3.5. Баланс мощностей

Из сети асинхронным двигателем потребляется активная мощность Р₁=3U₁I₁cosφ₁, где φ₁ – угол между напряжением U₁ и током I₁ обмотки статора.

Часть мощности, соответствующая потерям в статоре ΔР₁ (электрическим ΔР_1эл и магнитным ΔР_1ст) выделяется в виде тепла в обмотке и магнитопроводе статора:.

ΔР₁ = ΔР_1эл + ΔР_1ст

Электрические потери в статоре ΔР_1эл = mI₁²R₁.

Потери в стали статора связаны с возникновением вихревых токов и с перемагничиванием стали и зависят только от величины магнитного потока. При постоянном напряжении питания потери в стали статора постоянны. Магнитные потери в статоре пропорциональны приблизительно частоте питания f^1.5 [24].

Оставшаяся мощность, называемая электромагнитной мощностью Р_эм, передается вращающимся магнитным полем двигателя через рабочий зазор в ротор.

Р_эм = m₁E₂'I₂'cos₂ [25] (9)

Р_эм = Р₁ – ΔР₁= МΩ₀, (10)

где М – электромагнитный момент.

Электромагнитная мощность расходуется на механическую мощность (Р_м=МΩ) и мощность потерь в роторе ΔР₂.

Потери в роторе можно разделить на потери в стали и электрические потери. Из-за малой частоты перемагничивания ротора f₂=sf₁ потери в стали ротора практически отсутствуют. Электрические потери в роторе ΔР_2эл = mI^’₂²R^’₂.

Если пренебречь механическими потерями и потерями в стали ротора, то электрические потери в роторе:

ΔР_эл2 = Р_эм – Р_м =М*( Ω₀ – Ω) = МΩ₀s = Р_эмs, (11)

а механическая мощность

Р_м= Р_эм*(1-s) (12)

Выражение Р_эмs называют иногда мощностью скольжения.

Вследствие (11) во избежание перегрева ротора асинхронные двигатели выполняются таким образом, чтобы при номинальной нагрузке их скольжение было невелико.

Механическая мощность расходуется на мощность на валу Р₂=М_вΩ и механические потери ΔР_мх. Вследствие этого момент на валу М_в немного меньше электромагнитного момента М, развиваемого ротором.

Механические потери обуславливаются трением в подшипниках, трением вращающихся частей о воздух, а в двигателях с фазным ротором еще и трением щеток о контактные кольца. Механические потери пропорциональны приблизительно второй степени скорости вращения [24].

Кроме перечисленных выше основных потерь в двигателе имеются также так называемые добавочные потери Р_д, связанные с перемагничиванием зубцов статора и ротора высшими гармониками полей взаимоиндукции и полями рассеяния статора  и ротора [13].

3.6. Номинальные данные АД

На щитке (и в паспорте) асинхронного двигателя указываются следующие его номинальные величины [18]:

1. Мощность (на валу), кВт или Вт;

2. Линейное напряжение обмотки статора, В; обычно через дробь указывают линейное напряжение при соединении в звезду и треугольник [31]

3. Линейный ток статора, А;

4. Частота сети, Гц;

5. Частота вращения ротора (число оборотов в минуту);

6. Коэффициент полезного действия;

7. Коэффициент мощности (косинус угла сдвига фаз между напряжением и током фазы обмотки статора);

8. Напряжение на контактных кольцах (при неподвижном роторе) и ток обмотки ротора (при номинальном режиме) для двигателя с контактными кольцами.

9. Для АД с КЗ ротором: кратность пускового тока, кратность пускового момента, кратность критического момента [40].

10. Для двигателей с фазным ротором указывается ЭДС на разомкнутых кольцах заторможенного ротора Е_2н при U_1н и номинальный ток ротора I_2н [40].

Кроме того, на щитке указываются схема соединений обмотки статора, режим работы (продолжительный, кратковременный или повторно-кратковременный), для которого предназначен двигатель, и полный вес его в килограммах.

Интенсивность отказов АД, характеризующая надежность их работы, составляет (0,008-0,1)*10^-4 на час. Заданная надежность обеспечивается выполнением эксплуатационных норм и требований. Общими эксплуатационными требованиями, обеспечивающими нормальную работу АД в течение гарантийного срока службы, являются:

1. Допустимая температура окр.среды -50-60°С

2. Искажение формы питающего напряжения, не более 8%

3. Максимальная асимметрия напряжения в фазах, не более 5%

4. Отклонение частоты питающего напряжения от номинального значения, не более 2%

5. Отклонение напряжения от номинального значения, не более 2%.

Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели.

Асинхронные электродвигатели обладают как рядом достоинств, так и некоторыми недостатками по сравнению с двигателями постоянного тока.

По конструкции АД делят на два типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

3.7. АД с короткозамкнутым ротором.

Обмотка ротора не имеет корпусной изоляции. В АД общего назначения мощностью до 300-400 кВт (до 100 кВт [18]) обмотку выполняют заливкой пазов расплавленным алюминием или его сплавами [9].

3.7.1. Достоинства:

1) Бесконтактность: отсутствие коллектора и щеток, которые чрезвычайно осложняют работу электродвигателей на больших высотах; по сравнению с АД с фазным ротором проще обслуживание.

2) Простота и надежность конструкции; простота изготовления. По сравнению с АД с фазным ротором изготовление короткозамкнутых роторов значительно проще и дешевле.

3) Возможность получения больших скоростей вращения (отсутствующий коллектор не накладывает своих ограничений по скорости). Это дает возможность получить выигрыш по массе двигателя.

3.7.2. Недостатки:

1) Трудность регулирования скорости вращения;

В отличие от ДПТ, в котором имеется две обмотки (статорная - возбуждения и роторная - якорная), что позволяет управлять раздельно скоростью вращения (ток возбуждения) и электромагнитным моментом (ток якоря), в двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, ток через которую формирует возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности управления электродвигателем.

2) Трудность получения больших кратностей пускового момента (в случае мощных двигателей длительного режима работы);

3) Большой пусковой ток (превышает номинальный в 4-7 раз [8]);

4) Чувствительность к изменению напряжения и частоты [8].

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой впервые разработал главный инженер немецкой фирмы АЭГ (Всеобщая компания электричества) русский эмигрант Михаил Доливо-Добровольский в 1889 году (патент DRP 51083 от 31.08.1889) [37]. Работал в Германии с 1884 года

АД с короткозамкнутым ротором применяются в системе питания переменным током, если указанные недостатки не имеют значения для привода. Это главным образом агрегаты, работающие продолжительно с постоянной нагрузкой и примерно постоянной угловой скоростью: насосы (в т.ч.системы перекачки топлива [3]), вентиляторы, холодильники, привод раскрутки колес перед посадкой самолета и т.д [8].

Подавляющее большинство находящихся в эксплуатации АД являются короткозамкнутыми [14].