Charakterystyka mechaniczna silnika to zależność prędkości obrotowej wirnika od momentu obrotowego na wale n = f (M2). Ponieważ moment obrotowy na biegu jałowym jest mały pod obciążeniem, to M2? M, a charakterystyka mechaniczna jest reprezentowana przez zależność n = f (M). Jeśli weźmiemy pod uwagę zależność s = (n1 - n) / n1, to charakterystykę mechaniczną można otrzymać przedstawiając jej graficzną zależność we współrzędnych n i M (rys. 1).

Ryc.1.

Naturalna charakterystyka mechaniczna silnika asynchronicznego odpowiada głównemu (paszportowemu) obwodowi jego włączenia i nominalnym parametrom napięcia zasilania. Sztuczne charakterystyki uzyskuje się, jeśli uwzględni się dodatkowe elementy: rezystory, dławiki, kondensatory. Gdy silnik jest zasilany napięciem innym niż znamionowe, charakterystyka również różni się od naturalnej charakterystyki mechanicznej.

Charakterystyki mechaniczne są bardzo wygodnym i użytecznym narzędziem w analizie statycznych i dynamicznych postaci napędu elektrycznego.

Dane do obliczenia charakterystyk mechanicznych dla danego napędu i silnika:

Trójfazowy silnik asynchroniczny z wirnikiem klatkowym jest zasilany z sieci o napięciu = 380 V przy częstotliwości = 50 Hz.

Parametry silnika 4AM160S4:

Pn= 12,5 kW,

n = 1460 obr./min,

coscn= 0,86, cn= 0,89, kn= 2,2

Wyznacz: prąd znamionowy w fazie uzwojenia stojana, liczbę par biegunów, poślizg znamionowy, znamionowy moment obrotowy wału, moment krytyczny, poślizg krytyczny i zbuduj charakterystykę mechaniczną silnika. Rozwiązanie.

(3.1) Moc znamionowa pobierana z sieci:

(3.2) Prąd znamionowy pobierany z sieci:

(3.3) Liczba par biegunów

gdzie n1 \u003d 1500 to prędkość synchroniczna najbliższa prędkości znamionowej nн \u003d 1460 obr./min.

(3.4) Poślizg znamionowy:

(3.5) Moment znamionowy na wale silnika:

(3.6) Moment krytyczny

Mk \u003d km x Mn \u003d 1,5 x 249,5 \u003d 374,25 Nm.

(3.7) Poślizg krytyczny znajdujemy podstawiając M = Mn, s = sn i Mk / Mn = km.

Aby zbudować charakterystykę mechaniczną silnika za pomocą n = (n1 - s), wyznaczamy punkty charakterystyczne: punkt biegu jałowego s = 0, n = 1500 obr./min, M = 0, punkt trybu nominalnego sn = 0,03, nn = 1500 min min, Mn = 249,5 Nm i krytyczny punkt drgań sk = 0,078, Mk = 374,25 Nm.

Dla punktu trybu startowego sp = 1, n = 0 znajdujemy

Na podstawie uzyskanych danych budowana jest charakterystyka mechaniczna silnika. W celu dokładniejszego skonstruowania charakterystyki mechanicznej konieczne jest zwiększenie liczby obliczonych punktów oraz wyznaczenie momentów i prędkości obrotowych dla danych poślizgów.

Budowanie naturalnej charakterystyki mechanicznej silnika

Charakterystykę mechaniczną silnika nazywamy zależnością prędkości obrotowej n od momentu M obciążenia na wale.

Istnieją naturalne i sztuczne właściwości silników elektrycznych.

naturalny nazywa się charakterystyką mechaniczną - zależność prędkości obrotowej silnika od momentu obrotowego na wale w warunkach znamionowych silnika w stosunku do jego parametrów (napięć znamionowych, częstotliwości, rezystancji itp.). Zmiana jednego lub kilku parametrów powoduje odpowiednią zmianę właściwości mechanicznych silnika. Taka charakterystyka mechaniczna nazywana jest sztuczną.

Aby skonstruować równanie charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego, używamy wzoru Klosa (4.1):

gdzie M k jest momentem krytycznym silnika (4.1.1):;

Sk jest krytycznym poślizgiem silnika (4.1.2);

Przeciążalność silnika (= 3);

S n - znamionowy poślizg silnika (4.1.3):

gdzie n n - prędkość wirnika;

n 1 - prędkość synchroniczna pola stojana (4.1.4);

gdzie f jest częstotliwością przemysłową prądu sieciowego, (f = 50 Hz) (4.1.5);

Р - liczba par biegunów (dla silnika 4AM132S4 Р=2)

Znamionowy poślizg silnika 4AM132S4

Krytyczny poślizg silnika

Krytyczny moment silnika

Aby zbudować charakterystykę we współrzędnych, na podstawie równania przechodzi się od poślizgu do liczby obrotów

Poślizg jest ustawiony od 0 do 1

S = 0 n = 1500 . (1 - 0) = 1500 obr./min;

Wykład 3

Silniki asynchroniczne znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle ze względu na szereg istotnych zalet w stosunku do innych typów silników. Silnik asynchroniczny jest prosty i niezawodny w działaniu, ponieważ nie posiada kolektora; silniki asynchroniczne są tańsze i znacznie lżejsze niż silniki prądu stałego.

