Как известно, ротор асинхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и магнитное поле со скоростью, несколько меньшей скорости вращения поля, так как только при этом условии в обмотке ротора будут индуцироваться ЭДС и токи и на ротор будет действовать вращающий момент.

Обозначим скорость вращения поля (синхронная скорость) через а скорость вращения ротора через 2Тогда разность 3называемая скоростью скольжения, будет представлять собой скорость ротора относительно поля, а отношение скорости скольжения к синхронной скорости, выраженное в процентах, называют скольжением 4

Выразим скольжение s через угловые скорости вращения поля и ротора

Полученные выражения подставим в формулу скольжения (5.7)

Выясним влияние скольжения на мощность, развиваемую двигателем.

Пусть мощность, потребляемая двигателем, мощность, развиваемая ротором при его вращении. Тогда

длина окружности ротора, R - его радиус, и - силы, действующие на ротор (соответственно электромагнитная и механическая). Тогда

Взяв отношение получим:

но (обе силы электромагнитные и в установившемся режиме вращения действие равно противодействию), тогда

откуда окончательно имеем:

Из полученного соотношения следует, что мощность развиваемая ротором асинхронного двигателя, зависит от скольжения 5.

Если скольжение выражать в процентах, то от мощности потребляемой двигателем из сети, преобразуется в механическую мощность, а остальные мощности расходуются на покрытие потерь в двигателе, поэтому для получения высокого КПД двигателя скольжение необходимо делать возможно меньшим.

На практике у двигателей мощностью от 1 до 1000 кВА при номинальной нагрузке скольжение составляет 3-6%, а при больших мощностях - 1-3%. Так, при скоростях вращения магнитного поля 3000, 1500 и 1000 об/мин скорости вращения ротора обычно имеют соответственно значения 2800,1410 и 930 об/мин.

37. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения асинхронного двигателя

n = n 1 (1 – s) = (60f 1 /p) (1-s) (85)

Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f 1 питающего напряжения, число пар полюсов р и

Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а - при четырех полюсах; б - при двух полюсах

скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу М вн и частоты f 1 можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.

Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) - двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n 1 магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n 1 , то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n 1 при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).

В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.

Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)

Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора

Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения

Ее измеряют тахометром или тахогенератором, который присоединяется непосредственно на валу электродвигателя, а скольжение двигателя определяют по формуле S = (n1 - n2) / n1 , где n1 = 60f /p – синхронная частота вращения; n2 – фактическая частота вращения.

Преимущества этого способа определения скольжения электродвигателя: быстрота измерений и возможность производить их как при неизменной, так и при изменяющейся частоте вращения. К недостаткам такого способа измерения можно отнести невысокую точность обычных тахометров (погрешность 1–8 %) и трудность их градуирования. Кроме того, тахометр не может применяться при испытании электродвигателей малой мощности, так как потери на трение внутри механизма тахометра представляют заметную нагрузку.

Для выполнения различных измерений ручной тахометр обычно снабжается комплектом сменных наконечников различной формы и назначения, надеваемых на конец валика (рис. 1). Из этих наконечников наиболее широко применяется резиновый конус, оправленный в металлический патрон. Все эти наконечники служат для соприкосновения с коническим углублением в торце вала электрической машины. Наконечник с резиновым центром используют при измерении больших частот, со стальным - для малых и средних.

Рис. 1. Общий вид центробежного тахометра типа ИО-10 и тахогенератора: 1 – шкала; 2 – кнопка переключения; 3 – указатель пределов; 4 – циферблат

При наличии углубления по центру вала применяется удлинитель, который надевается на вал тахометра, а соответствующий наконечник – на удлинитель. При отсутствии или недостаточности центров пользуются шкивом, который прижимается боковой поверхностью (резиновым кольцом) к поверхности вращающегося вала.

В соответствии с конкретными условиями измерения выбирают приспособление (удлинитель наконечник). Перед началом измерения удаляют смазку, грязь, пыль из центра углубления или поверхности вала.

Для измерения частоты вращения электродвигателя следует предварительно установить на тахометре необходимый предел измерения. Если порядок измерения частоты неизвестен, то измерение следует начинать с самого высокого предела во избежание порчи тахометра.

