Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу n = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ? M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 - n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис.1).

Рис.1.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Данные для расчета механических характеристик для данного привода и двигателя:

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц.

Параметры двигателя 4АМ160S4:

Pн= 12,5 кВт,

nн= 1460 об/мин,

cosцн= 0,86,зн= 0,89,kн= 2,2

Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя. Решение.

(3.1) Номинальная мощность, потребляемая из сети:

(3.2) Номинальный ток, потребляемый из сети:

(3.3) Число пар полюсов

где n1 = 1500 - синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 1460 об/мин.

(3.4) Номинальное скольжение:

(3.5) Номинальный момент на валу двигателя:

(3.6) Критический момент

Мк = kм х Мн = 1,5 х 249,5 = 374,25 Нм.

(3.7) Критическое скольжение находим подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.

Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 - s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0, n = 1500 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,03, nн = 1500 об/мин, Мн = 249.5 Нм и точка критического режима sк = 0,078, Мк =374.25 Нм.

Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим

По полученным данным строят механическую характеристику двигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.

Построение естественной механической характеристики двигателя

Механической характеристикой двигателя называется, зависимость частоты вращения n от момента М нагрузки на валу.

Различают естественные и искусственные характеристики электродвигателей.

Естественной механической характеристикой называется - зависимость оборотов двигателя от момента на валу при номинальных условиях работы двигателя в отношении его параметров (номинальные напряжения, частота, сопротивление и тому подобное). Изменение одного или нескольких параметров вызывает соответствующее изменение механической характеристики двигателя. Такая механическая характеристика называется искусственной.

Для построения уравнения механической характеристики асинхронного двигателя воспользуемся формулой Клоса (4.1):

где М k - критический момент двигателя (4.1.1):;

S k - критическое скольжение двигателя (4.1.2);

Перегрузочная способность двигателя (= 3);

S н - номинальное скольжение двигателя (4.1.3):

где n н - скорость вращения ротора;

n 1 - синхронная скорость поля статора (4.1.4);

где f - промышленная частота тока питающей сети, (f = 50 Гц) (4.1.5);

Р - число пар полюсов (для двигателя 4АМ132S4 Р=2)

Номинальное скольжение двигателя 4АМ132S4

Критическое скольжение двигателя

Критический момент двигателя

Для построения характеристики в координатах переходят от скольжения к числу оборотов на основании уравнения

Скольжением задаются в пределах от 0 до 1

S = 0 n = 1500 . (1 - 0) = 1500 об/мин;

Лекция 3

Асинхронные двигатели получили в промышленности весьма широкое применение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей. Асинхронный двигатель прост и надежен в эксплуатации, так как не имеет коллектора; асинхронные двигатели дешевле и значительно легче двигателей постоянного тока.

Для вывода уравнения механической характеристики асинхронного двигателя можно воспользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 3.1, где приняты следующие обозначения:

Uф - первичное фазное напряжение; I 1 - фазный ток статора; I / 2 - приведенный ток ротора; X 1 и Х" 2 - первич­ное и вторичное приведенные реактивные сопротивления рассеяния; Rо и Х 0 - активное и реактивное сопротивления контура намагничивания; s == (w 0 - w)/w 0 - скольжение двигателя; w 0 = 2pn 0 /60 - синхронная угловая скорость двигателя; w 0 = 2pf 1 /p; R 1 и R / 2 - первичное и вторичное приведенные активные сопротивления; f 1 - частота сети; р - число пар полюсов.

Рис. 3.1 Упрощенная схема замещения асинхронного двигателя.

В соответствии с приведенной схемой замещения можно получить выражение для вторичного тока

(2.1)

Момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения потерь Mw 0 s = 3 (I / 2) 2 R / 2 , откуда

(2.2)

Подставляя значение тока I / 2 в (2.1), получаем:

(2.3)

Кривая момента М = f (s) имеет два максимума: один - в генераторном режиме, другой - в двигательном 1 .

Приравнивая dM/ds = 0, определяем значение критиче­ского скольжения Sg, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент

(2.4)

При значительных сопротивлениях роторной цепи максимум момента может оказаться в режиме торможения противовключением.

Подставляя значение Sк в (3.3), находим выражение для максимального момента

(2.5)

Знак «+» в равенствах (2.4) и (2.5) относится к дви­гательному режиму (или торможению противовключением), знак «-» - к генераторному режиму работы параллельно с сетью (при w>w 0)

Если выражение (2.3) разделить на (2.5) и произвести соответствующие преобразования,

Рис. 3.2 Механические характеристики асинхронного двигателя.

