Асинхронные двигатели скольжение режим работы

Этот режим применяют кратковременно, так как при нём в роторе выделяется много тепла, которое двигатель не способен рассеять, что может вывести его из строя.

Для более мягкого торможения может применяться генераторный режим, но он эффективен только при оборотах, близких к номинальным.

Мн – номинальный момент; Мп – пусковой момент; Мmax – критический момент

Из анализа графика механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях, меньших критического (s < sкр), т. Дело в том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента.

Понятие скольжения асинхронного двигателя

Скольжение может изменяться. Это зависит о того, в каком режиме работает электродвигатель, величины напряжения сети и нагрузки на машину. Но что же это за характеристика и от чего она зависит? Разберемся ниже!

Что представляет собой скольжение асинхронной машины 

В целом, принцип, по которому происходит работа трехфазного мотора очень прост. К обмотке статора подают напряжение, питающее движок. Благодаря ему появляется магнитный поток, смещенный на 120 градусов в каждой из трех фаз. А тот поток, который носит имя суммирующего будет еще и вращающимся.

Обмотка якоря – замкнутый контур. В ней появляется электродвижущая сила (ЭДС), а магнитный поток, возникающей не без ее помощи, приводит ротор в работу: он начинает вращаться. Электромагнитный момент всегда будет пытаться сравнять темпы двух полей главных элементов привода: статора и ротора.

Величина, которая определяет разницу между скоростями вращения вышеописанных магнитных полей и есть то самое скольжение. Мы все знаем, что ротор никогда не будет поспевать за статором, значение это никогда не будет больше единицы. Измерение можно проводить как в процентах, так и в относительных величинах.

Чтобы рассчитать величину скольжения (S), нужно знать показатель частоты, с которой вращается магнитное поле (n1) и частоту, с которой вращается магнитное поле в роторе. Формула, по которой производится расчет, выглядит так:

Скольжение – чрезвычайно важная характеристика мотора. Она описывает то, насколько исправна работа машины.

Скольжение в разных условиях работы привода

Если режим работы агрегата – холостой, искомый показатель всегда будет близок к нулевому значению или, по крайней мере, не превысит 3%. Это связано с тем, что n1 будет практически равен n2.

Несмотря на то, что значение всегда близко к нулю, нулевым оно быть не может, потому что поля ротора и статора не пересекаются.

Другими словами, вращение мотора отсутствует, как и подача на него напряжения.

Скольжение (если считать его в процентах) не будет нулевым даже в том случае, когда электродвигатель находится в режиме идеального холостого хода. Зато, если агрегат запущен в режиме генератора, S может быть отрицательным. 

Такой режим (в нем ротор вращается противоположно относительно статора) будет показывать S, значениям бывают разными, но изменяются только в следующих пределах:

-∞

§78. Режимы работы асинхронных двигателей

Режимы работы асинхронных двигателей.

Холостой ход.

Если пренебречь трением и магнитными потерями в стали (идеализированная машина), то ротор асинхронного двигателя при холостом ходе вращался бы с синхронной частотой n=n1 в ту же сторону, что и поле статора; следовательно, скольжение было бы равно нулю. Однако в реальной машине частота вращения ротора n при холостом ходе никогда не может стать равной частоте вращения n1, так как в этом случае магнитное поле перестанет пересекать проводники обмотки ротора и в них не возникнет электрический ток.

Поэтому двигатель в этом режиме не может развить вращающего момента и ротор его под влиянием противодействующего момента сил трения начнет замедляться.

Замедление ротора будет происходить до тех пор, пока вращающий момент, возникший при уменьшенной частоте вращения, не станет равным моменту, создаваемому силами трения.

Обычно при холостом ходе двигатель работает со скольжением s = 0,2-0,5 %.

При холостом ходе в асинхронном двигателе имеют место те же электромагнитные процессы, что и в трансформаторе (обмотка статора аналогична первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора—вторичной обмотке).

По обмотке статора проходит ток холостого хода I0, однако его значение в асинхронном двигателе из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20—40 % номинального тока по сравнению с 3—10 % у трансформатора).

Для уменьшения тока I0 в асинхронных двигателях стремятся выполнить минимально возможные по соображениям конструкции и технологии зазоры.

Например, у двигателя мощностью 5 кВт зазор между статором и ротором обычно равен 0,2—0,3 мм. Ток холостого хода, так же как и в трансформаторе, имеет реактивную и активную составляющие.

