Что такое механическая характеристика асинхронных двигателей

Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя

Задача №4

Регулирование частоты вращения двигателя независимого возбуждения в
системе Г-Д (привести схему).

Система
«генератор — двигатель».

В этой
системе, схема которой показана на рисунке 1, а, якорь 4
двигателя непосредственно присоединяется к якорю 3 генератора,
образующего вместе с при­ водным двигателем 1 электромашинный
выпрямитель 2 трехфазного пере­менного тока в постоянный,
вращающийся со скоростью ω_г. Регулирование напряжения
на якоре двигателя проис­ходит за счет изменения тока возбуж­дения
генератора 1_вг с помощью потен­циометра
8, при этом изменяется ЭДС генератора Е и соответственно напряжение
на якоре двигателя U. Регулирование
напряжения в этой систе­ме может сочетаться с воздействием на
магнитный поток двигателя, что обеспечит двухзонное регулирование скорости.

Регулирование
магнитного потока двигателя осуществляется изменением I_вд за счет включения в цепь обмотки 5 возбуждения
двигателя резистора б. В замкнутых ЭП питание обмотки 7 возбуж­дения
генератора происходит от регулируемого источника посто­янного тока, например
полупроводникового УВ. Характеристики системы Г — Д соответствуют
приведенным на рисунке 1, б.

Основными
достоинствами системы Г — Д являются большой ди­апазон и плавность
регулирования скорости двигателя, высокая же­сткость и линейность характеристик,
возможность получения всех энергетических
режимов работы, в том числе и рекуперативного тор­можения. В то же время
для нее характерны такие недостатки, как утроенная
установленная мощность системы, низкий КПД, инерци­онность процесса
регулирования скорости, шум при работе.

Искусственная механическая характеристика — двигатель

Искусственная механическая характеристика двигателя показана на рис. 14.8 пунктирной линией.

Различают естественные и искусственные механические характеристики двигателя . Под естественной понимают характеристику, которую имеет двигатель, подключенный без дополнительных сопротивлений к сети с напряжением, равным номинальному напряжению двигателя. При переменном токе, кроме того, частота сети должна быть равна номинальной частоте двигателя. Все другие механические характеристики ( при включении в схему добавочных сопротивлений, при напряжении или частоте, отличающихся от номинальных) называют искусственными.

Жесткость искусственных механических характеристик двигателей постоянного и переменного токов отличается от жесткости естественных характеристик и зависит от способа регулирования скорости. Это существенно влияет на стабильность скорости при работе привода с переменной нагрузкой.

Естественная или искусственная механическая характеристика двигателя может быть построена по двум точкам.

Точный расчет искусственных механических характеристик двигателя в установившемся режиме является сложной и по существу невыполнимой задачей.

Эта зависимость дает возможность построить искусственные механические характеристики двигателя . По естественной характеристике строится пограничная ngf ( t), а по формуле ( 13) и пограничной характеристике — любая искусственная.

Полагаем, что естественная и искусственные механические характеристики двигателя прямолинейны.

Продолжая рассмотренный выше пример, построим искусственную механическую характеристику двигателя АК82 — 4 с магнитными усилителями УСО-20, проходящую через точку с координатами Мс.

Схема управления должна прежде всего обеспечивать требуемую жесткость искусственных механических характеристик двигателя на всем диапазоне регулирования скорости и ограничение тока якоря в переходных режимах.

По результатам расчета на рис. 10.37, а изображена искусственная механическая характеристика двигателя .

Хотя полной компенсации изменения скорости вращения двигателя 8Д, вызванного изменением нагрузки на валу, при таком способе стабилизации не происходит, все же жесткость искусственной механической характеристики двигателя 8Д существенно возрастает, а отклонения скорости относительно установившегося значения соответственно значительно снижается.

Тот же эффект может быть получен, если использовать две обмотки управления и, снимая напряжение с шунта в цепи якоря двигателя, создать дополнительную положительную обратную связь по току якоря, увеличивающую жесткость искусственных механических характеристик двигателя .

Применение асинхронных электродвигателей в промышленности

§79. Характеристики асинхронных двигателей

Характеристики асинхронных двигателей.

Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Механическая характеристика.

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n1 (скольжение sном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора.

Как показывает кривая на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент Mmax двигатель развивает при некотором скольжении skp, составляющем 10—20%. Отношение Mmax/Mном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение Мп/Мном — его пусковые свойства.

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки Мвн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения Mmax (до точки В).

Если нагрузочный момент Мвн превысит момент Mmax, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5—7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R1п (кривая 2), R2п (кривая 3) и R3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками.