то можно получить:

(2.6)

где Мк - максимальный момент двигателя; S К - критическое скольжение, соответствующее макси­мальному моменту; а = R 1 /R / 2 .

Здесь следует подчерк­нуть весьма важное для практики обстоятельство- влияние изменения напря­жения сети на механичес­кие характеристики асинхронного двигателя. Как видно из (3.3), при данном скольжении момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатель этого типа чувствителен к колебаниям напряжения сети.

Критическое скольжение и угловая скорость идеального холостого хода не зависят от напряжения.

На рис. 3.2 приведена механическая характеристика асинхронного двигателя. Ее характерные точки:

1) s = 0; М = 0, при этом скорость двигателя равна синхронной;

2) s = s НОМ; М = М ном что соответствует номинальной скорости и номинальному моменту;

3) s == sk; M == М макс - максимальный момент в двига­тельном режиме;

Начальный пуско­вой момент;

5) s = - s K ; M=M К.Г. - максимальный момент в ге­нераторном режиме работы параллельно с сетью.

При s> 1,0 двигатель работает в режиме торможения противовключением, при s < 0 имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.

Необходимо подчеркнуть, что абсолютные значения S k в двигательном и генераторном параллельно с сетью режимах одинаковы

Однако из (2.6) следует, что максимальные моменты в двигательном и генераторном режимах различны. В генераторном режиме работы параллельно с сетью максимальный момент по абсолютному значению больше, что следует из соотношения

Если в уравнении (2.6) пренебречь активным сопротив­лением статора, то получится формула, более удобная для расчетов:

(2.7)

Подставив в выражение (2.7) вместо текущих значе­ний М и s их номинальные значения и обозначив кратность максимального момента М К /М НОМ, через l, получим:

В последнем выражении перед корнем следует брать знак «+».

Анализ формулы (2.6) показывает, что при s>s к (нерабочая часть характеристики) получится уравнение гиперболы, если вэтом случае пренебречь вторым членам знаменателя в уравнений (3.6), т. е.

Эта часть характеристики практически соответствует лишь пусковым и тормозным режимам.

При малых значениях скольжения (s < s k) для М =f (s) получится уравнение прямой, если пренебречь пер­вым членом в знаменателе (3.6):

Эта линейная часть характеристики является ее рабочей частью, на которой двигатель обычно работает в установив­шемся режиме. На этой же части характеристики находятся точки, соответствующие номинальным данным двигателя: М НОМ, I НОМ, n НОМ, s НОМ.

Статическое падение (перепад) скорости в относитель­ных единицах на естественной механической характеристике асинхронного двигателя при номинальном моменте опреде­ляется его номинальным скольжением.

Номинальное скольжение зависит от сопротивления ротора. Наименьшим номинальным скольжением при оди­наковой мощности и числе полюсов обладают обычно дви­гатели с короткозамкнутым ротором нормального исполне­ния. У этих двигателей в силу конструктивных особенно­стей сопротивление ротора имеет относительно небольшое значение, что ведет к уменьшению значений критического скольжения s k (3.4) и номинального скольжения s НОМ. По тем же причинам при увеличении мощности двигателя уменьшается его номинальное скольжение и растет жест­кость естественной характеристики. Последнее иллюстри­руется кривой рис. 11, построенной по средним данным для двигателей разной мощности.

Максимальный момент, как это видно из (3.5), не зави­сит от активного сопротивления ротора R 2 , критическое же скольжение согласно (3.4) увеличивается по мере увели­чения сопротивления ротора. Вследствие этого у двигателей с фазным ротором при введении резисторов в цепь ротора максимум кривой момента смещается в сторону больших скольжении.

Значение сопротивления R 2 , необходимое для построе­ния естественной и реостатных характеристик двигателя с фазным ротором, определяется из выражения

где Е 2к, I 2НОМ - линейное напряжение при неподвижном роторе и номинальный ток ротора.

