Что нужно знать о скольжении асинхронного двигателя

Одним из основных электромоторов в мире является асинхронный двигатель. Чтобы его использовать в качестве привода, надо понимать, как поведет себя одна из главных переменных характеристик при пуске, изменении нагрузки на валу, колебании электронапряжения и частоты. Этот параметр называется скольжением электродвигателя.

Устройство и принцип работы

Двигатель переменного электротока, в котором скорость вращения ротора меньше скорости вращающегося электромагнитного поля статора, называется асинхронным.

Обмотки статора подключаются к сети синусоидального трехфазного электротока, после чего электромагнитный поток начинает вращаться и пересекает замкнутые токопроводящие витки подвижной части мотора. Под действием наведенной в них ЭДС возникает переменный электроток. Он создает свое магнитное поле, которое заставляет вращаться ротор с асинхронной скоростью следом за полем статора.

Статор представляет собой набранный из изолированных листов электротехнической стали корпус, в который различным способом уложены обмотки возбуждения. Ротор тоже шихтуется из изолированных листов. Они имеют пазы, в которых закрепляются штыри короткозамкнутого ротора или укладывается фазная обмотка. На концах вала ротора расположены подшипники, вставленные в торцевые крышки статора.

Короткозамкнутый ротор (его также называют «беличьей клеткой») состоит из набора стержней из алюминия или меди. По торцам они закольцованы вместе. Это наиболее простая и распространенная конструкция АД.

Мотор, ротор которого содержит 3-х фазную обмотку, называется фазным. Полноценные изолированные витки трех обмоток концами соединены вместе, а их начала выведены на контактные кольца. При помощи щеточного скользящего контакта катушки выведены на внешнее управление.

Что такое скольжение АД

Создание вращающегося магнитного поля (МП) в неподвижной части электрической машины происходит за счет разнесенных на 120 градусов по окружности корпуса витков 3-х катушек. Они образуют одну пару полюсов (p), на практике их может быть больше. Обмотки соединяются «треугольником» или «звездой». Запитываются они от трехфазной сети переменного электротока.

Электроток, сдвинутый по фазе на 120 градусов, протекая по размещенным по окружности виткам 3-х катушек, создает вращающееся МП с синхронной частотой:

Вращающееся МП, пересекая набор замкнутых токопроводящих витков подвижной части машины, создает в них ЭДС. Образовавшаяся в замкнутых рамках ротора электродвижущая сила способствует возникновению переменного электротока, воспроизводящего свое вращающееся электромагнитное поле.

Подвижная часть машины начинает вращаться вслед за вращающимся полем со скоростью n₂ (об/мин), стремясь засинхронизировать свое электромагнитное поле с вращающимся полем неподвижной части, то есть, достичь скорости n₁ (об/мин). Величина разницы скоростей в относительных единицах или процентах называется коэффициентом скольжения (S):

Асинхронная скорость n₂ при нормальной эксплуатации электродвигателя всегда меньше синхронной скорости n₁, поэтому скольжение асинхронного двигателя меньше единицы и ста процентов.

Зависимость режимов работы мотора от скольжения

Для АД скольжение рассматривается:

• В режиме холостого хода (ХХ);
• при номинальном значении нагрузки;
• генераторном применении;
• критической нагрузке;
• во время пуска.

Асинхронная скорость n₂ в режиме ХХ при отсутствии нагрузки на валу практически равна синхронной скорости вращения электромагнитного поля статора n₁. Скольжение в этом случае будет не более 3% и даже в режиме идеального ХХ (если пренебречь трением в подшипниках), оно не будет нулевым.

При номинальном напряжении и нагрузке скольжение S находится в диапазоне 2–8% для большинства моторов. Номинальная скорость или скольжение указываются на шильдике асинхронного двигателя. По ним строится график механической характеристики.

В генераторном режиме скольжение может быть отрицательным, то есть, меньше 0. Ротор в этом случае вращается под действием механической силы навстречу вращающемуся электромагнитному полю статора.

С увеличением нагрузки на валу мотора увеличивается момент торможения, вследствие чего увеличивается и скольжение. При этом растет электроток, наводимый в роторе, наряду с моментом вращения. При небольших нагрузках между моментом и скольжением наблюдается прямо пропорциональная зависимость. Но рост скольжения способствует возрастанию активных потерь в роторе, снижающих наводимый электроток. По этой причине момент увеличивается с меньшей скоростью, чем скольжение, а при определенном значении последнего момент становится максимальным и начинает снижаться. Скольжение, соответствующее максимальному моменту, называется критическим.

При пуске мотора асинхронная скорость равняется нулю, скольжение — единице, электроток в двигателе максимальный, а значение момента вращения вала выше значения момента торможения нагрузки. С увеличением скорости вращения МП ротора скольжение уменьшается, а когда скорость достигает своего номинального значения, устанавливается нормальный режим.

Из графика видно, что скольжение мотора меняется от 0 до 1. До того момента, пока не возникнет критическое скольжение, мотор работает устойчиво, а в промежутке от Sкр до 1 возникает неустойчивый режим, который зависит от характера и величины нагрузки на валу. Для управления в этом диапазоне применяют либо переключение «звезда-треугольник», либо фазный ротор, либо частотное регулирование.

Способы измерения

Измерение скольжения в двигателе должно осуществляться согласно требованиям ГОСТ 7217–89 с помощью амперметра постоянного тока, катушки индуктивности или стробоскопического эффекта.

Основная задача — подсчитать количество полных N отклонений стрелки от 0 за период времени T. После того, как нашли данный параметр, можно определить частоту электротока ротора:

Затем по соотношению частоты электротока статора и ротора следует найти скольжение:

Косвенными методами при использовании электромагнитной катушки или стробоскопического эффекта определяют количество оборотов ротора К за период времени Т (сек). Затем вычисляется скольжение. Для этого используется формула:

При больших значениях скольжения для измерения применяются тахогенераторы или тахометры, установленные на валу двигателя.

Видео по теме