Асинхронные машины

К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
 Лекцию "Асинхронные двигатели" с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру. .

Лекция 3 Асинхронные двигатели   
§1 Особенности конструкции трехфазного асинхронного двигателя

П1. Устройство статора асинхронной машины
Устройство пакета статора асинхронной машины  не отличается от рассмотренной ранее конструкции пакета  статора машины переменного тока. Пакет листов запрессовывается в корпус с лапами, с помощью которых машина крепится к фундаменту. Трехфазная обмотка статора выполняется в виде одно- или многовитковых катушек. Обычно обмотка каждой фазы состоит из нескольких последовательно включенных катушек одинаковой ширины, равной половине длины волны основной синусоиды поля. Каждая  катушка занимает  пару пазов статора. В современных обмотках  активные части катушек в пазу располагаются в два слоя.  Катушки группы, создающие одну полуволну, лежат в соседних парах  пазов. Такое расположение катушек создает трапециевидное, близкое к синусоиде, распределение индукции в зазоре между внутренней поверхностью статора и ротором машины.  Лобовые части катушек отгибают так, что они проходят вдоль торцевой поверхности пакета статора и не мешают вставлять ротор в машину.
Начала и концы всех трех фаз машины маркируют и выводят на  щиток клеммной коробки, укрепленной на корпусе машины. Это позволяет, по выбору, присоединять обмотку звездой или треугольником  к трехфазным системам напряжения, отличающимся в   раз.
П2.  Конструкции роторов  асинхронных машин
Ротор представляет собой, сидящий на валу цилиндрический пакет,  спрессованный из стальных листов. По наружной стороне пакета, вдоль образующей цилиндра, симметрично фрезеруются пазы для укладки обмотки.
Существуют две основные конструктивные разновидности роторов - фазный  и короткозамкнутый роторы. Абсолютное большинство асинхронных двигателей изготовляется с короткозамкнутым ротором.
Короткозамкнутый ротор имеет обмотку, напоминающую беличью клетку: два  параллельных торцевых кольца, соединенные между собой стержнями одинаковой длины и сечения. Часто обмотку изготовляют, заливая в пазы ротора алюминиевый сплав, а образовавшиеся стержни  замыкают кольцевыми отливками, имеющими короткие лопасти для вентиляции машины. Достоинство короткозамкнутых роторов состоит в их простоте, а значит, дешевизне и надежности
 Асинхронные двигатели с фазным ротором - это более дорогие и менее надежные машины, чем короткозамкнутые асинхронные двигатели. Их применяют тогда, когда необходимо обеспечить  регулировку частоты вращения ротора  электродвигателя, или улучшить его пусковые характеристики.(1) В пазы  фазного ротора  укладывают трехфазную обмотку ,соединенную звездой  или треугольником, концы которой присоединяют к контактным кольцам, закрепленным на оси ротора. Кольца, с помощью щеток подключают к трехфазному реостату. Трехфазный реостат позволяет изменять сопротивление фазного ротора в процессе пуска или регулировки частоты. В нормальном состоянии  кольца между собой замкнуты накоротко.
Короткозамкнутая обмотка типа “беличья клетка” по своим электрическим свойствам эквивалентна трехфазной обмотке и поэтому при рассмотрении теории асинхронного двигателя обычно  рассматривается двигатель с фазным ротором.
  Ротор  вставляется внутрь пакета статора и укрепляется на подшипниках подшипниковых щитов, закрывающих с обоих концов статор. Зазор между пакетами ротора и статора обычно порядка миллиметра и менее. (2) 
П3 Номинальные данные и режимы работы асинхронного двигателя.
Номинальными данными асинхронного двигателя называют параметры режима и условия работы, на которые он рассчитан.   На щитке двигателя приводятся следующие номинальные данные:  1) тип машины,  2) число фаз;  3) частота тока;  4)выходная  механическая мощность; 5)  напряжение на фазе двигателя; 6) схема соединения фаз;  7) кпд в процентах; 8) коэффициент мощности;  9) скорость вращения в оборотах в минуту;           10) режим работы; 11) класс изоляции обмотки.
Кроме того, на щитке указывается год выпуска машины, завод изготовитель , а также дополнительные данные необходимые для монтажа и эксплуатации машины.
В зависимости от соотношения скорости ротора и синхронной скорости вращающегося поля статора, различают двигательный режим, генераторный режим и режим электромагнитного тормоза.
В зависимости от времени чередования пусков и остановок двигателя различают длительный режим, повторно-кратковременный режим, и кратковременный режим работы.  На щитке двигателя указывается  именно эти режимы.
Кроме того, различают установившиеся и переходные, рабочие и аварийные режимы работы двигателей.

Вопросы для самоконтроля.
1. Почему часть асинхронных двигателей изготовляют с более дорогим фазным ротором? (1)
2.Какую величину имеет зазор между статором и ротором в АД? (2)
 
 
§2 Эквивалентные схемы и векторные диаграммы АД
П1 Скольжение ротора
Исходя из принципа работы асинхронного двигателя, следует, что частота вращения магнитного поля статора   всегда больше частоты вращения ротора  . Разница частот    носит название частоты скольжения.   Отношение частоты скольжения к частоте вращения поля статора, ( синхронной частоте), именуется скольжением ротора или просто скольжением.
                (1)
Скольжение асинхронных двигателей нормального исполнения в номинальном режиме - величина порядка 0,02. При частоте сети 50 герц ротор асинхронного двигателя пересекается вращающим полем статора примерно один раз в секунду. Поэтому в роторах асинхронных двигателей вращающим полем статора индуктируется трехфазная система ЭДС частотой равной частоте скольжения, около 1 герца. (В режиме холостого хода  частота индуцируемой ЭДС    на порядок меньше.) Благодаря трехфазной системе ЭДС  в замкнутой обмотке ротора существует трехфазная система токов той же частоты. Трехфазная система токов в свою очередь создает магнитное поле, вращающиеся с частотой скольжения относительно ротора.(2) Это значит, что относительно статора поле ротора вращается с синхронной частотой, а поля ротора и статора друг относительно друга неподвижны.(3)
П2 Электродвижущие силы, индуцируемые в обмотках асинхронного двигателя
Вращающееся магнитное поле,  с синусоидально распределенной волной магнитной индукции с амплитудным значением  , бегущей в зазоре асинхронной машины индуцирует в каждом витке( при  длине проводника в  пазу L и ширине полюса  ) обмотки статора ЭДС 
Так как частота пересечения вращающимся полем статора обмотки ротора в s раз меньше частоты  f сети, а длина проводника и ширина полюса одна и та же, то ЭДС индуцируемая в  витке обмотки ротора будет пропорциональна скольжению s.
               
