График рабочих характеристик асинхронного двигателя

В данной статье осветим тему механических и электрических характеристик электродвигателей. На примере асинхронного двигателя рассмотрим такие параметры как мощность, работа, КПД, косинус фи, вращающий момент, угловая скорость, линейная скорость и частота. Все эти характеристики оказываются важными при проектировании оборудования, в котором электродвигатели служат в качестве приводных.

Механические характеристики электродвигателя представляют собой зависимость угловой скорости ω от развиваемого им момента на валу, т.е. ω = f (M). Различают естественные и искусственные механические характеристики электродвигателя.

Естественная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. Искусственная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с параметрами, отличающимися от номинальных, например, при введении сопротивления, изменении питающего напряжения, частоты и др.

Механические характеристики электродвигателей: 1 — абсолютно жесткая характеристика, 2 — жесткая характеристика, 3 — мягкая механическая характеристика

Сегодня особенно широко распространены в промышленности именно асинхронные электродвигатели, поэтому на их характеристиках и остановимся.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

Для примера рассмотрим АИР80В2У3.

Номинальная механическая мощность асинхронного электродвигателя

На шильдике (на паспортной табличке) электродвигателя указывается всегда номинальная механическая мощность на валу данного двигателя. Это не та электрическая мощность, которую данный электродвигатель потребляет из сети.

Так, например, для двигателя АИР80В2У3, номинал в 2200 ватт соответствует именно механической мощности на валу. То есть в оптимальном рабочем режиме данный двигатель способен выполнять механическую работу 2200 джоулей каждую секунду. Обозначим эту мощность как P1 = 2200 Вт.

Номинальная активная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Чтобы определить номинальную активную электрическую мощность асинхронного электродвигателя, опираясь на данные с шильдика, необходимо принять в расчет КПД. Так, для данного электродвигателя КПД составляет 83%.

Что это значит? Это значит, что только часть активной мощности, подаваемой из сети на обмотки статора двигателя, и безвозвратно потребляемой двигателем, преобразуется в механическую мощность на валу. Активная мощность равна P = P1/КПД. Для нашего примера, по представленному шильдику видим, что P1 = 2200, КПД = 83%. Значит P = 2200/0,83 = 2650 Вт.

Номинальная полная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Полная электрическая мощность, подаваемая на статор электродвигателя от сети всегда больше механической мощности на валу и больше активной мощности, безвозвратно потребляемой электродвигателем.

Для нахождения полной мощности достаточно активную мощность разделить на косинус фи. Таким образом, полная мощность S = P/Cosφ. Для нашего примера P = 2650 Вт, Cosφ = 0,87. Следовательно полная мощность S = 2650/0,87 = 3046 ВА.

Номинальная реактивная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Часть полной мощности, подаваемой на обмотки статора асинхронного электродвигателя, возвращается в сеть. Это реактивная мощность Q.

• Q = √(S2 — P2)
• Реактивная мощность связана с полной мощностью через sinφ, и связана с активной и с полной мощностью через квадратный корень. Для нашего примера:
• Q = √(30462 — 26502) = 1502 ВАР
• Реактивная мощность Q измеряется в ВАР — в вольт-амперах реактивных.
• Теперь давайте рассмотрим механические характеристики нашего асинхронного двигателя: номинальный рабочий момент на валу, угловую скорость, линейную скорость, частоту вращения ротора и ее связь с частотой питания электродвигателя.
• Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя

Скорость вращательного движения на практике часто оценивается частотой вращения, то есть числом оборотов вала двигателя в минуту. Угловая скорость выражается в радианах в секунду (рад/с). Угловой скоростью удобнее пользоваться при выводе формул и проведении расчетов, частотой вращения — при практической оценке скоростных свойств двигателей.

На шильдике мы видим, что при питании переменным током частотой в 50 Гц, ротор двигателя совершает при номинальной нагрузке 2870 оборотов в минуту, обозначим эту частоту как n1.

Что это значит? Поскольку магнитное поле в обмотках статора создается переменным током частотой 50 Гц, то для двигателя с одной парой полюсов (коим является АИР80В2У3) частота «вращения» магнитного поля, синхронная частота n, оказывается равной 3000 оборотов в минуту, что тождественно 50 оборотам в секунду. 

Но поскольку двигатель асинхронный, то появление в обмотке ротора ЭДС и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями магнитного поля и ротора. Это различие называют скольжением (s). Ротор вращается с отставанием на величину скольжения.  

