l37 (Лекции)

14.4.Асинхронные двигателиУ асинхронной машины угловая скорость вращения ротора меньше скоростивращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Асинхронная машина такжеобладает свойством обратимости, т.е. может работать как в режиме двигателя, так и врежиме генератора. Асинхронный двигатель (АД) имеет две основные части неподвижный статор и вращающийся ротор. С внутренней стороны статора сделаны пазы,куда уложены обмотки статора. В пазах ротора размещается обмотка ротора. Воздушныйзазор между статором и ротором делается возможно малым. В зависимости отконструкции ротора АД бывают с короткозамкнутым и фазным роторами. Наиболеераспространен двигатель с короткозамкнутым ротором, так как он имеет простуюконструкцию, простой пуск, допускает большие перегрузки. К недостаткам относятбольшой пусковой ток, чувствительность к колебаниям напряжения и т.д.При подключении обмоток статора к сети трехфазного синусоидального токачастотой f1 в воздушном зазоре между статором и ротором возникает вращающеесямагнитное поле.

Магнитные линии пересекают площадку, образованную обмоткаминеподвижного статора, и индуктировать синусоидальную ЭДС, частота которой равначастоте тока в обмотке статора. В момент пуска двигателя ЭДС, индуктированная вобмотке ротора, имеет максимальное значение и ток в обмотке ротора в несколько разпревышает номинальный ток. Токи ротора, взаимодействуя с вращающимся полемстатора, создают вращающийся момент, под действием которого ротор начинаетвращаться в сторону вращения поля статора.

Ротор при своем вращении всегда отстает отугловой скорости вращения магнитного поля статора, т.е. вращается асинхронно. Если n1- угловая скорость вращения вращающегося магнитного поля (синхронная скорость), n2 угловая скорость вращения ротора двигателя, то скольжение двигателя определяется поn nnформуле s  1 2 . В момент пуска двигателя n2  0 скольжение s  1  1 , при холостомn1n1ходе n2  n1 и s  0 , при номинальной нагрузке s  0,03  0,06 , для двигателей большоймощности s  0,01  0,03 . Скольжение двигателя в зависимости то нагрузки меняетсянезначительно, частота синусоидальных токов в роторе f 2 при постоянном скольженииопределяется как f 2  sf1 .

Увеличение нагрузки на валу двигателя вызывает увеличениетока в обмотке ротора, из-за магнитной связи между обмотками статора и ротора этовызывает увеличение тока в статоре.Математическая модель асинхронного двигателя состоит из дифференциальныхуравнений движения ротора, дифференциальных уравнений для токов в замкнутыхконтурах ротора, уравнений связи между напряжениями и токами, уравнениями длястатора и т.д. При этом основным допущением является фазная симметрия элементовдвигателя и нагрузки.

Реактивные сопротивления, используемые в схемах замещения АД,зависят от частоты (скольжения). Частотные характеристики получают экспериментально.Составляют схему замещения, принимая значения параметров на частоте исследуемогопроцесса. Основной трудностью формирования математической модели является наличиемеждуфазных индуктивностей и емкостных связей. Для расчетов пусковых режимовсоставляют схему замещения фазной обмотки на единицу длины, рассматривают обмоткукак цепь с распределенными параметрами. Вывод математической модели генератора вустановившемся режиме проводят с использованием комплексного метода.

Припостоянном скольжении используют основные соотношения и эквивалентную схемузамещения асинхронного двигателя.Основные соотношения для асинхронного двигателя: E2  4, 44k2 f 2 w2m - ЭДС,индуктированная в обмотке ротора; I 2 sE2R  ( sX 2 )222- ток в обмотке ротора, k2  1 -обмоточный коэффициент ротора, w2 - число витков обмотки ротора,  m - максимальноезначение магнитного потока статора, R2 , X 2 - активное и реактивное сопротивлениецепи ротора. Приведенная схема замещения асинхронного двигателя показана на рис.14.18.Рис. 14.18. Схема замещения асинхронного двигателя: R1 , X 1 - активное и реактивноесопротивление цепи статора,R2 ,X 2-приведенные активное и реактивноесопротивление обмотки ротора, R0 , X 0 - параметры магнитной системы двигателя.Схема замещения аналогична схеме замещения трансформатора: роль первичнойобмотки выполняет в двигателе обмотка статора, роль вторичной - обмотка ротора.Разница между асинхронным двигателем и трансформатором заключается в том, что удвигателя первичная и вторичная обмотка разделены воздушным зазором и при работедвигателя ротор вместе с обмоткой вращается, частота ЭДС и тока ротора зависит отнагрузки.Коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного двигателя равен отношениюактивной мощности на валу двигателя Р2, к активной мощности Р1, потребляемой изPсети:   2 .

В цепи статора имеются электрические потери P1эл , потери в стали статораP1P1ст . Разница P1  ( P1эл  P1ст ) представляет собой мощность вращающего магнитного поля,называемуюэлектромагнитноймощностьюPэм .РазницаPэм  ( P2эл  P2мех  P2ст )определяет активную мощность на валу двигателя Р2 (учитываются электрические потерив цепи ротора P2эл , механические потери P2мех , обусловленные трением в подшипникахротора, потери в стали ротораP2ст ). Коэффициент полезного действия (КПД)асинхронногодвигателяможетP P  ( P1эл  P1ст  P2эл  P2мех  P2ст ). 2  1P1P1бытьопределенпоформуле:При решении задач ТОЭ используют схемы замещения асинхронного двигателя дляпрямой, обратной и нулевой последовательности.

Также как и в случае синхронныхгенераторов сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей дляасинхронного двигателя - разные. Нормальным режимом работы двигателя считаетсярежим прямой последовательности, когда магнитное поле и ротор вращаются в одну и туже сторону с номинальным скольжением. Если подвести к обмоткам статора двигателясистему обратной последовательности, то вращающееся магнитное поле относительноротора будет иметь угловую скорость, почти в два раза превышающую скорость движенияполя относительно статора и во много раз превышающую скорость поля относительноротора при нормальном режиме работы.

В результате резко возрастут токи,индуцированные в роторе, которые в большей степени будут ослаблять наводящее ихмагнитное поле. В свою очередь, уменьшение ЭДС, наводимых магнитным полем вобмотках статора, вызовет увеличение токов в статоре и, следовательно, полноесопротивление двигателя для токов обратной последовательности будет меньше егосопротивления для токов прямой последовательности.

Токи нулевой последовательностине создают вращающегося магнитного поля, потоки, создаваемые токами нулевойпоследовательности, одновременно во всех трех фазах направлены к ротору и замыкаютсяот ротора к статору по воздуху в торцевых частях двигателя. Сопротивление нулевойпоследовательности двигателя существенно отличается от сопротивления прямой иобратной последовательности.

При расчетах трехфазных цепей двигатель представляетсядинамической трехфазной нагрузкой с соединением фазных обмоток "звезда", активноиндуктивного или индуктивного характера (рис. 14.19). Задаются сопротивление на фазудля токов прямой и обратной последовательности, иногда для расчета аварийныхрежимов- сопротивление нулевой последовательности.Рис. 4.19. Изображение двигателя как трехфазной нагрузки.