Так как в фазе  обмотки статора   виток, а в обмотке ротора  , то ЭДС обмотки статора будет равна   , (3) а ЭДС обмотки ротора   (4). Здесь   и   - обмоточные коэффициенты, учитывающие, что витки обмоток лежат в разных пазах, и суммирование ЭДС витков не арифметическое, а геометрическое.
П3 Холостой ход асинхронного двигателя. Эквивалентная схема  и векторная диаграмма АД в режиме идеального холостого хода
Различают  реальный и  идеальный режимы холостого хода асинхронного двигателя. В первом случае двигатель работает с некоторым током ротора, достаточным для преодоления момента сопротивления трения, хотя полезной работы не производит. Идеальный режим холостого хода предполагает, что тока в роторе нет, а ротор вращается с частотой поля статора.(6) Такой режим можно получить, если только  вращать ротор от постороннего механизма. Так как  в режиме идеального холостого хода в обмотке ротора даже не индуктируется ЭДС, то  асинхронный двигатель в этом режиме  полностью подобен трансформатору в режиме холостого хода . Их эквивалентные  схемы     и векторные диаграммы ни чем  принципиально не отличаются . В этом случае, на рисунке 3 сопротивление нагрузки считается бесконечно большим.  r1 учитывает нагревание обмотки статорным током, х1 - магнитное рассеяние обмотки статора,   r0 -потери в магнитопроводе из- за гистерезиса и вихревых токов, х0 -основной магнитный поток существующий в зазоре асинхронного двигателя. Соответствующая эквивалентной схеме   векторная диаграмма представлена на рисунке 4  .
При построении векторной диаграммы, как обычно, вектор основного магнитного потока   располагаем вдоль оси абсцисс. Вектор электродвижущей силы  , индуцируемой основным магнитным потоком в статорной обмотке, отстает от него на четверть периода. Равный по величине, но противоположно направленный вектор j  будет опережать вектор магнитного потока на четверть периода. Намагничивающий ток   коллинеарный вектору магнитного потока. А  активный ток  , учитывающий магнитные потери, перпендикулярен ему. Ток статора   опережает вектор  основного магнитного потока на угол магнитного запаздывания    и отстает от вектора  на угол . (7)
 Вектор падения напряжения  выходящий из конца вектора   коллинеарный  вектору тока статора, а следующий за ним вектор   им перпендикулярен. 
П4 Схема замещения ротора асинхронного двигателя
Электродвижущая сила, индуцирующаяся в обмотке ротора асинхронного двигателя, - величина пропорциональная скольжению.
               
 При неподвижном роторе скольжение равно единице  и электродвижущая сила максимальна. Будем  в этом режиме ее обозначать  .
По существу, ротор представляет собой  короткозамкнутую ферромагнитную катушку. В ней, под действием  электродвижущей силы  , зависящей от скольжения, протекает ток с частотой sf.(8)
 Заменим ротор контуром с источником ЭДС    и последовательно включенными резистором r2   и идеальной катушкой с индуктивностью L2,      . Резистор r2  воспроизводит нагревание обмотки ротора протекающим по ней током, а L2  - магнитное поле рассеяния ротора, линии которого замыкаются, минуя зазор машины.
 Полное сопротивление  эквивалентной цепи  зависит от скольжения потому, что  индуктивное сопротивление пропорционально частоте скольжения
               
Если индуктивное сопротивление  ротора при синхронной частоте обозначить как х2,  то :   . При неподвижном роторе  будем обозначать его полное  сопротивление   .
Эквивалентная схема  и векторная диаграмма ротора асинхронного двигателя в режиме, характеризуемом скольжением s, представлена на рисунке 11.
 

 Рис. 11 Эквивалентная схема и векторная диаграмма  ротора АД с
 напряжением и частотой, зависящей от скольжения.
Как обычно, основной магнитный поток асинхронного двигателя располагают  вдоль оси абсцисс. Электродвижущая сила  , индуцируемая в роторе основным магнитным потоком, отстает от него на четверть периода. Вектор тока I2 отстает от вектора вызвавшей его ЭДС   на угол   . Вектор падения напряжения на резистивном сопротивлении r2 коллинеарный с вектором тока ротора. Вектор падения напряжения на сопротивлении рассеяния ротора им перпендикулярен. Очевидно, что 
Ток ротора можно найти по очевидной формуле:
   . Разделим числитель и знаменатель дроби на  . Тогда в числителе скольжение сократится, а в знаменателе войдет под радикал как  .
В результате получим
 
Представим величину   как сумму  .   (9)Тогда  схему замещения ротора   с напряжением и частотой зависящими от скольжения (рис. 11  ) можно заменить схемой замещения с ЭДС и частотой не зависящими от скольжения и параметрами, как у неподвижного ротора. (рис.12)
 

Рис. 12 Эквивалентная схема и векторная диаграмма ротора АД с ЭДС и частотой независящих от скольжения
 При этом, обмотка  ротора замкнута на последовательно включенный  переменный резистор, чье сопротивление зависит от скольжения.  Очевидно, что ток  I2  и угол   обоих схем замещения одинаковы. (10)
Соответствующая векторная диаграмма представлена на рисунке 12 .
П5. Схема замещения и векторная диаграмма нагруженного асинхронного двигателя
Возможность представления ротора рассмотренной схемой замещения (рисунок  12)   позволяет построить эквивалентную схему асинхронного двигателя подобной схеме замещения трансформатора.
Действительно,  схема замещения ротора на рис 12 при фиксированном скольжении не отличается от схемы замещения вторичной обмотки трансформатора, работающего в стационарном режиме. Так же, как у трансформатора,  в схеме замещения асинхронного двигателя обмотка ротора приводится к обмотке статора. После этого эквивалентная схема асинхронного двигателя становится такой же, как  эквивалентная схема трансформатора с приведенной вторичной обмоткой и нагрузочным резистором переменного сопротивления.(10) Такой же вид имеет и векторная диаграмма ( рисунок 13   )  Различие состоит лишь в том, что при рассмотрении работы трансформатора под нагрузкой, приходится задаваться изменением сопротивления нагрузки, а в схеме рисунка 13 изменение нагрузки задается изменением скольжения Короткому замыканию трансформатора соответствует скольжение равное единицы для схемы  рисунка 13..
 

