Эдс, частота тока ротора, скольжение
Из выражения
(10.11) следует, что частота тока статора
пропорциональна частоте вращения
магнитного поля, созданного током
статора:
f1 = n0p/60.
(10.20)
Так как ротор
вращается в сторону поля (рис. 10.14),
частота пересечения его обмотки магнитным
полем будет определяться разностью
частот вращения магнитного поля и
ротора. По аналогии с (10.20) частота тока
ротора
f2 =
(n0 – n)р/60.
(10.21)
Из отношения
(10.20) к (10.21)
f1/f2 =
n/(n0 – n)
получаем выражение
частоты тока ротора
f2 =
f1 (n0 – n)/n0 =
f1s,
(10.22)
где s
— скольжение:
s =
(n0 – n)/n0.
(10.23)
Скольжение
— величина безразмерная, представляющая
собой частоту вращения ротора относительно
поля статора, выраженную в долях частоты
вращения поля статора. Когда ротор
неподвижен (n =
0),
Рис.
10.14. К пояснению скольжения
и частоты тока ротора
s =
(n0 –
0)/n0 =
1; f2 = f1s = f1 •
1 = f1.
Если ротор вращается
с частотой поля, то
s =
(n0 – n0)/n0 =
0; f2 = f1s = f2
• 0 = 0.
При неподвижном
роторе его обмотка относительно поля
находится в тех же условиях, что и обмотка
статора. Поэтому ЭДС обмотки ротора
может быть определена по аналогичной
формуле, что и ЭДС обмотки статора:
E2к =
4,44f1w2Фk02,
(10.24)
где w2 —
число витков фазы обмотки ротора k02 —
обмоточный коэффициент обмотки ротора.
Когда ротор вращается,
Е2 =
4,44f2w2Фk02.
(10.25)
Из отношения
(10.24) и (10.25) вытекает, что
E2 = E2к = f2/f1.
(10.26)
Подставив
в (10.26) вместо f2 его
значение из (10.22), получим
E2 = E2k = f1s/f1 = E2ks.
(10.27)
Таким образом, ЭДС
обмотки ротора пропорциональна
скольжению.
При n =
0 s =
1, E2 = E2к;
при n
= n0 s
= 0, E2 =
0.
Индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора
Ток
обмотки статора создает вращающийся
магнитный поток, основная часть которого
Ф (см. рис. 10.13, б)
сцеплена с обмоткой статора и ротора,
а небольшая часть Фр1 —
только с обмоткой статора. Этот магнитный
поток называется потоком рассеяния.
Поток рассеяния Фр1 наводит
в обмотке статоpa ЭДС Ep1,
которую можно определить с помощью
выражения
Ер1 =
4,44f1Ψp1k01.
Для облегчения
анализа работы двигателя и упрощения
расчетов ЭДС выражают обычно через
индуктивное сопротивление и ток обмотки:
Ер1 =
– Uр1 =
– Ix1,
где x1 =
2πf1L1, L1 =
Ψp1/I1 —
индуктивное сопротивление и индуктивность
обмотки статора, обусловленные потоком
рассеяния.
Аналогичная
картина имеет место и в обмотке ротора.
Индуктивное сопротивление обмотки
ротора, обусловленное потоком рассеяния
Фр2,
равно
x2s =
2πf2L2,
(10.28)
где L2 =
Ψp2/I2.
Подставив
в (10.28) вместо f2 его
значение из (10.22), получим
x2s =
2πf1sL2,
или
x2s = x2s,
(10.28a)
где
х2 —
индуктивное сопротивление рассеяния
фазы обмотки неподвижного ротора.
Следовательно,
индуктивное сопротивление обмотки
ротора прямо пропорционально скольжению.
Ток и эквивалентная схема фазы обмотки ротора
Ток фазы обмотки
ротора
|
I2 = |
E2 |
. |
|
√r22 + |
Подставив
вместо Е2 и x2s их
значения из (10.27) и (10.28, а),
получим
|
I2 = |
E2ks |
. |
|
√r22 + |
(10.29)
Рис.