Реактивная составляющая тока холостого хода (намагничивающий ток) обеспечивает создание в двигателе требуемого магнитного потока, а активная составляющая — передачу в обмотку статора из сети энергии, необходимой для компенсации потерь мощности в машине в этом режиме.

Нагрузочный режим.

Чем больше нагрузочный момент на валу, тем больше скольжение и тем меньше частота вращения ротора. Увеличение скольжения при возрастании момента объясняется следующим образом. При увеличении нагрузки на валу ротора он начинает тормозиться и частота его вращения т уменьшается.

Но одновременно увеличивается частота n1— n персечения вращающимся полем проводников обмотки ротора, а следовательно, э. д. с. Е2, индуцированная в этой обмотке, ток в роторе I2 и образованный им электромагнитный вращающий момент М.

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока электромагнитный момент двигателя M не сравняется с нагрузочным моментом Мвн.

При достижении равенства моментов М = Мвн торможение прекратится и двигатель будет снова вращаться с постоянной частотой вращения, но меньшей, чем до увеличения нагрузки.

При уменьшении нагрузочного момента Мвн частота вращения ротора по той же причине будет увеличиваться.

Обычно при номинальной нагрузке скольжение для двигателей средней и большой мощности составляет 2—4 %, а для двигателей малой мощности от 5 до 7,5 %.

При работе двигателя под нагрузкой по обмоткам его статора и ротора проходят токи i1 и i2. Частота тока в обмотках статора f1 и ротора f2 определяется частотой пересечения вращающимся магнитным полем проводников соответствующей обмотки. Обмотка статора пересекается магнитным полем с частотой n1, а обмотка вращающегося ротора — с частотой n1 — n. Следовательно,

f2/f1 = (n1— n)/n1= s или f2 = f1s (83)

Передача электрической энергии из статора в ротор происходит так же, как и в трансформаторе. Двигатель потребляет из сети электрическую мощность Pэл = 3U1I1cosφ1 и отдает приводимому им во вращение механизму механическую мощность Рмх (рис. 260).

Рис. 260. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

В процессе преобразования энергии в машине имеют место потери мощности: электрические в обмотках статора ΔРэл1 и ротора ΔРэл2, магнитные ΔРм от гистерезиса и вихревых токов в ферромагнитных частях машины и механические ΔРмх от трения в подшипниках и вращающихся частей о воздух.

Из статора в ротор вращающимся электромагнитным полем передается электромагнитная мощность Pэм роторе она превращается в механическую мощность ротора Р’мх. Полезная механическая мощность на валу двигателя Pмх меньше мощности Р’мх на значение потерь мощности на трение ?Рмх.

При возрастании механической нагрузки на валу двигателя увеличивается ток I2. В соответствии с этим возрастает и ток I1 в обмотке статора.

Электромагнитный момент М создается в асинхронном двигателе в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с током I2, индуцируемым им в проводниках обмотки статора. Однако в создании его участвует не весь ток I2, а только его активная составляющая I2cosφ2 (здесь φ2 — угол сдвига фаз между током I2 и э. д. с. Е2 в обмотке ротора).

Поэтому

• M = cмФтI2 cosφ2 (84)
• где
• Фт — амплитуда магнитного потока, созданного обмоткой статора;
• cм — постоянная, определяемая конструктивными параметрами данной машины и не зависящая от режима ее работы.

Поясним физический смысл формулы (84). На рис. 261 изображен ротор двухполюсного асинхронного двигателя в развернутом виде, на котором кружками показаны поперечные сечения проводников.

Крестики и точки внутри проводников обозначают направление в них тока i2, а под проводниками — направление индуцированных э. д. с. e2, которые пропорциональны индукции В в данной точке воздушного зазора между статором и ротором.

Кривая В показывает распределение вдоль окружности ротора индукции, создаваемой вращающимся магнитным полем, кривая i2 — распределение тока в проводниках, а кривая f — распределение электромагнитных сил, возникающих в результате взаимодействия тока (а с вращающимся магнитным полем.

Электромагнитный вращающий момент М, создаваемый в результате совместного действия всех сил f, будет пропорционален среднему значению электромагнитной силы fср.

Легко заметить, что к проводникам, лежащим на дуге, равной 180° — φ2, приложены силы f, увлекающие ротор за вращающимся магнитным полем, а на дуге φ2 — тормозящие силы.