Aby wyprowadzić równanie charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego, można użyć uproszczonego obwodu zastępczego pokazanego na ryc. 3.1, gdzie akceptowane są następujące oznaczenia:

Uf - napięcie fazy pierwotnej; I 1 - prąd fazowy stojana; I / 2 - zmniejszony prąd wirnika; X 1 i X" 2 - pierwotne i wtórne zredukowane reaktancje rozpraszania; Ro i X 0 - rezystancja czynna i reaktywna obwodu magnesowania; s == (w 0 - w) / w 0 - poślizg silnika; w 0 = 2 pn 0 /60 - synchroniczna prędkość kątowa silnika; w 0 = 2pf 1 /p; R1 i R/2 - pierwotne i wtórne zredukowane rezystancje aktywne; f 1 - częstotliwość sieci; R - ilość par biegunów.

Ryż. 3.1 Uproszczony obwód zastępczy silnika asynchronicznego.

Zgodnie z powyższym schematem zastępczym można otrzymać wyrażenie na prąd wtórny

(2.1)

Moment obrotowy silnika indukcyjnego można wyznaczyć z wyrażenia na stratę Mw 0 s = 3 (I / 2) 2 R / 2 , skąd

(2.2)

Zastępując wartość prądu I / 2 w (2.1), otrzymujemy:

(2.3)

Krzywa momentu M = f(s) ma dwa maksima: jedno – w trybie generatorowym, drugie – w trybie silnikowym 1 .

Zrównanie dM/ds= 0, wyznaczamy wartość poślizgu krytycznego Sg, przy którym silnik rozwija maksymalny (krytyczny) moment obrotowy

(2.4)

Przy znacznej rezystancji obwodu wirnika maksymalny moment obrotowy może być w trybie hamowania przez przeciwprzełączanie.

Podstawiając wartość Sk w (3.3), znajdujemy wyrażenie na moment maksymalny

(2.5)

Znak „+” w równościach (2.4) i (2.5) odnosi się do trybu silnikowego (lub hamowania przez przeciwwłączenie), znak „-” - do trybu pracy generatora równolegle z siecią (w>w 0 )

Jeśli wyrażenie (2.3) podzielimy przez (2.5) i dokonamy odpowiednich przekształceń,

Ryż. 3.2 Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego.

wtedy możesz otrzymać:

(2.6)

gdzie Mk - maksymalny moment obrotowy silnika; S K - poślizg krytyczny odpowiadający momentowi maksymalnemu; A= R 1 / R / 2 .

W tym miejscu należy podkreślić bardzo ważną dla praktyki okoliczność - wpływ zmiany napięcia sieciowego na charakterystykę mechaniczną silnika indukcyjnego. Jak widać z (3.3), dla danego poślizgu moment silnika jest proporcjonalny do kwadratu napięcia, więc ten typ silnika jest wrażliwy na wahania napięcia sieciowego.

Krytyczny poślizg i prędkość kątowa idealnego biegu jałowego są niezależne od napięcia.

na ryc. 3.2 przedstawia charakterystykę mechaniczną silnika asynchronicznego. Jej charakterystyczne punkty:

1) s = 0; M = 0, podczas gdy prędkość silnika jest równa synchronicznej;

2) s = s NOM; M = M nom, co odpowiada znamionowej prędkości obrotowej i znamionowemu momentowi obrotowemu;

3) s == sk; M == M maks - maksymalny moment obrotowy w trybie silnikowym;

Początkowy moment rozruchowy;

5) s = - s K.; M=M K.G. - maksymalny moment obrotowy w trybie pracy generatora równolegle z siecią.

Przy s> 1,0 silnik pracuje w trybie hamowania przeciwprzełączeniowego, przy s< 0 имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.

Należy podkreślić, że wartości bezwzględne S k w trybach silnika i generatora równolegle z siecią są takie same

Jednak z (2.6) wynika, że ​​maksymalne momenty w trybie silnika i generatora są różne. W trybie pracy generatora równolegle z siecią moment maksymalny jest większy w wartości bezwzględnej, co wynika z zależności

Jeżeli w równaniu (2.6) zaniedbamy rezystancję czynną stojana, to otrzymamy wzór wygodniejszy do obliczeń:

(2.7)

Podstawiając w wyrażeniu (2.7) zamiast bieżących wartości M i s ich wartości nominalne i oznaczając wielokrotność maksymalnego momentu M K / M NOM, przez l, otrzymujemy:

W ostatnim wyrażeniu znak „+” należy umieścić przed pierwiastkiem.

Analiza wzoru (2.6) pokazuje, że dla s > s k (niepracująca część charakterystyki) równanie hiperboli otrzymamy, jeśli w tym przypadku pominiemy drugie wyrazy mianownika w równaniach (3.6), tj.

Ta część charakterystyki odpowiada praktycznie tylko trybom rozruchu i hamowania.

Dla małych wartości poślizgu (s< s k) для M=f (s) równanie prostej otrzymujemy, jeśli zaniedbamy pierwszy wyraz w mianowniku (3.6):

Ta liniowa część charakterystyki jest jej częścią roboczą, na której silnik zwykle pracuje w stanie ustalonym. Na tej samej części charakterystyki znajdują się punkty odpowiadające danym znamionowym silnika: M NOM, I NOM, n NOM, s NOM.

Statyczny spadek (różnica) prędkości w jednostkach względnych na naturalnej charakterystyce mechanicznej silnika asynchronicznego przy znamionowym momencie obrotowym jest określony przez jego znamionowy poślizg.