Рис. 13 Схема замещения и векторная диаграмма  АД под нагрузкой

  Представленная схема замещения  эквивалентна  замещаемому электродвигателю по  всем энергетическим параметрам. В частности, механическая мощность   при скольжении s эквивалентна тепловой мощности выделяющейся в резисторе c сопротивлением   , а электромагнитная мощность   , передаваемая через зазор  равна тепловой мощности выделяющейся в этом резисторе и резисторе, представляющим сопротивление обмотки ротора.
 Эквивалентная схема и векторная диаграмма позволяют проследить за распределением активной и реактивной мощностей в двигателе.
Вопросы самоконтроля:
1.Как определяется скольжение ротора (1)
2. С какой скоростью вращается поле ротора относительно ротора при скольжении s? (2)
3.С какой скоростью вращается поле ротора относительно поля статора при скольжении s? (3)
4. Как определяют величину ЭДС индуцируемую в обмотке статора и ротора? (4,5)
5.Чем идеальный холостой ход АД отличается от реального? (6)
6.Какие составляющие имеет ток статора АД в режиме холостого хода? (7)
7. Какую частоту имеет ток ротора при скольжении s? (8)
8. Каким образом схему замещения ротора с ЭДС, зависящим от скольжения, заменяют схемой замещения с ЭДС, не зависящей от скольжения? (9)
9.В чем отличие эквивалентных схем и векторных диаграмм приведенного трансформатора и приведенного АД под нагрузкой? (10)

§3 Саморегулирование вращающего момента.
П1.  Преобразование энергии в асинхронном двигателе
Рассмотрим  эквивалентную схему и векторную диаграмму, работающего с нагрузкой асинхронного двигателя.  (Рис13)
Активная мощность, потребляемая из сети асинхронным двигателем, может быть определена по общему правилу.
                (1)
Здесь   фазное напряжение и ток статорной обмотки двигателя, а   - его коэффициент мощности. Часть этой мощности расходуется на электрические потери  в статорной обмотке, называемые потерями в меди  =, а часть - на потери от вихревых токов и гистерезиса в материале   сердечника статора, называемые потерями в стали  .
Оставшаяся часть потребляемой мощности передается в ротор двигателя магнитным полем зазора. Она называется электромагнитной мощностью.   (2)
Механическая мощность   , развиваемая ротором, меньше электромагнитной мощности на величину потерь в меди   стали   ротора. Но так как потери в стали ротора в номинальных и близких к нему режимах крайне малы из-за низкой частоты тока   в обмотке ротора, то потерями в стали ротора пренебрегают.
                (3)

Полезная механическая  мощность,  передаваемая ротором в рабочем режиме приводимому в движение механизму,  равна   
 Здесь,   - потери мощности на трение вращающегося ротора.
Реактивная мощность,   потребляемая из сети,    расходуется на образование вращающего поля   , полей рассеяния статорной    и  роторной    обмоток.
П2. Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя
Рассмотренные потери вызываются основными электромагнитными и механическими процессами, происходящими в электрической машине.  Они  называются основными потерями асинхронного двигателя.(4) Кроме основных потерь, обычно рассматриваются дополнительные  потери, вызываемые зубчатостью статора и ротора, несинусоидальным распределением поля в зазоре машины, вытеснением тока по сечению проводника полями рассеяния. Дополнительные потери  , ориентировочно, составляют 0,5 % от номинальной мощности, потребляемой из сети. (5)
 В этом случае полезную мощность асинхронного двигателя определяют, вычитая из потребляемой мощности основные и дополнительные потери
      
Считают, что механические потери  и потери в стали  не зависят от нагрузки АД. Их относят  к постоянным потерям. Потери в меди  зависят от тока в в.квадрате. Их называют переменными потерями. Добавочные потери полагают линейно зависящими от тока. Таким образом,
               
Коэффициент полезного действия  асинхронного двигателя определяют как выраженное в процентах отношение полезной мощности   к потребляемой из сети мощности  . 
               
Как было показано ранее для трансформатора, максимум кпд асинхронного двигателя достигается при равенстве постоянных и переменных потерь. (6)

П3. Вращающий  и противодействующий моменты асинхронного двигателя.
 У асинхронного двигателя в  любом установившемся  режиме вращающий  момент магнитоиндукционного эффекта, вызванного вращающимся с частотой   магнитным полем зазора ,
  (7) равен противодействующему моменту на валу двигателя, включая момент  сил трения          . (8)
При увеличении противодействующего момента на валу асинхронного двигателя начинает уменьшаться частота вращения ротора  . Это неизбежно приведет к росту частоты скольжения   а, значит ,   пропорциональному величине скольжения s возрастании   ЭДС индукции и тока в обмотках ротора. Увеличивающиеся токи вызывают увеличение вращающего момента   до тех пор, пока не будет достигнуто равенство между вращающим и противодействующим моментом. Логическая цепочка, демонстрирующая свойство саморегулирования вращающего момента асинхронного двигателя в соответствии противодействующим  моментом нагрузки показана на схеме:
  (9)
Вопросы для самоконтроля.
1.Как определяют активную мощность асинхронного двигателя, потребляемую из сети (1)
2.Как определяют электромагнитную мощность АД через его активную мощность? (2)
3. Как определяется механическая мощность АД через электромагнитную мощность? (3)
4. Какие потери в АД относят к основным, а какие к дополнительным потерям? (4,5)
5. Как определяют полезную мощность АД и его КПД? (6)
6. Как определяют вращающий и противодействующие моменты АД по его электромагнитной и механической мощности? (7,8)
7. Постройте логическую цепочку, объясняющую саморегулирование вращающего момента АД. (9)