Измерение следует производить кратковременно (3–5 с), осторожно прижимая наконечник тахометра к вращающемуся валу с небольшим нажимом так, чтобы ось вала тахометра совпадала с осью измеряемого вала или при пользовании шкивом была параллельной ей.

Если скольжение не превышает 5 %, частота вращения может быть измерена стробоскопическим методом с применением неоновой лампы.

На торце вала двигателя мелом наносят диаметральную черту. Во время работы двигателя ее освещают неоновой лампой, питаемой от сети той же частоты, что и двигатель. Наблюдатель видит на торце вала не черту, а звезду, медленно вращающуюся против направления вращения вала. Количество лучей звезды зависит от числа пар полюсов двигателя и от положения неоновой лампы. Если свет от обоих электродов лампы падает на торец вала, число лучей кажущейся звезды равно 2р. Если же торец вала с нанесенной меловой чертой освещается только одним электродом, число лучей кажущейся звезды равно числу пар полюсов.

За время t (обычно 30 с), измеряемое секундомером, подсчитывается количество лучей кажущейся звезды m, прошедших через вертикальное положение. Поскольку число лучей кажущейся звезды равно 2р, скольжение

где f1 – частота сети, питающей неоновую лампу.

При f1= 50 Гц.

Другой вариант стробоскопического метода заключается в следующем. На валу двигателя с торцовой стороны укрепляют один из дисков (рис. 2 ). Собирают схему (рис. 3 ). У двухполюсной машины на валу закрепляют диск, обозначенный как 2р = 2, и освещают его неоновой лампой с пятачковым электродом.

Рис. 2 . Изображение стробоскопических дисков в зависимости от количества пар полюсов асинхронного электродвигателя

Рис. 3 . Схема включения неоновой лампы для стробоскопического метода определения скольжения:1 – неоновая лампа, 2 – стробоскопический диск, 3 – индукционная катушка

Ротор вращается несинхронно и отстает от поля, так что виден диск, медленно вращающийся в сторону, противоположную вращению ротора. Если за время t мимо неподвижной точки (стрелки, укрепленной на подшипнике) проходит m черных секторов, значение скольжения определяется по выражению

Счет проходящих мимо неподвижной точки секторов следует начинать не с момента пуска секундомера, а со следующего прохождения метки.

Для получения резкости изображения на лампу следует подавать напряжение, кривая изменения которого показана на рис. 4 . Лампа зажигается в тот момент, когда напряжение на ее зажимах достигает значения, называемого порогом зажигания.

Рис. 4

Определение скольжения двигателя с помощью индукционной катушки. Этот метод основан на контроле частоты вращения потоков рассеивания ротора Фр (рис. 5 ), которые с частотой, пропорциональной скольжению, пересекают витки индукционной катушки.

Рис. 5. Схема измерения скольжения ротора асинхронного электродвигателя с помощью индукционной катушки

К выводам катушки подключают чувствительный милливольтметр (желательно с нулем посредине шкалы); катушку располагают у конца вала ротора. Поворачивая катушку в разные стороны, находят положение, при котором наблюдаются максимальные колебания стрелки прибора. По числу полных колебаний k за время t рассчитывают значение скольжения

а при f = 50 Гц.

В качестве индукционной катушки можно использовать катушку реле или контактора постоянного тока, имеющую 10–20 тыс. витков (или намотать катушку с числом витков не менее 3000). Для усиления магнитного потока в катушку вставляют сердечник, набираемый из нескольких полос трансформаторной стали. Метод индукционной катушки весьма прост и пригоден для всех видов машин.

У асинхронных электродвигателей с фазным ротором помимо описанных выше способов скольжение может быть определено с помощью магнитоэлектрического амперметра, включаемого в одну из фаз ротора, а при наличии невыключаемого сопротивления в цепи ротора - с помощью вольтметра, присоединенного к кольцам ротора. Рекомендуется применять приборы с двусторонней шкалой. Скольжение асинхронного электродвигателя рассчитывается по числу полных колебаний стрелки прибора, так же как при использовании метода с индукционной катушкой.