38. Механическая характеристика двигателя.

Механической характеристикой двигателяназывается зависимость частоты вращения ротора от момента на валуn=f(M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, тоM2 ≈M и механическая характеристика представляется зависимостьюn=f(M). Если учесть взаимосвязьs= (n1 -n) /n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатахn и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателясоответствует 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.

39.Основные точки механической характеристики: критическое сколь­жение и частота, максимальный момент, пусковой момент, номинальный момент.

Механическая характеристика – это зависимость вращающего момента от скольжения, или, иначе говоря, от числа оборотов:

Из выражения  видно, что эта зависимость очень сложна, поскольку, как показывают формулы)и, скольжение входит также в выражения дляI₂иcosϕ₂. Механическая характеристика асинхронного двигателя дается обычно графически

Начальная точка характеристики соответствует n= 0 иs= 1: это первое мгновение пуска двигателя. Величина пускового вращающего моментаM_n– очень важная характеристика эксплуатационных свойств двигателя. ЕслиM_nмал, меньше номинального рабочего момента, двигатель может запускаться только вхолостую или при соответственно сниженной механической нагрузке.

Обозначим символом M_npпротиводействующий (тормозной) момент, создаваемый механической нагрузкой на валу, при которой двигатель пускается. Очевидным условием для возможности запуска двигателя является:M_n>M_np. Если это условие выполнено, ротор двигателя придет в движение, число оборотов егоnбудет возрастать, а скольжениеsуменьшаться. Как видно из изображения выше, вращающий момент двигателя при этом растет отM_nдо максимальногоM_m, соответствующего критическому скольжениюs_kp, следовательно, растет и избыточная располагаемая мощность двигателя, определяемая разностью моментовMиM_np.

Чем больше разность между располагаемым моментом двигателя (возможным при данном скольжении по рабочей характеристике) Ми противодействующимМ_np, тем легче режим запуска и тем быстрее двигатель достигает установившейся скорости вращения.

Как показывает механическая характеристика, при некотором числе оборотов (при s=s_kp) располагаемый вращающий момент двигателя достигает максимально возможного для данного двигателя (при данном напряженииU) значенияM_т. Далее двигатель продолжает увеличивать скорость вращения, но располагаемый вращающий момент его быстро уменьшается. При каких-то значенияхnиsвращающий момент двигателя становится равным противодействующему: пуск двигателя заканчивается, число оборотов его устанавливается на значении, соответствующем соотношению:

Это соотношение является обязательным для всех нагрузочных режимов двигателя, то есть для всех значений M_np, не выходящих за пределы максимального располагаемого вращающего момента двигателяМ_т. В этих пределах двигатель сам автоматически приспосабливается ко всем колебаниям нагрузки: если во время работы двигателя его механическая нагрузка увеличивается, на какое-то мгновениеM_npстанет больше момента, развиваемого двигателем. Обороты двигателя начнут снижаться, а момент увеличиваться.

Скорость вращения установится на новом уровне, отвечающем равенству MиM_np. При снижении нагрузки процесс перехода к новому нагрузочному режиму будет обратным.

Если нагрузочный момент M_npпревыситМ_т, двигатель сразу остановится, так как с дальнейшим уменьшением оборотов вращающий момент двигателя уменьшается.

Поэтому максимальный момент двигателя М_тназывается еще опрокидывающим или критическим моментом.

Если в формулу момента подставить:

и

то получим:

Взяв первую производную от Мпои приравняв ее к нулю, найдем, что максимальное значение вращающего момента наступает при условии:

то есть при таком скольжении s=s_kp, при котором активное сопротивление ротора равно индуктивному сопротивлению

Значения s_kpу большинства асинхронных двигателей лежат в пределах 10 – 25%.

Если в написанную выше формулу момента вместо активного сопротивления r₂подставить индуктивное по формуле

получим:

Максимальный вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату магнитного потока (а значит, и квадрату напряжения) и обратно пропорционален индуктивности рассеяния обмотки ротора.

При постоянстве напряжения, подводимого к двигателю, его поток Фостается практически неизменным.

Индуктивность рассеяния роторной цепи тоже практически постоянна. Поэтому при изменении активного сопротивления в цепи ротора максимальное значение вращающего момента M_тизменяться не будет, но будет наступать при разных скольжениях (с увеличением активного сопротивления ротора – при больших значениях скольжения).

Очевидно, что максимум возможной нагрузки двигателя определяется значением его M_т. Рабочая часть характеристики двигателя лежит в узком диапазоне чисел оборотов отn, соответствующегоM_т, до. Приn=n₁(конечная точка характеристики)М= 0, так как при синхронной скорости ротораs= 0 иI₂= 0.

Номинальный вращающий момент, определяющий значение паспортной мощности двигателя, принимается обычно равным 0,4 – 0,6 от M_т. Таким образом, асинхронные двигатели допускают кратковременные перегрузки в 2 – 2,5 раза.

Основным параметром, характеризующим режим работы асинхронного двигателя, является скольжение s – относительная разность частоты вращения ротора двигателя n и его поля n_о: s = (n_o - n) / n_o.

Область механической характеристики, соответствующая 0 ≤ s ≤ 1 – область двигательных режимов, причем при s < s_кр работа двигателя устойчива, при s > s_кр – неустойчива. При s < 0 и s > 1 момент двигателя направлен против направления вращения его ротора (соответственно рекуперативное торможение и торможение противовключением).

Устойчивый участок механической характеристики двигателя часто описывается формулой Клосса, подстановкой в которую параметров номинального режима можно определить критическое скольжение s_кр:

,

где: λ = M_kp / M_н – перегрузочная способность двигателя.

Механическая характеристика по данным справочника или каталога приближенно может быть построена по четырем точкам (рис.7.1):

• точка 1 – идеальный холостой ход, n = n_o = 60 f / p, М = 0, где: р - число пар полюсов магнитного поля двигателя;

• точка 2 - номинальный, режим: n = n_н, М = М_н = 9550 P_н / n_н, где P_н – номинальная мощность двигателя в кВт;

• точка 3 – критический режим: n = n_кр, М = М_кр =λ М_н ;

• точка 4 – режим пуска: n = 0, М = М_пуск = β М_н.

При анализе работы двигателя в диапазоне нагрузок до М_н и несколько больше устойчивый участок механической характеристики можно приближенно описать уравнением прямой линии n=n₀-вМ, где коэффициент “в” легко определяется подстановкой в уравнение параметров номинального режима n_н и М_н.