На рис. 12 приведено семейство реостатных характе­ристик в двигательном режиме в координатных осях М и со для различных значений сопротивлений роторной цепи. С известным приближением реостатные характеристики в ра­бочей их части могут быть приняты линейными. Это дает возможность при расчете сопротивлений резисторов, вклю­чаемых в роторную цепь асинхронного двигателя, поль­зоваться методами, аналогичными методам, применяемым

Рис. 11. Кривая номинального Рис. 12 Естественная и реостатные механические

скольжения для асинхронных характеристики асинхронного двигателя с фаз-

двигателей разной мощности. ным ротором

для расчета сопротивления цепи якоря двигателя постоян­ного тока независимого возбуждения. Некоторая неточность в определение сопротивления резистора вносится при этом за счет того, что характеристика асинхронного двигателя на участке графика от М = 0 до максимального момента при пуске считается линейной.

Более точным является метод, когда спрямление харак­теристик производится на меньшем участке. Кратность максимального момента l=М К.Д. /М ном должна быть у дви­гателей нормального исполнения с фазным ротором не ниже 1,8, а у двигателей с короткозамкнутым ротором не ниже 1,7. Крановые двигатели отличаются более высокой кратностью максимального момента. Например, для дви­гателей с короткозамкнутым ротором серии МТК l=2,3¸3,4.

Двигатели с фазным ротором упомянутых серий имеют приблизительно те же величины l.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором сущест­венное значение с точки зрения электропривода имеют крат­ности начального пускового момента и начального пуско­вого тока.

На рис. 13 представлены примерные естественные ха­рактеристики двигателя с нормальным короткозамкнутым ротором, имеющим круглые пазы. Эти характеристики по­казывают, что двигатель с короткозамкнутым ротором, потребляя из сети весьма большой ток, имеет сравнительно

Рис. 13. Характеристики со = = f(M) и и == Д (/) для асин­хронного двигателя с короткозамкнутым ротором с круглыми пазами.

низкий начальный пусковой момент. Кратность началь­ного пускового момента двигателей

а для крановых двигателей

Кратность пускового тока

Отсутствие пропорциональности между моментом дви­гателя и током статора во время пуска (рис. 13) объяс­няется значительным снижением магнитного потока двига­теля, а также уменьшением коэффициента мощности вторич­ной цепи при пуске.

Момент асинхронного двигателя, как и любой электри­ческой машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока

(2.8)

При увеличении скольжения растет ЭДС ротора Е 2 =Е 2К s, возрастает ток ротора I / 2 в соответствии с (3.1), асимптотически стремясь к некоторому предельному зна­чению, a cos y 2 с ростом s уменьшается (на рабочем участке характеристики очень мало), асимптотически стремясь к ну­лю при s ®¥. Поток двигателя также не остается неизмен­ным, уменьшаясь при возрастании тока из-за падения на­пряжения на сопротивлениях обмотки статора. Все это и обусловливает отсутствие пропорциональности между то­ком и моментом двигателя.

Для повышения начального пускового момента и сниже­ния пускового тока применяются двигатели с короткозамкнутым ротором специальных конструкций. Роторы элек­тродвигателей имеют две клетки, расположенные концен­трически, или глубокие павы с высокими и узкими стерж­нями. Сопротивление ротора этих двигателей в пусковой

Рис. 14. Механические характерис­тики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с провалом при малых угловых скоростях.

период значительно больше, чем при номинальной скорости, вследствие поверхностного эффекта, обусловленного повышенной частотой тока в роторе при больших скольжениях. Поэтому при переходе к двигателям с глубоким пазом или двойной обмоткой ротора существенно увеличивается кратность пускового момента (увеличивается cos y 2 поток) и снижается кратность пускового тока. Правда, в этом случае несколько уменьшаются коэффициент мощности и КПД, соответствующие номинальной нагрузке.

Необходимо отметить, что у двигателей с короткозамкнутым ротором пусковой момент практически не всегда явля­ется наименьшим значением момента в области двигатель­ного режима. Как видно из рис. 14, механическая харак­теристика двигателя с короткозамкнутым ротором иногда при малых угловых скоростях имеет провал, вызванный влиянием высших гармоник зубцовых полей. Это обстоятельство следует учитывать при пуске двигателя под на­грузкой.

У двигателей с фазным ротором начальный пусковой момент увеличивается по мере возрастания до известных пре­делов сопротивления резистора (рис. 12), а пусковой ток при увеличении сопротивления уменьшается. Начальный пусковой момент может быть доведен до максимального момента. С дальнейшим ростом сопротивления роторной цепи увеличение cos y 2 компенсирует уменьшения тока ротора и пусковой момент уменьшается.

