Характеристика асинхронного двигателя

1) до частоты вращения  ротора  об/мин ( ), вращаясь быстрее ротора, способствует его разгону;

2) при  об/мин ( ) она неподвижна относительно ротора и ;

3) при  об/мин ( ) частота вращения седьмой гармоники поля меньше частоты вращения ротора, момент от седьмой гармоники – тормозящий (кривая 2, рис. 3.5).

Аналогично для 5-й  гармоники поля, вращающейся против основной,

 об/мин и  .

 Момент от 5-й гармонической показан  кривой 3 на рис. 4.5. Результирующий момент (кривая 4, рис. 4.5) определяют сложением  моментов . Провал в кривой результирующего момента в начале разгона двигателя может привести к устойчивой работе на весьма малой частоте вращения (точка а, на рис. 4.5, которая соответствует равенству результирующего момента и полезного момента на валу двигателя). Для уменьшения моментов от высших гармонических магнитного поля в машинах применяют распределенные обмотки с укороченным шагом, что приближает кривую МДС к синусоидальной форме. При пуске опасными является действие прямых гармоник магнитного поля, а при торможении – обратных. Вследствие изложенного моменты от высших гармоник поля называют паразитными. Отношение минимального момента в процессе пуска к номинальному для двигателей общепромышленных серий не должно быть меньше 0,8.

 

 

3.5 Устойчивость работы асинхронного двигателя

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность  двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных  возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и т. д.).

Электромагнитный момент двигателя М, который является вращающим, уравновешивает тормозящие моменты: момент , соответствующий потерям холостого хода ( ), покрываемым за счет механической мощности; момент нагрузки на валу, создаваемый рабочей машиной или механизмом; динамический момент, зависящий от момента инерции вращающихся масс и ускорения ротора ;

 

.                              

 

Обозначив статический  момент сопротивления  , получим

 

.                                   

 

При ускорение ротора

 

,                           

 

т. е. ротор вращается  с установившейся частотой. Если , ротор ускоряется, а при замедляется.

Устойчивость зависит  от конкретных условий, при которых работает электродвигатель, в частности от формы механических характеристик двигателя и приводимого им во вращение производственного механизма.

 Типичные механические характеристики производственных механизмов приведены  на рис. 3.6, а. Независимость статического момента от частоты вращения ( , кривая 1) характеризует грузоподъемные механизмы (лифты, краны, лебедки и т. д.). У вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов нагрузочный момент пропорционален (кривая 2) второй степени частоты вращения ( ). Эту характеристику называют вентиляторной. Тяговый электропривод, как правило, имеет характеристику, соответствующую уравнению (кривая 3). Большое трение в состоянии покоя и при малых частотах вращения характерно для бетономешалок и шаровых мельниц. В таких механизмах при увеличении частоты вращения нагрузочный момент падает (кривая 4).

Условия устойчивой работы рассмотрим на примере работы двигателя  совместно с механизмом, у которого нагрузочный момент падает при увеличении частоты вращения (рис. 3.6, б). Пусть двигатель работает в точке и развивает момент при . Если со стороны механизма момент увеличится до , то частота вращения двигателя несколько замедлится, а скольжение увеличится до . При этом возрастут ЭДС , ток в роторе     и электромагнитный момент до значения . Двигатель войдет в новое равновесное состояние, работая с повышенным моментом и скольжением (точка ).

При уменьшении статического момента до значения, соответствующего точке с, под действием положительного динамического момента , частота вращения увеличится, уменьшится скольжение и ЭДС, а следовательно, ток ротора и электромагнитный момент до значения .

Изменение момента на валу двигателя, работающего в режиме, соответствующему точке а (рис. 3.6, б) неизбежно приведет к остановке двигателя (если момент увеличить) или значительному увеличению частоты вращения и уменьшению скольжения до (если момент нагрузки уменьшить).

Таким образом, асинхронный  двигатель при работе на части  механической характеристики обладает свойством внутреннего саморегулирования, благодаря которому его вращающий момент автоматически регулируется по закону . Это регулирование осуществляется за счет увеличения или уменьшения частоты вращения ротора , т. е. система регулирования является статической.

Сравнивая условия работы двигателя  в точках а и , делаем вывод, что работа двигателя устойчивая, если при увеличении частоты вращения статический момент уменьшается медленнее, чем электромагнитный момент двигателя :

 

.                                   

Данное условие является необходимым, но недостаточным. При резком изменении режима работы двигателя, работающего при скольжениях, близких к , перегрузка двигателя может привести к его останову при , поэтому максимальный момент называют иногда опрокидывающим моментом.

Повышению устойчивости асинхронного двигателя способствует увеличение его максимального момента (кратности  максимального момента или его перегрузочной способности).

Увеличение перегрузочной  способности асинхронного двигателя  ведет к возрастанию его габаритов  и массы или к снижению энергетических показателей.

Вращающий момент асинхронного двигателя  зависит от квадрата питающего напряжения, поэтому качество электроснабжения имеет большое значение для обеспечения устойчивой работы двигателей,    поскольку даже незначительное уменьшение напряжения сказывается на величине максимального момента, а значительное уменьшение может привести к останову двигателя.

 

3.6 Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками называют графические зависимости частоты вращения (или скольжения ), момента на валу , потребляемой активной мощности , тока статора , коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от полезной мощности при и . Их определяют экспериментально или расчетным путем, чаще всего по схемам замещения. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т. е. в диапазоне изменения скольжения от 0 до s = (1,1-1,2)s_H.

