Механические характеристики асинхронных двигателей. Двигательный режим.

Асинхронные двигатели (АД) – самый распространенный вид двигателей, т.к. они более просты и надежны в эксплуатации, при равной мощности имеют меньшую массу, габариты и стоимость в сравнении с ДПТ. Схемы включения АД приведены на рис. 2.14.

До недавнего времени АД с короткозамкнутым ротором применялись в нерегулируемых электроприводах. Однако с появлением тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) напряжения, питающего статорные обмотки АД, двигатели с короткозамкнутым ротором начали использоваться в регулируемых электроприводах. В настоящее время в преобразователях частоты применяются силовые транзисторы и программируемые контроллеры. Способ регулирования скорости получил название импульсного и его совершенствование является важнейшим направлением в развитии электропривода.

Рис. 2.14. а) схема включения АД с короткозамкнутым ротором;

б) схема включения АД с фазным ротором.

Уравнение для механической характеристики АД может быть получено на основании схемы замещения АД. Если в этой схеме пренебречь активным сопротивлением статора, то выражение для механической характеристики будет иметь вид:

,

где ; .

Здесь М_к – критический момент; S_к - соответствующее ему критическое скольжение; U_ф – действующее значение фазного напряжения сети; ω₀=2πf/p – угловая скорость вращающегося магнитного поля АД (синхронная скорость); f – частота питающего напряжения; p – число пар полюсов АД; х_к – индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания (определяется из схемы замещения); S=(ω₀-ω)/ω₀ – скольжение (скорость ротора относительно скорости вращающегося поля); R₂¹ – суммарное активное сопротивление фазы ротора.

Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором.

На ней можно выделить три характерные точки. Координаты первой точки (S=0; ω=ω₀; М=0). Она соответствует режиму идеального холостого хода, когда скорость ротора равна скорости вращающегося магнитного поля. Координаты второй точки (S=S_к; М=М_к). Двигатель работает с максимальным моментом. При М_с>М_к ротор двигателя будет принудительно остановлен, что для двигателя является режимом короткого замыкания. Поэтому вращающий момент двигателя в этой точке и называется критическим М_к. Координаты третьей точки (S=1; ω=0; М=М_п). В этой точке двигатель работает в режиме пуска: скорость ротора ω=0 и на неподвижный ротор действует пусковой момент М_п. Участок механической характеристики, расположенный между первой и второй характерными точками, называется рабочим участком. На нем двигатель работает в установившемся режиме. У АД с короткозамкнутым ротором при выполнении условий U=U_н и f=f_н механическая характеристика называется естественной. В этом случае на рабочем участке характеристики расположена точка, соответствующая номинальному режиму работы двигателя и имеющая координаты (S_н; ω_н; М_н).

Электромеханическая характеристика АД ω=f(I_ф) , которая на рис.2.15 изображена штриховой линией, в отличие от электромеханической характеристики ДПТ, совпадает с механической характеристикой только на ее рабочем участке. Это объясняется тем, во время пуска из-за изменяющейся частоты э.д.с. в обмотке ротора Е₂ изменяется частота тока и соотношение индуктивного и активного сопротивлений обмотки: в начале пуска частота тока большая и индуктивное сопротивление больше активного; с увеличением скорости вращения ротора ω частота тока ротора, а значит и индуктивное сопротивление его обмотки, уменьшается. Поэтому пусковой ток АД в режиме прямого пуска в 5÷7 раз превышает номинальное значение I_фн, а пусковой момент М_п равен номинальному М_н. В отличии от ДПТ, где при пуске необходимо ограничивать пусковой ток и пусковой момент, при пуске АД пусковой ток необходимо ограничивать, а пусковой момент увеличивать. Последнее обстоятельство наиболее важно, поскольку ДПТ с независимым возбуждением запускается при М_с<2,5М_н, ДПТ с последовательным возбуждением при М_с<5М_н, а АД при работе на естественной характеристике при М_с<М_н.

У АД с короткозамкнутым ротором увеличение М_п обеспечивается специальной конструкцией обмотки ротора. Паз для обмотки ротора делают глубоким, а саму обмотку располагают в два слоя. При пуске двигателя частота Е₂ и токи ротора большие, что приводит к появлению эффекта вытеснения тока – ток протекает только в верхнем слое обмотки. Поэтому увеличивается сопротивление обмотки и пусковой момент двигателя М_П. Его величина может достигать 1,5М_н.

У АД с фазным ротором увеличение М_П обеспечивается за счет изменения его механической характеристики. Если сопротивление R_П, включенное в цепь протекания тока ротора, равно нулю – двигатель работает на естественной характеристике и М_П=М_Н. При R_П>0 увеличивается суммарное активное сопротивление фазы ротора R₂¹. Критическое же скольжение S_к по мере увеличения R₂¹ тоже увеличивается. Вследствие этого у АД с фазным ротором введение R_П в цепь протекания тока ротора приводит к смещению М_К в сторону больших скольжений. При S_К=1 М_П=М_К. Механические характеристики АД с фазным ротором при R_П>0 называются искусственными или реостатными. Они приведены на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Механические характеристики АД с фазным ротором.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запустится при М_п>М_с и будет работать в точке А (см. рис. 2.15). После этого момент сопротивления М_с можно увеличивать до М_К. АД, как и двигатели постоянного тока, при увеличении М_с будет автоматически, без вмешательства извне, снижать скорость ω и увеличивать вращающий момент М до тех пор, пока М и М_с не сравняются по величине, т.е. из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью. При уменьшении М_с будет наблюдаться обратное – двигатель из установившегося режима с меньшей скоростью будет автоматически переходить в установившийся режим с большей скоростью. Рабочий участок механической характеристики АД аналогичен механической характеристике ДПТ с независимым возбуждением – прямая линия, наклоненная к оси абсцисс.

Такими свойствами АД обладает благодаря э.д.с. Е₂, которая наводится вращающимся магнитным полем статора в обмотке ротора. При М_с>М динамический момент М_д<0 и скорость ротора ω уменьшается. Магнитное поле статора, вращающееся с постоянной скоростью ω₀ (синхронной скоростью) будет пересекать обмотку ротора с большой частотой. Поэтому будет увеличиваться Е₂, ток в обмотке ротора, сила Ампера, действующая на ее витки, а значит и вращающий момент М.

Перегрузочная способность АД по моменту определяется отношением критического момента М_К к моменту номинальному М_Н. Для обычных АД с короткозамкнутым ротором М_К/М_Н=1,7, с фазным ротором М_К/М_Н=1,8. Для специальных крановых АД с короткозамкнутым ротором типа МТК и фазным ротором типа МТКФ отношение М_К/М_Н=2,3÷3,4.