Механические характеристики

асинхронного двигателя в тормозных режимах

В § 3.7 были рассмотрены механические характеристики асинхронной машины, работающей в двигательном режиме. Однако асинхронный двигатель может работать и в тормозных режимах: при торможении с отдачей энергии в сеть, при торможении противовключением и при динамическом торможении.

1. Торможение с отдачей энергии в сеть (генераторный режим работы

Рис. 15. Механические характеристики асинхронного двигателя для различных режимов работы.

параллельно с сетью) возможно при скорости выше синхронной. Механические характеристики асинхронного двигателя в координатах М и w) представлены на рис. 15. В квадранте 1 расположены участки характеристик двигательного режима для трех различных сопротивлений роторной цепи. По мере приближения скорости двигателя к скорости идеального холостого хода, или синхронной скорости, момент двигателя приближается к нулю.

При дальнейшем увеличении угловой скорости под влиянием внешнего момента, когда w>w 0 , двигатель работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он может отдавать электрическую энергию, потребляя при этом реактивную мощность для возбуждения. Торможению с отдачей энергии в сеть отвечают участки характеристик, расположенные в верхней части квадранта 2. В этом режиме, как видно из (3.5), максимальный момент имеет большее значение, чем в двигательном. Режим торможения с отдачей энергии в сеть применяется практически для двигателей с переключением полюсов, а также для приводов грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т. п.) и в некоторых других случаях.

2. Торможение противовключением имеет значительно большее применение на практике. Режим торможения про­тивовключением может быть получен, так же как и для дви­гателя постоянного тока, при движущем моменте нагрузки Мс > М П (Рис. 15). Для ограничения тока и получения соответствующего момента необходимо при использовании двигателя с фазным ротором в его роторную цепь включить дополнительный резистор. Установившемуся режиму при торможении противовключением соответствует, например, точка - w УСТ, М С на характеристике (рис. 15).

Механическая характеристика для Rp 1 в режиме тормо­жения противоаключением и М С == const не обеспечивает устойчивой работы. Торможение противовключением может быть получено также путем переключения на ходу двух фаз обмотки статора, что ведет к перемене направления вра­щения магнитного поля (переход из точки А в точку В на рис. 16). Ротор при этом вращается против направления движения поля и постепенно замедляется. Когда угловая скорость спадет до нуля (точка С на рис. 16), двигатель нужно отключить от сети, иначе он может вновь перейти в двигательный режим, причем ротор его будет вращаться в направлении, обратном предыдущему (точка D).

3. Динамическое торможение асинхронного двигателя осуществляется обычно включением обмотки статора на сеть постоянного тока; обмотка ротора при этом замыкается на внешние резисторы. Для перехода из двигательного режима в режим динамического торможения контактор К1 (рис. 17) отключает статор от сети переменного тока, а контактор К2 присоединяет обмотку статора к сети постоянного тока. Для ограничения тока и получения различных тормозных характеристик в цепи ротора предусмотрены внешние резисторы.

Проходя по обмотке статора, постоянный ток образует неподвижное поле, основная волна которого дает синусоидальное распределение индукции. Во вращающемся роторе возникает переменный ток, создающий свое поле, которое

также неподвижно относительно статора. В результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора возникает тормозной момент, который зависит от МДС статора, сопротивления ротора и угловой скорости двигателя. Механические характеристики для этого режима приведены в нижней части квадранта 2 (см. рис. 15). Они проходят через начало координат, так как при угловой скорости, равной нулю, тормозной момент в этом режиме также равен нулю. Максимальный момент пропорционален квадрату приложенного к статору напряжения 1 и возрастает с ростом напряжения. Критическое скольжение зависит от

Рис 16. Механические харак- Рис. 17 Схема включения

Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f(M). Эту характеристику (рис. 2.15) можно получить, используя зависимость M = f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Так как S = (n0 - n) / n0, отсюда n = n0(1 - S). Напомним, что n0 = (60 f) / p – частота вращения магнитного поля.

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 – неустойчивой работе. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n0. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты Мн и nн. Точка 3 соответствует критическому моменту Мкр и критической частоте вращения nкр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя Мпуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1:

n0 = (60 f) / p,

где: р – число пар полюсов машины;
f – частота сети.