10.15. Реальная (а)
и эквивалентная (б)
схемы фазы обмотки ротора (б)
а
затем, разделив числитель и
знаменатель на s,
получим
|
I2 = |
E2k |
. |
|
√(r2/s)2 + x22 |
(10.30)
где E2к и х2 –
ЭДС и индуктивное сопротивление рассеяния
обмотки неподвижного ротора, когда
частота f2 = f1.
В (10.30) r2/s можно
выразить следующим образом:
|
r2/s |
1 |
. |
|
s |
Тогда
|
I2 = |
E2k |
. |
|
|
√ |
(r2 + |
1 |
)2 + x22 |
|
s |
(10.31)
Сравнивая
(10.31) с выражением тока вторичной обмотки
трансформатора (8.11а), легко установить,
что величину r2(1-s)/s можно
рассматривать как активное сопротивление
потребителя, подключенное ко вторичной
обмотке трансформатора. Таким образом,
эквивалентная схема фазы обмотки ротора
будет иметь тот же вид, что и схема
замещения вторичной обмотки трансформатора,
в которой вместо rп включено
сопротивление r2 (1
– s)/s.
На
рис. 10.15, а изображена
реальная, а на рис. 10.15, б —
эквивалентная схемы фазы обмотки ротора
асинхронного двигателя.
В
эквивалентной схеме
значения E2к, х2 и I2 соответствуют
неподвижному ротору, хотя в действительности
ротор вращается, что учитывается
включением в цепь эквивалентного
сопротивления r2(1
– s)/s.
Отношение E1/E2к = k называется
по аналогии с трансформатором коэффициентом
трансформации асинхронного двигателя.
Соседние файлы в папке Архив ZIP – WinRAR
- #
- #
При рассмотрении вопроса о получении переменного тока указывают, что за один оборот ротора индуктированная в проводниках обмотки генератора электродвижущая сила (ЭДС) имела один период. Если ротор генератора делает, например 5 об/сек, то ЭДС будет иметь 5 пер/сек или частота тока генератора будет равна 5 Гц. Следовательно, число оборотов в секунду ротора генератора численно равно частоте тока.
Частота тока f выражается следующим соотношением:
где n – число оборотов ротора в минуту.
Для получения от генератора стандартной частоты тока – 50 Гц ротор должен делать 3000 об/мин, то есть
Однако наши рассуждения были справедливы только для двухполюсного генератора, то есть для машины с одной парой полюсов p.
Если машина четырехполюсная, то есть число пар полюсов равно двум: p = 2 (рисунок 1), то один полный период изменения тока будет иметь место за пол-оборота ротора (1 – 5 положения проводника на чертеже). За второй полуоборот ротора ток будет иметь еще один период. Следовательно, за один оборот ротора четырехполюсной машины ток в проводнике имеет два периода. В шестиполюсной машине (p = 3) ток в проводнике за один оборот ротора будет иметь три периода.
Рисунок 1. Изменение переменного тока в проводнике ротора четырехполюсного генератора
Таким образом, для машин, имеющих p пар полюсов, частота тока при 
об/сек будет в p раз больше, чем для двухполюсной машины, то есть
Отсюда формула зависимости скорости вращения от частоты и числа пар полюсов будет иметь следующий вид:
Пример 1. Определить частоту переменного тока, получаемого от генератора с восемью полюсами (p = 4), скорость вращения ротора которого n = 750 об/мин. Подставляя в формулу для определения частоты тока значение p и n получим:
Пример 2. Определить скорость вращения ротора двадцатиполюсного генератора (p = 10), если частотомер показал частоту тока f = 25 Гц. Подставляя в формулу для определения числа оборотов ротора n значения p и f, получим:
Пример 3. Скорость вращения ротора асинхронного двигателя, составляет 250 об/мин. Определить число пар полюсов асинхронного двигателя, если частота тока питающей сети равна 50 Гц:
Следовательно, двигатель имеет 24 полюса.
Источник: Кузнецов М. И., “Основы электротехники” – 9-е издание, исправленное – Москва: Высшая школа, 1964 – 560 с.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя – зависимости потребляемого тока I1 и мощности Р1, КПД, cos φ и скольжения s от полезной механической мощности P2. Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U1 и частоте f1 сети.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя могут быть получены экспериментально (опытным путем) и рассчитаны с помощью схемы замещения.
Ниже приводится расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя по схеме замещения.
