Режим электромагнитного тормоза

Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении.

Согласно рис.2.11 электромагнитная сила будет создавать тормозной электромагнитный момент, под действием которого будет снижаться частота вращения ротора, а затем произойдёт реверс.

В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.

Рис.2.11

При n = n₀, S = 1.

При n → -∞, S → +∞.

Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах:

0 < S < ∞.

Процессы в асинхронной машине

Цепь статора

а) ЭДС статора.

Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, вращается относительно неподвижного статора с частотой n₀ = (60 f) / p и будет наводить в обмотке статора ЭДС. Действующее значение ЭДС, наводимой этим полем в одной фазе обмотки статора определяется выражением:

E₁ = 4,44 w₁ k₁ f Ф,

где: k₁=0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент;
f ₁= f – частота сети;
w ₁ – число витков одной фазы обмотки статора;
Ф – результирующее магнитное поле в машине.

б) Уравнение электрического равновесия фазы обмотки статора.

Это уравнение составлено по аналогии с катушкой с сердечником, работающей на переменном токе.

.

Здесь Ú и Ú₁ – напряжение сети и напряжение, подведённое к обмотке статора.
R₁ – активное сопротивление обмотки статора, связанное с потерями на нагрев обмотки.
x₁ – индуктивное сопротивление обмотки статора, связанное с потоком рассеяния.
z₁ – полное сопротивление обмотки статора.
İ₁ – ток в обмотке статора.

При анализе работы асинхронных машин часто принимают I₁ z₁ = 0. Тогда можно записать:

U₁ ≈ E₁ = 4,44 w₁ k₁ f Ф.

Из этого выражения следует, что магнитный поток Ф в асинхронной машине не зависит от её режима работы, а при заданной частоте сети ƒ зависит только от действующего значения приложенного напряжения U₁. Аналогичное соотношение имеет место и в другой машине переменного тока – в трансформаторе.

Цепь ротора

а) Частота ЭДС и тока ротора.

При неподвижном роторе частота ЭДС f ₂ равна частоте сети f.

f ₂ = f = (n₀ p) / 60.

При вращающемся роторе частота ЭДС ротора зависит от частоты вращения магнитного поля относительно вращающегося ротора, которая определяется соотношением:

n' = n₀ - n.

Тогда частота ЭДС вращающегося ротора:

.

Частота ЭДС ротора изменяется пропорционально скольжению и в режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска в ход.

Пусть при f = 50 Гц, номинальное скольжение S_н = 2 %. Тогда при номинальной частоте вращения ротора f ₂ = f × S_н = 1 Гц.

Таким образом, в обмотке ротора асинхронной машины частота наводимой ЭДС зависит от частоты вращения ротора.

б) ЭДС ротора.

При неподвижном роторе f ₂ = f и действующее значение ЭДС определяется по аналогии с E₁.

E₂ = 4,44 w₂ k₂ f Ф,

где: w ₂ и k₂ – соответственно число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Если ротор вращается, то f ₂ = f × S_н и ЭДС вращающегося ротора определяется соотношением:

E_2S = 4,44 w₂ k₂ f ₂ Ф = E₂ S.

ЭДС, наводимая в обмотке ротора, изменяется пропорционально скольжению и в режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска в ход.

Отношение ЭДС статора к ЭДС неподвижного ротора называется коэффициентом трансформации асинхронной машины.

.

в) ток ротора.

Запишем уравнение равновесия для одной фазы короткозамкнутого ротора.

При неподвижном роторе.

,

где: x₂ = 2 π f L₂ – индуктивное сопротивление обмотки неподвижного ротора, связанное с потоком рассеяния;
R₂ – активное сопротивление обмотки ротора, связанное с потерями на нагрев обмотки.

При вращающемся роторе.

где: – индуктивное сопротивление обмотки вращающегося ротора.

Для тока ротора в общем случае можно получить такое соотношение:

.

Отсюда следует, что ток ротора зависит от скольжения и возрастает при его увеличении, но медленнее, чем ЭДС.

г) поле ротора

Обмотка ротора, как и обмотка статора, является многофазной и при появлении в ней тока создаёт своё вращающееся магнитное поле. Обозначим через n₂ частоту вращения магнитного поля ротора относительно ротора.

n₂ = (60 f ₂) / p= (60 f S) / p.

Здесь p – число пар полюсов обмотки ротора, оно всегда равно числу пар полюсов обмотки статора.

Относительно статора магнитное поле ротора вращается с частотой

.

Из полученного соотношения следует, что магнитное поле ротора относительно статора вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Таким образом, магнитные поля ротора и статора относительно друг друга неподвижны. Поэтому при анализе работы асинхронной машины можно применить те же соотношения, что и трансформаторе.

Ток статора

Так как результирующее магнитное поле асинхронной машины не зависит от её режима работы, можно составить для одной фазы уравнение магнитодвижущих сил, приравняв магнитодвижущую силу в режиме холостого хода к сумме магнитодвижущих сил в режиме нагрузки.

İ₀ w₁ k₁ = İ₁ w₁ k₁ + İ₂ w₂ k₂

Отсюда İ₁ = İ₀ + İ'₂.

Здесь I₀ – ток в обмотке статора в режиме идеального холостого хода, – составляющая тока статора, которая компенсирует действие магнитодвижущей силы обмотки ротора. Полученное выражение для тока статора отражает свойство саморегулирования асинхронной машины. Чем больше ток ротора, тем больше ток статора. В режиме холостого хода ток статора минимальный. В режиме нагрузки ток статора возрастает. Ток реального холостого хода асинхронной машины и значительно больше по сравнению с номинальным током, чем у трансформатора. Это объясняется тем, что величина тока I₀ зависит от магнитного сопротивления среды, в которой создаётся магнитное поле. У асинхронной машины, в отличие от трансформатора, есть воздушный зазор, который создаст большое сопротивление магнитному полю.