Nominalny poślizg zależy od rezystancji wirnika. Silniki z wirnikiem klatkowym o normalnej konstrukcji mają zwykle najmniejszy poślizg znamionowy dla tej samej mocy i liczby biegunów. Dla tych silników, ze względu na ich cechy konstrukcyjne, rezystancja wirnika ma stosunkowo małą wartość, co prowadzi do zmniejszenia wartości poślizgu krytycznego s k (3,4) i poślizgu nominalnego s NOM. Z tych samych powodów, wraz ze wzrostem mocy silnika, jego nominalny poślizg maleje, a sztywność charakterystyki naturalnej wzrasta. To ostatnie ilustruje krzywa na ryc. 11, zbudowany na średnich danych dla silników o różnej mocy.

Maksymalny moment, jak widać z (3.5), nie zależy od aktywnego oporu wirnika R 2 , poślizg krytyczny, zgodnie z (3.4), wzrasta wraz ze wzrostem oporu wirnika. W rezultacie, dla silników z wirnikiem fazowym, wprowadzenie rezystorów do obwodu wirnika powoduje przesunięcie maksimum krzywej momentu obrotowego w kierunku dużych poślizgów.

Wartość rezystancji R 2 , niezbędną do zbudowania charakterystyki naturalnej i reostatycznej silnika z wirnikiem fazowym, wyznacza się ze wzoru

gdzie E 2k, I 2NOM - napięcie liniowe przy nieruchomym wirniku i prąd znamionowy wirnika.

na ryc. 12 przedstawia rodzinę charakterystyk reostatycznych w modzie silnikowym w osiach współrzędnych M i dla różnych wartości rezystancji obwodu wirnika. Przy znanym przybliżeniu charakterystyki reostatyczne w ich części roboczej można przyjąć jako liniowe. Dzięki temu przy obliczaniu rezystancji rezystorów wchodzących w skład obwodu wirnika silnika asynchronicznego można stosować metody podobne do stosowanych

Ryż. 11. Krzywa nominalna Ryc. 12 Naturalne i reostatyczne mechaniczne

poślizg dla charakterystyki asynchronicznej silnika indukcyjnego z

silniki o różnej mocy. wirnik

obliczyć rezystancję obwodu twornika silnika prądu stałego o niezależnym wzbudzeniu. Pewna niedokładność w wyznaczeniu rezystancji rezystora jest w tym przypadku wprowadzona z uwagi na fakt, że charakterystyka silnika asynchronicznego na odcinku wykresu od M = 0 do maksymalnego momentu rozruchowego jest uważana za liniową.

Bardziej dokładną metodą jest wyprostowanie charakterystyki na mniejszym obszarze. Wielokrotność maksymalnego momentu l \u003d M K.D. /M nom powinien wynosić co najmniej 1,8 dla silników o normalnej konstrukcji z wirnikiem fazowym i co najmniej 1,7 dla silników z wirnikiem klatkowym. Silniki żurawi charakteryzują się wyższym współczynnikiem maksymalnego momentu obrotowego. Np. dla silników z wirnikiem klatkowym serii MTK l=2,3¸3,4.

Silniki z wirnikiem fazowym wspomnianej serii mają w przybliżeniu takie same wartości l .

Dla silników z wirnikiem klatkowym istotna z punktu widzenia napędu elektrycznego jest wielokrotność początkowego momentu rozruchowego i początkowego prądu rozruchowego.

na ryc. 13 przedstawia przybliżoną naturalną charakterystykę silnika z normalnym wirnikiem klatkowym mającym okrągłe szczeliny. Te charakterystyki pokazują, że silnik klatkowy, pobierający bardzo duży prąd z sieci, ma stosunkowo

Ryż. 13. Charakterystyka co = = f(M) oraz u == D (/) dla silnika indukcyjnego z wirnikiem klatkowym z okrągłymi szczelinami.

niski moment rozruchowy. Wielokrotność początkowego momentu rozruchowego silników

oraz do silników dźwigów

Współczynnik prądu rozruchowego

Brak proporcjonalności pomiędzy momentem obrotowym silnika a prądem stojana podczas rozruchu (rys. 13) tłumaczy się znacznym spadkiem strumienia magnetycznego silnika, a także spadkiem współczynnika mocy obwodu wtórnego podczas rozruchu .

Moment silnika indukcyjnego, jak każdej maszyny elektrycznej, jest proporcjonalny do strumienia magnetycznego Ф i składowej czynnej prądu wtórnego

(2.8)

Wraz ze wzrostem poślizgu EMF wirnika wzrasta E 2 \u003d E 2K s , prąd wirnika I / 2 wzrasta zgodnie z (3.1), asymptotycznie dążąc do pewnej wartości granicznej, a cos y 2 maleje wraz ze wzrostem s (bardzo mało w roboczym odcinku charakterystyki), asymptotycznie dążąc do zera przy s ®¥ . Strumień silnika również nie pozostaje stały, zmniejszając się wraz ze wzrostem prądu z powodu spadku napięcia na rezystancjach uzwojenia stojana. Wszystko to powoduje brak proporcjonalności pomiędzy prądem a momentem obrotowym silnika.