По обмотке статора асинхронной машины протекает многофазная система токов, обычно трехфазная, которая создает в воздушном зазоре машины вращающееся магнитное поле (магнитный поток Ф).
Вращающееся магнитное поле в свою очередь индуктирует (наводит) в проводниках обмотки ротора ЭДС, под действием которой в замкнутой накоротко обмотке ротора протекает ток I2. Этот ток, взаимодействуя с магнитным потоком Ф, создает механическую силу, стремящуюся привести ротор во вращение в сторону вращения магнитного поля.
Определим, с какой частотой вращения магнитное поле машины пересекает проводники ротора. Эта частота равна, об/мин:
(9)
Определим частоту ЭДС f2, которая наводится магнитным полем асинхронной машины в проводниках ротора, Гц:
f2=р n2/60. (10)
Если учесть, что n2=n1s [см. формулу (9)], то можно записать
(11)
Из формулы (11) видно, что если ротор машины неподвижен (n=0, s=l), то частота ЭДС, наводимой в роторе, равна частоте сети. По мере увеличения частоты вращения ротора ЭДС понижается и при синхронной частоте будет равна нулю. На рис. 13 показаны изменения скольжения, частоты и ЭДС в роторе в зависимости от частоты вращения ротора.
Рис. 13. Зависимость скольжения s, частоты f2 и ЭДС, наводимой в роторе, E2 от частоты вращения асинхронного двигателя n
Из закона электромагнитной индукции следует, что при гармоническом изменении магнитного поля наводимая в обмотке ЭДС равна:
E=4,44fwkобФmax, (12)
где f — электрическая частота, Гц; w — число последовательно соединенных витков фазы; kоб — обмоточный коэффициент; Фmax — максимальное значение рабочего потока, сцепленного с обмоткой, Вб.
Знание частоты f2 в роторе дает возможность определить ЭДС ротора Е2 при произвольной частоте вращения (скольжении), В, в виде
E2=4,44f2w2kоб2Фmax, (13)
где w2 — число последовательно соединенных витков обмотки ротора; kоб2 — обмоточный коэффициент ротора.
Подстановка f2 из формулы (11) дает, В,
E2s=4,44f s w2kоб2Фmax=sE2, ( 14)
где Е2 — ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке ротора потоком Фmax, В.
Осветим теперь важный для анализа работы асинхронных двигателей вопрос о зависимости вращающегося магнитного потока двигателя от режима работы машины. Для этого, чтобы представить себе эту зависимость, определим вначале, какую ЭДС Е1 наводит этот поток в каждой фазе обмотки статора, В:
E1=4,44fw1kоб1Фmax, (15)
где w1 — число витков одной фазы статора; kоб1 —обмоточный коэффициент обмотки статора.
Напряжение U1, приложенное к статору, уравновешивается ЭДС E1 и падением напряжения I1z1 на внутреннем сопротивлении z1=r1+jx1 обмотки статора (х1— индуктивное сопротивление обмотки, определяемое потоком рассеяния) . При изменении нагрузки двигателя от нуля (холостой ход) до номинальной падение напряжения составляет 5—10 % приложенного. Таким образом, с достаточной для качественного анализа точностью можно полагать, что напряжение U1 полностью компенсируется ЭДС Е1 т. е. .
U1≈E1 (16)
Учитывая формулу (15), нетрудно заключить, что ЭДС и вращающийся магнитный поток двигателя зависят от приложенного к двигателю напряжения. При постоянном напряжении поток Фmах остается приблизительно постоянным независимо от изменения нагрузки двигателя.
Рассмотрим вначале явления, происходящие в машине с заторможенным ротором и замкнутой накоротко обмоткой ротора. Асинхронный двигатель в этом режиме подобен трансформатору с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Отличие состоит в том, что вторичная магнитная цепь отделена от первичной воздушным зазором, первичная обмотка (статора) и вторичная обмотка (ротора) равномерно распределены по окружности, а магнитное поле вращающееся.
Как видно из формулы (14) и рис. 13, ЭДС, наводимая в обмотке ротора, когда он неподвижен, является максимальной. В силу этого и ток, проходящий по обмоткам статора и ротора, также будет наибольшим. Этот режим называется режимом короткого замыкания (КЗ). Ток статора в этом режиме называется током короткого замыкания и превышает его номинальный ток в 4—7 раз. Асинхронный двигатель в таких условиях нельзя длительно оставлять под полным напряжением из-за перегрева обмоток, который может привести к аварии.
