§ 4.3. РАБОТА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ПРИ ЗАТОРМОЖЕННОМ РОТОРЕ

Холостой ход. Режимы работы асинхронной машины при заторможенном роторе наиболее просты для исследования, так как при этом обмотки статора и ротора пересекаются магнитным потоком с одной и той же скоростью, т. е. частоты ЭДС статора f1 и ротора f2 равны. Если считать, что вращающееся магнитное поле близко к круговому и, кроме того, высшие гармонические ЭДС подавляются из-за распределения обмоток в нескольких пазах и укорочения шага, то при анализе можно учитывать только первые гармонические ЭДС статора и ротора соответственно

Отношение называют коэффициентом трансформации ЭДС. Для основных гармонических обмоточные коэффициенты обычно равны 0,96—0,90 и поэтому в первом приближении можно считать аналогично тому, как это наблюдается в трансформаторе. Если обмотка ротора разомкнута, то по ней ток не проходит, а следовательно, она не влияет на электромагнитные процессы в статоре. Этот режим называют режимом холостого хода. При холостом ходе для каждой фазы обмотки статора можно составить уравнение, полностью тождественное уравнению для первичной обмотки трансформатора при холостом ходе: где Е1 — ЭДС, индуцируемая вращающимся магнитным потоком Ф, охватывающим обмотки ротора и статора; Еσ1 = 4,44f1 kо61 w1 Фσ1т — ЭДС, вызываемая потоком рассеяния обмотки статора; I0R1 — падение напряжения в обмотке статора, называемое током холостого хода. В соответствии с (4.6) можно построить векторную диаграмму асинхронной машины при холостом ходе (рис. 4.7, а). При этом вектор Еσ1 заменяют противоположно направленным ему вектором jÍ0 Х1 индуктивного падения напряжения в обмотке

Рис.   4.7.   Векторные   диаграммы асинхронной машины при затормо женном роторе

статора. В принципе указанная диаграмма аналогична векторной диаграмме трансформатора при холостом ходе, так как в этих машинах при заторможенном роторе протекают одинаковые электромагнитные процессы (обмотка статора аналогична первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора - вторичной обмотке). Однако ток холостого хода I0 в асинхронном двигателе из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20 - 40% от номинального тока по сравнению с 0,5 - 3% у трансформатора), вследствие чего здесь нельзя пренебрегать падениями напряжения Í0R1 и jÍ0X1 и пользоваться приближенным уравнением Ú1 + É1 = 0, как это делают в некоторых случаях при построении векторной диаграммы трансформатора.

Относительно большой ток холостого хода в асинхронных машинах является одним из главных недостатков, так как вызывает увеличение потерь в обмотке статора (особенно в небольших машинах) и уменьшение коэффициента мощности машины. Для снижения тока холостого хода заводы - изготовители стремятся выполнять в асинхронных машинах минимально возможные с точки зрения конструкции и технологии зазоры. Так, например, у двигателей мощностью 5 кВт и менее зазоры между статором и ротором равны 0,1—0,3 мм.

При построении векторных диаграмм асинхронной машины принимают, что потоки рассеяния Фσ1 и Фσ2 , создаваемые обмотками статора и ротора, совпадают по фазе с токами, проходящими по соответствующим обмоткам, и пропорциональны этим токам аналогично тому, как это принято в теории трансформатора. Это допущение является вполне обоснованным, так как указанные магнитные потоки замыкаются главным образом по воздуху (поперек соответствующих пазов, через коронки зубцов и вокруг лобовых соединений). Поэтому в асинхронной машине, так же как и в трансформаторе, можно считать, что при режимах, близких к номинальному, индуктивные сопротивления Х1 = Еσ1 /I1 и X2 = Eσ2 /I2 не зависят от тока в соответствующих обмотках.

Работа машины под нагрузкой. Асинхронную машину с заторможенным ротором можно использовать в качестве трансформатора, если в цепь обмотки ротора (вторичной обмотки) включить сопротивление нагрузки Zн.