1. Значение s можно определить, разделив разность синхронной и асинхронной частот на синхронную частоту, и выразив это значение в процентах:
2. s = ((n – n1)/n)*100%
3. Для нашего примера s = ((3000 – 2870)/3000)*100% = 4,3%.
4. Угловая скорость асинхронного двигателя
5. 

Угловая скорость ω выражается в радианах в секунду. Для определения угловой скорости достаточно частоту вращения ротора n1 перевести в обороты в секунду (f), и умножить на 2 Пи, поскольку один полный оборот составляет 2 Пи или 2*3,14159 радиан. Для двигателя АИР80В2У3 асинхронная частота n1 составляет 2870 оборотов в минуту, что соответствует 2870/60 = 47,833 оборотам в секунду.

Умножая на 2 Пи, имеем: 47,833*2*3,14159 = 300,543 рад/с. Можно перевести в градусы, для этого вместо 2 Пи подставить 360 градусов, тогда для нашего примера получится 360*47,833 = 17220 градусов в секунду. Однако подобные расчеты обычно ведут именно в радианах в секунду. Поэтому угловая скорость ω = 2*Пи*f, где f = n1/60.

• Линейная скорость асинхронного электродвигателя
• 
• Линейная скорость v относится к оборудованию, на котором асинхронный двигатель установлен в качестве привода. Так, если на вал двигателя установлен шкив или, скажем, наждачный диск, известного радиуса R, то линейная скорость точки на краю шкива или диска может быть найдена по формуле:
• v = ωR
• Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя
• Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется номинальным вращающим моментом Мн. Вращающий момент М связан с механической мощностью P1 через угловую скорость следующим образом:
• P = ωМ
• Вращающий момент или момент силы, действующей на определенном расстоянии от центра вращения, для двигателя сохраняется, причем с ростом радиуса уменьшается сила, а чем радиус меньше, тем больше сила, поскольку:
• М = FR
• Так, чем больше радиус шкива, тем меньшая сила действует на его краю, а наибольшая сила действует непосредственно на валу электродвигателя.

Для приведенного в качестве примера двигателя АИР80В2У3 мощность P1 равна 2200 Вт, а частота n1 равна 2870 оборотов в минуту или f = 47,833 оборота в секунду. Следовательно угловая скорость составляет 2*Пи*f, то есть 300,543 рад/с, и номинальный вращающий момент Мн равен P1/(2*Пи*f). Мн = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 Н*м. 

1. Таким образом, исходя из данных, указанных на шильдике асинхронного электродвигателя, можно найти все основные электрические и механические его параметры.
2. Надеемся, что данная статья помогла вам разобраться в том, как связаны между собой угловая скорость, частота, вращающий момент, активная, полезная и полная мощность, а также КПД электродвигателя.
3. Андрей Повный

Что представляют собой рабочие характеристики асинхронных моторов?

Асинхронные электродвигатели представляют собой полноценные системы, качество работы которых определяется техническими характеристиками. Для чего они нужны и каким образом измеряются и изменяются, мы опишем далее. Параметры двигателя – первое, что необходимо знать перед началом его эксплуатации. 

Для того, чтобы обеспечить нормальную слаженную работу асинхронных силовых агрегатов, необходимо знать все об этих моторах, в частности, их рабочие и механические характеристики.

Это необходимо, как при покупке компонентов в магазине, так при реализации их своими руками.

Также, при помощи правильного регулирования этих показателей, вы сможете успешно управлять работой двигателя, обеспечивая не только высокую продуктивность, но и снижение энергозатрат. 

Общие параметры

По умолчанию, стандартная машина асинхронного типа (без доработок и модификаций) включает 2 основных компонента: 

• статор – неподвижную деталь;
• ротор – деталь, поддающаяся вращениям. 

В трехфазных моделях 3 отдельные фазы представляют собой статорную обмотку. С1, С2, С3 на рисунке – это их начало, а С3, С4, С5 – концы. Абсолютно все они подключаются к клеммным разъемам, с использованием одной из двух схем: «звезда» или «треугольник». На изображении их можно видеть под вариантам Б и В. 

Схема устройства асинхронного мотора

Конкретная схема для построения, выбирается с учетом паспортных данных электродвигателя и показателей сетевого напряжения, от которого будет производиться питания. 