Для определения тока короткого замыкания двигателя делают опыт КЗ. Этот опыт заключается в том, что к двигателю с заторможенным (неподвижным) ротором подводят пониженное напряжение, регулируя которое, устанавливают номинальный ток. Напряжение, подводимое к двигателю в опыте КЗ, оказывается малым (15— 20%) по сравнению с номинальным. На базе этого опыта можно в безопасных для двигателя условиях определить величину тока короткого замыкания /к при номинальном напряжении, А:
(17)
где Uном — номинальное напряжение, В; Uк — напряжение в опыте КЗ при номинальном токе, В; Iном — номинальный ток, А.
Замеряя в этом опыте по ваттметру мощность короткого замыкания Рк, подводимую к одной фазе двигателя, находят также коэффициент мощности в режиме КЗ
(18)
и эквивалентное активное сопротивление статора и ротора двигателя гк в режиме КЗ на одну фазу, Ом,
rк=Pк/Iном2 (19)
Это эквивалентное активное сопротивление равно сумме активного сопротивления статора и приведенного активного сопротивления ротора. Понятие о приведенном активном и реактивном сопротивлении ротора будет дано ниже.
Определив угол φк по значению cosφк из формулы (18), легко найти и эквивалентное реактивное сопротивление двигателя в режиме короткого замыкания, Ом:
хк=rкctgφк (20)
Индуктивное сопротивление хк равно сумме индуктивного сопротивления статора и приведенного индуктивного сопротивления ротора.
Поскольку частота вращения ротора двигателя в этом режиме равна нулю, его механическая мощность также равна нулю. Потери в стали во время опыта короткого замыкания очень малы, так как мал вращающийся магнитный поток. Поэтому мощность Рк, которая подводится к машине, почти вся идет на нагрев проводников обмоток статора и ротора. То же самое можно сказать о режиме КЗ при полном напряжении.
Теперь представим себе, что обмотка ротора разомкнута, а обмотка статора включена в сеть. Ток по роторной обмотке при этом не проходит и асинхронный двигатель подобен трансформатору, но уже в режиме холостого хода (XX). Так как ток в проводниках ротора отсутствует, то механическая сила не возникает и ротор остается неподвижным.
По обмотке статора при этом проходит ток холостого хода I0, который создает магнитодвижущую силу (МДС), необходимую для создания магнитного потока Фmax. Поскольку в магнитной цепи асинхронного двигателя имеется зазор, то для создания магнитного потока требуется относительно больший ток, чем в трансформаторе. В двигателях большой и средней мощности ток XX составляет 25—35, а в двигателях малой мощности — 35—60% номинального тока.
Наводимая в неподвижном роторе ЭДС может быть определена по формуле (14), если учесть, что скольжение в этом режиме равно 1. Отношение ЭДС в обмотке статора к ЭДС в обмотке ротора называется коэффициентом трансформации ЭДС и может быть определено по формуле
(21)
Мощность, потребляемая двигателем в режиме XX при неподвижном роторе, расходуется на потери в проводниках статора двигателя, потери на перемагничивание и вихревые токи в стали статора и в стали ротора.
Важно заметить, что режим XX при неподвижном роторе очень близок к режиму, который возникает, когда асинхронный двигатель не выполняет полезной работы и вращается на холостом ходу. В этом случае частота вращения ротора двигателя почти равна синхронной, а скольжение примерно равно нулю [см. формулы (4), (9) и рис. 13]. Электродвижущая сила в роторе будет близкой к нулю, и, следовательно, подобно режиму XX при неподвижном роторе практически равен нулю ток в роторе. При холостом ходе вращающегося двигателя ток в обмотке статора, как и в случае холостого хода неподвижного двигателя, определяется в основном МДС, необходимой для создания магнитного потока Фmax.
При вращении ротора в двигателе появляются потери, которых нет в случае неподвижного ротора; это механические потери на трение и вентиляционные. Однако когда частота вращения ротора примерно равна синхронной, исчезают потери в стали ротора двигателя, поскольку магнитное поле теперь очень медленно перемещается относительно ротора и его сталь почти не перемагничивается. Таким образом, потери и, следовательно, мощность в двух режимах холостого хода оказываются близкими.
