3.3. Механические характеристики трехфазных асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели трехфазного тока получили широкое применение в промышленности. Они отличаются простотой кон­струкции, высокой надежностью (особенно двигатели с короткозамкнутым ротором), хорошими эксплуатационными качествами. Схемы включения асинхронных двигателей при­ведены на рис. 3.4.

Электромагнитный момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля Ф статора с активной составляющей тока ротора I _pа

где с — коэффициент пропорционально­сти; ψ_p — угол сдвига фаз между током и э. д. с. ротора.

При Ф = const момент определяется величиной I_р. _а, которая является функ­цией скольжения s. При изменении сколь­жения изменяется э. д. с, частота тока и индуктивное сопротивление обмотки ротора. При малых скольжениях индук­тивное сопротивление обмотки мало и ψ_p ≈ 0, поэтому при уве­личении нагрузки на валу момент возрастает пропорционально току ротора. При некотором значении скольжения S_к активная составляющая тока ротора I_Р. _а и момент на валу М_к будут мак­симальными. Скольжение s_к и момент М_к при этом скольжении называются критическими.

При дальнейшем увеличении скольжения I_Р. _а и М будут уменьшаться, хотя полный ток ротора и статора увеличива­ется. Причиной этого является увеличение индуктивного сопро­тивления обмотки ротора и, следовательно, увеличение угла сдвига фаз ψ_р.

Механическая характеристика асинхронного двигателя М=f(s) определяется уравнением

где М_к и s_K — критические момент и скольжение.

В расчетах обычно пользуются зависимостью ω = f(М). Пе­реход от скольжения к частоте вращения ω производится по уравнению

где ω — синхронная частота вращения магнитного поля ста­тора.

На рис. 3.5, а представлена механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

<о₀

Для двигателей с фазным ротором с помощью дополнитель­ного сопротивления R_я, введенного в цепь обмотки ротора, можно получить семейство искусственных механических харак­теристик.

Если R_P=r_p + R_д, — общее сопротивление цепи ротора, то скольжение при М_ном на искусственной характеристике

где s_ном — номинальное скольжение.

На рис. 3.5, б представлены механические характеристики двигателя с фазным ротором при различных значениях R_р

3.4. Механическая и угловая характеристики синхронных двигателей

Скорость вращения синхронного двигателя при работе в уста­новившемся режиме независимо от нагрузки на валу остается строго постоянной (при неизменной частоте тока) и равна синхронной скорости, рад/с

Поэтому механическая характеристика его имеет вид пря­мой линии, параллельной оси абсцисс (рис 3.6,а).

Однако при пульсации нагрузки на валу двигателя в уста­новившемся режиме имеют место колебания мгновенной ско­рости вследствие изменения угла θ между напряжением и э. д. с. синхронной машины.

Эти колебания оказывают существенное влияние при работе синхронного двигателя на пульсирующую нагрузку, например на поршневой компрессор. В этих случаях для решения вопроса о поведении двигателя важно знать зависимость между момен­том М и углом θ.

Момент вращения синхронного двигателя определяется вы­ражением

где т — число фаз статора; U — напряжение на зажимах ста­тора; Е — э. д. с, наводимая в обмотке статора полем ротора; со — угловая скорость ротора; х_с — синхронное индуктивное со­противление обмотки статора. Из формулы (3.20) следует, что

где М_тах — максимальный момент двигателя, определяемый при sin θ=1 по выражению

Зависимость вращающего момента М от угла Э, называе­мая угловой характеристикой синхронного двигателя, приведена на рис. 3.6, б. При изменении угла Э от 0 до 90° (электриче­ских градусов) вращающий момент возрастает до М_тах. При изменении угла от 90 до 180° — момент уменьшается от М_тах до нуля. Таким образом, устойчиво двигатель может работать при углах θ от 0 до 90°. При увеличении угла θ свыше 90° вра­щающий момент уменьшается, двигатель выпадает из синхро­низма и останавливается. Номинальному моменту двигателя соответствует угол θ_ном = 20÷30°. При этом угле М_тах/М_ном= = 2÷2,5.

Синхронные двигатели широко применяют в горной про­мышленности для приводов компрессоров, вентиляторов и пре­образовательных агрегатов подъемных установок и экскава­торов.

Основным преимуществом синхронных двигателей является высокий коэффициент мощности. Они могут работать с опере­жающим cos φ и этим повышать общий средневзвешенный коэф­фициент мощности предприятия.