§4 Вращающий момент асинхронного двигателя
П1  Номинальный электромагнитный момент
  Вращающий  момент, передаваемый   ротору электромагнитным полем  зазора,  именуют  электромагнитным моментом. Электромагнитный момент асинхронного двигателя в номинальном режиме называют номинальным электромагнитным моментом. Электромагнитный момент асинхронного двигателя    прямо пропорционален   электромагнитной мощности,  передаваемой через зазор в ротор, и обратно пропорционален  частоте вращения поля статора.
               
В установившемся режиме  вращающий момент  и момент сопротивления на валу электродвигателя равны друг другу. Так как момент сопротивления на валу ротора определяется  через его частоту вращения и механическую мощность, то можно  определить электромагнитный момент следующей формулой:
                .
  Так как электромагнитная и механическая мощности связаны соотношением   то, выразив их через электромагнитный момент, имеем:
             
Из равенства следует, что чем больше скольжение при одной и той же  номинальной электромагнитной мощности, тем больше потери энергии на нагревание роторной обмотки. Это значит, что асинхронный двигатель может экономично работать только при небольших скольжениях (1)
П2 Расчетная формула вращающего момента
Векторная диаграмма показывает, что электромагнитная мощность, передаваемая в ротор, определяется формулой  .
Отсюда, электромагнитный момент равен   .
Так как ЭДС  , то, подставив    в формулу электромагнитного момента, и вспомнив, что   имеем:    Заменив постоянные величины коэффициентом   = ,   получим  и 
Последнее равенство, называемое расчетной формулой вращающего момента, раскрывает его физическую природу, состоящую во взаимодействии основного магнитного  потока  с  током  ротора. (2) Момент вращения асинхронного двигателя пропорционален его основному потоку  и активной составляющей тока ротора .
    П3 Зависимость вращающего момента от скольжения
Ориентируясь на эквивалентную схему асинхронного двигателя  можно определить активную составляющую приведенного тока ротора
               
Обозначим для краткости   и подставив приведенный ток ротора в расчетную  формулу вращающего момента имеем:
               

Произведение , имеющее размерность вращающего момента, при заданном напряжении сети является  практически постоянной величиной. Половина этой величины носит название критического момента.(3) Так как и   и  почти  линейно  зависят от напряжения на статорной обмотке, то критический момент зависит от напряжения в квадрате .

            
 
 Взяв производную   и приравняв ее нулю, найдем, что  . То есть  вращающий момент имеет максимум  при s=sк. Отсюда следует, что
 критический момент является максимальным моментом . Вспомнив, что  = 2Мк  имеем
                (4) 
Последняя формула имеет название упрощенной формулы Клосса.
На рисунке  14  представлена кривая зависимости вращающего момента асинхронной машины  от скольжения, построенная с помощью упрощенной формулы Клосса (моментная характеристика АД).

 
Рис. 14 Моментная характеристика асинхронной машины

 Скольжение, соответствующее максимуму момента, называется критическим скольжением. (5)C учетом принятых допущений формула зависимости вращающего момента от скольжения справедлива и для положительных (двигательный режим) и для отрицательных(генераторный режим ) скольжений.
Критическое скольжение  для большинства асинхронных двигателей находится в пределах 0,1-0,3.
П4 Зависимость вращающего момента от сопротивления ротора
Если, при прочих равных условиях, увеличить сопротивление роторной обмотки, например, увеличив сопротивление реостата, включенного в фазную обмотку ротора, то величина критического момента    не изменится. (6) Однако, при увеличении   пропорционально увеличится значение критического скольжения
 .(7) Увеличиваются также   скольжения рабочих режимов   и  электрические потери в цепи ротора. Увеличение критического скольжения, при постоянстве критического момента приводит к тому, что наклон рабочей ветви моментной характеристики к оси скольжений уменьшится, (характеристика станет мягче) а  пусковой момент увеличится.
 На рисунке 15 представлена зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения при разных активных сопротивлениях роторной цепи.

 
Рис. 15 Зависимость момента АД от скольжения при разных значениях сопротивления роторной цепи

(8,)
П5 Устойчивость работы асинхронного двигателя
Кривую зависимости   вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения точка экстремума разбивает на восходящую  и нисходящую ветви. На восходящей ветви при возрастании момента сопротивления скольжение увеличивается , возрастает вращающий момент и восстанавливается нарушенное равновесие моментов.  На нисходящей ветви возрастание момента сопротивления также приводит к возрастанию скольжения, но при этом  вращающий момент  монотонно уменьшается, и двигатель, в конце концов, останавливается. Таким образом,  восходящей ветви зависимости момента от скольжения соответствует устойчивая работа двигателя ( устойчивое равновесие вращающего и противодействующего моментов),  а нисходящей ветви - неустойчивая работа двигателя. (9) Критический момент асинхронного двигателя, соответствующий точке экстремума рассматриваемой функции, называют еще опрокидывающим моментом, а процесс остановки двигателя под влиянием момента сопротивления, превышающего критический, называют опрокидыванием (10) . Отношение критического момента к номинальному    характеризует перегрузочную способность асинхронного двигателя, и поэтому опрокидывающий момент называют иногда перегрузочным моментом. Для двигателей нормального исполнения перегрузочный момент обычно превышает номинальный, более чем в два раза.
Вопросы для самоконтроля.
1.Почему АД стараются использовать при малых скольжениях ротора? (1) 
2. Приведите расчетную формулу вращающего момента. (2)
3. Как, через поток в зазоре АД, определяют его критический момент ? (3)
4.Приведите формулу зависимости вращающего момента АД от скольжения? (4)
5. Какое скольжение называют критическим и почему? (5)
6. Как сопротивление ротора влияет на критический момент и критическое скольжение АД? (6,7)
7. Как изменение критического скольжения влияет на пусковой момент АД? (8)
8. Какой части механической характеристики соответствует устойчивая работа АД? (9)
0. Что такое опрокидывание АД? (10)

Лекция 4 Характеристики АД, пуск и регулирование скорости
§1 Естественные и искусственные механические характеристики
П1 Естественные механические характеристики двигателя
Учитывая, что частота вращения ротора двигателя однозначно связана со скольжением   можно на основе зависимости  вращающего момента двигателя от скольжения, построить зависимость частоты вращения ротора  от вращающего момента. Такая зависимость называется механической характеристикой асинхронного двигателя. (1)На рисунке 16 представлен вид  четырех механических характеристик двигателя с фазным ротором.
 