Поэтому при неизменном токе I2 среднее значение электромагнитной силы fср, а следовательно, и электромагнитный момент М будут тем больше, чем меньше угол φ2. Электромагнитный момент М зависит от скольжения s.

Рис. 261. Распределение индукции В, тока i2 и электромагнитных сил f, действующих на проводники асинхронного двигателя

Так, при увеличении скольжения возрастает э. д. с. Е2 в обмотке ротора и ток I2. Однако одновременно уменьшается cosφ2, так как активное сопротивление обмотки ротора R2 остается неизменным, а реактивное Х2 увеличивается (возрастает частота тока f2 в обмотке ротора).

При s < 10-20% увеличение скольжения приводит к незначительному уменьшению cos φ2, вследствие чего активная составляющая тока в обмотке ротора I2cos φ2 и электромагнитный момент М возрастают.

При некотором критическом скольжении sкр двигатель развивает наибольший момент Мmax, который определяет его перегрузочную способность.

При дальнейшем увеличении скольжения (большем sкр) происходит резкое уменьшение cos ?2, поэтому активная составляющая тока I2cos φ2 и электромагнитный момент М уменьшаются.

Номинальный вращающий момент Мном двигатели средней и большой мощности развивают при скольжении Sном = 2-4%.

Согласно государственным стандартам на асинхронные двигатели отношение Mmax/Mном = 1,8-2,5. Критическое скольжение sкр для мощных двигателей составляет 5—10%, для двигателей средней и малой мощности — от 10 до 20 %.

Асинхронный двигатель, как и любая электрическая машина, может работать в генераторном режиме, создавая тормозной момент. Этот режим используется для электрического торможения приводов.

Режим пуска.

В начальный момент пуска ротор двигателя неподвижен: скольжение s=1, магнитное поле пересекает ротор с максимальной частотой, индуцируя в нем наибольшую э. д. с. Е2. Так как ток в роторе I2 определяется значением э. д. с. Е2, то в начальный момент пуска он будет наибольшим. Наибольшим будет и ток в статоре.

Обычно пусковой ток двигателя в 5—7 раз больше номинального. Вращающий момент Мп при пуске называется пусковым. Он обычно меньше наибольшего момента, который может развить двигатель. Для двигателей различных типов и мощностей отношение Мп/Мном = 0,7 – 1,8.

Асинхронные двигатели. Принцип действия и режимы работы

Асинхронно  – слово греческого происхождения (ασύγχρονα, где: α- отрицание, σύγ — вместе, χρονα – время), используется в русском языке для обозначения (наименования) процессов не совпадающих во времени.

Асинхронной, в электротехнике, принято называть машину, в процессе работы которой частота вращения ротора не равна частоте изменения магнитного поля создаваемого обмотками статора, вызывающего это вращение.

К асинхронным электрическим машинам относятся: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, асинхронные двигатели с фазным ротором, асинхронные микродвигатели общего применения, асинхронные тахогенераторы и другие, работающие по тому же принципу.

Асинхронные электрические машины очень широко распространены благодаря таким качествам как: высокая надёжность, относительно низкая стоимость, приемлемые габариты и вес, просты в обслуживании.

С появлением современных частотных преобразователей значительно расширился спектр применения асинхронных электродвигателей, благодаря возможности довольно просто и оптимально реализовывать такие функции как управление по скорости и моменту, вплоть до решения задач позиционирования.

Не удивительно, что асинхронные двигатели применяются повсюду, особенно это касается асинхронных электродвигателей, объём выпуска которых занимает около 90%  общего объёма мирового выпуска электрических машин.

Принцип действия и режимы работы

Рассмотрим принцип работы асинхронного электродвигателя с помощью  электромагнитной схемы (рис.1,а), которая отличается от электромагнитной схемы трансформатора тем, что неподвижный статор 1 представляет собой первичную обмотку, а вращающийся ротор 3 – вторичную.

Магнитная связь между ротором и статором зависит от величины воздушного зазора между ними, поэтому, при изготовлении машины, в большинстве случаев, его стараются делать как можно меньше. На статоре расположена обмотка 2, катушки которой размещаются равномерно по его окружности.

Обмотку  статора (фазы A-X , B-Y, C-Z ) выполняют трёхфазной, или в общем случае многофазной, и соединяют её фазы в Y (звезду) или в  (треугольник), что оказывает существенное влияние на такие характеристики как: мощность, плавность хода, величины пусковых токов и других параметров.

