Анализ работы асинхронного электродвигателя удобно про­водить на основе его механических характеристик, представ­ляющих собой графически выраженную зависимость вида п = f (М ). Скоростными характеристиками в этих случаях пользуются весьма редко, так как для асинхронного электродвига­теля скоростная характеристика представляет собой зависи­мость числа оборотов от тока ротора, при определении которого встречается ряд трудностей, особенно, в случае асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Для асинхронных электродвигателей, так же как и для электродвигателей постоянного тока, различают естественные и искусственные механические характеристики. Асинхронный электродвигатель работает на естественной механической ха­рактеристике в том случае, если его статорная обмотка подключена к сети трехфазного тока, напряжение и частота тока которой соответствует номинальным значениям, и если в цепь ротора не включены какие-либо дополнительные сопро­тивления.

На рис. 42 была приведена зависимость М = f (s ), которая позволяет легко перейти к механической характеристике n = f (M ), так как, согласно выражению (82) , от величины скольжения зависит скорость вращения ротора.

Подставив формулу (81) в выражение (91) и решив полу­ченное уравнение относительно п 2 получим следующее уравне­ние механических характеристик асинхронного электродвигателя

Член r 1 s опущен, ввиду его малости. Механические харак­теристики, соответствующие это­му уравнению, приведены на рис. 44.

Для практических построений уравнение (95) неудобно, поэто­му на практике обычно пользу­ются упрощенными уравнениями. Так, в случае работы электродвигателя на естественной ха­рактеристике при вращающем моменте, не превышающем 1,5 его номинального значения, сколь­жение обычно не превышает 0,1. Поэтому для указанного случая в уравнении (95) можно пренебречь членом x 2 s 2 /kr ’ 2 ·M , в результате чего получим следующее упрощенное уравнение естествен­ной характеристики:

являющееся уравнением прямой линии, наклоненной к оси абсцисс.

Хотя уравнение (97) является приближенным, опыт пока­зывает, что при изменениях момента в пределах от М = 0 до М =1,5М н характеристики асинхронных электродвигателей действительно прямолинейны и уравнение (97) дает результа­ты, хорошо согласующиеся с опытными данными.

При введении в цепь ротора дополнительных сопротивлений характеристику п = f (М ) с достаточной для практических це­лей точностью также можно считать прямолинейной в указанных пределах для вращающего момента и производить ее построение по уравнению (97).

Таким образом, механические характеристики асинхронного электродвигателя в диапазоне от М = 0 до М = 1,5 М н при раз­личных сопротивлениях роторной цепи представляют семейство прямых, пересекающихся в одной точке, соответствующей син­хронному числу оборотов (рис. 45). Как показывает уравнение (97), наклон каждой характеристики к оси абсцисс определя­ется величиной активного сопротивления роторной цепи r ’ 2 . Очевидно, чем больше сопротивле­ние, введенное в каждую фазу ро­тора, тем больше наклонена к оси абсцисс характеристика.

Как указывалось, обычно на практике скоростными характери­стиками асинхронных электродвига­телей не пользуются. Расчет же пусковых и регулировочных сопро­тивлений производят с помощью уравнения (97). Построение естест­венной характеристики можно вы­полнить по двум точкам - по синхронной скорости n ­ 1 = 60f /р при ну­левом моменте и по номинальной скорости при номинальном моменте.

Следует иметь в виду, что для асинхронных электродвигателей зависимость момента от тока ротора I 2 носит более слож­ный характер, чем зависимость момента от тока якоря для

электродвигателей постоянного тока. Поэтому скоростная ха­рактеристика асинхронного двигателя неидентична механиче­ской характеристике. Характеристика п = f (I 2 ) имеет вид, показанный на рис. 46. Там же дана характеристика n = f (I 1 ).

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

Асинхронные двигатели являются основными двигателями, которые наиболее широко используются как в промышленности, так и в агропромышленном производстве. Они обладают существенными преимуществами перед другими типами двигателей: просты в эксплуатации, надежны и имеют низкую стоимость.