Рис.16 Естественные и реостатные  механические характеристики АД

 Первой (а), естественной характеристике,- соответствует отсутствие сопротивления в цепи ротора. Рабочая часть этой характеристики имеет малый наклон, то есть с увеличением противодействующего момента скорость вращения падает незначительно. Про такие характеристики говорят, что они жесткие. Там же представлены характеристики     механизмов,  предназначенных для сочленения с  двигателем, с  моментами сопротивления не зависящими  от частоты вращения. Точке 1  соответствует  устойчивый режим работы, характеризуемый  параметрами режима М1 и   . При частоте вращения ротора от 0 до  , вращающий момент больше противодействующего и ротор разгоняется. Со вторым  механизмом двигатель на естественной механической характеристике в точке 2 работать не может, так как  этой точке  соответствует режим  неустойчивой работы. Более того, двигатель даже не может запуститься, так как при частотах вращения ротора меньше   вращающий момент меньше противодействующего.
П2. Искусственные механические характеристики
Присутствие сопротивления в цепи ротора влияет на вид механических характеристик.  С увеличением  сопротивления увеличивается угол наклона рабочей части характеристики к оси моментов. Характеристика становится мягче. Пусковой момент увеличивается
Если запустить двигатель на искусственной характеристике (в), при введенном в цепь ротора сопротивлении, то  двигатель запустится и  начнет работать в точке 4.  При выводе сопротивления из цепи ротора, вращающий момент, соответствующий частоте  естественной характеристики , станет больше  противодействующего момента М2 и двигатель будет ускоряться до точки 3. Этой точке соответствует устойчивая работа асинхронного двигателя с моментом сопротивления на валу М2 .

§2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
П1. Разновидности рабочих характеристик
Основными эксплуатационными параметрами асинхронного двигателя  принято называть ток I1 , активную мощность P1, к.п.д.  , полезный момент М2 на валу двигателя , частоту   вращения  ротора  , скольжение s  и коэффициент мощности  .
Под рабочими характеристиками асинхронного двигателя понимают зависимость его основных  эксплуатационных параметров от мощности на валу Р2 . (1) При построении рабочих характеристик требуют, чтобы напряжение  на зажимах статора U1  и  cинхронная частота    оставались неизменными.(2)
Удобно строить рабочие характеристики в относительных единицах, относя рассматриваемую  величину к соответствующему номинальному параметру.
Рабочие характеристики двигателей небольшой мощности  обычно строят на основании данных испытания  непосредственной нагрузкой, задаваемой, например, магнитным тормозом.
При этом полезная мощность Р2 определяется по полезному моменту М2, задаваемому магнитным тормозом во время испытаний.  . Напряжение на зажимах статорной обмотки, потребляемая мощность Р1  и ток статора I1   замеряют по показаниям приборов испытательной  схемы . Частоту вращения ротора   замеряют тахометром . Коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и скольжение рассчитываются по формулам:     .
Возможно также построение  рабочих характеристик двигателя  с использованием так называемых круговых диаграмм. Круговая диаграмма асинхронной машины представляет собой геометрическое место конца вектора тока статора при изменении скольжения. Как  изменяется вектор тока статора в зависимости от скольжения можно определить  используя  эквивалентную схему машины. Параметры эквивалентной схемы, в свою очередь, находят из опытов холостого хода и короткого замыкания.

 
Рис 17 Рабочие характеристики АД

  П2. Скоростные характеристики асинхронного двигателя
Зависимость частоты вращения ротора от полезной мощности двигателя называют скоростной характеристикой (рисунок 17 n).(3) В режиме холостого хода, когда нагрузка отсутствуют  и полезная мощность равна нулю , частоту вращения ротора можно приближенно считать  синхронной частотой . С увеличением нагрузки частота вращения ротора почти линейно уменьшается . Обычно диапазон мощностей, от нуля и почти  до   номинальной мощности, лежит в пределах линейной части скоростной характеристики.  Так как номинальное скольжение для большинства асинхронных двигателей величина весьма малая, то угол наклона линейной части  скоростной характеристики к оси абсцисс незначителен. Значит, такие  двигатели имеют жесткую характеристику. (4) Так как частота вращения ротора и скольжение связаны линейной зависимостью,  то кривая скольжения, в диапазоне от нуля до номинальной мощности, также является линией близкой к прямой, начинающейся от скольжения холостого хода. Эту зависимость также называют скоростной характеристикой
  П3  Характеристики вращающего момента и тока статора
Так как полезный момент связан с полезной мощностью уравнением   , то по скоростной характеристике можно построить зависимость полезного момента от полезной мощности  ( Рис. 17  ). Эта зависимость начинается из начала координат, и если бы частота ротора не уменьшалась  с ростом полезной мощности, то была бы прямой линией  проведенной под некоторым углом к началу координат. Так как частота вращения ротора весьма медленно  убывает  по мере роста полезной мощности, то характеристика полезного  момента представляет собой почти линейную зависимость с явно появляющейся выпуклостью вниз только вблизи  номинальной мощности

 Момент холостого хода может быть определен исходя из механических потерь и потерь в меди ротора: 
    (5)
Электромагнитный момент начинается не в начале координат и отличается от полезного момента на величину момента холостого хода.(6)
 
