиме холостого хода к обмотке ротора нагрузка не подключается, и она остается разомкнутой. При заторможенном роторе обмотки статора и ротора пересекаются магнитным полем с одной и той же скоростью, а значит, частоты ЭДС, индуктируемых в статоре f1 и роторе f2=f1s=f1 будут равны. Поэтому с некоторыми допущениями можно считать, что физические процессы в ТАД и в трансформаторе протекают одинаково. Электродвижущие силы, индуцируемые в обмотках статора и ротора, определятся из уравнений, как для первичной и вторичной обмоток трансформаторы
E1=4,44f1N1kоб1Ф;
E2=4,44f1N2kоб2Ф. (2.11)
Отношение этих ЭДС равно коэффициенту трансформации ЭДС или напряжений
E1/E2=N1kоб1/N2kоб2=kU, (2.12)
где N1 и N2 – количество витков одной фазы обмотки статора и ротора, а kоб1 и kоб2 – обмоточные коэффициенты, которые учитывают пространственное распределение обмоток.
Как и для первичной обмотки трансформатора, уравнение электрического состояния для одной фазы обмотки статора будет иметь вид
.
(2.13)
По сравнению с трансформатором в асинхронном двигателе между первичной и вторичной обмотками имеется относительно большой воздушный зазор (зазор между статором и ротором) и для проведения магнитного потока через зазор требуются большая намагничивающая сила. Поэтому в асинхронных машинах процентное значение тока холостого хода составляет i0%=20-50%, что значительно больше, чем у трансформатора (3-10%) и при составлении схемы замещения пренебрегать активным и реактивным сопротивлениями фазы обмотки статора нельзя. При разомкнутом неподвижном роторе в машине имеются потери в обмотке статора (потери в меди) m1I02r1, где m1 – число фаз статора, и потери в сердечниках статора и ротора (потери в стали) pc1+pc2. На покрытие этих потерь расходуется мощность, потребляемая из сети. Следовательно, мощность потерь в режиме холостого хода равна
Р10= m1I02r1+ pc1+pc2. (2.14)
Активная составляющая тока холостого хода невелика по сравнению с реактивной составляющей и угол сдвига фаз между током и напряжением составляет 0=70-800, то есть большая часть тока расходуется на создание магнитного поля. Большой ток холостого хода является одним из главных недостатков ТАД, так как вызывает увеличение потерь в обмотке статора и уменьшает коэффициент мощности машин. Для снижения тока холостого хода в асинхронных машинах стремятся сделать минимально возможным зазор между статором и ротором. Например, у двигателей мощностью 5 кВт и менее зазор между статором и ротором делается равным 0,1-0,3 мм.
2.8.2. Короткое замыкание тад с заторможенным ротором
Для получения режима короткого замыкания в фазном роторе необходимо замкнуть между собой выводы с контактных колец. Как и в трансформаторе, режим короткого замыкания исследуется при пониженном напряжении. Напряжение, подводимое к статору, постепенно увеличивают до тех пор, пока ток статора (а значит и ток ротора) не станет равным номинальному. Это напряжение обычно составляет 15-25% от Uн (по сравнению с 5-17% в трансформаторах). Токи I1H и I2H создают намагничивающие силы F1 и F2, которые вращаются относительно неподвижных статора и ротора в одном направлении с одинаковой частотой n1=60f1/p. Следовательно, намагничивающие силы, создаваемые обмотками статора и ротора неподвижны друг относительно друга и образуют результирующую, вращающуюся с частотой n1 намагничивающую силу Fк. Намагничивающая сила Fк создает основной вращающийся магнитный поток Фк, сцепленный с обмотками статора и ротора. Кроме этого намагничивающая сила F1 создает первичный поток рассеяния Ф1, сцепленный только с обмоткой статора, а намагничивающая сила F2 – вторичный поток рассеяния Ф2, сцепленный только со вторичной обмоткой. Как и в трансформаторе, намагничивающие силы F1 и F2 действуют навстречу друг другу. Поэтому, несмотря на значительные токи в обмотках статора и ротора результирующая намагничивающая сила при коротком замыкании Fк относительно мала, вследствие чего поток Фк мал и магнитная цепь машины не насыщена.