Асинхронной машиной называется двухобмоточная электричес-кая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоян-ной частотой щ1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота щ2 является функцией угловой скорости ротора Щ, которая в свою очередь зависит от вращающего мо-мента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на ста-торе, питаемой от сети переменного тока, и с трехфаз-ной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (при-соединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации дви-гатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2--5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим момен-том. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5--7 раз превышающих поминальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами избавлены от этих недостатков ценой усложнения кон-струкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необ-ходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за зна-чительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распро-странения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоеди-няются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприка-сающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить доба-вочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки поз-воляют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к уве-личению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облег-чает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специаль-ным устройством, которое позволяет после завершения пуска замк-нуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназнача-ются для работы в определенных условиях с определенными техни-ческими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указыва-ются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

механическая мощность, развиваемая двигателем, Рн = P2н;

частота сети f1;

линейное напряжение статора U1лн

линейный ток статора I1лн;

частота вращения ротора nн;

коэффициент мощности cos ц1н;

коэффициент полезного действия зн.

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то ука-зываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (Х/Д).

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность -- от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения п1н = 60 f1/р при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах -- до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2--5% меньше синхронной; в микродвигателях -- на 5--20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65--0,95, в микродвигателях 0,2--0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потреб-ляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двига-телей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7--0,9; в микро-двигателях 0,3--0,7.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколь-ко процентов. Поэтому частоту вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в относительных, вводя понятие скольжения:

s = (пс - п)/пс,

где пс -- частота вращения поля (синхронная частота вращения); п -- частота вращения ротора.

Скольжение выражается либо в относительных единицах (s = = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в процентах (s - 2 %; 2,5 % и т. п.).

Частота тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и ЭДС обмотки статора и от скольжения:

f2 - f1s; Е'2 - E1s,

где Е1-- ЭДС обмотки статора; Е'2 -- ЭДС обмотки ротора, приве-денная к числу витков обмотки статора.

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -?...+? (рис. 2.1),

Рис. 2.1. Механическая характеристи-ка

асинхронной машины

но не при s = 0, так как в этом случае п - пс и проводники обмотки ротора неподвижны отно-сительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольже-ний различают несколько режи-мов работы асинхронных машин (рис. 2.1): генераторный режим при s < 0, двигательный при 0 < s < 1, трансформаторный при s = 1 и тормозной при s > 1. В ге-нераторном режиме ротор маши-ны вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном -- направления вращения поля статора и ро-тора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: п = пс(1 - s). В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг дру-га. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой транс-форматор и отличается от него расположением первичной и вторич-ной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля ста-тора и машина создает момент, противоположный моменту, действу-ющему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количе-ство -- в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме -- кратковременно.

Для оценки механической характеристики асинхронного двига-теля моменты, развиваемые двигателем при различных скольжени-ях, обычно выражают не в абсолютных, а в относительных едини-цах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному моменту: М* = M/Мном. Зависимость М* = f(s) асинхронного двига-теля (рис. 2.2) имеет несколько характерных точек, соответствую-щих пусковому М*п, минимальному М*min, максимальному М*max и но-минальному М*ном моментам.

Пусковой момент М*п характеризует начальный момент, развивае-мый двигателем непосредственно при включении его в сеть при непо-движном роторе (s - 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 2.2). Обычно М*min на 10...15 % меньше М*п. Большинство двигателей проектируют так, чтобы их М*min был больше М*ном , так как они могут достигнуть но-минальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М*min .

Максимальный момент М*max характеризует перегрузочную спо-собность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*max, двигатель останавливается. Поэтому М*max называют также критиче-ским, а скольжение, при котором момент достигает максимума, -- критическим скольжением sкp. Обычно sкр не превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургиче-ских и т. п.) sкp может быть значительно большим.

