Механические характеристики асинхронного двигателя

Зависимость электромагнитного момента от скольжения.

Наибольшее значение для оценки свойств асинхронного двигателя имеет механическая характеристика, представляющая собой графическую зависимость частоты вращения ротора п ₂от вращающего момента М, т. е. п ₂ = f (M) или М = f (n ₂). Иногда эта зависимость выражается в виде M = f (s) или М = f (v), где v = п ₂/ п ₁ - относительная частота вращения. При этом

(1)

s = (n₁ - n₂ )/n₁ = 1 — v.

Использование понятий относительной частоты вращения и скольжения придает механической характеристике более общий характер. Для построения механической характеристики можно воспользоваться круговой диаграммой либо формулой

(2)

М = m₁U₁²R'₂ /ω₁ s[(R₁+ C₁ R'₂ /s)² + (X₁ + C₁ X'₂ )²],

получаемой из формулы

М = Δ Р_эл2 /(ω₁ s) = m₁ I₂²R'₂ /ω₁ s

путем подстановки значения тока I '₂ из схемы замещения:

I'₂ - U₁ /√(R₁+ C₁ R'₂ /s)² + (X₁ + C₁ X'₂ )²

Для машин мощностью более 10 кВт величина С 1 ≈ 1 и формула момента приобретают более простой вид:

(2a)

М = m₁ U₁²R'₂ /ω₁ s[(R₁+ R'₂ /s)² + (X₁ + X'₂ )²].

Задаваясь значениями s, при известных параметрах двигателя можно определить М и построить искомую механическую характеристику.

Механическая характеристика (рис. 1, а и б) имеет максимум момента при частоте вращения n ₂ ≈ (0,8 ÷ 0,9) n ₁; при частоте вращения n ₂ = n ₁ момент вращения М = 0, а при n ₂ = 0 пусковой момент составляет М _п = (0,3 ÷ 0,7) M _max.

Скольжение, при котором момент имеет максимальное значение (критическое скольжение), можно определить из (2), взяв производную от момента по скольжению dM/ds и приравняв ее нулю.

Решая уравнение относительно s, получаем критическое скольжение:

(3)

s_кр = ± C₁ R'₂ /√R₁² + (X₁ + C₁ X'₂)².

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронной машины

В первом приближении, принимая C ₁ = 1,0 и пренебрегая величиной R ₁ в знаменателе [так как R ₁ < (X ₁ + X '₂)], имеем

(3a)

s_кр = ± R'₂ /(X₁ + X'₂ ).

Для получения высокого КПД необходимо снижать величину R ₂, вследствие чего максимум момента асинхронного двигателя достигается при относительно высоких частотах вращения. Значение максимального момента получим из (4.46), подставив значение s_кр из (3):

(4)

М_max = ± mU₁²/{2ω₁ C₁ [± R₁ + √R₁² + (X₁ + C₁ X'₂)²]},

или, приближенно считая С ₁ = 1и R ₁ = 0,

(4a)

М_max ≈ ± m₁ U₁²/[2ω₁ /(X₁ + X'₂)].

Рис. 2. Зависимость электромагнитного момента и тока ротора от скольжения

Знак «+» относится к двигательному режиму, «-» - к генераторному.

Из уравнения (4) и круговой диаграммы видно, что максимальный момент не зависит от активного сопротивления ротора. Это сопротивление определяет лишь скольжение при максимальном моменте.

При увеличении скольжения от s = 0 до 1, как следует из круговой диаграммы, ток ротора I '₂ монотонно возрастает, в то время как электромагнитный момент М сначала увеличивается с ростом скольжения, достигает максимума при s = s _кр, а затем уменьшается, несмотря на возрастание тока I '₂ (рис. 2).

Физически это объясняется тем, что в формуле момента М = с_мФ_тI₂ х cos ψ₂ при малых сколь жениях преобладающее влияние имеет возрастание тока I ₂. При увеличении скольжения свыше s _кр ток I ₂возрастает сравнительно мало и преобладающее влияние оказывает уменьшение cos ψ₂, которое происходит вследствие повышения частоты в роторе: f₂ = sf₁ .

Построение механической характеристики по каталожным данным. На практике широко используют приближенное аналитическое выражение механической характеристики. Электромагнитный момент асинхронного двигателя

(5)

М = Δ Р_эл2 /(ω₁ s) = m₂ I₂²R₂ /(ω₁ s) =m₂ sE₂²R₂ /[ω₁ (R₂² + s²X₂²)].

Принимая приближенно E ₂ ≈ const, т. е. считая, что магнитный поток машины при изменении нагрузки не изменяется, и приравнивая нулю производную dM/ds, полученную из формулы (5), можно найти критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту, s_кр = ±R₂ /X₂ и соответственно максимальный момент

(6)

М_max = ± т₂ E₂²/(2ω₁ X₂).

Разделив выражение (5) на (6), после преобразования получим

(7)

M/М_max = 2/(s_кр /s + s/s_кр).

Формула (7) является приближенной и, конечно, дает погрешность, так как не учитывает падение напряжения в обмотках статора. Особенно велика погрешность при переходе из двигательного режима в генераторный, где разница в моментах может быть существенной. Однако для исследования одного режима выведенная формула дает приемлемую точность. Это объясняется тем, что в области малых скольже­ний от s = 0 до s _кр магнитный поток изменяется незначительно и, следовательно, в этой области формула не может дать большой погрешности, тем более, что точки при s = 0 и s _кр являются фиксированными.

При скольжениях, близких к единице, формула (7), казалось бы, должна давать завышенные значения момента, гак как при больших токах сильнее проявляется падение напряжения в статоре. Однако в реальных машинах при скольжениях, близких к единице, уменьшается сопротивление Х ₂ из-за явления вытеснения тока в проводниках ротора, что ведет к увеличению момента. В результате оказывается, что погрешность, обусловленная пренебрежением падения напря­жения в статоре, и погрешность, вызванная изменением параметров ротора, взаимно противоположны, вследствие чего точность приближенной формулы (7) достаточна для практических целей.