В трехфазном асинхронном двигателе при подключении обмотки статора к сети трехфазного переменного напряжения создается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них ЭДС, под воздействием которой в роторе появляются ток и магнитный поток. Взаимодействие магнитных потоков статора и ротора создает вращающий момент двигателя. Появление в обмотке ротора ЭДС, следовательно, и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями вращения магнитного поля статора и ротора. Это различие в скоростях называют скольжением.

Скольжение асинхронного двигателя - это мера того, насколько ротор отстает в своем вращении от вращения магнитного поля статора. Оно обозначается буквой S и определяется по формуле

, (2.17)

где w 0 - угловая скорость вращения магнитного поля статора (синхронная угловая скорость двигателя); w - угловая скорость ротора; ν – частота вращения двигателя в относительных единицах.

Скорость вращения магнитного поля статора зависит от частоты тока питающей сети f и числа пар полюсов р двигателя: . (2.18)

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя можно вывести на основе упрощенной схемы замещения, приведенной на рис.2.11. В схеме замещения приняты следующие обозначения: U ф - первичное фазное напряжение; I 1 - фазный ток в обмотках статора; I 2 ́ - приведенный ток в обмотках ротора; X 1 – реактивное сопротивление обмотки статора; R 1 , R 1 2 – активные сопротивления в обмотках соответственно статора и приведенного ротора; X 2 ΄- приведенное реактивное сопротивление в обмотках ротора; R 0 , X 0 - активное и реактивное сопротивления контура намагничивания; S – скольжение.

В соответствии со схемой замещения на рис.2.11 выражение для тока ротора имеет вид

Рис. 2.11. Схема замещения асинхронного двигателя

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения Мw 0 S=3(I 2 ΄) 2 R 2 ΄ по формуле

Подставив значение тока I 2 ΄ из формулы (2.19) в формулу (2.20), определяем вращающий момент двигателя в зависимости от скольжения, т.е. аналитическое выражение механической характеристики асинхронного двигателя имеет вид

График зависимости M= f(S) для двигательного режима представлен на рис.2.12. В процессе разгона момент двигателя изменяется от пускового M n до максимального момента, который называется критическим моментом M к . Скольжение и скорость двигателя, соответствующие наибольшему (максимальному) моменту, называют критическими и обозначают соответственно S к, w к . Приравняв производную нулю в выражении (2.21), получим значение критического скольжения S k , при котором двигатель развивает максимальный момент:

где Х к =(Х 1 +Х 2 ΄) – реактивное сопротивление двигателя.

Рис.2.12. Естественная механическая характеристика асинхронного электродвигателя Рис.2.13. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при изменении напряжения сети

Для двигательного режима S к берется со знаком “плюс”, для сверхсинхронного - со знаком “минус”.

Подставив значение S к (2.22) в выражение (2.21), получим формулы максимального момента:

а) для двигательного режима

б) для сверхсинхронного торможения

(2.24)

Знак “плюс” в равенствах (2.22) и (2.23) относится к двигательному режиму и к торможению противовключением; знак “минус” в формулах (2.21), (2.22) и (2.24) - к сверхсинхронному режиму двигателя, работающего параллельно с сетью (при w>w 0 ).

Как видно из (2.23) и (2.24), максимальный момент двигателя, работающего в режиме сверхсинхронного торможения, будет больше по сравнению с двигательным режимом из-за падения напряжения на R 1 (рис. 2.11).

Если выражение (2.21) разделить на (2.23) и произвести ряд преобразований с учетом уравнения (2.22), можно получить более простое выражение для зависимости M= f(S) :

где – коэффициент.

Пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора R 1 , т.к. у асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт сопротивление R 1 значительно меньше Х к , можно приравнять а ≈ 0 , получаем более удобную и простую для расчетов формулу определения момента двигателя по его скольжению (формула Клосса):

. (2.26) Если в выражение (2.25) вместо текущих значений M и S подставить номинальные значения и обозначить кратность моментов M к /M н через k max , получим упрощенную формулу для определения критического скольжения:

В (2.27) любой результат решения под корнем брать со знаком “+”, ибо при знаке “-” решение данного уравнения не имеет смысла. Уравнения (2.21), (2.23), (2.24), (2.25) и (2.26) являются выражениями, описывающими механическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 2.12).

Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя можно получить за счет изменения напряжения или частоты тока в питающей сети либо введения добавочных сопротивлений в цепь статора или ротора.

Рассмотрим влияние каждого из названных параметров (U, f, R д) на механические характеристики асинхронного двигателя.

Влияние напряжения питающей сети. Анализ уравнений (2.21) и (2.23) показывает, что изменение напряжения сети влияет на момент двигателя и не влияет на его критическое скольжение. При этом момент, развиваемый двигателем, изменяется пропорционально квадрату напряжения:

М≡ kU 2 , (2.28)

где k – коэффициент, зависящий от параметров двигателя и скольжения.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения сети представлены на рис 2.13. В данном случае U н = U 1 >U 2 >U 3 .

Влияние добавочного внешнего активного сопротивления, включенного в цепь статора. Добавочные сопротивления вводят в цепь статора для уменьшения пусковых значений тока и момента (рис.2.14а). Падение напряжения на внешнем сопротивлении является в данном случае функцией тока двигателя. При пуске двигателя, когда величина тока большая, напряжение на обмотках статора снижается.

Рис.2.14. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя при включении активного сопротивления в цепь статора

При этом согласно уравнениям (2.21), (2.22) и (2.23) изменяются пусковой момент М п , критический момент М к и угловая скорость ω к . Механические характеристики при различных добавочных сопротивлениях в цепи статора представлены на рис.2.14б, где R д2 >R д1 .

Влияние добавочного внешнего сопротивления, включенного в цепь ротора . При включении добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя с фазным ротором (рис.2.15а) его критическое скольжение повышается, что объясняется выражением .

Рис.2.15. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя с фазным ротором при включении добавочного сопротивления в цепь ротора

В выражение (2.23) величина R / 2 не входит, так как эта величина не влияет на М К, поэтому критический момент остается неизменным при любом R / 2 . Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных добавочных сопротивлениях в цепи ротора представлены на рис.2.15б.

Влияние частоты тока питающей сети . Изменение частоты тока влияет на величину индуктивного сопротивления X к асинхронного двигателя и, как видно из уравнений (2.18), (2.22), (2.23) и (2.24), оказывает влияние на синхронную угловую скорость w 0 , критическое скольжение S к и критический момент M к . Причем ; ; w 0 ºf , где C 1 , C 2 - коэффициенты, определяемые параметрами двигателя, не зависящими от частоты тока f .

Механические характеристики двигателя при изменении частоты тока f представлены на рис.2.16.

0 ω К1 ω К2 ω К3 ω f H > f 1
Рис.2.16. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты тока питающей сети

38) Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Механическая характеристика . Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98-92,5 % частоты вращения n 1 (скольжение s ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а - естественная; б - при включении пускового реостата

на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M max двигатель развивает при некоторое скольжении s kp , составляющем 10-20%. Отношение M max /M ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М п /М ном - его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M max (до точки В). Если нагрузочный момент М вн превысит момент M max , то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5-7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R 1п (кривая 2), R 2п (кривая 3) и R 3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R 2 и возрастает s кp . При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М п также зависит от R 2 . Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М п был равен наибольшему М max .

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М п такого двигателя значительно больше, чем момент М’ п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

НА ВСЯКИЙ СЛУЧАЙ РАБОЧУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ!!!

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М 2 , тока статора I 1 коэффициента полезного действия? и cos? 1 , от полезной мощности Р 2 = Р mx при номинальных значениях напряжения U 1 и частоты f 1 (рис. 264). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10-20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р 2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М 2 пропорционален мощности Р 2 , он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I 1 , возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р 2 = 0 имеется некоторый ток холостого хода I 0 . К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75-0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cos? 1 асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7-0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При нагрузках 25-50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5-0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25-0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз. Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении - не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы). Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75U ном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5-1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении. Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз. При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении. Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты. Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

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;