При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R2 и возрастает sкp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент Мп также зависит от R2. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент Мп был равен наибольшему Мmax.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками.

Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент Мп такого двигателя значительно больше, чем момент М’п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рабочие характеристики.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М2, тока статора I1 коэффициента полезного действия η и cosφ1, от полезной мощности Р2 = Рmx при номинальных значениях напряжения U1 и частоты f1 (рис. 264).

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М2 пропорционален мощности Р2, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента Мтр, создаваемого силами трения.

Ток статора I1, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р2 = 0 имеется некоторый ток холостого хода I0. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75—0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cosφ1 асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7—0,9.

Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

При нагрузках 25—50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5—0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25—0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.

Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении — не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы).

Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75Uном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5—1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении.

Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз.

При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении.

Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты.

Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

Применение асинхронных электродвигателей в промышленности

Агрегат, преобразующий электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем. Эти машины могут применяться в бытовой технике (маломощные асинхронные двигатели) и в промышленности (краны и лебедки общепромышленного значения и прочее).

Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели — они используются во всех сферах народного хозяйства (станки и оборудование, автоматика, телемеханика и т. д.).

На сегодняшний день именно этот тип электрических машин наиболее распространен. Объясняется это простотой эксплуатации, надежностью этих машин, небольшим весом и удачными габаритными размерами.

Электродвигатель с короткозамкнутым ротором используется в электроприводах разных станков (металлообрабатывающих, грузоподъемных, ткацких, деревообрабатывающих), в вентиляторах, землеройных машинах, в лифтах, насосах, бытовых приборах и т.д.

Электродвигатель асинхронный с короткозамкнутым ротором позволяет значительно снизить энергопотребление оборудованием, которое он питает, обеспечить высокий уровень его надежности, увеличить срок службы. Совокупность этих характеристик, как правило, сразу положительно отражается на модернизации всего производства.

Основные виды и некоторые характеристики электродвигателя асинхронного однофазного и трехфазного

Сегодня самыми востребованными в разных отраслях промышленности и любого производства являются следующие виды машин:

• общепромышленные — применяются на производстве и в агропромышленном секторе;
• взрывозащищенные — предназначены для использования в отраслях промышленности взрывоопасной: химическая, добыча нефти, газовая и угледобывающая промышленность;
• электродвигатели крановые, подходящие для работы в составе любых поворотных и крановых механизмов.

Электродвигатели прочно вошли в современную промышленность. От их надежности и качества зависит все производство. Не важно, стиральная машина или ткацкий станок, складское оборудование или система вентиляции — работа многих машин невозможна без исправной работы электромотора. В этой связи важно не просто купить электродвигатель, например у надежного поставщика, но и неукоснительно соблюдать все указанные в сопроводительных документах условия эксплуатации. Для северного сурового климата, к примеру, требуются специальные двигатели, которые рассчитаны на эксплуатацию в условиях низких температур. Для эффективной работы в электродвигателях может использоваться встроенная температурная защита. Такое конструктивное решение позволяет отключить двигатель от сети, если температура обмоток или подшипников превысит норму, или включить дополнительные вентиляторы обдува.

Принцип работы асинхронной машины

Подавая напряжение на обмотку статора, по каждой фазе можно наблюдать изменяющиеся магнитные потоки, которые по отношению друг к другу смещены на 120 градусов. Общий результирующий поток получается вращающимся и создает ЭДС внутри проводников ротора.

Там появляется ток, который во взаимодействии с результирующим потоком создает пусковой момент. Это приводит к вращению ротора.

Возникает скольжение S, т. е. разность между частотой вращения самого ротора n2 и частотой магнитного поля статора n1. Первоначально оно равно 1. Впоследствии частота возрастает, разность n1 – n2 уменьшается. Это ведет к уменьшению вращающего момента.

На холостом ходу скольжение минимально. Оно достигает критического значения Sкр, когда увеличивается статический момент. Превышение Sкр ведет к нестабильной работе машины.

Механическая характеристика, управление и защита асинхронных двигателей

На рис.12.3 представлены механические характеристики n₂ = f (М) асинхронного двигателя. Ее характерные точки с координатами (рис.12.3, а): 0, n₁ – идеальный холостой ход; М_max, n_кр – максимальный момент, критическая частота вращения; М_П, 0 – пусковой момент. Точкой М_max кривая делится на две области: I – область устойчивой работы, где находится точка номинального режима (М_Н, n_Н); II – область неустойчивой работы, используемая при пуске или вынужденной остановке двигателя.