Векторная диаграмма асинхронной машины с заторможенным ротором (рис. 4.7,6) аналогична диаграмме трансформатора и определяется формально теми же основными уравнениями:

Однако наличие в асинхронной машине вращающегося потока обусловливает некоторые специфические особенности при взаимодействий токов в первичной и вторичной обмотках. Поскольку фазы обмотки ротора сдвинуты в пространстве, а токи в них имеют временной сдвиг, они создают бегущую волну МДС ротора F2, частота вращения которой

где f2 и р2 — частота тока и число пар полюсов ротора.

Так как при неподвижном роторе ЭДС в обмотках статора и ротора имеют одинаковую частоту, т. е. f2 = f1, то

Асинхронная машина может работать только при равенстве частот вращения бегущих волн МДС статора F1 и ротора F2. Следовательно, статор и ротор должны иметь одинаковое число полюсов, т. е. p1 = p2 = p. При этом условии бегущие волны МДС ротора и статора неподвижны одна относительно другой и взаимодействуют между собой, обеспечивая передачу мощности из статора в ротор так же, как и в трансформаторе. В результате ток ротора I2 создает компенсирующую его составляющую тока статора I'2 и результирующий магнитный поток остается примерно таким же, как и при режиме холостого хода. Таким образом, для асинхронной машины, как и для трансформатора, справедливо условие Ф ≈ const, т. е. магнитный поток при изменении режима работы изменяется мало. Требование равенства частот вращения бегущих волн МДС ротора и статора жестко определяет лишь равенство числа полюсов. Число фаз обмоток статора и ротора может быть любым.

Если выбор числа фаз m1 обмотки статора определен питанием ее от трехфазной (в двигателях общепромышленного применения) или двухфазной (в микродвигателях) сети переменного тока, то число фаз m2 обмотки ротора выбирают при проектировании машины, исходя из удобств конструкции и технологии изготовления ротора, т. е. можно выполнить ее многофазной в виде беличьей клетки, у которой т2 равно числу стержней z2 клетки. В такой обмотке отдельные «фазы» сдвинуты одна относительно другой на угол α = 2π/Z2, а число пар полюсов р2 всегда равно числу пар полюсов р1 вращающегося магнитного поля.

Схема замещения (рис. 4.8). Эта схема аналогична схеме замещения трансформатора, но ее параметры определяются другими коэффициентами приведения. Полагая Е'2 = E1 = kЕЕ2, из условия равенства мощностей реального и приведенного роторов m2E2I2 = m1Е'2I2 находим

Величину ki = m1 w1 kоб1 /(m2 w2 kоб2 ) называют коэффициентом приведения (трансформации) токов. Из равенства электрических потерь m2 I22 R2 = m1 I'22 R'2 получаем

Из равенства относительных индуктивных падений напряжений I2 Х2 /Е2 = I'2 Х'2 /Е'2 находим

Величину kEki называют коэффициентом приведения сопротивлений. При определении коэффициентов kE и ki для короткозамкнутой обмотки типа беличья клетка принимают w2 = 0,5; m2 = z2 и kо62 = 1. Таким образом, теория работы асинхронной машины с заторможенным ротором в основном подобна теории работы трансформатора. Однако использование асинхронной машины

Рис.  4.8.  Схема  замещения асинхронной машины при за­торможенном роторе

в качестве трансформатора обычно нецелесообразно, так как она значительно дороже трансформатора и имеет худшие эксплуатационные характеристики (больший ток холостого хода, меньший КПД и пр.). Только в некоторых специальных устройствах асинхронную машину используют в режиме работы трансформатора, т. е. при заторможенном роторе. Области применения асинхронной машины с заторможенным ротором. Рассмотренный режим работы используют в фазорегуляторах и индукционных регуляторах. Фазорегулятор. Если ротор трехфазной асинхронной машины установлен в положении (рис. 4.9, а), при котором оси одноименных фаз ротора и статора совпадают, то вращающийся магнитный поток пересекает обмотки статора и ротора одновременно. Следовательно, ЭДС Е1 и Е2 имеют одинаковую фазу. Если повернуть ротор навстречу магнитному потоку на угол α (рис. 4.9,6), то магнитный поток будет сначала набегать на фазу ах ротора, а потом на фазу А-Х статора. Вследствие этого ЭДС Е2 будет опережать Е1 по фазе на угол α. Поворачивая ротор в одну или другую сторону, можно получить требуемую фазу ЭДС:

Асинхронные фазорегуляторы (рис.4.9,в) используют главным образом в схемах автоматики для компенсации фазовой погрешности, в управляемых выпрямителях, устройствах для испытаний электроизмерительных приборов и пр.

Рис.4.9. Схематический разрез (о, б) и схема (в) фазорегулятора: 1 - обмотка статора; 2 - обмотка ротора

Промышленность выпускает миниатюрные фазорегуляторы с одной обмоткой на роторе. Поворот ротора осуществляют с помощью червячного редуктора с самоторможением.

Индукционный регулятор. Этот регулятор выполняют в виде трехфазного поворотного автотрансформатора. Его применяют для регулирования трехфазного переменного напряжения, подаваемого на какиелибо устройства.

В качестве первичной обмотки регулятора обычно используют обмотку ротора 1 (рис. 4.10, а), вторичной служит обмот­ка статора 2. Входное напряжение Uвх подводят к началам а, b и с первичной, а также к началам А, В и С вторичной обмоток; выходное напряжение Uвых снимают с концов X, Y и Z вторичной обмотки.

При подключении индукционного регулятора к сети трехфазного тока в каждой фазе его обмотки ротора и статора индуцируются ЭДС Е1 и Е2. При холостом ходе для каждой фазы этой машины

Из уравнения (4.11) следует, что векторы Úвх и É2 складываются геометрически и поэтому действующее значение выходного напряжения Úвых зависит от угла сдвига фаз а между векторами Úвх и É2. Этот угол можно изменять, поворачивая ротор, и получать таким образом различные величины выходного напряжения Úвых (рис. 4.10,6).

Достоинством индукционного регулятора является возможность плавного изменения выходного напряжения под нагрузкой без разрыва

Рис. 4.10. Схема и векторная диаграмма напряжений  трехфазного   индукционного регулятора

цепи тока. При этом ток ротора, взаимодействуя с магнитным полем, создает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор, поэтому необходимо принять меры для торможения ротора. В индукционных регуляторах малой мощности с червячной передачей от штурвала происходит самоторможение ротора из-за наличия этой передачи.

В рассмотренном индукционном регуляторе одновременно с изменением величины выходного напряжения изменяется и его фаза. В случае, если такое изменение нежелательно, применяют сдвоенный регулятор, у которого оба ротора расположены на общем валу. Обмотки ротора обоих регуляторов соединены между собой параллельно, а обмотки статора — последовательно (рис. 4.11, а), причем фазы этих обмоток подключены к сети с входным напряжением Uвх так, чтобы направление вращения магнитного поля в обоих регуляторах было противоположным. При этом суммарный вращающий момент на валу сдвоенного регулятора равен нулю и он не требует специального тормозного устройства. При повороте сдвоенного ротора в каком-либо направлении ротор одного из регуляторов поворачивается по направлению вращения поля, а ротор другого — в обратном направлении. Поэтому векторы вторичных ЭДС Е21 и Е22 поворачиваются в противоположных направлениях и при холостом ходе;

При этом фаза напряжения Úвых, как видно из векторной диаграммы (рис. 4.11,6), остается неизменной. Индукционные регуляторы выполняют мощностью до 500 кВт.

Рис. 4.11. Схема и векторная диаграмма напряжений сдвоенного трехфазного индукционного регулятора: 1, 3 — обмотки статора; 2, 4 — обмотки ротора