Характеристика тока статора  начинается не в начале координат  (рис.21   ) и  по виду напоминает характеристику электромагнитного момента .    
П4. Характеристики коэффициента мощности и кпд.
Асинхронный двигатель на холостом ходу потребляет довольно большой ( 20-60 процентов от номинального) ток с малой активной и большой индуктивной составляющими.  Вследствие вентиляционных потерь и потерь в железе статора,  на холостом ходу 0,1-0,2.  Индуктивная составляющая тока статора в рабочих режимах , в основном, состоит из намагничивающего тока и почти не зависит от нагрузки машины. Поэтому с ростом полезной мощности коэффициент мощности быстро растет и достигает максимума при нагрузке близкой номинальной. При дальнейшем росте мощности, из- за явлений насыщения, все большую часть индуктивного тока составляет ток, формирующий потоки рассеяния. Вследствие этого, коэффициент мощности начинает уменьшаться (рисунок  17  ).  (7)          
 Похожий вид имеет кривая коэффициента полезного действия (рис.17 ), но начинается эта кривая из начала координат. Подобно кривой коэффициента мощности, у кривой кпд максимум достигается при нагрузке близкой номинальной. После чего кпд начинает падать из-за увеличения потерь в обмотках машины.(8) При номинальной нагрузке у асинхронных двигателей обычного исполнения  кпд 0,92-0,96, а коэффициент мощности  0,7-0,9.
Вопросы для самоконтроля.
1.Что такое рабочие характеристики АД ? (1)
2. В каких условиях строят рабочие характеристики АД?. (2)
3. Что такое скоростные характеристики АД? (3) 
4. Какую скоростную характеристику называют жесткой? (4)   
5. Как определяют момент холостого хода по потерям в меди ротора и механическим потерям АД? (5)
6. Почему характеристика электромагнитного момента АД начинается не в начале координат ?(6)
7. Почему при мощностях выше номинальной коэффициент мощности АД ухудшается? (7)
8. Почему при мощностях выше номинальной коэффициент полезного действия АД ухудшается? (7)
§3 Характеристики холостого хода и короткого замыкания асинхронной машины
П1 Опыт и характеристики холостого хода
Опыт холостого хода проводят снимая зависимость мощности Р0
тока статора I0, коэффициента мощности   от напряжения на первичной обмотке U1 (рисунок  18  )  .
 
Рис. 18 Характеристики АД при холостом ходе

 Опыт производят на не нагруженном двигателе по схеме рисунка  , снижая напряжение первичной обмотки от 1,3U1н  до 0,3-0,5U1н  .(1) Так как двигатель не нагруженный, то момент сопротивления небольшой и можно считать, что ток ротора мал и потерями в  меди ротора можно пренебречь. Тогда измеряемая ваттметром мощность идет на покрытие потерь в меди статора, основных и добавочных потерь в стали статора и на потери трения. Так как потери трения     не зависят от напряжения , то их можно найти продолжив  кривую Р0 до пересечения с осью абсцисс. Отрезок 0а на оси ординат в масштабе мощности даст потери на трение  . Активное сопротивление r1 статора асинхронной машины обычно считают равным сопротивлению, измеренному на постоянном токе. Поэтому потери в меди статора на холостом ходе можно считать известными. Отсюда легко определяются потери в стали статора в зависимости от напряжения на зажимах статорной обмотки. Из опыта холостого хода видно, что зависимость тока от напряжения  при малых значениях напряжения линейна. Это значит, что до насыщения магнитопровода далеко, его магнитным сопротивлением можно пренебречь, а вся намагничивающая сила статорной обмотки идет на преодоление магнитного сопротивления зазора. Таким образом, прямая проведенная вдоль линейного участка кривой тока холостого хода можно считать зависимостью намагничивающего тока I0 зазора    от напряжения на зажимах статорной обмотки. Сопротивление    тогда можно вычислить по формуле    (2) а индуктивное сопротивление обмотки статора , называемое синхронным сопротивлением по приближенной  формуле  .(3) Это приближение возможно потому, что    много больше чем   .  При номинальном напряжении   асинхронных двигателей разной мощности находится в пределах 2-3, а   - 0,2-0,3 относительных единиц.
П2 Опыт и характеристики короткого замыкания
Режим короткого замыкания  у электродвигателя с корткозамкнутым  ротором возникает, когда его ротор оказывается заторможенным (s=1).Чтобы токи в опыте короткого замыкания не были слишком велики, приходится снижать напряжение на зажимах статора. Обычно напряжение уменьшают до величины, при котором ток короткого замыкания не превышал номинальный более чем в 1,3 раза.(4) Мощность короткого замыкания  идет практически только на потери в обмотках статора и ротора. На рисунке  19  представлены характеристики короткого замыкания  двигателей  на 4.5 кВт с открытыми пазами статора и ротора.  По измеренным  величинам  напряжения статора, тока статора и мощности определяют активное сопротивление короткого замыкания  и индуктивное сопротивление короткого замыкания   (5)

 

Рис 19. Характеристики  короткого замыкания АД

Ориентируясь на упрощенную схему замещения с вынесенным на зажимы статора намагничивающим контуром  можно видеть, что 
Данные, полученные из опытов холостого хода и короткого замыкания, позволяют определить параметры эквивалентной схемы АД.
Вопросы для самоконтроля.
1.Как снимают характеристику холостого хода АД? (1)
2.Как определяют сопротивление эквивалентного резистора, учитывающего потери в стали в режиме холостого хода АД?(2)
3. Как в режиме холостого хода определяют синхронное сопротивление АД? (3)
4. Как снимают характеристику короткого замыкания АД? (4)
5. Как в режиме короткого замыкания определяют активное и реактивное сопротивления короткого замыкания? (5)