Двигатель в общем случае преодолевает некоторый момент сопротивления М_С со стороны механизма. Самый простой случай, когда момент М_С не зависит от частоты вращения. В этом случае при включении двигателя его пусковой момент М_П больше момента сопротивления М_С (рис.12.3, б) и ротор приобретает ускорение. Скорость возрастает до тех пор, пока не установится равенство моментов двигателя и сопротивления. При М_С = М_Н ротор вращается с номинальной частотой.

При увеличении момента М_С новое устойчивое состояние наступает при новом меньшем значении n₂. На холостом ходу частота вращения ротора близка к синхронной. Если М_С станет больше, чем М_max, то двигатель остановится.

ЭТО ВАЖНО. Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения питающей сети, т.е. М_max » U 2 .

Если, к примеру, напряжение в сети снизилось на 10%, то значение М_max и М_П понизятся на 19%. А значение n_кр при понижении напряжения остается постоянным (рис.12.3, б).

Для двигателей с фазным ротором могут быть получены искусственные механические характеристики. Для этого в цепь обмотки ротора включают добавочные сопротивления. Чем больше добавочное сопротивление, тем круче спадает кривая (рис.12.3, в), тем «мягче» становится механическая характеристика. При изменении добавочного сопротивления значение М_max сохраняется постоянным.

Можно подобрать такое добавочное сопротивление, чтобы пусковой момент приобрел максимальное значение.

В общем случае механическая характеристика асинхронного двигателя имеет вид

(12.1)

где s_к и s_н — значения критического и номинального скольжения, s_к » (4¸5)s_н; М_max и М_Н – максимальное и номинальное значение момента, ; номинальное скольжение

(12.2)

где — частота вращения поля; f₁ – частота тока питающей сети; n₂ — частота вращения ротора.

В номинальном режиме работы s_Н = 0,02¸0,06.

При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток

(12.3)

Кратковременный толчок пускового тока для двигателя безопасен, но может явиться причиной чрезмерно большого падения напряжения в сети. В этих случаях ограничивают пусковой ток пуском двигателя на пониженном напряжении.

ЭТО ВАЖНО. Напряжение в период пуска двигателя понижают: используя в период пуска соединение обмоток статора в звезду с последующим переключением ее на треугольник; включая в цепь обмотки статора на период пуска добавочные активные или реактивные сопротивления; подключая двигатель к сети через понижающий трансформатор.

Общий недостаток всех способов – значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, пропорциональных квадрату приложенного напряжения.

Для управления и защиты асинхронных двигателей применяются магнитные пускатели.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Магнитный пускатель — это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверса и защиты электрических двигателей от токов перегрузки и понижения напряжения.

Для защиты от токов КЗ последовательно с главными контактами пускателя устанавливаются автоматические выключатели или плавкие предохранители.

Конструктивное отличие магнитных пускателей от контакторов – наличие устройства защиты (электротепловых реле) осуществляющих защиту от токов перегрузки.

Магнитный пускатель – относительно простое комплектное устройство, содержащее один (нереверсивный пускатель) или два (реверсивный пускатель) контактора, два или три электротепловых реле и кнопки управления («Пуск», «Стоп», «Назад»).

Пускатели выпускаются на номинальный переменный ток от 2 до 63 А и номинальные напряжения – 220 до 600 В. Номинальные напряжения втягивающих катушек контакторов от 24 и до 660 В – частотой 50 Гц. Коммутационная износостойкость пускателей от 1 до 16 млн. циклов.

На рис.12.4 приведена принципиальная электрическая схема нереверсивного магнитного пускателя. В схеме пускателя в двух фазах двигателя М включены нагревательные элементы тепловых реле КК1 и КК2.

Главные контакты контактора КМ1 (КМ1:1) включены последовательно с предохранителями FU1¸FU3. Катушка КМ1 контактора подключена к сети через контакты тепловых реле КК1:1, КК2:1 и кнопки управления «Пуск» и «Стоп». При нажатии кнопки «Пуск» напряжение на катушку контактора КМ1 подается через замкнутые контакты кнопки «Стоп» и замкнутые контакты тепловых реле. При срабатывании контактора замыкаются его главные контакты, тем самым подключается напряжение сети к двигателю, кнопка «Пуск» самоблокируется вспомогательным контактом КМ1:2, которую после этого можно отпустить. Для отключения двигателя нажимается кнопка «Стоп», после чего главные контакты размыкаются.

