Механические характеристики асинхронного двигателя

Зависимость электромагнитного момента от скольжения.

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

s = (n₁ – n₂)/n₁ =1 – ν. (2.45)

Использование понятий относительной частоты вращения и скольжения придает механической характеристике более общий характер.

Рис. 2.21 - Механическая характеристика асинхронной машины

 

Для построения механической характеристики можно воспользоваться круговой диаграммой либо формулой

M = m₁U²₁R´₂/ω₁s [(R₁ + C₁R´₂/s)² + (X₁ + C₁X´₂)²], (2.46)

получаемой из формулы

M = ΔP_эл2/(ω₁s) = m₁I²₂R´₂/ω₁s

путем подстановки значения тока Ι' ₂из схемы замещения (см. рис. 2.16, а):

.

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

M = m₁U²₁R´₂/ω₁s [(R₁ + R´₂/s)² + (X₁ + X´₂)²]. (2.46,a)

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

Механическая характеристика (рис. 2.21, а и б) имеет максимум момента при частоте вращения п ₂≈ (0,8 ÷ 0,9) n ₁; при частоте вращения n ₂ = n ₁ момент вращения М = 0, а при n ₂ = 0 пусковой момент составляет М _п = (0,3 ÷ 0,7) М_max.

Скольжение, при котором момент имеет максимальное значение (критическое скольжение), можно определить из (2.46), взяв производную от момента по скольжению dM/ds и приравняв ее нулю.

Решая уравнение относительно s, получаем критическое скольжение:

. (2.47)

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

. (2.47,а)

Для получения высокого КПД необходимо снижать величину R ₂, вследствие чего максимум момента асинхронного двигателя достигается при относительно высоких частотах вращения. Значение максимального момента получим из (2.46), подставив значение s _криз (2.47):

(2.48)

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

. (2.48,а)

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

Из уравнения (2.48) и круговой диаграммы видно, что максимальный момент не зависит от активного сопротивления ротора. Это сопротивление определяет лишь скольжение при максимальном моменте.

При увеличении скольжения от s = 0 до 1, как следует из круговой диаграммы, ток ротора I' ₂монотонно возрастает, в то время как электромагнитный момент М сначала увеличивается с ростом скольжения, достигает максимума при s = s _кp, а затем уменьшается, несмотря на возрастание тока I' ₂(рис. 2.22). Физически это объясняется тем, что в формуле момента М = с_мФ _m I ₂ · cos ψ₂ при малых скольжениях преобладающее влияние имеет возрастание тока I ₂. При увеличении скольжения свыше s _кр ток I ₂возрастает сравнительно мало и преобладающее влияние оказывает уменьшение cos ψ₂, которое происходит вследствие повышения частоты в роторе: f ₂ =sf ₁.

Рис. 2.22 - Зависимость электромагнитного момента и тока ротора от скольжения

 

Построение механической характеристики по каталожным данным. На практике широко используют приближенное аналитическое выражение механической характеристики.

Согласно (2.21) и (2.32а) электромагнитный момент асинхронного двигателя

M = ΔP_эл2/(ω₁s) = m₂I²₂R₂/(ω₁s) = m₂sE²₂R₂/[ω₁(R²₂ + s² X²₂)]. (2.49)

Принимая приближенно Е ₂≈ const, т. е. считая, что магнитный поток машины при изменении нагрузки не изменяется, и приравнивая нулю производную dM/ds, полученную го формулы (2.49), можно найти критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту, s _кp = ± R ₂ /X ₂ и соответственно максимальный момент

M_max = ±m₂E²₂/(2ω₁X₂). (2.50)

Разделив выражение (2.49) на (2.50), после преобразования получим

M/M_max = 2/(s_кр/s + s/s_кр). (2.51)

Формула (2.51) является приближенной и, конечно, дает погрешность, так как не учитывает падение напряжения в обмотках статора. Особенно велика погрешность при переходе из двигательного режима в генераторный, где разница в моментах может быть существенной. Однако для исследования одного режима выведенная формула дает приемлемую точность. Это объясняется тем, что в области малых скольжений от s = 0 до s _кр магнитный поток изменяется незначительно и, следовательно, в этой области формула не может дать большой погрешности, тем более, что точки при s = 0 и s _кр являются фиксированными.

При скольжениях, близких к единице, формула (2.51), казалось бы, должна давать завышенные значения момента, так как при больших токах сильнее проявляется падение напряжения в статоре. Однако в реальных машинах при скольжениях, близких к единице, уменьшается сопротивление Х ₂из-за явления вытеснения тока в проводниках ротора, что ведет к увеличению момента. В результате оказывается, что погрешность, обусловленная пренебрежением падения напряжения в статоре, и погрешность, вызванная изменением параметров ротора, взаимно противоположны, вследствие чего точность приближенной формулы (2.51) достаточна для практических целей.