Лекция  6  Пуск, регулирование скорости и торможение АД
§4 Пуск асинхронных двигателей
П1 Способы пуска асинхронных двигателей
Простейший и наиболее распространенный способ пуска асинхронных двигателей является прямой  пуск.(2) Во всех случаях, когда это только  возможно, стараются использовать этот способ пуска. Тогда же, когда мощность запускаемого двигателя соизмерима с мощностью источника, прямой пуск может оказаться невозможным. Причина заключается в том, что большие  токи  и низкий коэффициент мощности  асинхронного двигателя в режиме пуска, настолько увеличивают падение напряжения на внутренних сопротивлениях источника, что напряжения на зажимах асинхронного двигателя оказывается недостаточно для создания необходимого вращающего момента. Если принять, что критический момент больше номинального в 2 раза, и что момент зависит от напряжения в квадрате, то при напряжении на зажимах двигателя менее чем    двигатель развивает момент меньше номинального и не сможет преодолеть момент сопротивления привода. Даже  если  пускового момента оказывается достаточно для преодоления сопротивления привода, пуск двигателя в подобных условиях оказывается затянутым. Двигатель долго выходит  на установившийся режим, долго стоит под пусковым током и перегревается.
Для того, чтобы обеспечить пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей в таких условиях, приходится прибегать к более сложным способам пуска. Выбирая альтернативные способы пуска, стремятся увеличить пусковой момент и уменьшить пусковой ток
Один из таких способов является способ пуска переключением обмоток двигателя со  звезды на треугольник. Способ  предполагает, что на момент пуска обмотки двигателя включены звездой.   Величина напряжения, приходящегося на фазу двигателя, меньше номинального напряжения, на которое рассчитаны обмотки двигателя при соединении треугольником , в   раз. Двигатель пускается с пусковыми токами почти в 3 раза меньшими. (3) Когда частота вращения ротора достигает установившегося режима, происходит переключение обмоток со звезды на треугольник, и после этого двигатель переходит на номинальный режим работы. К сожалению, этот способ можно применять только при малых пусковых моментах сопротивления привода, так как при этом в три раза снижается пусковой момент двигателя. К недостаткам способа следует отнести необходимость усложненной, по сравнению с прямым пуском, коммутационной аппаратуры.
К способам,  предполагающим сложную пусковую аппаратуру следует отнести способ пуска асинхронных двигателей с помощью плавного повышения напряжения. Этот способ можно реализовать на так называемых трехфазных индукционных регуляторах. Индукционные регуляторы представляют собой асинхронную машину с заторможенным  фазным ротором.  Величина симметричного трехфазного  напряжения на зажимах фазного ротора  зависит от положения ротора.(4)
 Для асинхронных двигателей с фазным ротором оказывается возможным пуск введением реостата в цепь ротора. Плавность пуска достигается, устройством в реостате нескольких пусковых сопротивлений.(5) Зависимость частоты вращения ротора, от момента развиваемого двигателем при пуске, называют пусковой характеристикой.(6)
П2 Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами
Того же эффекта увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока достигают  применением двухклеточных и глубокопазных  короткозамкнутых роторов.
Они носят название короткозамкнутых роторов с улучшенными пусковыми свойствами.
Изменение сопротивления роторной цепи в них достигается из -за эффекта вытеснения тока ( поверхностного эффекта). В двухклеточных двигателях увеличение сопротивления роторной цепи усиливается за счет изготовления верхней (пусковой) клетки из материалов с высоким удельным сопротивлением. При малых скольжениях, а. значит, при малой частоте тока в обмотке ротора, поверхностный эффект практически не наблюдается, и сопротивление обмотки ротора мало. В момент пуска, при больших скольжениях, ток роторных стержней вытесняется в верхнюю часть паза и общее сопротивление роторной обмотки увеличивается.(7) Пусковые характеристики глубокопазного двигателя лучше пусковых характеристик двигателей нормального исполнения, но хуже, чем у  двухклеточных двигателей. В настоящее время, глубокопазный асинхронный двигатель рассматриваются, как основной тип короткозамкнутых асинхронных двигателей. Двухклеточные двигатели, как более трудные в изготовлении и более дорогие, находят меньшее употребление.
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие характеристики АД называют механическими? (1)
2. Какой способ пуска АД наиболее распространен? (2)
3. За счет чего облегчается пуск способом переключения звезды на треугольник?(3)
4. Для какого способа пуска АД применяют индукционные регуляторы? (4)
5. За счет чего достигается плавность пуска АД с фазным ротором? (5)
6. Что такое пусковая характеристика АД? (6)
7. Почему пусковые свойства глубокопазных АД лучше, чем обычных? (7)
§5 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.
П1 Принципиальные возможности регулирования частоты вращения  асинхронного двигателя.
 Установившаяся частота вращения асинхронного двигателя  зависит от синхронной частоты и скольжения ротора   .  Синхронная частота, то есть частота вращения поля статора, в свою очередь, зависит от частоты сети f и числа пар полюсов  p статора    . Таким образом, имеется три возможности изменять  частоту вращения ротора  установившегося режима: изменением частоты питающего напряжения, изменением  числа пар полюсов и изменением скольжения ротора. (1)
 Возможно также регулирование частоты вращения ротора за счет импульсного управления , когда двигатель подключается  к источнику напряжения на короткие промежутки времени, меньшие, чем время выхода на установившийся режим. При таком способе управления  частота вращения ротора все время меняется вокруг некоторого регулируемого значения.  Для ограничения диапазона колебания частоты вращения ротора до приемлемого значения порядка одного   герца число циклов включения должно быть порядка десяти  тысяч в час. В таком режиме двигатель очень быстро перегревается, что существенно ограничивает возможности применения данного метода.
П2 Регулирование частоты вращения ротора изменением частоты питающего напряжения
Наиболее совершенным способом регулирования частоты вращения ротора является питание асинхронного двигателя от источника энергии с регулируемой частотой.( 2)