Aby zwiększyć początkowy moment rozruchowy i zmniejszyć prąd rozruchowy, stosuje się silniki z wirnikiem klatkowym o specjalnej konstrukcji. Wirniki silników elektrycznych mają dwie koncentryczne klatki lub głębokie powierzchnie z wysokimi i wąskimi wałami. Rezystancja wirnika tych silników podczas rozruchu

Ryż. 14. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego z wirnikiem klatkowym z zapadem przy małych prędkościach kątowych.

okres ten jest znacznie dłuższy niż przy prędkości znamionowej, ze względu na efekt naskórkowania spowodowany zwiększoną częstotliwością prądu w wirniku przy dużych poślizgach. Dlatego przy przełączaniu na silniki z głębokim rowkiem lub podwójnym uzwojeniem wirnika krotność momentu rozruchowego znacznie wzrasta (wzrasta strumień cos y 2), a krotność prądu rozruchowego maleje. To prawda, że ​​\u200b\u200bw tym przypadku współczynnik mocy i wydajność odpowiadające obciążeniu znamionowemu są nieco zmniejszone.

Należy zauważyć, że dla silników z wirnikiem klatkowym moment rozruchowy praktycznie nie zawsze jest najmniejszą wartością momentu w obszarze modu silnika. Jak widać z rys. 14, charakterystyka mechaniczna silnika z wirnikiem klatkowym ma czasami zapad przy małych prędkościach kątowych, spowodowany wpływem wyższych harmonicznych pól zębowych. Tę okoliczność należy wziąć pod uwagę podczas uruchamiania silnika pod obciążeniem.

W przypadku silników z wirnikiem fazowym początkowy moment rozruchowy wzrasta wraz ze wzrostem do znanych granic rezystancji rezystora (ryc. 12), a prąd rozruchowy maleje wraz ze wzrostem rezystancji. Początkowy moment rozruchowy można ustawić na maksymalny moment obrotowy. Przy dalszym wzroście rezystancji obwodu wirnika wzrost cos y 2 kompensuje spadek prądu wirnika, a moment rozruchowy maleje.

Właściwości mechaniczne

silnik asynchroniczny w trybach hamowania

W § 3.7 rozpatrzono charakterystyki mechaniczne maszyny asynchronicznej pracującej w trybie silnikowym. Jednak silnik asynchroniczny może pracować również w trybach hamowania: podczas hamowania z przekazaniem energii do sieci, podczas hamowania przeciwprzełączeniowego oraz podczas hamowania dynamicznego.

1. Hamowanie z powrotem energii do sieci(tryb pracy generatora

Ryż. 15. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego dla różnych trybów pracy.

równolegle z siecią) jest możliwe przy prędkościach wyższych niż synchroniczne. Charakterystykę mechaniczną silnika asynchronicznego we współrzędnych M i w) pokazano na ryc. 15. W ćwiartce 1 znajdują się przekroje charakterystyk trybu pracy silnika dla trzech różnych rezystancji obwodu wirnika. Gdy prędkość obrotowa silnika zbliża się do idealnej prędkości biegu jałowego lub prędkości synchronicznej, moment obrotowy silnika zbliża się do zera.

Przy dalszym wzroście prędkości kątowej pod wpływem momentu zewnętrznego, gdy w>w 0 , silnik pracuje w trybie generatora równolegle z siecią, do której może dostarczać energię elektryczną, zużywając jednocześnie moc bierną na wzbudzenie. Hamowanie z przekazaniem energii do sieci odpowiada przekrojom charakterystyk położonym w górnej części ćwiartki 2. W tym trybie, jak widać z (3.5), maksymalny moment obrotowy jest większy niż w trybie silnikowym. Tryb hamowania z przekazaniem energii do sieci jest stosowany praktycznie w silnikach zmiennobiegunowych, a także w napędach maszyn wyciągowych (dźwigów, koparek itp.) oraz w niektórych innych przypadkach.

2. Hamowanie prądem wstecznym ma znacznie bardziej praktyczne zastosowanie. Tryb hamowania prądem wstecznym można uzyskać, analogicznie jak dla silnika prądu stałego, momentem napędowym obciążenia Ms > MP (ryc. 15). Aby ograniczyć prąd i uzyskać odpowiedni moment obrotowy, w przypadku stosowania silnika z wirnikiem fazowym konieczne jest włączenie dodatkowego rezystora do jego obwodu wirnika. Stan ustalony podczas hamowania przeciwprądem odpowiada np. punktowi - w SET, M C na charakterystyce (ryc. 15).

Charakterystyka mechaniczna dla Rp 1 w trybie hamowania przeciwprądowego i M C == const nie zapewnia stabilnej pracy. Hamowanie wsteczne można również uzyskać przez przełączenie w ruchu dwóch faz uzwojenia stojana, co prowadzi do zmiany kierunku wirowania pola magnetycznego (przejście z punktu A Dokładnie W na ryc. 16). Wirnik następnie obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku pola i stopniowo zwalnia. Gdy prędkość kątowa spadnie do zera (punkt C na rys. 16), silnik musi zostać odłączony od sieci, w przeciwnym razie może ponownie przełączyć się w tryb silnikowy, a jego wirnik będzie się obracał w kierunku przeciwnym do poprzedniego (punkt D ).

3. Hamowanie dynamiczne silnika asynchronicznego zwykle odbywa się poprzez włączenie uzwojenia stojana w sieci prądu stałego; uzwojenie wirnika jest następnie zamykane na zewnętrzne rezystory. Aby przełączyć się z trybu silnikowego na tryb hamowania dynamicznego, stycznik K1 (Rys. 17) odłącza stojan od sieci prądu przemiennego, a stycznik K2 łączy uzwojenie stojana z siecią prądu stałego. W obwodzie wirnika zastosowano zewnętrzne rezystory w celu ograniczenia prądu i uzyskania różnych charakterystyk hamowania.