Точка 2 с координатами nн и Мн. Номинальная частота вращения nн задается в паспорте. Номинальный момент рассчитывается по формуле:

здесь: Рн – номинальная мощность (мощность на валу).

Точка 3 с координатами Мкр nкр. Критический момент рассчитывается по формуле Мкр = Мн λ. Перегрузочная способность λ задается в паспорте двигателя nкр = n0 (1 - Sкр), , Sн = (n0 - nн) / n0 – номинальное скольжение.

Точка 4 имеет координаты n=0 и М=Мпуск. Пусковой момент вычисляют по формуле

Мпуск = Мн λпуск,

где: λпуск – кратность пускового момента задается в паспорте.

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1–3) мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из достоинств этих двигателей.

Механические характеристики асинхронных двигателей могут быть выражены в виде n=f(M) или n =f (I ). Однако часто механические характеристики асинхронных двигателей выражаются в виде зависимости M = f(S), где S - скольжение, S = (nc-n)/nc , где n с - синхронная скорость.

На практике для графического построения механической характеристики пользуются упрощенной формулой, называемой формулой Клосса:

здесь: Мк - критическое (максимальное) значение момента. Этому значению момента отвечает критическое скольжение

где λм = Мк/Мн

Формула Клосса применяется при решении вопросов, связанных с электроприводом, осуществляемым с помощью асинхронного двигателя. Пользуясь формулой Клосса можно построить график механической характеристики по паспортным данным асинхронного двигателя. Для практических расчетов в формуле при определении критического момента перед корнем следует принимать во внимание только знак плюс.

Рис. 1. Асинхронный двигатель: а - принципиальная схема, б - механическая характеристика М=f(S) - естественная в двигательном и генераторном режимах, в - естественная механическая характеристика n=f(М) в двигательном режиме, г - искусственные реостатные механические характеристики, д - механические характеристики для различных напряжений и частот.

Как видно из рис. 1, механическая характеристика асинхронного двигателя располагается в I и III квадрантах. Часть кривой в I квадранте соответствует положительному значению скольжения и характеризует двигательный режим работы асинхронного двигателя, а в III квадранте - генераторный режим. Наибольший практический интерес представляет двигательный режим.

График механической характеристики двигательного режима содержит три характерные точки: А, В, С и условно может быть подразделен на два участка: ОВ и ВС (рис. 1, в).

Точка А соответствует номинальному моменту двигателя и определяется по формуле Мн = 9,55 10 3 (P н/n н)

Этому моменту соответствует , которое для двигателей общепромышленного применения имеет величину в пределах от 1 до 7%, т. е. Sн=1 - 7%. При этом мелкие двигатели имеют большее скольжение, а крупные - меньшее.

Двигатели с повышенным скольжением , предназначенные для работы с ударной нагрузкой, имеют S н~15%. К ним относятся, например, двигатели единой серии АС.

Точка С на характеристике соответствует величине начального вращающего момента , возникающего на валу двигателя при пуске. Этот момент Мп носит название начального, или пускового. Скольжение при этом равно единице, а скорость - нулю. легко определить по данным справочной таблицы, где указывается отношение пускового момента к номинальному Мп/Мн.

Величина пускового момента при постоянных величинах напряжения и частоты тока зависит от активного сопротивления в цепи ротора. При этом вначале с возрастанием активного сопротивления увеличивается величина пускового момента, достигая своего максимума при равенстве активного сопротивления цепи ротора и полного индуктивного сопротивления двигателя. В дальнейшем с возрастанием активного сопротивления ротора величина пускового момента уменьшается, стремясь в пределе к нулю.

Точка В (рис. 1,б и в) соответствует максимальному моменту , который может развивать двигатель на всем диапазоне скоростей от n = 0 до n = n с. Этот момент носит название критического (или опрокидывающего) момента Мк. Критическому моменту соответствует и критическое скольжение Sк. Чем меньше величина критического скольжения Sк, а также величина номинального скольжения S н, тем больше жесткость механической характеристики.

Как пусковой, так и критический моменты определяются через номинальный. Согласно ГОСТ на электрические машины для короткозамкнутого двигателя должно соблюдаться условие Мп/Мн = 0,9 - 1,2, Мк/Мн = 1,65 - 2,5.

Следует иметь в виду, что величина критического момента не зависит от активного сопротивления роторной цепи, в то время как критическое скольжение S к прямо пропорционально этому сопротивлению. Это означает, что с увеличением активного сопротивления роторной цепи величина критического момента остается неизменной, однако максимум кривой момента смещается в сторону возрастающих значений скольжения (рис. 1, г).

