Характеристики асинхронного двигателя

Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения двигателя от вращающего момента п₂ = f(M) при U₁ =const. Ее можно построить, используя зависимость М = f(s) и соотношение между п₂ и s. Из формулы получаем, что п₂ =(1- s) n₁ = п₁ - n₁s, откуда видно, что частота вращения ротора п₂ и скольжение s являются линейно зависимыми величинами (при п₁ =const). При s=1 п₂= 0, апри s=0 п₂ = n₁. Следовательно, точке s =1 на оси абсцисс соответствует точка n ₂=0, т. е. начало оси для частоты вращения. Увеличению частоты вращения п₂ соответствует направление оси абсцисс справа налево. Совместив начала осей для момента М и частоты п₂ и повернув оси на угол 90° по часовой стрелке, получим механическую характеристику асинхронного двигателя (рисунок а).

На ней можно отметить: максимальный момент М_тах: пусковой момент М_п (при пуске двигателя, т. е. при п₂= 0); номинальный момент M_ном, соответствующий номинальному режиму работы двигателя (ему соответствует номинальная частота вращения ротора п_2ном, указываемая в паспорте двигателя).

Чтобы двигатель начал вращаться под нагрузкой, необходимо, чтобы его пусковой момент был больше пускового момента приводимого во вращение механизма. Двигатель разгоняется в соответствии с механической характеристикой: разгон начинается с точки с, затем проходится точка b и двигатель оказывается в установившемся режиме, т. е. вращается с частотой n₂ на участке a-b в точке, соответствующей условию М = М_т (где М_т – тормозной момент). Таким образом, точки характеристики на участке b-с соответствуют разгону, а рабочим участком является участок a-b, на котором при изменении вращающего момента от 0 до М_mах частота вращения двигателя меняется мало. Такая механическая характеристика называется жесткой характеристикой.

Устойчивая работа двигателя, т. е. работа при n₂= const, возможна только на участке а-b. Допустим, что в исходном режиме двигатель работает в точке а' механической характеристики, т. е. имеет частоту вращения и развивает вращающий момент M’. Если при этом увеличивается тормозной момент от до , то возникает неравенство моментов: М' < М_т^”. Так как тормозной момент больше вращающего, ротор двигателя начинает тормозиться, увеличиваются скольжение, ЭДС и ток ротора, а следовательно, и вращающий момент двигателя. Замедление ротора продолжается до тех пор, пока не наступит равенство моментов: М"=М"_т. При этом устанавливается постоянная частота вращения ( ). Этим значениям соответствует точка а". При уменьшении тормозного момента рассматриваемые величины изменяются в обратном порядке. Таким образом, как бы ни изменялся тормозной момент, в пределах участка а-b двигатель может так изменить вращающий момент, что условие его устойчивой работы всегда сохраняется. В этом заключается свойство внутреннего саморегулирования асинхронного двигателя.

Когда тормозной момент становится равным максимальному, вращающий момент начинает уменьшаться и равенство М=М_Т становится невозможным – двигатель останавливается. Поэтому максимальный момент называют также опрокидывающим моментом. По значению отношения максимального момента к номинальному (М_тах/М_ном=γ) судят о перегрузочной способности двигателя. У асинхронных двигателей γ =1,7÷2,5. Для устойчивой работы двигателя нельзя допускать γ <1,7.

Двигателю с фазным ротором соответствует семейство механических характеристик (рисунок б). Обычно работа двигателя соответствует зависимости с R_д^’ =0. Эта характеристика аналогична характеристике двигателя с короткозамкнутым ротором и называется естественной.

Рабочие характеристики. Изменение различных электрических и механических параметров двигателя в нормальном режиме описывается рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимости n₂, s, М₂, I₁, cos φ, η от мощности Р₂ на валу двигателя при U₁ =const и f =const.

Из механической характеристики видно, что в диапазоне изменения нагрузки от нуля до М_ном частота вращения двигателя п₂ меняется мало. Так как нагрузку двигателя можно оценивать как тормозным моментом, так и механической мощностью Р₂, то можно сказать, что частота вращения п₂ меняется мало при изменении Р₂ от нуля до номинального значения Р_2ном.

Скольжение s ротора связано с п₂ следующим образом:

s =(n₁-п₂)/п₁ =1- n₂/n₁ /

При холостом ходе двигателя (Р₂ =0) п₂≈n₁ и скольжение s мало отличается от нуля (s >0). С увеличением Р₂ частота вращения n₂ несколько уменьшается, а скольжение – увеличивается.

Тормозной момент на валу двигателя М₂=P₂ / (2πп₂). Так как с увеличением Р₂ частота вращения ротора n₂ несколько уменьшается, то зависимость М(Р₂) несколько отклоняется от линейной. Электромагнитный вращающий момент М больше момента нагрузки М₂ на значение момента холостого хода М₀.

Ток статора I₁ определяется по формуле и имеет две состав­ляющие: постоянную I ₀ и переменную I ₂, зависящую от нагрузки. При холостом ходе можно считать I ₂=0 и I₁ = I ₀, т. е. ток статора равен току холостого хода, значение которого у асинхронных двигателей достигает 40-60% от номинального значения I_{1 ном}. При увеличении мощности Р₂ увеличиваются ток I ₂^’ и ток I₁.

Так как при холостом ходе I₁ = I ₀ и его основной составляющей является намагничивающая, совпадающая по фазе с магнитным потоком, коэффициент мощности cosφ₁₀ асинхронных двигателей очень мал (0,15-0,2). С увеличением нагрузки ток статора все в большей степени определяется активной составляющей тока ротора и cos φ₁ увеличивается.

Характеристика η(Р₂) имеет вид, типичный для электрических машин. Сначала КПД резко увеличивается начиная от нуля, а затем меняется мало