Przechodząc przez uzwojenie stojana, prąd stały tworzy stałe pole, którego główna fala daje sinusoidalny rozkład indukcji. W obracającym się wirniku powstaje prąd przemienny, który wytwarza własne pole, które

również nieruchomy względem stojana. W wyniku oddziaływania całkowitego strumienia magnetycznego z prądem wirnika powstaje moment hamujący, który zależy od MMF stojana, rezystancji wirnika oraz prędkości kątowej silnika. Charakterystyki mechaniczne dla tego trybu podano w dolnej części ćwiartki 2 (patrz rys. 15). Przechodzą przez początek współrzędnych, ponieważ przy prędkości kątowej równej zeru moment hamowania w tym trybie jest również równy zeru. Maksymalny moment obrotowy jest proporcjonalny do kwadratu napięcia przyłożonego do stojana 1 i wzrasta wraz ze wzrostem napięcia. Krytyczny poślizg zależy od

Ryc. 16. Charakterystyka mechaniczna 17 Schemat połączeń

Pod charakterystyką mechaniczną zwykle rozumie się zależność prędkości wirnika jako funkcję momentu elektromagnetycznego n = f(M). Charakterystykę tę (rys. 2.15) można otrzymać korzystając z zależności M = f (S) i przeliczając prędkość wirnika przy różnych wartościach poślizgu.

Ponieważ S = (n0 - n) / n0, stąd n = n0(1 - S). Przypomnijmy, że n0 = (60 f) / p to częstotliwość wirowania pola magnetycznego.

Sekcja 1-3 odpowiada pracy stabilnej, sekcja 3-4 - pracy niestabilnej. Punkt 1 odpowiada idealnej prędkości biegu jałowego silnika, gdy n = n0. Punkt 2 odpowiada nominalnemu trybowi pracy silnika, jego współrzędne to Мн i нн. Punkt 3 odpowiada momentowi krytycznemu Мcr i prędkości krytycznej ncr. Punkt 4 odpowiada momentowi rozruchowemu silnika Mstart. Charakterystykę mechaniczną można obliczyć i zbudować zgodnie z danymi paszportowymi. Punkt 1:

n0 = (60 f) / p,

gdzie: p to liczba par biegunów maszyny;
f to częstotliwość sieci.

Punkt 2 o współrzędnych nn i Mn. Prędkość znamionowa nn jest podana w paszporcie. Moment nominalny oblicza się ze wzoru:

tutaj: Рн - moc znamionowa (moc na wale).

Punkt 3 o współrzędnych Mcr ncr. Moment krytyczny oblicza się ze wzoru Мcr = Мн λ. Przeciążalność λ jest określona w paszporcie silnika ncr = n0 (1 - Skr), , Sн = (n0 - nн) / n0 – poślizg nominalny.

Punkt 4 ma współrzędne n=0 i M=Mstart. Moment rozruchowy oblicza się ze wzoru

Mstart \u003d Mn λstart,

gdzie: λstart - krotność momentu rozruchowego jest podana w paszporcie.

Silniki asynchroniczne mają sztywną charakterystykę mechaniczną, ponieważ prędkość obrotowa wirnika (sekcja 1–3) w niewielkim stopniu zależy od obciążenia wału. To jedna z zalet tych silników.

Charakterystyki mechaniczne silników indukcyjnych można wyrazić jako n=f(M) lub n=f(I). Jednak często charakterystyki mechaniczne silników indukcyjnych wyrażane są jako zależność M = f (S), gdzie S to poślizg, S = (nc-n) / nc, gdzie n s to prędkość synchroniczna.

W praktyce do graficznej konstrukcji charakterystyki mechanicznej stosuje się uproszczony wzór, zwany wzorem Klossa:

tutaj: Mk jest krytyczną (maksymalną) wartością momentu. Ta wartość momentu odpowiada poślizgowi krytycznemu

Gdzie λm = Mk/Mn

Formuła Klossa wykorzystywana jest przy rozwiązywaniu zagadnień związanych z napędem elektrycznym, realizowanym za pomocą silnika asynchronicznego. Korzystając ze wzoru Klossa, możesz zbudować wykres charakterystyki mechanicznej zgodnie z danymi paszportowymi silnika indukcyjnego. Do praktycznych obliczeń we wzorze, przy określaniu momentu krytycznego przed pierwiastkiem, należy brać pod uwagę tylko znak plus.

Ryż. 1. Silnik asynchroniczny: a - schemat, b - charakterystyka mechaniczna M \u003d f (S) - naturalna w trybach silnika i generatora, c - naturalna charakterystyka mechaniczna n \u003d f (M) w trybie silnika, d - sztuczna reostatyka mechaniczna charakterystyki, e - charakterystyki mechaniczne dla różnych napięć i częstotliwości.

Jak widać z rys. 1, charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego zlokalizowane w I i III ćwiartce. Część krzywej w I kwadrancie odpowiada dodatniej wartości poślizgu i charakteryzuje motoryczny tryb pracy silnika indukcyjnego, aw III kwadrancie - tryb generatorowy. Tryb silnikowy ma największe znaczenie praktyczne.

Wykres charakterystyki mechanicznej trybu silnika zawiera trzy charakterystyczne punkty: A, B, C i można go warunkowo podzielić na dwie sekcje: OB i BC (ryc. 1, c).