В диапазоне 0 < s < sкр характеристика М - f(s) имеет устойчи-вый характер. Она является рабочей частью механической характе-ристики двигателя. При скольжениях s > sкр двигатель в нормаль-ных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхо-да на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена

к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом

Рис. 2.2. Зависимость тока и момента

асинхронного двигателя от скольжения

короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколь-ко раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольже-ниях, близких к единице, может находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению до-пустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Электромеханическое преобразование энергии может происхо-дить в асинхронной машине в следующих трех режимах:

в режиме двигателя 0 < s < l, Щ1 > Щ > 0;

в режиме генератора s < 0, Щ > Щ1;

в режиме тормоза s > 1, Щ < 0.

Кроме того, важны еще два характерных режима работы, в ко-торых электромеханическое преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0, Щ = Щ1) и режим корот-кого замыкания (s = 1, Щ = 0).

В режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного момента М > 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в сторону поля со скоростью, мень-шей, чем скорость поля (Щ1 > Щ > 0, 0 < s < 1). В этом режиме

Сэм = МЩ1 = > 0; Смех = МЩ = Сэ2 > 0.

Электрическая мощность Р1 = Рэм + Рм + Рэ1 > 0 преобра-зуется в механическую мощность Р2 = Рмех -- Сд -- Сє > 0, пере-даваемую через вал приводимой в движение машины.

Энергетические процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление активной составляющей тока ротора i2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС. Направление электромагнитного момента М определяется электромагнитной силой Bmi2a, действующей на ток i2a .

Полезная механическая мощность Р2 оказывается меньше по-требляемой из сети мощности на потери УС:

С2 = С1-УС = С1 -(Сэ1 + См+Сэ2 + Сд + Ст),

И КПД двигателя выражается формулой:

з = = 1- = f(s)

В режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв > 0, направленного в сторону поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со скоростью, превышаю-щей скорость поля (Щ > Щ1, s < 0). В этом режиме в связи с изме-нением направления вращения поля (Щ^) относительно ротора активная составляющая тока ротора г'2а изменяет свое направление иа обратное (по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент М = Bmi2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается отрицательным (М < 0), мощности Рэ„ и Ртх также отрицательны:

Сэм = МЩ1 = < 0; Смех = МЩ = Сэ2 < 0.

Рис. 3.1. Режимы работы асинхронной машины.

а -- двигательный;

б -- генераторный;

в -- тормоза;

г -- трансформатора (или короткого замыкания).

Направление преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Рг, подведенная к валу машины, преоб-разуется в электрическую мощность Plt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:

Смех = Сэм - Сэ2 < 0 при s < 0

по абсолютному значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2):

|Смех| = | Сэм | + Сэ2

Рис. 3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в отно-сительных единицах при 1/х = 1; /0 = 0,364; cos <р0 = 0,185; Хг = Х'2 = 0,125; Кг = 0,0375; R's = 0,0425).

По той же причине потребляемая механическая мощность

P2 = P1 - УС < 0

по абсолютному значению на потери больше электрической мощнос-ти, отдаваемой в сеть:

|С2| = | С1 | + УС,

и КПД генератора

з = = 1-.

В режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв < 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины вращается в сторону, противоположную полю (Щ<0, s = >1). В этом режиме электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме двигателя (направление вращения поля Щ.5 относительно ротора остается таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается положительным (М > 0). Однако, поскольку Щ < 0, механическая мощность оказывается отрицательной:

Смех = МЩ = Сэ2 < 0

Это означает, что она подводится к асинхронной машине. Электро-магнитная мощность в этом режиме положительна:

Сэм = МЩ1 = > 0

Это означает, что она поступает из сети в машину.

Подведенные к ротору машины со стороны сети |Сэм| и вала |Смех| мощности превращаются в электрические потери Рэ2 в сопро-тивлении ротора R'2 (рис. 3.2):

|Смех| + | Сэм | = Сэ2 + Сэ2 = Сэ2 = m1 R'2(I '2)2 .

Асинхронная машина в этом режиме может быть использована для притормаживания опускаемого подъемным краном груза. При этом мощность | Смех | = | МЩ | поступает в ротор машины (см. рис. 3.1).

