§ 45. Механические характеристики электродвигателей переменного тока

Наибольшее распространение в судовом электроприводе полу­чили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 2.92, а). Они отличаются простотой в обслуживании, надеж­ностью в работе, меньшими габаритами и массой, долговечностью и более дешевы в изготовлении по сравнению с электродвигате­лями постоянного тока.

Рис. 2.92. Асинхронный двигатель:

а - с короткозамкнутым ротором; б - с фазным ротором; в - механическая характеристика.

Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде бе­личьего колеса. В отличие от него фазный ротор имеет в пазах трехфазную обмотку, аналогичную обмотке статора. Начала фаз роторной обмотки присоединяются к контактным кольцам, ук­репленным на валу двигателя.

При помощи контактных колец и щеток в цепь ротора можно включить реостат R для уменьшения пускового тока и регулиро­вания угловой скорости (рис.2.92, б).

Принцип действия асинхронных двигателей основан на явле­нии вращающегося магнитного поля. Трехфазный переменный ток, протекая по обмотке статора, создает в асинхронном двига­теле магнитное поле, вращающееся с синхронной угловой ско­ростью

ω = 2πf /р,

где f - частота тока питающей сети, Гц;

р - число пар по­люсов статора.

Это магнитное поле, пересекая обмотку ротора, индуктирует в ней э. д. с. Е , под действием которой в цепи ротора потечет ток

I =E / ,

где r , х - соответственно активное и индуктивное сопротивле­ния неподвижного ротора.

Ток ротора, взаимодействуя с магнитным полем статора, создает вращающий электромагнитный момент

М = k I Ф соsψ ,

где k - постоянная величина для данного двигателя;

Ф - пол­ный магнитный поток статора, Вб;

ψ - угол сдвига между э. д. с. и током ротора.

Под действием этого момента ротор вращается в ту же - сторону, что и магнитное поле статора, но с отставанием от него. Угловая скорость ротора

ω = ω (1 - S),

где S = (ω - ω)/ ω - скольжение асинхронного двигателя, которое изменяется от единицы (при пуске) до значения, близкого к нулю (при холостом ходе).

Отставание ротора от вращающегося поля статора (скольже­ние) является необходимым условием работы асинхронного дви­гателя. Вращающееся поле статора вращается относительно ро­тора с угловой скоростью ω = ω - ω.

Индуктируемая при этом в роторе э. д. с. будет иметь ча­стоту

.

Частота тока в роторе изменяется от = 50 Гц (при пуске) до = 1 ÷ 2 Гц и менее (при холостом ходе). В связи с изменением во вращающемся роторе частоты изменяются и зависящие от нее э. д. с. E , индуктивное сопротивление х , а следовательно, ток ротора I и cos ψ ."

E = Е s;

x = x s;

I = E / ;

cos ψ = r / .

Анализ формулы вращающего электромагнитного момента, развиваемого ротором асинхронного двигателя (М = k I Ф соsψ ), показывает сложную зависимость этого момента от скольжения s, так как с изменением скольжения изменяются ток ротора I и его cos ψ .

Зависимость момента от скольжения M = f(s) называется механической характеристикой асинхронного двигателя, которая представлена на рис. 2.92, в.

Как видно из рисунка, асинхронный двигатель в начале пуска при s = l развивает сравнительно небольшой пусковой момент М , так как активная составляющая тока ротора (I cos ψ ) в это время имеет небольшое значение. По мере разгона двига­теля до так называемого критического скольжения s момент двигателя увеличивается до максимального значения М (или критического момента М ), а затем уменьшается по мере при­ближения к скольжению s = 0. В связи с тем что аналитическое уравнение механической характеристики имеет довольно сложный вывод, воспользуемся для анализа ее приближенным уравнением

где М - текущее значение момента, Н·м;

М - критическое значение момента, Н·м;

s - текущее значение скольжения;

s - критическое значение скольжения.

Значение критического скольжения можно определить по формуле

s = s ( ),

где s = (ω - ω )/ ω - номинальное скольжение;

= М / М - перегрузочная способность двигателя по моменту.

Чтобы перейти от механической характеристики M = f(s) к механической характеристике ω = f(M), нужно сделать переход от скольжения s к угловой скорости ω, воспользовавшись зависимостью ω = ω (1 - S). Зависимость ω = f(M) представлена на рис. 2.93, а. Верхний участок механической характеристики от ω до ω является рабочей частью характеристики, на которой электродвигатель может работать устойчиво. Нижний участок характеристики, ниже ω , является нерабочей частью характеристики, на которой двигатель не может работать устойчиво. На этой части характеристики электродвигатель работает в период переходного процесса пуска. Если в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором включить добавочные резисторы с различными активными сопротивлениями r , то можно получить семейство искусственных механических характеристик (рис. 2.93, б), проходящих через точку с координатами: М = 0,

ω = ω , так как синхронная скорость ω не зависит от активного сопротивления цепи ротора. Значение максимального (критического) момента М остается также неизменным, так как не зависит от активного сопротивления роторной цепи. С увеличением активных сопротивлений (r > r ), включенных в роторную цепь, увеличивается пусковой момент М уменьшается критическая скорость ω и увеличивается мягкость (крутизна) искусственных характеристик.

Рис. 2.93. Механические характеристики асинхронного двигателя.

Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя можно получить изменением подводимого к электро­двигателю напряжения (рис.2.93, в). С изменением напряжения (U > U > U ) синхронная ω и критическая ω угловые ско­рости остаются неизменными. Резко уменьшается критический момент М , значение которого прямо пропорционально квадра­ту напряжения U. Уменьшается также и пусковой момент М . Вследствие этого пуск и работа асинхронного двигателя при сни­жении напряжения возможны лишь при небольших нагрузках на валу.

Механическая характеристика синхронного двигателя пред­ставляет собой прямую линию, параллельную оси моментов, и является абсолютно жесткой. В пределах устойчивой работы угло­вая скорость ω = 2πf /р синхронного двигателя не зависит от мо­мента нагрузки на его валу. Однако увеличение момента на валу сверх допустимого может вывести двигатель из синхронизма, т. е. к его остановке. Перегрузочная способность синхронных двигате­лей по моменту

= М / М = 2,0 ÷ 2,5.