Punkt A odpowiada znamionowy moment obrotowy silnika i jest określony wzorem Mn = 9,55 10 3 (P n/n n)

Moment ten odpowiada , który dla silników ogólnego zastosowania przemysłowego ma wartość w przedziale od 1 do 7%, czyli Sn=1 - 7%. Jednocześnie małe silniki mają większy poślizg, a duże mniej.

Silniki o wysokim poślizgu, przeznaczone do pracy z obciążeniem udarowym, mają S n ~ 15%. Należą do nich na przykład silniki z jednej serii AC.

Punkt C na charakterystyce odpowiada wartości moment rozruchowy powstające na wale silnika podczas rozruchu. Ten moment Mn nazywany jest początkowym lub początkowym. Poślizg w tym przypadku jest równy jeden, a prędkość jest równa zeru. łatwo to określić zgodnie z tabelą referencyjną, która wskazuje stosunek momentu rozruchowego do nominalnego Mp / Mn.

Wartość momentu rozruchowego przy stałej częstotliwości napięcia i prądu zależy od rezystancji czynnej w obwodzie wirnika. W tym przypadku początkowo wraz ze wzrostem rezystancji czynnej moment rozruchowy wzrasta, osiągając maksimum, gdy rezystancja czynna obwodu wirnika jest równa całkowitej rezystancji indukcyjnej silnika. W przyszłości, wraz ze wzrostem rezystancji czynnej wirnika, wartość momentu rozruchowego maleje, dążąc do zera w granicy.

Punkt B (ryc. 1, b i c) odpowiada maksymalny moment obrotowy, który może rozwijać silnik w całym zakresie prędkości od n = 0 do n = n s. Moment ten nazywany jest momentem krytycznym (lub przewracającym) Mk. krytyczny moment odpowiada poślizgowi krytycznemu Sc. Im mniejsza wartość poślizgu krytycznego Sk, a także wartość poślizgu nominalnego Sn, tym większa sztywność charakterystyki mechanicznej.

Zarówno momenty początkowe, jak i krytyczne są określane przez wartość nominalną. Według GOST dla maszyn elektrycznych do silnika klatkowego należy przestrzegać warunku Mp / Mn \u003d 0,9 - 1,2, Mk / Mn \u003d 1,65 - 2,5.

Należy pamiętać, że wartość momentu krytycznego nie zależy od rezystancji czynnej obwodu wirnika, natomiast poślizg krytyczny Sk jest wprost proporcjonalny do tej rezystancji. Oznacza to, że wraz ze wzrostem czynnej rezystancji obwodu wirnika wartość momentu krytycznego pozostaje niezmieniona, jednak maksimum krzywej momentu obrotowego przesuwa się w kierunku rosnących wartości poślizgu (ryc. 1, d).

Wielkość momentu krytycznego jest wprost proporcjonalna do kwadratu napięcia dostarczanego do stojana i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości napięcia i częstotliwości prądu w stojanie.

Jeśli na przykład napięcie dostarczane do silnika jest równe 85% wartości nominalnej, wówczas wartość momentu krytycznego wyniesie 0,85 2 \u003d 0,7225 \u003d 72,25% momentu krytycznego przy napięciu znamionowym.

Odwrotne zjawisko obserwuje się, gdy zmienia się częstotliwość. Jeżeli np. do silnika przeznaczonego do pracy z częstotliwością prądu f = 60 Hz zostanie zasilony prąd o częstotliwości f = 50 Hz, to moment krytyczny otrzyma wartość (60/50) 2 = 1,44 razy większą niż z jego formalną częstotliwością (ryc. 1, e).

Moment krytyczny charakteryzuje chwilową zdolność przeciążania silnika, czyli pokazuje, jakie chwilowe (kilkusekundowe) przeciążenie silnik jest w stanie przenieść bez żadnych szkodliwych konsekwencji.

Nazywa się odcinek charakterystyki mechanicznej od zera do wartości maksymalnej (krytycznej) (patrz ryc. 1, biv) stabilna część charakterystyki, a sekcja BC (ryc. 1, c) - niestabilna część.

Podział ten tłumaczy się tym, że na rosnącej części charakterystyki OF wraz ze wzrostem poślizgu, tj. wraz ze spadkiem prędkości wzrasta moment obrotowy wytwarzany przez silnik. Oznacza to, że wraz ze wzrostem obciążenia, tj. ze wzrostem momentu hamowania, prędkość obrotowa silnika maleje, a rozwijany przez niego moment obrotowy wzrasta. Przeciwnie, gdy obciążenie jest zmniejszone, prędkość wzrasta, a moment obrotowy maleje. Gdy obciążenie zmienia się w całym zakresie stabilnej części charakterystyki, zmieniają się prędkość obrotowa i moment obrotowy silnika.

Silnik nie jest w stanie rozwinąć momentu większego niż krytyczny, a jeśli moment hamowania jest większy, silnik nieuchronnie musi się zatrzymać. Zdarza się, jak mówią, przewracanie silnika.

Nazywa się charakterystykę mechaniczną przy stałych U i I oraz braku dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika naturalna cecha(charakterystyka asynchronicznego silnika klatkowego z wirnikiem fazowym bez dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika). Sztuczne lub reostatyczne cechy nazywane są tymi, które odpowiadają dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika.

Wszystkie wartości momentów rozruchowych są różne i zależą od czynnej rezystancji obwodu wirnika. Ten sam moment nominalny Mn odpowiada poślizgom o różnych rozmiarach. Wraz ze wzrostem rezystancji obwodu wirnika zwiększa się poślizg, aw konsekwencji maleje prędkość obrotowa silnika.