Обмотку ротора а-x, b-y, c-z также выполняют трёхфазной или многофазной и тоже равномерно размещают по его окружности. В простейшем случаях включения, фазы ротора а-x, b-y, c-z, замыкают накоротко (см. рис. 1,б).

Рис.1. Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а – направление электромагнитного момента при работе в режиме двигателя, б – подключение к сети трёхфазного тока) , где: 1- неподвижный статор; 2- обмотка статора; 3- вращающийся ротор; 4- обмотка ротора.

• Когда обмотки статора асинхронной электрической машины подключены к сети трехфазного тока, в нём создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (n1) синхронна с частотой сети, питающей эти обмотки, и вычисляется по формуле:
• n1 = 60 x f1 / p
• где:  n1 – частота вращения магнитного поля статора; f1 – частота сети; p – число пар полюсов обмоток статора.

Вращающееся магнитное поле индуктирует в проводниках ротора электрической  машины ЭДС, что вызывает прохождение по ним тока, взаимодействие которого с магнитным потоком создаёт электромагнитный момент.

Направление ЭДС, индуктированной в проводниках обмоток ротора, показано на рисунке 1, а согласно правилу правой руки, для случая, когда вращении магнитного потока (Ф) происходит по часовой стрелке.

Крестики и точки на рисунке показывают направление активной составляющей тока ротора, совпадающего по фазе с индуктированной ЭДС.

Известно, что если проводники с током расположить в магнитном поле, то на них будут действовать электромагнитые силы, направление которых можно определить при помощи правила левой руки. Приложенное к каждому проводнику ротора суммарное усилие (Fрез), создаёт электромагнитный момент (М), который “увлекает” ротор за вращающимся магнитным полем, создаваемым обмотками статора.

Ротор вращается, если величина момента (М) достаточна для преодоления внутренних сил трения (подшипники, сопротивление  воздуха и так далее), а также тормозного момента, приложенного к валу от приводимого во вращение  механизма, если таковой имеется. Установившаяся частота вращения ротора (n2) зависит от соотношения вышеперечисленных сил и создаваемых ими моментов. Очевидно, что при этом будет выполняться соотношение:

0 ≤ n2 0%).

Но асинхронная электрическая машина может работать и в других режимах.

Если её ротор разогнать до частоты превышающей частоту магнитного поля статора (то есть n2>n1) при помощи внешнего момента другого механизма (например механически соединить с двигателем, вал которого вращается быстрее), то изменятся направление ЭДС и активной составляющей тока в проводниках обмотки ротора, что вызовет переход машины в генераторный режим работы (рис.2,а).

Электромагнитный момент (М), при этом, становится тормозящим изменив своё направление, а электрическая машина, получая механическую энергию от внешнего источника, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть, питающую обмотки статора. В генераторном режиме выполняются соотношения:  n2>n1, S

Скольжение асинхронного двигателя: что это такое и как найти

Скольжение – это одна из основных характеристик электродвигателя. Она изменяется в зависимости от режима работы, нагрузки на валу и питающего напряжения. Давайте подробнее разберемся, что такое скольжение электродвигателя, от чего оно зависит и как определяется.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.

Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.

Величина определяющая разность скоростей вращения магнитных полей ротора и статора, называется скольжение. Так как ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее, чем поле статора — оно обычно меньше единицы. Может измеряться в относительных единицах или процентах.

• Высчитывается она по формуле:
• 
• где n1— это частота вращения магнитного поля, n2 – частота вращения магнитного поля ротора.
• Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.

Величина скольжения в разных режимах работы

В режиме холостого хода скольжение близко к нулю и составляет 2-3%, ввиду того, что n1 почти равняется n2. Нулю оно не может быть равным, потому как в этом случае поле статора не пересекает поле ротора, простыми словами, двигатель не вращается и питающее на него напряжение не подается.

Даже в режиме идеального холостого хода, величина скольжения, выраженная в процентах, не будет равной нулю. S может принимать и отрицательные значения, в том случае, когда электродвигатель работает в генераторном режиме.

1. В генераторном режиме (вращение ротора противоположно направлению поля статора) скольжение ЭД будет в значениях -∞

Скольжение асинхронного двигателя: что это такое, как определяется и от чего зависит

Электрооборудование

profelectro

Одним из главных параметров асинхронного электродвигателя является скольжение. Это переменная величина. Меняться может, исходя из того, в каких режимах работает мотор, величины напряжения, валовой нагрузки.