Основная задача статора – создание магнитного поля внутри мотора, которое бесперебойно вращается. Ротор же бывает двух видов – фазный и короткозамкнутый. Последний имеет скорость оборотов, которая не поддается регулированию.

Применение такого компонента в силовом агрегате делает конструкцию проще и дешевле. Момент запуска у таких устройств, правда, низкий, чего не скажешь о моторах с ротором фазным.

У него скорость вращения управляется при помощи ввода вспомогательного сопротивления.  

Принцип действия мотора

Первое, что осуществляется – на статорную обмотку подается электрическое напряжение. По каждой отдельной фазе можно видеть постоянно меняющиеся магнитные потоки, смещенные по отношению друг к другу на угол 120 градусов. В результате получается общий результирующий поток, который также вращаемый, а с его помощью создается электродвижущая сила внутри роторных проводников. 

Именно так в результате получается ток, который совмещается с потоком результирующим, что создает момент пуска. А он в свою очередь приводит ротор в движение. 

Это общее, упрощенное описание принципа действия силового агрегата с разными скоростями оборотов. Для того, чтобы рассмотреть работу мотора, стоит углубиться в механические и рабочие характеристики, точно влияющие на вышеописанный алгоритм срабатывания. 

Механическая характеристика

Суть данного параметра состоит в прямой зависимости частоты оборотов ротора от показателей нагрузки. То есть, от момента вращения на валу. Когда нагрузка находится на номинальном уровне, то частота вращений для разнотипных моторов варьируется в диапазоне от 92,5 до 98% от частоты оборотов n1. Скольжение (Sном) при этом не превышает уровень в 2 – 7,5%. 

Механическая характеристика

Чем выше уровень нагрузки, с которой работает мотор, тем ниже частота оборотов электрического мотора. Частота оборотов асинхронного двигателя несущественно снижается при усилении нагрузки в пределах от нуля до максимального значения. Визуально это можно видеть выше, на рисунке А. из этого следует, что электрический агрегат относится к моторам с жесткой механической характеристикой. 

М макс., то есть наибольший крутящий момент, агрегат развивает, когда имеется определенное скольжение (Skp), который находится на уровне от 10 до 20 процентов. Соотношение величин Ммакс и Мном указывает на перегрузочную способность мотора. Отношение же Мп к М номинальному, указывает на пусковые качества электродвигателя. 

Электрический мотор способен стойко и бесперебойно работать при условии обеспечения самостоятельного регулирования, когда будет автоматически установлено равновесие между моментом нагрузки, нацеленным на вал (Мвн) и М моментом, который развивает непосредственно двигатель. Это условие отлично отображается на верхней части характеристики, при достижении максимального показателя М.  Другими словами — до уровня точки В. 

В ситуациях, когда момент нагрузки М превышает показатель М макс., то мотор имеет сниженную устойчивость и останавливается. Параллельно с этим по машинным обмоткам будет довольно долго подаваться ток в несколько раз выше номинального, что может привести к перегоранию. Температура деталей растет, из-за превышенного электричества. 

При подключении в электрическую цепь роторных обмоток от пускового реостата, на выходе мы получим полный набор механических характеристик.

Первый параметр при эксплуатации мотора без стартового реостата, называют естественной характеристикой.

Второй, третий и четвертый показатель, которые получаются при подсоединении к роторной обмотке двигателя реостата, обладают сопротивлениями R1п (2п и 3п соответственно), относятся к механическим характеристикам реостатного типа.

Когда же проводится запуск пускового реостата, механическую характеристику называют мягкой или крутопадающей.

Это обусловливается тем, что существенно возрастает показатель активного сопротивления роторной цепи R2 и увеличивается Sкр. Параллельно с этим снижается ток запуска. Данная величина (Мп) также регулируется R2.

При этом, существует возможность подобрать реостат с определенным сопротивлением, для того, чтобы момент пуска (Мп) равнялся максимальному М.  

Электромеханическая характеристика 

Показатель является зависимостью угловой скорости оборотов от статорного тока. При использовании сразу нескольких опорных точек можно создать такую характеристику. Для этого проводят расчет таких величин:

• уровень тока в начальные моменты старта.

Все эти значения максимально точно отображают электромеханическую характеристику. 

Рабочие характеристики

Данные параметры указывают на зависимости от полезной мощности Р2 = Р макс. таких показателей:

• частот вращений (n) или скольжения (S);
• валового момента (М2);
• статорного тока I1 ;
• КПД (коэффициента полезного действия).