В режиме идеального холостого хода внешний вращающий мо-мент Мв, момент трения Мт = Ст/Щ и момент, связанный с добавоч-ными потерями, Мд = Сд/Щ равны нулю. Ротор вращается со ско-ростью поля (Щ = Щ1, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Рмех = МЩ = 0).

В режиме идеального холостого хода внешний момент, прило-женный к валу машины, равен нулю (Мв = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и вращающееся поле (Щ = Щ1), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи в обмотке ротора не индуктируются (I2=0), и электромагнитный момент, уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0).

Режим холостого хода асинхронной машины аналогичен ре-жиму холостого хода трансформатора. В асинхрон-ной машине и в трансформаторе ток в этом режиме имеется только в первичной обмотке I1 ? 0, а во вторичной -- отсутствует (I2 = 0); в машине и в трансформаторе магнитное поле образуется в этом режиме только первичным током, что позволяет называть ток хо-лостого хода намагничивающим током (I1 = I0). В отличие от транс-форматора система токов I0 в фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле.

По аналогии с трансформатором уравнение напряжений необ-ходимо составить при холостом ходе только для фазы обмотки статора, являющейся первичной обмоткой:

где -- ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся магнитным полем с потоком Фга;

-- фазное напряжение первичной сети;

R1, Х1 -- активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).

В силу малости падений напряжений X1I0 и R1I0 напряжение почти полностью уравновешивается ЭДС т. е. = -.

В режиме холостого хода R'мех = R'2 = ?, ток R'2 = 0 и схема замещения содержит только одну ветвь Z1 + Z0 (Т-образная и Г-образная схемы не отличаются друг от друга).

В режиме короткого замыкания под действием внешнего момента М в, уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор удер-живается в неподвижном состоянии (Щ = 0, s = = 1) и не совершает полезной механической работы (Рмех = М Щ = 0).

Направление тока i2a и электромагнитного момента М остается таким же, как в режиме двигателя, и М > 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Рэм = МЩ1 > 0 -- она поступает в ротор из статора и превращается в электрические потери (Рэм = = Рэ2). В этом режиме асинхронная машина работает как коротко-замкнутый со вторичной стороны трансформатор, отличаясь от него только тем, что в ней существует вращающееся поле взаимной индукции вместо пульсирующего поля в трансформаторе.

В режиме короткого замыкания R'мех = R'2 = 0 и сопро-тивление схемы замещения по рис. 42-3 определяется параллельно включенными сопротивлениями Z1 + Z0 и Z1 + Z'2. Имея в виду, что |Z1 + Z'2| « |Z1 + Z0|, можно отбросить ветвь Z1 + Z0 и считать сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным

Zк = Z1 + Z'2 = Rк + jXк (43-3)

где

Rк= R1+ R'2

Если к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему дополнительных сопротивлений R2д + jХ2д, то она будет работать как трансформатор, преобразующий электрическую энергию, поступающую из первичной сети, в электрическую энергию с другими параметрами, потребля-емую дополнительными сопротивлениями R2д + jХ2д. Поэтому режим при s = 1 называется также режимом трансформатора.

Изменить режим работы асинхронной машины или скольжение машины в данном режиме (при U1 = const и f1 = const) можно только путем изменения внешнего момента Мв, приложенного к валу машины. При Мв = 0 ротор вращается со скоростью поля (Щ = Щ1, s = 0) и машина не совершает полезного преобразования энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента Мв, направленного против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока не появится электромагнитный момент М = f(s), который уравновесит момент Мв. Машина переходит в режим двигателя s = > 0. Наоборот, при воздействии внешнего момента Мв направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем скорость поля (Щ > Щ1), и машина переходит в режим генератора (s=<0).

Наконец, к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя, изменяя внешний момент Мв таким образом, чтобы ротор сначала остановился, а затем пришел во вращение в противоположную сторону (по отношению к полю).

4. ЛИТЕРАТУРА.

1. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с., ил.

2. Вольдек А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л., «Энергия», 1974.

3. Проектирование электрических машин: Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк., 2002. - 757 с.: ил.