В статье мы рассмотрим, что собой представляет это явление, как вычисляется, от каких условий зависит.

Что это такое

Принцип действия 3-х фазного электродвигателя (асинхронного) достаточно простой. К статорной обмотке подаётся питание. В результате образуется магнитный поток, смещённый на сто двадцать градусов в фазах. Общий поток, при этом, будет вращаться.

Обмотка представляет собой замкнутый контур, в котором возникает электродвижущая сила. Магнитный поток вращает ротор по направлению статорного потока. Крутящийся электромагнит стремится выровнять вращающие скорости статорного и роторного полей.

Значение, показывающее разницу быстроты вращения статорного и роторного полей и есть скольжение. Поскольку в асинхронном электродвигателе ротор всегда крутится медленней статора, значение, обычно, не превышает единицы. Измеряется в процентах либо единицах.

Вычисляется по следующей формуле:

Здесь n1 – скорость статора, n2 – скорость ротора.

Скольжение – один из основных параметров, отображающий корректность функционирования асинхронного электродвигателя.

Параметры в различных рабочих режимах

Когда электродвигатель обесточен, вращение не происходит, потому что статорное поле не пересекается с роторным полем. В этом случае величина равна двум или трём процентам, т.е. колеблется около нуля.

Если даже параметр холостого хода идеален, процентное значение нулю равняться не будет. Величина может быть и отрицательной, если двигатель функционирует в режиме генератора. В таком режиме (ротор вращается против статора) значение S будет меньше нуля.

При электромагнитном торможении, величина Sпревышает единицу с положительным знаком. Величина токовой частоты в роторных обмотках равняется токовой частоте сети исключительно при пусковом моменте.

• Роторная токовая частота пропорциональна сопротивлению индукции, поэтому роторный ток зависим от скольжения асинхронного двигателя.
• Момент вращения АД находится в зависимости от значения S, поскольку определяется величинами токового и магнитного потоков, угловым смещением ЭДС и роторным током.
• Для подробного изучения параметров электродвигателя определяется зависимость, показанная на графике вверху.
• При разных показателях асинхронном двигателе момент вращения можно корректировать при помощи сопротивления, включённого в цепи роторных обмоток.
• Если ротор замкнут «накоротко», вращающий момент изменяется либо частотными преобразователями, либо применением двигателей с изменяющимися параметрами.

При нагрузочном номинале двигателя показатель скольжения находится между двумя и восемью процентами. При добавлении нагрузки скольжение ускоряется, потому что роторное поле начнёт больше отставать от статорного поля.

Ускорение  неминуемо приведёт к росту роторного тока и момента вращения. Параллельно с этим возрастает сопротивление, что связано с активными роторными потерями, токовые показатели снижаются, в связи с чем, вращение растёт гораздо медленней скольжения.

При определённой скорости скольжения момент вращения достигнет максимума и начнёт замедляться. Максимальное значение является критическим и обозначается Sкр.

В технической документации указываются параметры асинхронного двигателя. По ним строится график, отвечающий на вопросы, связанные с работой асинхронного электрического двигателя, применяемого в качестве привода.

Критический максимум задаёт параметр мгновенного допустимого перегруза двигателя. Когда этот параметр превышается, происходит остановка двигателя (опрокидывание). Это аварийный режим.

Методы измерений

Есть несколько методов произвести замер скорости скольжения двигателя. Когда скорость существенно разнится с синхронным вращением, её определяют тахометром либо тахогенератором, подключённым к валу асинхронного двигателя.

Метод определения стробоскопом с лампой неонового свет применим при скольжении меньше пяти процентов. На двигательном валу мелом рисуют отметку или ставят стробоскоп.

Подают свет от лампы и считают количество оборотов за определённый промежуток времени и, используя формулы, определяют значение.

Ещё для замера скорости скольжения применяют катушку индуктивности. Оптимальным вариантом будет катушка контактора тока постоянной величины. К ней подключают милливольтметр и помещают в окончание роторного вала.

По количеству колебаний стрелки за определённый промежуток времени с помощью формулы вычисляют скорость вращения.

Кроме того, у двигателя с ротором фазы величину скольжения определяют амперметром (магнитоэлектрическим). Прибор подсоединяют к одной из роторных фаз и по количеству стрелочных колебаний, опять-таки применяя формулу, получают результат.

Мы выяснили, что такое скольжение двигателя, способы его определения. Свои вопросы оставляйте в х.