Асинхронная машина в режиме холостого хода может быть представлена схемой замещения, показанной на рис. 14. Для определения параметров и характеристик двигателя помимо опыта КЗ выполняют опыт XX, во время которого замеряют ток обмотки статора I0 (А) и потребляемую мощность Р0 (Вт). Это позволяет определить сопротивления в схеме замещения двигателя на холостом ходу, а также коэффициент мощности XX:
cosφ0=P0/(UI0). (22)
Рис. 14. Схема замещения первичной цепи (статора) асинхронного двигателя, работающего в режиме холостого хода
Перейдем теперь к рассмотрению общего случая режима нагрузки, когда ротор вращается с частотой, меньшей частоты XX. Определим, какой ток будет проходить по обмотке ротора во всем диапазоне рабочих режимов. Наводимая вращающимся магнитным потоком ЭДС в обмотке ротора зависит при постоянном напряжении только от скольжения и может быть найдена по (14). Ток ротора будет, очевидно, зависеть от ЭДС, наводимой в роторе, и сопротивления обмотки ротора, при этом полное сопротивление цепи в случае переменного тока определяется не только активным сопротивлением проводников обмотки, но и ее индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление обмотки ротора изменяется так же, как и ЭДС ротора E2s, Ом:
x2s=2πf2L2=s2πf1L2 =sx2, (23)
где L2 — индуктивность обмотки ротора, Гн; х2— индуктивное сопротивление рассеяния обмотки неподвижного ротора при s=l, Ом.
Теперь, используя закон Ома для цепей переменного тока, найдем ток ротора, А:
(24)
Учитывая (14) и (23), формулу (24) можно записать иначе:
(25)
Таким образом, можно видеть, что при скольжении, равном нулю или близком к нему (это соответствует синхронной или близкой к синхронной частоте вращения ротора), ток ротора равен нулю или очень мал. Это совпадает с тем, что было сказано выше относительно режима XX при вращающемся роторе. По мере уменьшения частоты вращения двигателя, т. е. при увеличении скольжения, ток возрастает за счет увеличения ЭДС ротора, однако рост тока ограничивается увеличением индуктивного сопротивления ротора.
Если разделить числитель и знаменатель выражения (25) для тока ротора I2 на s, то получим следующую формулу:
(26)
Из этого следует, что если мы примем, что ротор неподвижен, а его активное сопротивление меняется обратно пропорционально скольжению, то по его обмотке будет проходить точно такой же ток, как и при вращающемся роторе. Удобство такого преобразования состоит в том, что оно позволяет вместо вращающегося ротора (вращающаяся вторичная электрическая цепь) рассматривать неподвижный ротор (неподвижная вторичная цепь).
Однако изучение процессов, происходящих в асинхронной машине, и расчет ее характеристик можно сделать более удобными, если заменить реальную обмотку ротора эквивалентной с числом витков в фазе и числом фаз, равным им у первичной обмотки (обмотки статора), т. е. вместо обмотки ротора с числом фаз m2, числом витков в фазе w2 и обмоточным коэффициентом kоб2 будем полагать, что обмотка ротора имеет число фаз ти число витков в фазе w1 и обмоточный коэффициент kоб1. Эта замена называется приведением обмотки ротора к обмотке статора. Нетрудно видеть, что магнитный поток Ф в этом случае будет наводить в эквивалентной (приведенной) обмотке ротора ЭДС, равную ЭДС обмотки статора E2‘=E1 (штрихом будем обозначать приведенные величины).
Замена обмотки ротора не должна привести к изменению потребляемой мощности, потерь, магнитодвижущей силы и фазы тока обмотки. Из этого условия определяются приведенные величины тока, активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора .
В соответствии с (13) имеем, В
(27)
Из формул (27) вытекает отношение между ЭДС приведенной и реальной обмоток заторможенного ротора, которое называется коэффициентом трансформации ЭДС или напряжений. Он равен:
(28)
Из условия неизменности магнитодвижущих сил F2‘ =F2 следует, что
откуда вытекает отношение между токами, которое называется коэффициентом трансформации токов. Он равен:
(29)
Из условия неизменности потерь в обмотке ротора при приведении следует, что
откуда
(30)
или r2‘=krr2,
где kr=kIkU — коэффициент приведения сопротивлений.