При токовой перегрузке двигателя срабатывают тепловые реле КК1 или КК2, контакты которых разрывают цепь питания катушки КМ1. При этом контакты КМ1:1 размыкаются и двигатель отключается.

Высокий коэффициент возврата электромагнитов контакторов переменного тока позволяет защитить двигатель от понижения напряжения сети (электромагнит пускателя отпускает при U = (0,6¸0,7)U_ном). При восстановлении напряжения сети до номинального значения самопроизвольное включение пускателя не происходит, так как после размыкания главных контактов цепь катушки КМ1 не замкнута.

С учетом широкого распространения магнитных пускателей большое значение приобретает снижение потребляемой ими мощности, которая расходуется в электромагните контактора и других элементах схемы (тепловых реле и т.д.). Потери мощности в электромагните контактора составляют примерно 60 %, в тепловых реле около 40 % общих потерь пускателя.

Электрический привод

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Электрическим приводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройства, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Преобразовательное устройство преобразует напряжение и ток источника электроэнергии, в напряжение и ток, необходимые для работы электродвигателя.

Передаточное устройство содержит механические передачи и соединительные муфты.

Управляющее устройство представляет собой систему управления, в которой происходит обработка информации от датчиков состояния системы, и выработки на их основе сигналы управления преобразователем, электродвигателем и передаточным устройством.

ЭТО ВАЖНО. Основная функция электропривода – приводить в движение рабочий механизм и изменять его режим работы в соответствии с требованиями технологического процесса.

Электропривод бывает групповой и индивидуальный.

В групповом электроприводе один двигатель приводит в движение с помощью разветвленной передачи группу механизмов. В таком приводе кинематическая схема оказывается сложной и громоздкой, а сам привод неэкономичен, поэтому он находит ограниченное применение.

Наиболее прогрессивным является автоматизированный индивидуальный электропривод, в котором электродвигатель приводит в движение только один рабочий орган.

Индивидуальный электропривод существенно упрощает схему механизма, повышает экономичность и позволяет в ряде случаев встраивать электродвигатель непосредственно в механизм, что уменьшает его металлоемкость (электродрель, вентилятор, водяной насос и т.д.)

ЭТО ВАЖНО. Выбор электродвигателя для привода определяется условиями работы и требованиями производственного механизма. При этом целесообразно выбирать электродвигатель более простой, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшую массу, размеры и стоимость.

Практически всем выше перечисленным требованиям отвечает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели с фазным ротором по конструкции сложнее двигателей с короткозамкнутым ротором. Однако они позволяют простыми средствами осуществлять регулирования частоты вращения, пусковой ток и момент.

Синхронные двигатели применяются для привода насосов, вентиляторов и преобразовательных установок, где не требуется регулирование частоты вращения и крайне редки перерывы в работе.

Двигатели постоянного тока используются для привода механизмов, работа которых сопровождается частыми пусками и остановками; требуется регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения применяются в электроприводе подъемно-транспортных механизмов, так как имеют повышенные перегрузочный момент и механическую прочность.

Механическая характеристика (n = f (М)) является основной характеристикой электропривода.

Вопрос 17. Устройство, Принцип действия и основные характеристики асинхронного двигателя. Механическая характеристика

Асинхронный двигатель – это машина переменного тока. Слово «асинхронный» означает неодновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Рис.1. Устройство асинхронных двигателей

Статор – неподвижная часть машины (рис. 1, а). Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Ротор – вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 1, б, в). В пазах ротора укладывают обмотку, в зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни (рис. 1, г), соединенные с торцов кольцами из этого же материала («беличья клетка»).

У фазного ротора (см. рис. 1, в) в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой. Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пуско-регулировочный реостат.

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле это постоянный поток, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью.

Необходимыми условиями возбуждения вращающегося магнитного поля являются:

— пространственный сдвиг осей катушек статора,

— временной сдвиг токов в катушках статора.

Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120º. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений.

При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотой n₁, об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

, (1)

где f₁ – частота тока сети, Гц;

р – число пар полюсов магнитного поля.

При стандартной частоте тока сети Гц частота вращения поля по формуле (1) и в зависимости от числа пар полюсов имеет следующие значения:

Вращаясь, поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает токи, при взаимодействии которых с вращающимся магнитным полем возникает вращающий электромагнитный момент. Частота вращения ротора в двигательном режиме асинхронной машины всегда меньше частоты вращения поля, т.е. ротор «отстает» от вращающегося поля. Только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент. Явление отставания ротора от магнитного поля называется скольжением. Степень отставания ротора от магнитного поля характеризуется величиной относительного скольжения

, (2)

где n₂ – частота вращения ротора, об/мин.