При этом значения частоты f1 и напряжения U1 должны быть на номинальных уровнях. Они реализуются для областей устойчивого срабатывания мотора. Это означает, что диапазон должен быть от нулевого скольжения до того, которое превышает номинальное на 10 – 20%.  

Частота оборотов при растущей отдаваемой мощности мало поддается изменениям. Это уже можно было видеть в механической характеристике, тогда, когда валовый момент М2 пропорциональный показателю мощности Р2. Крутящий момент ниже, чем электромагнитный момент, разница представляет собой значение момента торможения Мтр, который генерируется силами трения. 

Статорный ток I1 увеличивается вместе с отдаваемой мощностью, но, когда показатель Р2 равен нулю, присутствует определенный ток для работы на холостых оборотах – I0. Уровень КПД также снижается, практически идентично, как у трансформатора, сохраняя довольно-таки высокое значение, в относительно широком спектре нагрузок.  

Наибольший коэффициент полезного действия для асинхронных силовых агрегатов со средними и большими мощностями, варьируется в пределах 0,75 – 0,95. Чем выше мощность машины, тем больше у нее КПД. 

Мощностной коэффициент косинус ϕ1 у асинхронных моторов аналогичных характеристик при наличие максимальной нагрузки составляет 0,7 – 0,9. 

Исходя из этого, можно видеть, что силовые агрегаты перегружают электрические подстанции и сети питания своими довольно внушительными токами, которые могут достигать от 40 до 70% от номинальных токов. Это – один из самых весомых недостатков установок такого типа. 

Если же моторные нагрузки на порядок меньше, например 25 – 50% от рабочих, то мощностной коэффициент падает до недостаточных значений – 0,5 – 0,75.

Когда осуществляется снятие нагрузки с мотора, коэффициент мощности уменьшается еще и новые показатели составляют 0,25 – 0,3.

Именно  поэтому нельзя допускать, чтобы асинхронный двигатель функционировал длительное время на холостых оборотах, а также при существенных недогрузках.  

Работа на пониженных напряжениях или с обрывами фаз

Сниженное напряжение в питающей сети существенно не влияет на показатели частоты оборотов роторных элементов асинхронного мотора.

При этом также уменьшается показатель наивысшего крутящего момента, который позволяет развить ресурс мотора. К примеру, когда происходит понижение на 30%, момент вращения сокращается приблизительно в два раза.

Это обусловливает то, что когда напряжение падает несущественно, мотор может остановиться, а при низком – не запуститься. 

На эквивалентное последовательное сопротивление (Э.П.С) переменного тока питания при снижении напряжения в сети контактного типа параллельно снижается уровень напряжении в сетях с тремя фазами.

От таких источников питаются двигатели асинхронного типа, которые приводят в движение вспомогательные компоненты производственного оборудования: гидравлические и пневматические насосы, компрессорные установки, вентиляторы и др. 

Для обеспечения нормальной работы моторов на пониженных уровнях напряжения (их рабочий процесс должен осуществляться без сбоев при падении напряжения до 0,75 U ном), величины мощности должны быть с определенными показателями. Эти данные сводятся к тому, что мощности всех вспомогательных компонентов на Э.П.С берутся с показателями, приблизительно в полтора раза большими, чем требуется для приведения их в действие с номинальным напряжением.  

Такой высокий запас ресурса необходим через наличие несимметрии напряжений фазного типа. Это обусловливается тем, что на последовательном сопротивлении, двигатели питаются от фазного расцепителя, а не от генератора на 3 фазы. 

Асимметричность напряжений обусловливает различия в напряжениях фазовых токов, а также сдвиги между ним, которые не будут иметь углы в 120 градусов.

Такое явление обусловливает то, что по одной фазе будет подаваться ток с более высокими показателями, что вызовет нагрев намоток этой же фазы.

Чтобы этого не возникало, необходимо ограничивать нагрузку на мотор, сравнительно с его работой при напряжениях симметричного типа. 

Обрывы фаз также имеют место в работе асинхронного двигателя. При возникновении такой ситуации мотор работает и дальше, но, при этом, по целым фазам будут идти токи на повышенных уровнях.

Это в свою очередь также вызовет нагрев катушек, из-за чего функционирование в таких режимах не допускается.

Запуск агрегата с поврежденными обмотками невозможен, что обусловливается недостаточным магнитным полем, которое не приведет в движение ротор. 