В качестве источников питания могут быть использованы статические преобразователи частоты (инверторы), синхронные генераторы, вращаемые с переменной скоростью, другие специальные генераторы. При  таком способе регулирования меняется не только частота вращения двигателя, но и коэффициент мощности, перегрузочная способность, коэффициент полезного действия. С целью поддержания энергетических и механических характеристик двигателя в приемлемом диапазоне приходится одновременно с изменением частоты изменять напряжение статора. Это объясняется тем, что сопротивление двигателя имеет индуктивный характер, и при уменьшении частоты, почти пропорционально, уменьшается, увеличивая  реактивную составляющую тока.  Например, если регулирование скорости двигателя производится в условиях постоянства момента сопротивления  на валу, то напряжение и частоту следует изменять так , чтобы выполнялось условие
                . (3)
Источники переменной частоты сильно удорожают установку с регулируемым асинхронным двигателем. Поэтому такой способ регулирования применяется только для специальных установок, рассчитанных для  работы в динамичных режимах. Электродвигатели, предназначенные для высокодинамичного режима работы, называются  исполнительными.
П3 Регулирование частоты вращения ротора изменением числа полюсов статора.
Для многих механизмов, нуждающихся в регулировании скорости, не имеет особого значения плавность регулирования. (4)Часто бывает необходимо иметь всего  две- четыре скорости. Для привода таких механизмов подходит короткозамкнутый асинхронный двигатель с изменяющимся числом полюсов статора. Отличительной особенностью такого двигателя является возможность получения вращающихся полей с разными синхронными частотами вращения, при постоянной частоте источника питания. В  обмотке  двухскоростного двигателя с отношением скоростей 2:1, за счет возможности разным способом включать секции, изменяется направление тока в отдельных ее ветвях . Каждая фаза такой обмотки состоит из двух одинаковых частей.  Когда обе части обтекаются током одного направления, обмотка создает магнитное поле состоящее из двух пространственных синусоид  магнитного поля. Когда обе части  обмотки обтекаются токами встречного направления, первая часть формирует положительную полуволну поля, а вторая -  отрицательную. При этом изменяется полюсной шаг и число полюсов. Двухскоростные двигатели, имеющие другое отношение скоростей, а также трех и четырех скоростные двигатели имеют, как правило, две обмотки. Больше двух обмоток на статоре не располагают, так как в любом режиме работает только одна обмотка, и при большем их числе двигатель будет плохо использован (будет иметь меньшую мощность при тех же габаритах)
Многоскоростные асинхронные двигатели выполняют с короткозамкнутым ротором, так как при этом требуется изменять число пар полюсов только для обмотки статора. 
Недостатками многоскоростных двигателей являются высокая стоимость, необходимость в много контактном переключающем устройстве, большие, чем у двигателя нормального исполнения, габариты.
П4 Регулирование частоты вращения ротора за счет изменения сопротивления роторной цепи.
Этот способ регулирования возможен только для асинхронных двигателей с фазным ротором. (5)
Как было показано ранее, увеличение сопротивления в цепи ротора смещает точку критического скольжения в сторону больших скольжений, то есть при том же моменте сопротивления  уменьшает частоту вращения ротора . При этом чем больше момент сопротивления, тем больше изменение частоты ротора. На холостом ходе изменение сопротивления в цепи статора мало влияет на частоту вращения ротора.
 Рассматриваемый способ, основанный , по существу на регулировании за счет увеличения скольжения, позволяет плавно изменять частоту вращения ротора вниз от синхронного значения, однако  он не экономичен, так как в реостате выделяется значительное количество энергии, а с увеличением скольжения растут потери в меди ротора. Коэффициент полезного действия уменьшается примерно пропорционально степени уменьшения скорости
П5 Регулирование частоты вращения ротора за счет введения в цепь ротора дополнительной ЭДС.
Если включить в цепь ротора дополнительную ЭДС той же частоты, какая индуцируется в роторе, то в зависимости от фазы включения ЭДС она будет или уменьшать или увеличивать ток ротора. Уменьшение тока ( когда дополнительная ЭДС в противофазе с ЭДС ротора) аналогично увеличению сопротивления роторной цепи, что, как известно, вызывает увеличение скольжения.  Увеличение тока( когда дополнительная ЭДС  в фазе с ЭДС ротора)  вызывает уменьшение скольжения, вплоть до изменения  знака скольжения. Последнее означает, что ротор вращается быстрее поля, и что изменилось направление потока энергии. Двигатель через статор возвращает энергию в сеть. Если дополнительная ЭДС находится не в фазе и не в противофазе с ЭДС ротора, а отстает или опережает ее, то можно разложить дополнительной ЭДС на синусоиду и косинусоиду. Косинусоида будет взаимодействовать с ЭДС ротора рассмотренным способом , а синусоида дополнительной ЭДС будет эквивалентна  включению в  обмотку ротора дополнительного индуктивного или емкостного сопротивления. При этом изменяется коэффициент мощности двигателя на первичной стороне, вплоть до генерирования в сеть емкостной мощности. Таким образом, включая в цепь ротора дополнительную ЭДС, можно не только регулировать скольжение асинхронного двигателя, но и изменять его некоторые энергетические характеристики. (6)
Главный недостаток данного способа заключается в необходимости иметь электрические устройства, которые бы могли создавать ЭДС с частотой скольжения и позволяли бы регулировать ее величину  и фазу.
В качестве источника дополнительной ЭДС может служить вспомогательный электромашинный агрегат - коллекторная машина.
П6 Регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя  изменением напряжения обмотки статора.
Еще одним способом регулирования частоты вращения ротора, воздействуя на его скольжение, является регулирование с помощью изменения напряжения статорной обмотки. Этот способ имеет существенные недостатки: необходимость  устройства для регулирования напряжения, малый диапазон регулирования частоты вращения и снижение перегрузочной способности двигателя.(7)
Вопросы для самоконтроля.
1. Назовите 3 принципиальные возможности реглирования частоты вращения АД. (1)
2. Какой наиболее совершенный способ регулирования частоты вращения ротора(2)
3. Как целесообразно изменять напряжение статор в процессе регулирования частоты вращения ротора? (3)
4. В чем недостаток регулирования частоты вращения изменением числа пар полюсов? (4)
5. Для каких АД возможно регулирование частоты  вращения изменением сопротивления роторной цепи? (5)
6. Какие дополнительные цели могут быть достигнуты при регулировании скорости включением ЭДС в обмотку ротора? (6)
7. В чем недостаток регулирования скорости АД напряжением статорной цепи? (7)