Величина критического момента прямо пропорциональна квадрату напряжения, подводимого к статору, и обратно пропорциональна квадрату частоты напряжений и частоты тока в статоре.

Если, например, напряжение, подводимое к двигателю, будет равно 85% номинального значения, то величина критического момента при этом составит 0,85 2 = 0,7225 = 72,25% критического момента при номинальном напряжении.

Обратное явление наблюдается при изменении частоты. Если, например, к двигателю, предназначенному для работы с частотой тока f = 60 гц, подвести ток частотой f = 50 гц, то критический момент получит в (60/50) 2 = 1,44 раза большее значение, чем при своей формальной частоте (рис. 1, д).

Критический момент характеризует собой мгновенную перегрузочную способность двигателя, т. е. он показывает, какую мгновенную (на несколько секунд) перегрузку способен перенести двигатель без каких-либо вредных последствий.

Участок механической характеристики от нулевого до максимального (критического) значения (см. рис. 1 , бив) носит название устойчивой части характеристики , а участок ВС (рис. 1,в) - неустойчивой части .

Объясняется такое деление тем, что на возрастающей части характеристики ОВ с увеличением скольжения, т.е. с уменьшением скорости, растет развиваемый двигателем момент. Это означает, что при увеличении нагрузки, т. е. при возрастании тормозного момента, уменьшается скорость вращения двигателя, а развиваемый им момент увеличивается. При снижении нагрузки, наоборот, скорость возрастает, а момент уменьшается. При изменении нагрузки на всем диапазоне устойчивой части характеристики происходит изменение скорости вращения и момента двигателя.

Двигатель не в состоянии развить момент больше критического, и если тормозной момент окажется больше, двигатель неминуемо должен остановиться. Происходит, как принято говорить, опрокидывание двигателя .

Механическая характеристика при постоянных U и I и отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора называется естественной характеристикой (характеристика короткозамкнутого асинхронного двигателя с фазным ротором без добавочного сопротивления в цепи ротора). Искусственными, или реостатными, характеристиками называются такие, которые соответствуют добавочному сопротивлению в цепи ротора.

Все значения пусковых моментов различны между собой и зависят от активного сопротивления цепи ротора. Одному и тому же номинальному моменту Мн соответствуют скольжения различной величины. С увеличением сопротивления цепи ротора возрастает скольжение и, следовательно, уменьшается скорость вращения двигателя.

Благодаря включению в цепь ротора активного сопротивления механическая характеристика в устойчивой части вытягивается в сторону возрастания скольжения, пропорционально сопротивлению. Это означает, что скорость двигателя начинает сильно меняться в зависимости от нагрузки на валу и характеристика из жесткой делается мягкой.

Асинхронный двигатель – это машина переменного тока. Слово «асинхронный» означает неодновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Рис.1. Устройство асинхронных двигателей

Статор – неподвижная часть машины (рис. 1, а ). Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Ротор – вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 1, б , в ). В пазах ротора укладывают обмотку, в зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни (рис. 1, г ), соединенные с торцов кольцами из этого же материала («беличья клетка»).

У фазного ротора (см. рис. 1, в ) в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой. Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пуско-регулировочный реостат.

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле это постоянный поток, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью.

Необходимыми условиями возбуждения вращающегося магнитного поля являются:

Пространственный сдвиг осей катушек статора,

Временной сдвиг токов в катушках статора.

Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120º. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений.

При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотой n 1 , об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

где f 1 – частота тока сети, Гц;

р – число пар полюсов магнитного поля.

При стандартной частоте тока сети Гц частота вращения поля по формуле (1) и в зависимости от числа пар полюсов имеет следующие значения:

р
n 1 , об/мин

Вращаясь, поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает токи, при взаимодействии которых с вращающимся магнитным полем возникает вращающий электромагнитный момент. Частота вращения ротора в двигательном режиме асинхронной машины всегда меньше частоты вращения поля, т.е. ротор «отстает» от вращающегося поля. Только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент. Явление отставания ротора от магнитного поля называется скольжением. Степень отставания ротора от магнитного поля характеризуется величиной относительного скольжения

где n 2 – частота вращения ротора, об/мин.

