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 М_вн.

При достижении равенства моментов М = М_вн торможение прекратится и двигатель будет снова вращаться с постоянной частотой вращения, но меньшей, чем до увеличения нагрузки. При уменьшении нагрузочного момента М_вн 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 (1)

Передача электрической энергии из статора в ротор происходит так же, как и в трансформаторе. Двигатель потребляет из сети электрическую мощность P_эл = 3U₁I₁cosφ₁ и отдает приводимому им во вращение механизму механическую мощность Р_мх (рис. 1).

Рис. 1. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

В процессе преобразования энергии в машине имеют место потери мощности: электрические в обмотках статора ΔР_эл1 и ротора ΔР_эл2, магнитные ΔР_м от гистерезиса и вихревых токов в ферромагнитных частях машины и механические ΔР_мх от трения в подшипниках и вращающихся частей о воздух.

Из статора в ротор вращающимся электромагнитным полем передается электромагнитная мощность P_эм роторе она превращается в механическую мощность ротора Р’_мх. Полезная механическая мощность на валу двигателя P_мх меньше мощности Р’_мх на значение потерь мощности на трение ?Р_мх.

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 = c_мФ_тI₂ cosφ₂ (2)

где

Ф_т — амплитуда магнитного потока, созданного обмоткой статора;

c_м — постоянная, определяемая конструктивными параметрами данной машины и не зависящая от режима ее работы.

Поясним физический смысл формулы (2). На рис. 2 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 f_ср, а следовательно, и электромагнитный момент М будут тем больше, чем меньше угол φ₂. Электромагнитный момент М зависит от скольжения s.

Рис. 2. 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 s_кр двигатель развивает наибольший момент М_max, который определяет его перегрузочную способность. При дальнейшем увеличении скольжения (большем s_кр) 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 S_ном = 2-4%.

Согласно государственным стандартам на асинхронные двигатели отношение M_max/M_ном = 1,8-2,5. Критическое скольжение s_кр 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 М_п/М_ном = 0,7 – 1,8.