Когда в контактной части количество оборотов уменьшается то, как правило – подача вспомогательного оборудования остается неизменной. В моторах постоянного тока, частоты оборотов прямо пропорциональны напряжению питания, исходя из этого, подача машин меняется.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя (рис. 13.7) представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n2, КПД η, полезного момента (момента на валу) М2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const f1 = const.

Скоростная характеристика n2 = f(P2). Частота вращения ро­тора асинхронного двигателя

n2 = n1(1 — s).

Скольжение по (13.5) s = Pэ2/ Pэм, (13.24) т. е. скольжение дви­гателя, а следователь­но, и его частота вра­щения определяются отношением электри­ческих потерь в рото­ре к электромагнитной мощности Рэм. Пре­небрегая электричес­кими потерями в рото­ре в режиме холостого хода, можно принять Рэ2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n20 ≈ n1. По мере увеличения нагрузки на валу

Рис. 13.7. Рабочие характеристики асинхрон­ного двигателя

двигателя отношение (13.24) растет, достигая значений 0,01—0,08 при но­минальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n2 = f(P2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс.

Однако при увеличении активного сопротивления ротора r2' угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изме­нения частоты вращения n2 при колебаниях нагрузки Р2 возраста­ют.

Объясняется это тем, что с увеличением r2' возрастают элек­трические потери в роторе [см. (13.3)].

• Зависимость М2 =f(P2). Зависимость полезного момента на валу двигателя М2 от полезной мощности Р2 определяется выражением
• M2 = Р2/ ω2 = 60 P2/ (2πn2) = 9,55Р2/ n2, (13.25)
• где Р2 — полезная мощность, Вт; ω2 = 2πf 2/ 60 — угловая частота враще­ния ротора.

Асинхронный конденсаторный двигатель имеет на статоре две обмотки, занимающие одинаковое число пазов и сдвинутые в про­странстве относительно друг друга на 90 эл. град. Одну из обмоток — главную — включают непосредственно в однофазную сеть, а дру­гую — вспомогательную — включают в эту же сеть, но через ра­бочий конденсатор Сра6 (рис. 16.7, а).

В отличие от рассмотренного ранее однофазного асинхронно­го двигателя в конденсаторном двигателе вспомогательная обмот­ка после пуска не отключается и остается включенной в течение всего периода работы, при этом емкость Сраб создает фазовый сдвиг между токами и .

Рис. 16.7. Конденсаторный двигатель:

а— с рабочей емкостью, б — с рабочей и пусковой емкостями, в — механические характеристики; 1— при рабочей емкости, 2— при ра­бочей и пусковой емкостях

эффективных чисел витков вспомогательной и главной обмоток; kAи kB— обмоточные коэффициенты обмоток статора.

Анализ (16.4) показывает, что при заданных коэффициенте трансформации kи отношении напряжений UA/ UBемкость Сра6 обеспечивает получение кругового вращающегося поля лишь при одном, вполне определенном режиме работы двигателя.

Если же и изменится режим (нагрузка), то изменятся и ток IAи фазовый угол φA, а следовательно, и Сраб, соответствующая круговому полю. Таким образом, если нагрузка двигателя отличается от расчетной, то вращающееся поле двигателя становится эллиптическим и рабочие свойства двигателя ухудшаются.

Обычно расчет Сраб ведут для номинальной нагрузки или близкой к ней.

Обладая сравнительно высокими КПД и коэффициентом мощности (соs φ1 = 0,80 ÷ 0,95), конденсаторные двигатели имеют неудовлетворительные пусковые свойства, так как емкость Сраб обеспечивает круговое поле лишь при расчетной нагрузке, а при пуске двигателя поле статора эллиптическое. При этом пусковой момент обычно не превышает 0,5МНОМ.

Для повышения пускового момента параллельно емкости Сраб включают емкость Спуск, называемую пусковой(рис. 16.7, б). Величину Спуск выбирают, исходя из условия получения кругового поля статора при пуске двигателя, т. е. получения наибольшего пускового момента.

По окончании пуска емкость Спуск следует отключать, так как при небольших скольжениях в цепи обмотки статора, содержащей емкость Си индуктивность L, возможен резонанс напряжений, из-за чего напряжение на обмотке и на конденсаторе может в два-три раза превысить напряжение сети.

