7.4 Электромагнитный момент и механическая характеристика асинхронного двигателя

Электромагнитный момент создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности и определяется по формуле

, а ,

(7.8)

– угловая синхронная скорость вращения.

Зависимость момента от скольжения – механическая характеристика асинхронной машины. Механическая характеристика имеет максимум.

На рисунке 7.2 показана механическая характеристика асинхронной машины, где указаны зоны, соответствующие различным режимам работы:

Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой , представленнойна рисунке 7.3.

При включении двигателя в электрическую сеть, магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n₁ , в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным () и скольжение s = 1.

Выражение пускового момента асинхронного двигателя:

, Н·м,

(7.9)

Под действием этого момента начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой M = f(s). При критическом скольжении s_кp момент достигает максимального значения М_mах. С дальнейшим нарастанием частоты вращения момент М начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения.

Рисунок 7.3 – Зависимость электромагнитного момента АД от скольжения

Из анализа механической характеристики следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического (), то есть на участке ОА механической характеристики. Работа асинхронного двигателя становитсянеустойчивой при скольжениях . Так, если электромагнитный момент двигателяМ=M_max, a скольжение s=s_кр, то даже незначительное увеличение нагрузочного момента, вызвав увеличение скольжения s приведет к уменьшению момента М. За этим последует дальнейшее увеличение скольжения до s =1, то есть пока ротор не остановится. При достижении электромагнитным моментом максимального значения наступает предел устойчивой работы асинхронного двигателя.

Для надёжной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы он обладал перегрузочной способностью. Перегрузочная способность определяется отношением максимального момента к номинальному моментуи составляет для двигателей общего назначения

(7.10)

Работа двигателя при скольжении s < s_кр, т. е. на рабочем участке механической характеристики, является наиболее экономичной, так как она соответствует малым значениям скольжения, а, следовательно, меньшим значениям электрических потерь в обмотке ротора.

7.5 Пуск асинхронных двигателей

Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом, обусловленным переходом ротора, и механически связанных с ним частей исполнительного механизма, из состояния покоя в состояние равномерного вращения, когда вращающий момент двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов, действующих на ротор двигателя.

Пусковые свойства двигателя определяются значениями пускового тока пускового моментаМ_п.

Двигатель, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. Однако получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным. Пусковой ток может превышать номинальный в 5-7 раз, что неблагоприятно влияет на работу как самого двигателя, так и других потребителей за счет снижения напряжения сети, что уменьшает пусковой момент и увеличивает время пуска. Для улучшения пусковых свойств необходимо предпринять меры для увеличения пускового момента с одновременным ограничением пускового тока.

Различают несколько способов пуска асинхронных двигателей:

1. Прямой пуск – прямым включением в сеть на полное номинальное напряжение двигателя – применяется для большинства двигателей малой и средней мощности с короткозамкнутым ротором.

Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный недостаток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке статора возникает большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При небольшой инерционности исполнительного механизма частота вращения двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток спадает, не вызывая перегрева обмотки статора. Но такой значительный бросок тока в питающей сети может вызвать падение напряжения.

2. Пуск при пониженном напряжении – применяется для двигателей с короткозамкнутым ротором при отсутствии нагрузки на его валу. Для понижения напряжения при пуске обмотки статора переключают из схемы соединения «треугольник» на схему соединения «звезда», что приводит с уменьшению напряжения на обмотке в раз. При этом пусковой ток и вращающий момент уменьшаются в три раза.

Универсальным является способ пуска понижением подводимого к двигателю напряжения посредством дросселей, а также пуск двигателя через автотрансформатор. В последнем случае пусковой ток двигателя, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается на коэффициент трансформации автотрансформатора.

3. Пуск с помощью пускового реостата, включенного в цепь ротора, применяется только для двигателей с фазным ротором. Трехфазный пусковой реостат, включенный по схеме «звезда» включают последовательно с обмоткой ротора через щетки и кольца, в результате сопротивление цепи ротора увеличивается, а пусковой ток уменьшается. Изменение сопротивление пускового реостата обеспечивает разгон двигателя при максимальных моментах, что важно при пуске двигателя под нагрузкой.

Недостатками пусковых свойств двигателей с фазным ротором являются сложность, продолжительность и неэкономичность пусковой операции.

Кроме пусковых значений тока и момента пусковые свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями: продолжительность и плавность пуска; сложность пусковой операции и экономичность (стоимость и надежность пусковой аппаратуры).