Dzięki uwzględnieniu w obwodzie wirnika rezystancji czynnej, charakterystyka mechaniczna w części stabilnej wydłuża się w kierunku narastającego poślizgu proporcjonalnie do rezystancji. Oznacza to, że prędkość obrotowa silnika zaczyna się silnie zmieniać w zależności od obciążenia wału, a charakterystyka zmienia się z miękkiej na twardą.

Silnik asynchroniczny jest maszyną prądu przemiennego. Słowo „asynchroniczny” oznacza niejednoczesny. Oznacza to, że w silnikach asynchronicznych prędkość obrotowa pola magnetycznego różni się od prędkości obrotowej wirnika. Głównymi częściami maszyny są stojan i wirnik, oddzielone od siebie równomierną szczeliną powietrzną.

Ryc.1. Urządzenie silników asynchronicznych

Stojan jest stałą częścią maszyny (rys. 1, A). Jej rdzeń, w celu zmniejszenia strat wiroprądowych, jest rekrutowany z tłoczonych blach ze stali elektrotechnicznej o grubości 0,35 - 0,5 mm, odizolowanych od siebie warstwą lakieru. Uzwojenie jest umieszczone w rowkach obwodu magnetycznego stojana. W silnikach trójfazowych uzwojenie jest trójfazowe. Fazy ​​uzwojenia można połączyć w gwiazdę lub trójkąt, w zależności od wielkości napięcia sieciowego.

Wirnik jest obracającą się częścią silnika. Obwód magnetyczny wirnika to cylinder złożony z tłoczonych blach ze stali elektrotechnicznej (ryc. 1, B, V). Uzwojenie jest ułożone w rowkach wirnika, w zależności od rodzaju uzwojenia, wirniki silników asynchronicznych dzielą się na zwarte i fazowe (z pierścieniami ślizgowymi). Zwarte uzwojenie składa się z nieizolowanych prętów miedzianych lub aluminiowych (rys. 1, G), połączone na końcach pierścieniami z tego samego materiału („klatka wiewiórki”).

Na wirniku fazowym (patrz ryc. 1, V) uzwojenie trójfazowe jest ułożone w rowkach obwodu magnetycznego, którego fazy są połączone gwiazdą. Wolne końce faz uzwojenia są połączone z trzema miedzianymi pierścieniami ślizgowymi zamontowanymi na wale silnika. Pierścienie ślizgowe są odizolowane od siebie i od wału. Do pierścieni dociskane są szczotki węglowe lub miedziano-grafitowe. Poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki trójfazowy opornik balastowy można podłączyć do uzwojenia wirnika.

Zamiana energii elektrycznej na energię mechaniczną w silniku asynchronicznym odbywa się za pomocą wirującego pola magnetycznego. Wirujące pole magnetyczne to stały przepływ wirujący w przestrzeni ze stałą prędkością kątową.

Niezbędnymi warunkami wzbudzenia wirującego pola magnetycznego są:

Przestrzenne przesunięcie osi cewek stojana,

Przesunięcie czasowe prądów w cewkach stojana.

Osie fazowe uzwojenia są przesunięte w przestrzeni o kąt 120º. Drugi warunek jest zapewniony poprzez zastosowanie trójfazowego układu napięciowego do cewek stojana.

Gdy silnik jest podłączony do sieci trójfazowej, w uzwojeniu stojana powstaje układ prądów o tej samej częstotliwości i amplitudzie, których okresowe zmiany względem siebie są dokonywane z opóźnieniem 1/3 okresu .

Prądy fazowe uzwojenia wytwarzają pole magnetyczne obracające się względem stojana z częstotliwością n 1, obr./min, co nazywa się synchroniczną prędkością silnika:

Gdzie f1– częstotliwość prądu sieci, Hz;

R jest liczbą par biegunów pola magnetycznego.

Przy standardowej częstotliwości prądu sieciowego Hz, częstotliwość wirowania pola zgodnie ze wzorem (1) i w zależności od liczby par biegunów przyjmuje następujące wartości:

R
n 1 , obr./min

Obracając się, pole przecina przewody uzwojenia wirnika, indukując w nich pole elektromagnetyczne. Przy zamkniętym uzwojeniu wirnika pole elektromagnetyczne powoduje prądy, których interakcja z wirującym polem magnetycznym generuje wirujący moment elektromagnetyczny. Prędkość wirnika w trybie silnikowym maszyny asynchronicznej jest zawsze mniejsza niż prędkość pola, tj. wirnik „pozostaje w tyle” za wirującym polem. Tylko w tych warunkach w przewodach wirnika indukowana jest siła elektromotoryczna, płynie prąd i powstaje moment obrotowy. Zjawisko opóźnienia wirnika w stosunku do pola magnetycznego nazywa się poślizgiem. Stopień opóźnienia wirnika w stosunku do pola magnetycznego charakteryzuje się wartością poślizgu względnego

Gdzie nr 2– prędkość wirnika, obr./min.

W przypadku silników asynchronicznych poślizg może wahać się od 1 (start) do wartości bliskiej 0 (bieg jałowy).

Do silników z wirnik klatkowy stosuje się rozruch bezpośredni i rozruch przy obniżonym napięciu.

1. bezpośredni start - uzwojenie stojana jest podłączone bezpośrednio do sieci przy pełnym napięciu. Rozruch bezpośredni jest dozwolony tylko dla silników asynchronicznych z wirnikiem klatkowym małej i średniej mocy (do 15-20 kW). Jednak przy znacznej mocy sieci zasilającej metodę tę można rozszerzyć na silniki o większej mocy (do około 50 kW).