При изменении рабочего режима от холостого хода до полной    нагрузки частота вращения изменяется незначительно (рис. 4.6), так как при проектировании двигателей с целью уменьшения потерь мощности в роторе стремятся, чтобы скольжение в номинальном режиме не превышало 0,02-0,06. Следовательно, скоростная (электромеханическая) характеристика двигателя является жесткой.

Для объяснения снижения частоты вращения при увеличении нагрузки на валу (возрастанию полезной мощности ) следует воспользоваться формулой:

~ ,                            

 

поскольку ЭДС статорной обмотки  = const, а коэффициент мощности роторной цепи в рассматриваемом диапазоне изменения скольжения.

Вращающий момент на валу двигателя  ; при малом изменении частоты вращения практически момент ~ : зависимость почти линейна. Характеристика электромагнитного момента ( ), отличающегося от момента на валу двигателя на небольшую постоянную величину момента холостого хода, проходит выше характеристики .

Характеристика потребляемой двигателем активной мощности нелинейна и зависит от вида (рис. 3.7) характеристики . При малых значениях нагрузки КПД двигателя возрастает      и потребляемая мощность растет незначительно. При нагрузке, близкой к номинальной, КПД незначительно изменяется при увеличении нагрузки (повышаясь до максимального значения и снижаясь при дальнейшем увеличении нагрузки). При этом зависимость почти линейна. При дальнейшем увеличении нагрузки, вследствие значительного      возрастания переменных потерь и уменьшения КПД, потребляемая двигателем мощность резко возрастает.

Ток статорной обмотки  может быть определен из формулы  полезной мощности

 

,                                    

 

откуда ток статорной обмотки

.                           

 

Таким образом, характеристика тока статорной обмотки повторяет  зависимость  с учетом характера изменения коэффициента мощности при увеличении полезной нагрузки ( ) (рис. 3.9). Ток и потребляемая мощность, при значении полезной мощности равном нулю, отличны от нуля и определяются величиной тока и мощности холостого хода.

 

3.7  КПД и коэффициент мощности асинхронного двигателя

 

КПД электродвигателя

 

,                                 

где потребляемая асинхронным двигателем (его статорной обмоткой) активная электрическая мощность; полезная механическая мощность (снимаемая с вала двигателя); суммарные потери мощности.

КПД современных асинхронных  двигателей при номинальной нагрузке для машин мощностью свыше 100 кВт  составляет 0,92-0,96, мощностью 1-100 кВт – 0,7-0,9, а микромашин – 0,4-0,6 (большие значения относятся к машинам большей мощности).

Так же как в трансформаторе, потери мощности асинхронного двигателя  следует разделить на потери постоянные и переменные (или потери холостого хода и короткого замыкания). Постоянные потери не зависят от нагрузки. Это потери: магнитные, механические, электрические холостого хода.

Магнитные потери определяются аналогично магнитным потерям трансформатора:

,                        

где удельные потери в стали на единицу массы при частоте     50 Гц и индукции 1,0 Тл; индукция на участке магнитопровода; масса сердечника (магнитопровода) или его участка.

Частота перемагничивания в роторе в рабочем режиме двигателя существенно меньше частоты магнитной индукции в статоре;  масса магнитопровода ротора также меньше аналогичной массы статора. Обычно в практических расчетах асинхронных двигателей общепромышленного применения пренебрегают магнитными потерями в роторе.

Механические потери состоят из потерь в подшипниках , потерь на трение щеток о кольца (только для фазного ротора), вентиляционных потерь , включающих в себя потери на трение частей машины о воздух и потери в крыльчатке вентилятора, установленной на валу машины:

.                           

Механические потери зависят только от частоты вращения  и составляют не более 2 % от номинальной мощности машины. Поскольку частота вращения асинхронного двигателя при изменении нагрузки от нуля до номинальной изменяется мало, то механические потери считаются постоянными.

В отличие от трансформатора в асинхронном двигателе учитывают  электрические потери холостого  хода, поскольку ток холостого  хода в нем существенно больше, чем в трансформаторе, и составляет от 20 до 50 %  от номинального тока.

.                                       

 

Таким образом, потери холостого  хода: .                                

К потерям переменным (короткого замыкания) относят электрические  потери в обмотках статора и ротора:

.                       

К переменным потерям  относят и добавочные потери, вызванные  различными причинами: неравномерностью зазора, технологическими погрешностями, вытеснением тока в проводниках  обмотки, пульсациями магнитного потока и т. д. Обычно эти потери рассчитывают как определенный процент от номинальной мощности.

Итак, переменные потери зависят от второй степени тока или второй степени коэффициента нагрузки (отношения тока текущей нагрузки к номинальному его значению):

,           

где потери короткого замыкания при номинальном токе.

  Суммарные потери мощности, таким образом, можно представить в следующем виде:

.                           

Тогда:   .                           

 

 Характер зависимости КПД от коэффициента нагрузки такой же, как и у трансформатора. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения , но одновременно быстрее, чем , возрастают переменные потери , поэтому при некотором токе рост КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если исследовать функцию (4.52) на экстремум (взять производную и приравнять ее к нулю), то получим условие максимума КПД: он наступает при равенстве переменных и постоянных потерь . При проектировании электрической машины стремятся так распределить потери мощности, чтобы указанное условие выполнялось при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках 60-80 % от номинальной (коэффициент нагрузки К_НГ = 0,6-0,8). На рис. 4.8 приведены зависимости изменения КПД и потерь мощности от коэффициента нагрузки.