Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя

Ранее было установлено, что МДС трехфазной обмотки статора помимо основной гармоники содержит ряд высших пространственных гармоник (см. § 9.5). Каждая из этих гармоник создает в машине вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в υ раз меньше частоты вращения поля основной гармоники [см. (9.18)]. При этом высшие пространственные гармоники МДС по­рядка υ = 6х + 1 создают прямовращающиеся (прямые) по­ля, а гармоники порядка υ = 6х - I — обратновращающиеся (обратные) поля.

Асинхронные моменты.Магнитные поля от высших про­странственных гармоник, сцепляясь с обмоткой ротора, наводят в ней ЭДС и создают в двигателе собственные электромагнитные асинхронные моменты. Эти моменты ухудшают свойства двигате­ля, поэтому их принято называть паразитными. При рассмот­рении выражения электромагнитного момента и механической характеристики асинхронного двигателя (см. § 13.2) имелось в ви­ду действие лишь магнитного поля основной гармоники. Если же учесть влияние высших пространственных гармоник поля, то кри­вая электромагнитного момента (см. рис. 13.3) окажется искажен­ной. В зависимости от направления и частоты вращения n_υ маг­нитного поля высшей пространственной гармоники и направления создаваемого ею электромагнитного момента M_υ высшие про­странственные гармоники поля могут создать в асинхронном дви­гателе три режима: двигательный режим, если поле выс­шей гармоники прямовращающееся и частота его вращения n_υ > n₂,а направление момента M_υ положительное, т. е. он направлен со­гласно с моментом основной гармоники М; генераторный режим, если поле высшей гармоники прямовращающееся и час­тота его вращения n_υ < n₂, а направление момента M_υ отрицатель­ное, т. е. он направлен встречно моменту основной гармоники М; тормозной режим, если поле высшей гармоники обратновращающееся, a M_υ отрицательный, т. е. направлен встречно мо­менту основной гармоники М.

На рис. 13.10, а представлены графики моментов асинхронного двигателя M_υ = f(s)от прямого поля седьмой гармоники и обратного поля пятой гармоники, где s - скольжение ротора относительно поля основной гармоники. Обратное поле пятой гармоники при s = 0 ÷ 1 соз­дает отрицательный момент М₅ (тормозной режим); прямое поле седьмой гармоники при 0,857 < s <1 создает положительный момент M₇ (двигательный режим), а при s < 0,857 — отрицательный момент М₇ (генераторный режим). Сложив ординаты моментов М₇ и М₅ с ор­динатами момента основной гармоники М, получим кривую резуль­тирующего асинхронного момента (рис. 13.10, б):

M_РЕЗ = M + М₅ + М₇. (13.26)

«Провал» кривой момента М_РЕЗ, (участок при 0,7 < s <0,85, на котором М_РЕЗ < М_ст) затрудняет процесс разгона двигателя и может вызвать «застревание» ротора на малой частоте вращения.

Наибольшую опасность представляют собой паразитные асинхронные моменты при короткозамкнутой обмотке ротора, так как в этом случае токам, наведенным высшими гармониками маг­нитного поля в стержнях ротора, оказывается небольшое электри­ческое сопротивление. В двигателях с фазным ротором действие паразитных асинхронных моментов намного слабее.

Заметное влияние на форму кривой электромагнитного момента оказывают асинхронные паразитные моменты от гармоник поля зубцового порядка (обусловленных наличием зубцов на статоре и роторе):

v_Z1 = (Z₁/p) ± l; v_Z2 = (Z₂/p) ± l. (13.27)

Рис. 13.10. Асинхронные моменты от основной

и выс­ших (5-й и 7-й) гармоник поля

Рис. 13.11. Влияние взаимного расположения

в простран­стве полюсов высших пространственных

гармоник поля статора и ротора на направление

синхронного момента:

а— синхронный момент положительный,

б— синхронный мо­мент отрицательный

Эффективное средство ослабления влияния высших гармоник на свойства двигателей — скос пазов ротора в пределах зубцового деления.В этом случае ЭДС в стержнях ротора от зубцовых гармоник поля статора снижаются почти до нуля. Действие высших гармоник поля ослабляют также правильным выбором числа пазов статора Z₁ и ротора Z₂.Рекомендуется соотношение Z₂ ≤ l,25 (Z₁ ± p ).

Синхронные моменты.Между вращающимися магнитными полями высших пространственных гармоник статора и ротора, имеющими одинаковый порядок, возникают силы магнитного взаимодействия. Результатом этого взаимодействия является воз­никновение синхронного момента М_cυ. В общем случае поля ста­тора и ротора от высших пространственных гармоник вращаются с разными частотами (n_υ1 ≠ n_υ2), а поэтому направление синхронно­го момента M_cυменяется в зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов взаимодействующих полей. Обычно частота изменения знака момента M_cυ велика, и из-за большой инерции ротора этот момент не оказывает заметного влияния на вращение ротора. Но при некоторой частоте вращения ротора поля высших гармоник статора и ротора начинают вращаться с одинаковой час­тотой вращения (n_υ1 = n_υ2). В этом случае направление синхронного момента M_cυ становится стабильным. В зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов магнитных полей момент M_cυ мо­жет быть положительным или отрицательным (рис. 13.11).

Синхронные моменты в асинхронном двигателе нежелатель­ны, т. е. являются паразитными, так как они могут вызвать прова­лы в механической характеристике двигателя. Наибольшего зна­чения синхронные моменты достигают при наличии зубцовых гармоник поля статора и ротора одинакового порядка, т. е. при υ_z1 = υ_z2. Синхронные моменты наиболее опасны при следующих соотношениях пазов статора и ротора (Z₁и Z₂):

Z₁ = Z₂; Z₁ - Z₂ = ±2p. (13.28)

Особенно нежелательно равенство числа пазов на статоре и роторе (Z₁ = Z₂),так как это может привести к «прилипанию» ро­тора к статору: зубцы ротора силами магнитного тяжения удержи­ваются под зубцами статора. Уменьшению синхронных моментов способствует скос пазов на роторе.

Контрольные вопросы

1.Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе?

2.Почему магнитные потери в сердечнике ротора не учитывают?

3.На какие виды потерь влияют величина воздушного зазора и толщина пла­стин сердечника статора?

4.Используя данные примера 13.1 и задавшись значениями тока статора I₁ = 0,5, 0,75, 1,15 I_1ном, определите соответствующие значения КПД и построй­те график η = f(P₂),при расчетах примите следующие значения коэффициен­та мощности: cos φ_1.0,5 = 0,4 , cos φ_1.0,75 = 0,6 ; cos φ_1.1,15 = 0,8.

5.Почему график I₁ = f(P₂)не выходит из начала координат?

6.Почему при нагрузках двигателя меньше номинальной его cos φ₁, имеет низ­кие значения?

7.При каких условиях высшие пространственные гармоники поля создают и асинхронном двигателе двигательный, генераторный и тормозной режимы?

8. Какими причинами может быть вызван «провал» в механической характери­стике?

9.При каких условиях может происходить «прилипание» ротора к статору?

10. Какими мерами можно ослабить паразитные моменты в двигателе?