2. Rozruch ze zmniejszonym napięciem. Prąd rozruchowy silnika jest proporcjonalny do napięcia na fazach uzwojenia stojana U 1 dlatego spadkowi napięcia U 1 towarzyszy odpowiedni spadek prądu rozruchowego. Jednak ta metoda prowadzi do zmniejszenia początkowego momentu rozruchowego, który jest proporcjonalny do kwadratu napięcia na fazach uzwojenia stojana. Ze względu na znaczne zmniejszenie momentu rozruchowego ten sposób rozruchu ma zastosowanie tylko przy niewielkich obciążeniach na wale.

Istnieje kilka sposobów na obniżenie napięcia U 1 w momencie uruchomienia:

a) przy łatwym rozruchu silników asynchronicznych średniej mocy, które normalnie działają, gdy fazy uzwojenia stojana są połączone w trójkąt, napięcie na zaciskach tych faz jest redukowane poprzez przełączenie ich w gwiazdę;

b) dla dowolnego rodzaju połączenia faz uzwojenia stojana napięcie można zmniejszyć za pomocą dławika (trójfazowej cewki indukcyjnej) połączonego szeregowo z uzwojeniem stojana. Zmniejszanie napięcia na stojanie przez szeregowe łączenie reostatów jest mniej ekonomiczne, ponieważ bardzo się nagrzewają i występują dodatkowe straty energii elektrycznej;

c) w przypadku silników dużej mocy wskazane jest obniżenie napięcia za pomocą trójfazowego autotransformatora obniżającego napięcie. Ta metoda jest lepsza niż poprzednia, ale znacznie droższa. Po przyspieszeniu wirnika silnika i spadku prądu do uzwojenia stojana podawane jest pełne napięcie sieciowe.

Rozruch silnika z wirnik fazowy odbywa się poprzez włączenie reostatu rozruchowego do obwodu wirnika. Reostat rozruchowy zmniejsza początkowy prąd rozruchowy i jednocześnie zwiększa początkowy moment rozruchowy, który może osiągnąć wartość zbliżoną do momentu maksymalnego. Gdy silnik przyspiesza, reostat rozruchowy jest usuwany.

Regulacja - wymuszona zmiana prędkości przy stałym obciążeniu wału. Wadą silników indukcyjnych jest słaba sterowalność. Istnieją jednak pewne możliwości regulacji.

Ze wzoru na poślizg (2) można otrzymać wyrażenie na prędkość wirnika silnika indukcyjnego

. (3)

Z równości (3) wynika, że ​​prędkość można zmieniać w następujący sposób: zmieniając częstotliwość prądu stojana f1, liczba par biegunów p i poślizg S. Prędkość wirnika można również regulować poprzez zmianę napięcia zasilania U 1. Rozważmy te metody.

Regulacja poprzez zmianę częstotliwości prądu stojanaf1. Regulacja częstotliwości silników asynchronicznych jest najbardziej obiecująca ze względu na dostępność prostych i niezawodnych trójfazowych tyrystorowych przetwornic częstotliwości, które są włączane między sieć przemysłową a silnik asynchroniczny. Kiedy kontrola częstotliwości f1 prędkość obrotową silnika można płynnie zmieniać tak, aby jej maksymalna wartość była dziesiątki lub setki razy większa od minimalnej. p>

Regulacja poprzez zmianę ilości par biegunówR. Przełączanie liczby par biegunów silników asynchronicznych zapewnia skokową regulację prędkości obrotowej wirnika i jest ekonomiczne. Stosowany jest w maszynach ze specjalną konstrukcją uzwojenia stojana, która umożliwia przełączanie jego cewek na różną liczbę par biegunów, a także w przypadku umieszczenia kilku naprzemiennie przełączanych uzwojeń w rowkach obwodu magnetycznego stojana, wykonanych dla różnej liczby par biegunów, np. R= 1 i R= 2. Silniki ze zmianą liczby par biegunów nazywane są wielobiegowymi, przemysł produkuje silniki dla dwóch, trzech i czterech prędkości.

Regulacja poprzez zmianę napięcia wejściowegoU 1. Zmniejszenie napięcia powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej wirnika. Zmniejsz napięcie U 1 mogą być włączone w obwód stojana reostatów, autotransformatorów lub regulowanych dławików. Ta metoda jest stosowana tylko w przypadku silników małej mocy, ponieważ wraz ze spadkiem napięcia zmniejsza się maksymalny moment obrotowy silnika, który jest proporcjonalny do kwadratu napięcia. Zmniejszenie maksymalnego momentu obrotowego zmniejsza margines stabilności silnika. Ponadto zakres regulacji prędkości jest stosunkowo niewielki.

Wymienione powyżej metody sterowania stosowane są dla silników asynchronicznych z wirnikiem klatkowym.

W przypadku silników z wirnikiem fazowym prędkość jest regulowana poprzez zmianę poślizgu. W tym celu w uzwojeniu wirnika znajduje się reostat regulacyjny. Wraz ze wzrostem rezystancji reostatu regulacyjnego poślizg wzrasta, a prędkość obrotowa maleje (ryc. 2).

Ta metoda zapewnia płynną zmianę prędkości.

Zmiana kierunku obrotu wirnika nazywana jest rewersem. Aby odwrócić, należy zamienić dwa przewody na zaciskach uzwojenia stojana silnika.