Для асинхронных двигателей скольжение может изменяться в пределах от 1 (пуск) до величины, близкой 0 (холостой ход).

Для двигателей с короткозамнутым ротором используют прямой пуск и пуск при пониженном напряжении.

1. Прямой пуск – обмотка статора включается непосредственно в сеть на полное напряжение. Прямой пуск допустим только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности (до 15-20 кВт). Однако при значительной мощности питающей сети этот способ можно распространить на двигатели большей мощности (примерно до 50 кВт).

2. Пуск при пониженном напряжении . Пусковой ток двигателя пропорционален напряжению на фазах обмотки статора U 1 , поэтому уменьшение напряжения U 1 сопровождается соответствующим уменьшением пускового тока. Однако такой способ приводит к уменьшению начального пускового момента, который пропорционален квадрату напряжения на фазах обмотки статора. Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска применим только при малых нагрузках на валу.

Имеется несколько способов понижения напряжения U 1 в момент пуска:

а) при легком пуске асинхронных двигателей средней мощности, которые нормально работают при соединении фаз обмотки статора треугольником, применяют снижение напряжения на зажимах этих фаз переключением их в звезду;

б) при любом типе соединения фаз обмотки статора понизить напряжение можно с помощью реактора (трехфазной индуктивной катушки), включенного последовательно в обмотку статора. Менее экономично снижать напряжение на статоре последовательным включением реостатов, так как они при этом сильно нагреваются и возникают дополнительные потери электрической энергии;

в) для двигателей большой мощности снижать напряжение целесообразно при помощи понижающего трехфазного автотрансформатора. Этот способ лучше предыдущего, но значительно дороже. После того, как ротор двигателя разгонится, и ток спадает, на обмотку статора подается полное напряжение сети.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора. Пусковой реостат снижает величину начального пускового тока и одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть величины, близкой к максимальному моменту. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводят.

Регулирование- принудительное изменение частоты вращения при постоянной нагрузке на валу. Недостатком асинхронных двигателей является плохая регулировочная способность. Но все же некоторые возможности регулирования имеются.

Из формулы скольжения (2) можно получить выражение частоты вращения ротора асинхронного двигателя

. (3)

Из равенства (3) следует, что изменять частоту вращения можно следующими способами: изменением частоты тока статора f 1 , числа пар полюсов р и скольжения s . Частоту вращения ротора можно регулировать и изменением напряжения питания U 1 . Рассмотрим эти способы.

Регулирование изменением частоты тока статора f 1 . Частотное регулирование асинхронных двигателей является наиболее перспективным в связи с наличием простых и надежных трехфазных тиристорных преобразователей частоты, которые включают между промышленной сетью и асинхронным двигателем. При регулировании частоты f 1 скорость двигателя можно плавно изменять так, что ее максимальное значение будет в десятки или сотни раз превышать минимальные. p>

Регулирование изменением числа пар полюсов р . Переключение числа пар полюсов асинхронных двигателей обеспечивает ступенчатое регулирование частоты вращения ротора и отличается экономичностью. Оно применяется в машинах со специальным исполнением обмотки статора, допускающим переключение ее катушек на различное число пар полюсов, а также, когда в пазах магнитопровода статора размещено несколько поочередно включаемых обмоток, выполненных на разное число пар полюсов, например, р = 1 и р = 2. Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными, промышленностью выпускаются двигатели на две, три и четыре скорости.

Регулирование изменением подводимого напряжения U 1 . Понижение напряжения вызывает снижение скорости ротора. Уменьшать напряжение U 1 можно включением в цепь статора реостатов, автотрансформаторов или регулируемых дросселей. Данный метод применяется только у двигателей малой мощности, так как при уменьшении напряжения уменьшается максимальный момент двигателя, который пропорционален квадрату напряжения. Снижение максимального момента уменьшает запас по устойчивости работы двигателя. Кроме того, диапазон регулирования частоты вращения сравнительно небольшой.

Перечисленные выше способы регулирования применяются для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

У двигателей с фазным ротором частота вращения регулируется изменением скольжения. Для этого в обмотку ротора включают регулировочный реостат. При увеличении сопротивления регулировочного реостата скольжение увеличивается, а частота вращения уменьшается (рис. 2).

Этот способ обеспечивает плавное изменение частоты вращения.

Изменение направления вращения ротора называется реверсированием. Для реверса необходимо поменять местами два провода на зажимах статорной обмотки двигателя.