7.1.12. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Механическая характеристика наглядно показывает свойства

асинхронного двигателя как части электропривода. Но для более полного выявления свойств самого двигателя служат его рабочие характеристики — так принято называть зависимости от полезной мощности Р₂ двигателя на валу частоты вращения п, вращающего момента М_вр, коэффициента мощности cosφ₁ и КПД .Все рабочие характеристики снимаются при номинальных частоте сети f и напряжении между выводами статора U₁ =U_lном.

Так как Р₂ Р_мех, а Р_мех = М_врω_р, то зависимость п(Р₂) — скоростная характеристика — мало отличается по форме от механической характеристики двигателя п(М_вр). Она тоже может быть названа жесткой (рис. 7.20), при этом скольжение s(Р₂) = (п_х — п)/п_х.

Вращающий момент М_вр, развиваемый двигателем, складывается из полезного момента М₂, (преодоления нагрузки на валу двигателя) и момента холостого хода М_х. Последний покрывает механические потери двигателя.

Рис. 7.20

Этот момент можно приближенно считать не зависящим от нагрузки двигателя. Полезный момент М₂ = Р₂/ω_р; если бы скорость ω_р была строго постоянна, то зависимость М₂(Р₂) была бы линейна, но скорость двигателя немного уменьшается с увеличением Р₂, поэтому график зависимости М₂(Р₂) немного отклоняется вверх. Соответственно график вращающего момента М_вр(Р₂), складывающегося из момента холостого хода и полезного момента, пересекает ось ординат в точке, соответствующей М_х, а затем он почти прямолинеен и лишь немного изгибается вверх. Аналогична зависимость I₁(Р₂).

Что касается зависимости соsφ₁ двигателя от нагрузки, то его изменения обусловлены следующими соотношениями. Намагничивающий ток двигателя мало зависит от нагрузки, так как ее увеличение вызывает лишь возрастание потокосцеплений рассеяния, пропорциональных токам в обмотках статора и ротора, а главный магнитный поток машины при возрастании нагрузки незначительно уменьшается.

Но активный ток двигателя пропорционален его механической нагрузке. Таким образом, с увеличением нагрузки двигателя относительное значение реактивного тока быстро убывает и cosφ₁ увеличивается. При холостом ходе двигателя его коэффициент мощности довольно низок — примерно 0,2. С увеличением нагрузки он быстро возрастает и достигает максимального значения (0,8 — 0,95) при нагрузке, близкой к номинальной. Таким образом, даже у полностью загруженного двигателя реактивный ток составляет (60 — 30)% тока статора.

Неполная загруженность асинхронных двигателей — это одна из главных причин низкого соsφ промышленных предприятий. Естественным способом повышения cosφ является полная загрузка асинхронных двигателей. Главный магнитный поток двигателя пропорционален напряжению питающей сети [см. (7.4,б]. Намагничивающий ток, возбуждающий этот поток, при заданном значении потока обратно пропорционален магнитному сопротивлению на пути потока. В этом магнитном сопротивлении большую часть составляет сопротивление воздушного зазора между статором и ротором. По этой причине конструктор стремится уменьшить этот зазор до минимума, определяемого условиями подвижности в подшипниках и необходимым запасом на их износ, прогибом вала и точностью центровки. С увеличением номинальной мощности двигателя необходимый воздушный зазор возрастает значительно медленнее этой мощности, благодаря чему с повышением номинальной мощности двигателя его cosφ₁ увеличивается. С уменьшением номинальной частоты вращения двигателя увеличивается его магнитный поток, так как при меньшей частоте вращения он индуктирует в фазной обмотке статора меньшую ЭДС. Следовательно, у тихоходных двигателей намагничивающий ток относительно больше, а cosφ₁ существенно меньше.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности на валу Р₂ к мощности Р₁ определяющей потребление двигателем энергии из сети:

Мощность Р₁ равна сумме полезной мощности и мощности всех потерь в двигателе:

Р₁ = Р₂ + Р_пот

Мощность всех потерь в двигателе можно разделить на постоянную составляющую, практически не зависящую от нагрузки, и переменную составляющую, зависящую от нее.

Мощностью постоянных потерь в двигателе можно считать мощность потерь в сердечнике статора из-за гистерезиса и вихревых токов и мощность механических потерь, которая определяется экспериментально из опыта холостого хода двигателя.

Мощность переменных потерь в двигателе равна мощности потерь на нагревание проводов обмоток статора и ротора:

, .

Максимального значения (65 — 95 %) КПД достигает, если переменные потери равны постоянным. У большинства двигателей этот максимум КПД имеет место примерно при нагрузке, равной 75 % номинальной, так как двигатели проектируются с учетом того обстоятельства, что далеко не всегда они полностью загружены.