При выборе типа конденсатора следует помнить, что его рабо­чее напряжение определяется амплитудным значением синусои­дального напряжения, приложенного к конденсатору Uc. При кру­говом вращающемся поле это напряжение (В) превышает напряжение сети U1и определяется выражением

Uc = U1 (16.5)

Рис 16.8. Схемы включения двухфазного двига­теля в трехфазную сеть

Конденсаторные двигатели иногда называют двухфаз­ными, так как об­мотка статора этого двигателя содержит две фазы.

Двухфаз­ные двигатели могут работать и без кон­денсатора или дру­гого ФЭ, если к фа­зам обмотки статора подвести двухфаз­ную систему напря­жений (два напря­жения, одинаковые по значению и час­тоте, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°).

Для получения двухфаз­ной системы напряжений можно воспользоваться трехфазной ли­нией с нулевым проводом, включив обмотки статора так, как по­казано на рис. 16.

8, а: одну обмотку — на линейное напряжение UAB,а другую — на фазное напряжение Uc через автотрансфор­матор AT (для выравнивания значения напряжений на фазных об­мотках двигателя). Возможно включение двигателя и без нулевого провода (рис. 16.8, б), но в этом случае напряжения на обмотках двигателя будут сдвинуты по фазе на 120°, что приведет к некото­рому ухудшению рабочих свойств двигателя.

10. . Синхронные машины. Конструкция и принцип действия СМ. СГ, работа на симметричную нагрузку. Реакция якоря при активной, индуктивной и емкостной нагрузке. Основные уравнения электрического равновесия и векторные диаграммы. Основные характеристики СГ, работающего на симметричную нагрузку. Отношение КЗ.

Устройство и принцип действия синхронной машины

По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные (рис.3.2). Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины и называется якорем. Трехфазная обмотка якоря синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор. На рис.3.2 условно показаны только клеммы начал фаз А, В, С обмотки якоря.

1 — статор (якорь); 2 — ротор (индуктор); 3 — обмотка возбуждения

Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, подключенную через два контактных кольца и щетки к источнику постоянного тока. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине основного магнитного потока. Ротор вместе с обмоткой возбуждения называется индуктором.

Если ротор синхронной машины привести во вращение с частотой вращения n и возбудить его, то поток возбуждения будет индуктировать в обмотке якоря ЭДС с частотой . Явнополюсная машина. На рис. 3.3,а изображено магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины на протяжении полюсного деления t. Распределение магнитной индукции поля обмотки возбуждения на внутренней поверхности якоря представлено на рис. 3.3,б. Реальное распределение (1) магнитной индукции , вследствие несинусоидальности, можно разложить на основную (2) и высшие гармонические составляющие. Рис.3.4 Рис. 3.3

Выше названные гармоники поля обмотки возбуждения индуктируют в обмотке якоря основную и высшие гармоники ЭДС. Высшие гармоники ЭДС малы, так как малы соответствующие им гармоники магнитной индукции поля обмотки возбуждения, а также и из-за укорочения шага обмотки якоря и ее распределения. Амплитуда основной гармоники поля равна

,

где — амплитуда реального распределения индукции поля обмотки возбуждения; — коэффициент формы поля обмотки возбуждения; — минимальный воздушный зазор; — максимальный воздушный зазор; — длина дуги полюсного наконечника;a — коэффициент полюсной дуги; — магнитная проницаемость воздуха; — коэффициент воздушного зазора; — коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси (продольная ось d совпадает с продольной осью симметрии каждого полюса индуктора, поперечная ось q посередине между соседними главными полюсами); — магнитодвижущая сила (МДС) полюса обмотки возбуждения; wf, if — число витков и ток обмотки возбуждения. Обычно , , что позволяет обеспечить высокие значения коэффициента формы поля обмотки возбуждения Неявнополюсная машина. На рис.3.4,а изображено магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной синхронной машины на протяжении полюсного деления t. Распределение магнитной индукции поля обмотки возбуждения на внутренней поверхности якоря представлено на рис.3.4,б. Реальное распределение (1) магнитной индукции имеет вид трапеции, которое можно разложить на основную (2) и высшие гармонические составляющие. Амплитуда основной гармоники поля обмотки возбуждения

, где — коэффициент формы поля обмотки возбуждения; — обмоточный коэффициент обмотки возбуждения; y — отношение числа пазов обмотки возбуждения к полному числу пазовых делений наружной поверхности индуктора. Обычно , что позволяет получить

§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.

1. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.
2. 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).
3. 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.
4. 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.