Из условия неизменности фазы тока обмотки ротора следует
(31)
Процесс приведения цепи ротора показан на рис. 15. От схемы замещения обмотки вращающегося ротора (рис. 15,а) переходим к схеме замещения неподвижного ротора (рис. 15,б), а затем приводим обмотку ротора к обмотке статора (рис. 15, в).
Рис. 15. Схемы замещения: а — обмотки вращающегося ротора; б — неподвижного ротора; в — обмотки ротора, приведенной к обмотке статора
Поскольку теперь ЭДС Е1 первичной обмотки равна ЭДС Е2‘ вторичной обмотки, мы можем соединить электрически соответствующие точки схемы замещения обмотки статора и ротора. В результате получим схему замещения асинхронного двигателя, показанную на рис. 16. Здесь активное сопротивление rm отражает наличие потерь в стали двигателя. Для двигателей средней и большой мощности удобнее пользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 17.
Рис. 16. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя
Рис. 17. Упрощенная Г-образная схема замещения асинхронного двигателя
Используя последнюю схему, легко найти токи и ЭДС в обмотках, подводимую и полезную мощность, а также мощность потерь при любой частоте вращения двигателя. Для этого следует лишь найти скольжение, соответствующее заданной частоте n, по формуле (4)
и вычислить сопротивление r2‘/s в схеме по рис. 17. После этого нетрудно найти ток намагничивания I0 и приведенный ток I2‘ в роторной цепи, А:
(32)
Это дает возможность вычислить электрические потери в обмотке статора трехфазного двигателя (m1=3), Вт:
(33)
Электрические потери в обмотке ротора (Вт) можно найти, предварительно рассчитав по (30) приведенное сопротивление ротора r2‘ (Ом):
(34)
Суммарная активная мощность, передаваемая со статора на ротор, как видно из схемы (рис. 17), будет равна, Вт:
(35)
Эта мощность передается на ротор электромагнитным путем и поэтому называется электромагнитной мощностью.
Если из электромагнитной мощности вычесть мощность электрических потерь в обмотке ротора, то получим полную механическую мощность двигателя, Вт:
(36)
Полная механическая мощность расходуется на вращение приводного механизма (полезная механическая мощность) и на покрытие механических Рмх.п и добавочных Рд.п потерь самого двигателя. Поэтому полезная механическая мощность Р2 будет равна, Вт:
(37)
Коэффициент полезного действия двигателя по определению равен отношению отдаваемой (полезной механической) мощности к потребляемой (активной электрической) мощности. Разность между этими мощностями составляют потери в двигателе, равные, Вт:
где Pм.п=m1I02rm — магнитные потери или потери в стали. Таким образом, КПД двигателя равен:
(38)
Использование первого или второго выражения для КПД определяется тем, какая из мощностей — P1 или Р2— известна. На практике наиболее часто применяется первое выражение (38).
Используя схему замещения, можно определить также ток, потребляемый двигателем из сети, т. е. ток статора, который равен сумме двух токов. Первый из них — это ток XX, который протекает по цепи 1 (рис. 17) и не изменяется при изменении частоты вращения ротора, второй — ток ротора I2‘, который определяется по (32). Складывая геометрически эти два тока, можно получить ток статорной обмотки. Такое геометрическое сложение показано на рис. 18. Углы φ2‘, φ0, необходимые для построения, можно найти с помощью схемы замещения (см. рис. 17):
Таким образом, знание параметров схемы замещения (r1, x1, r2‘, х2‘, rm, хm) и приложенного напряжения U1 (напряжение сети) позволяет с помощью приведенных выше формул определить полезную мощность, токи, потери, КПД, коэффициент мощности двигателя при различных скольжениях (частоте вращения).
Рис. 18. Диаграмма токов асинхронного двигателя
Зависимости потребляемого тока I1 и мощности Р1, КПД, cosφ и скольжения s от полезной механической мощности P2 носят название рабочих характеристик двигателя. Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U1 и частоте f1 сети. Пример рабочих характеристик приведен на рис. 19.
