2.3.5 Вращающий момент асинхронной машины

Вращающий момент асинхронной машины создается вследствие взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с током в проводниках обмотки ротора. Поэтому вращающий момент пропорционален величине магнитного потока статора Ф и силе тока в обмотке ротора I₂. В процессе преобразования энергии (создания вращающего момента) принимает участие только активная мощность потребляемая машиной от питающей сети. Поэтому вращающий момент определяется только активной составляющей тока ротора I₂cosψ₂. Следовательно вращающий момент двигателя

M = c Ф I₂cosψ₂ , (2.42)

где с – конструктивная постоянная машины, которая зависит от числа ее полюсов, числа витков обмотки статора и конструктивного выполнения обмотки ротора.

Подставляя в (2.42) значения I₂ и cosψ₂ из (2.40 и 2.41) получим

(2.43)

Анализ выражений (2.42), (2.43) показывает, что при малых значениях скольжения вращающий момент растет примерно пропорционально скольжению. При значительном увеличении скольжения момент начинает убывать, так как знаменатель в выражении (2,43) начинает расти быстрее числителя. Это объясняется тем, что с увеличением скольжения растет скорость вращения магнитного поля относительно ротора n' , а значит растет частота f₂ , ЭДС индуктируемая в роторе E_2s и ток в обмотке ротора I₂ . Но одновременно, с увеличением частоты f₂ растет индуктивное сопротивление обмотки ротора x₂, а значит и угол сдвига фаз ψ₂ между ЭДС Е₂ и током в роторе, а cosψ₂ - уменьшается. Зависимость вращающегося момента от скольжения имеет вид, приведенный на рис. 2.28.

Рисунок 2.28 – Вращающий момент двигателя в функции скольжения

Скольжение, при котором вращающий момент имеет максимальное значение, называется критическим.

Устойчивая работа двигателя возможна только на восходящей ветви кривой зависимости М = f(s), то есть при S < S_КР.

Двигатель работает устойчиво с установившейся частотой вращения при условии равенства вращающего момента двигателя М и момента нагрузки на валу двигателя М_Н. Данной нагрузке соответствует определенная частота вращения ротора n и определенное скольжение S. Если нагрузка на валу двигателя увеличится, получим М_Н >М, что приведет к уменьшению n и увеличению S. Вращающий момент двигателя будет возрастать до восстановления равенства М = М_Н . Аналогично процесс регулирования протекает при уменьшении момента нагрузки.

На нисходящей ветви кривой зависимости М = f(s) любое возрастание момента нагрузки или уменьшение вращающего момента, приводящее к уменьшению n и увеличению S, будет сопровождаться дальнейшим уменьшением вращающего момента и частоты вращения двигателя до полной его остановки.

Учитывая, что и ЭДС, индуктируемая в обмотке ротора, и вращающий момент пропорциональны магнитному потоку статора, а этот магнитный поток пропорционален напряжению питания U₁, можно получить следующую зависимость вращающего момента от скольжения

(2.44)

Так как вращающий момент пропорционален квадрату напряжения питания, то асинхронные двигатели очень чувствительны к понижению напряжения сети.

Анализируя выражение (2.44) можно определить максимальный вращающий момент и критическое скольжение

. (2.45)

s_кр = r_{2 /}x₂ (2.46)

Из выражений (2.45, 2.46) следует, что максимальный момент двигателя не изменяется при изменении активного сопротивления в цепи ротора, однако при этом меняется критическое скольжение. Зависимость M(s) при увеличенном активном сопротивлении ротора показана на рис. 2.28 штриховой линией.

Магнитное поле статора индуктирует в статорной обмотке ЭДС Е₁, которая уравновешивает приложенное напряжение U₁. Если пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении обмотки статора, которое очень мало по сравнению с ЭДС Е₁, то можно считать, что выполняется приближенное равенство U₁ ≈ Е₁.

Следовательно, при постоянном напряжении питания практически неизменной будет и ЭДС статорной обмотки. Магнитный поток в воздушном зазоре машины, как и в трансформаторе, при любых изменениях нагрузки остается почти постоянным.

Ток обмотки ротора создает магнитное поле, направленное встречно магнитному полю обмотки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался постоянным при любых изменениях нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно бать уравновешено изменением магнитного поля статорной обмотки. Поэтому при увеличении силы тока в обмотке ротора в асинхронном двигателе, как и в трансформаторе, соответственно возрастает и сила тока в статорной обмотке.