Для асинхронных двигателей скольжение может изменяться в пределах от 1 (пуск) до величины, близкой 0 (холостой ход).

Для двигателей с короткозамнутым ротором используют прямой пуск и пуск при пониженном напряжении.

1. Прямой пуск – обмотка статора включается непосредственно в сеть на полное напряжение. Прямой пуск допустим только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности (до 15-20 кВт). Однако при значительной мощности питающей сети этот способ можно распространить на двигатели большей мощности (примерно до 50 кВт).

2. Пуск при пониженном напряжении. Пусковой ток двигателя пропорционален напряжению на фазах обмотки статора U₁, поэтому уменьшение напряжения U₁ сопровождается соответствующим уменьшением пускового тока. Однако такой способ приводит к уменьшению начального пускового момента, который пропорционален квадрату напряжения на фазах обмотки статора. Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска применим только при малых нагрузках на валу.

Имеется несколько способов понижения напряжения U₁ в момент пуска:

а) при легком пуске асинхронных двигателей средней мощности, которые нормально работают при соединении фаз обмотки статора треугольником, применяют снижение напряжения на зажимах этих фаз переключением их в звезду;

б) при любом типе соединения фаз обмотки статора понизить напряжение можно с помощью реактора (трехфазной индуктивной катушки), включенного последовательно в обмотку статора. Менее экономично снижать напряжение на статоре последовательным включением реостатов, так как они при этом сильно нагреваются и возникают дополнительные потери электрической энергии;

в) для двигателей большой мощности снижать напряжение целесообразно при помощи понижающего трехфазного автотрансформатора. Этот способ лучше предыдущего, но значительно дороже. После того, как ротор двигателя разгонится, и ток спадает, на обмотку статора подается полное напряжение сети.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора. Пусковой реостат снижает величину начального пускового тока и одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть величины, близкой к максимальному моменту. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводят.

Регулирование- принудительное изменение частоты вращения при постоянной нагрузке на валу. Недостатком асинхронных двигателей является плохая регулировочная способность. Но все же некоторые возможности регулирования имеются.

Из формулы скольжения (2) можно получить выражение частоты вращения ротора асинхронного двигателя

. (3)

Из равенства (3) следует, что изменять частоту вращения можно следующими способами: изменением частоты тока статора f₁, числа пар полюсов р и скольжения s. Частоту вращения ротора можно регулировать и изменением напряжения питания U₁. Рассмотрим эти способы.

Регулирование изменением частоты тока статора f₁. Частотное регулирование асинхронных двигателей является наиболее перспективным в связи с наличием простых и надежных трехфазных тиристорных преобразователей частоты, которые включают между промышленной сетью и асинхронным двигателем. При регулировании частоты f₁ скорость двигателя можно плавно изменять так, что ее максимальное значение будет в десятки или сотни раз превышать минимальные. p>

Регулирование изменением числа пар полюсов р. Переключение числа пар полюсов асинхронных двигателей обеспечивает ступенчатое регулирование частоты вращения ротора и отличается экономичностью. Оно применяется в машинах со специальным исполнением обмотки статора, допускающим переключение ее катушек на различное число пар полюсов, а также, когда в пазах магнитопровода статора размещено несколько поочередно включаемых обмоток, выполненных на разное число пар полюсов, например, р = 1 и р = 2. Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными, промышленностью выпускаются двигатели на две, три и четыре скорости.

Регулирование изменением подводимого напряженияU₁. Понижение напряжения вызывает снижение скорости ротора. Уменьшать напряжение U₁ можно включением в цепь статора реостатов, автотрансформаторов или регулируемых дросселей. Данный метод применяется только у двигателей малой мощности, так как при уменьшении напряжения уменьшается максимальный момент двигателя, который пропорционален квадрату напряжения. Снижение максимального момента уменьшает запас по устойчивости работы двигателя. Кроме того, диапазон регулирования частоты вращения сравнительно небольшой.

Перечисленные выше способы регулирования применяются для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

У двигателей с фазным ротором частота вращения регулируется изменением скольжения. Для этого в обмотку ротора включают регулировочный реостат. При увеличении сопротивления регулировочного реостата скольжение увеличивается, а частота вращения уменьшается (рис. 2).

Этот способ обеспечивает плавное изменение частоты вращения.

Изменение направления вращения ротора называется реверсированием. Для реверса необходимо поменять местами два провода на зажимах статорной обмотки двигателя.