Рис. 19. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Рассмотрим рабочие характеристики асинхронного двигателя. При холостом ходе (полезная мощность Р2—0) скольжение s также равно нулю (частота вращения ротора n практически равна синхронной), сопротивление r2/’s равно бесконечности (см. рис. 17) и ток I2‘==0. По обмотке статора протекает ток холостого хода I0. Коэффициент полезного действия η равен нулю, так как равна нулю полезная мощность Р2, а коэффициент мощности равен коэффициенту мощности для тока холостого хода (cosφ1=cosφ0).
При увеличении нагрузки частота вращения ротора уменьшается и увеличивается скольжение s. За счет увеличения s уменьшается сопротивление цепи 2 (см. рис. 17) и увеличивается ток ротора, а следовательно, и ток статоpa. Поскольку увеличивается полезная мощность, растет, КПД двигателя, а также коэффициент мощности.
Обычно номинальная мощность на валу двигателя достигается уже при небольшом понижении частоты вращения ротора и вся область рабочих режимов находится в диапазоне скольжений от 0 до 2—5%.
Поэтому скоростная характеристика n=f(P2) у асинхронного двигателя имеет небольшой наклон к оси абсцисс. Характеристики такого вида принято называть жесткими. Соответственно характеристика s=f(P2) имеет слабый подъем при возрастании нагрузки. В асинхронном двигателе частота вращения ротора меньше частоты вращения поля, за счет чего обеспечивается наведение ЭДС, а также создание тока 1% в обмотке ротора и вращающего электромагнитного момента, под действием которого ротор приходит во вращение.
Характеристика cosφ=f(P2) лежит в области значений, меньших 1, так как асинхронный двигатель всегда потребляет ток I0, почти не зависящий от нагрузки в диапазоне мощностей от Р0 до Р2≈Рном. При XX обычно φ0<0,2, т. е. он содержит большую реактивную составляющую. При увеличении нагрузки cosφ быстро возрастает и достигает максимального значения при мощности Р2≈Р2ном. При увеличении нагрузки выше номинальной cosφ несколько снижается.
Коэффициент полезного действия достигает своего максимального значения при Р2≈ (0,6÷0,8)Р2ном и снижается при дальнейшем росте нагрузки. Поскольку двигатель обычно работает при переменной нагрузке, изменяющейся в пределах (0,6—1)Р2ном, то КПД в этом диапазоне изменения нагрузки должен быть достаточно высок.
Поле ротора, которое создается токами, протекающими в обмотке ротора, вращается относительно ротора. При этом механическая частота вращения ротора и частота вращения поля относительно ротора в сумме равны частоте вращения поля статора, поэтому частоты токов в статоре и роторе жестко связаны соотношением:
f2=f1*s
где f1, f2 — частоты тока и напряжения статора и ротора; s — относительная частота вращения ротора или скольжение, определяемое частотой вращения поля статора n1 и частотой вращения ротора машины n2:
s=(n1+/-n2)/n1
В синхронных машинах обмотка возбуждения ротора питается постоянным током (f2 = 0), и, следовательно, из s = 0, откуда по n = n1, т. е. ротор синхронной машины вращается синхронно с полем, созданным токами обмотки статора.
Жесткая связь частоты тока и частоты вращения определила область применения синхронных машин. Синхронные генераторы являются практически единственными мощными генераторами электрической энергии на электростанциях. Синхронные двигатели с учетом трудностей их пуска применяются как приводы промышленных установок, длительно работающих при постоянной частоте вращения и не требующих частых пусков, например, как приводные двигатели воздуходувок, компрессоров и т. п.
В асинхронных машинах ток в обмотке ротора обусловлен ЭДС, наведенной в проводниках обмотки магнитным полем статора.
Наведение ЭДС происходит только при пересечении проводниками магнитных силовых линий поля, что возможно лишь при неравенстве частот вращения ротора и поля статора . Частота тока в роторе равна f2 = f1*s, что обеспечивает взаимную неподвижность поля токов ротора и поля статора, а частота вращения ротора при этом равна n2=n1(1—s). При скольжении s = 1 ротор неподвижен ( f2 = f1), преобразования механической энергии не происходит и имеет место трансформаторный режим работы машины.
