Статические характеристики асинхронного двигателя.

Под действием электромагнитной индукции в обмотках или элементах короткозамкнутого ротора ("беличьей клетке") индуктируются вторичные ЭДС и токи частоты ω₂, которые взаимодействуют с вращающимся магнитным полем, создается электромагнитный момент M, что приводит к вращению ротора с частотой ω₁. Рассмотрим для примера модель двигателя, в которой число пар полюсов p=1.

Частота индуцируемых во вторичной обмотке (роторе) ЭДС и токов ω₂ зависит от скольжения S:

.

Эквивалентная схема цепи ротора в рабочем режиме показана на Рис 74.

Рис. 74. Схема цепи ротора АД

Она содержит изменяемый источник ЭДС E_рп·S и изменяемое индуктивное сопротивление x_р=x_рп·S. Они изменяются при изменении скольжения S (частоты вращения), а активное сопротивление R_p не изменяется.

Мы можем привести рабочий режим двигателя к режиму неподвижного ротора и рассматривать асинхронную машину как обычный трансформатор с неподвижными обмотками; в результате преобразования получаем эквивалентную схему. АД, с учетом параметров обмотки статора.

Рис. 75. Эквивалентная электрическая схема АД.

На схеме обозначены:  - приведенные сопротивления, n- коэффициент трансформации, а r₁- активное сопротивление цепи статора. На основании этой схемы получим выражение для тока ротора

Выражение для вращающегося момента можем получить из энергетического уравнения M·ω₁= M·ω+m₁·I_p²·R_p, где m₁- количество фаз. Левая часть уравнения - электромагнитная мощность, а правая - механическая плюс электрическая мощности.

Подставляя сюда выражения для тока ротора, получим аналитическое выражение для электромагнитного момента и, если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, получается уравнение Клосса, отражающее зависимость электромагнитного момента от скольжения. Выражение для момента двигателя представлено через параметры критической точки:

.

Скольжение, соответствующее максимальному моменту, называется критическим и обозначается S_K или S_M.

Критическое скольжение за зависит от соотношение активного и индуктивного сопротивлений ротора. При r₁=0 получим  и .

Вид зависимости электромагнитного момента и тока ротора от скольжения показан на. рис. 76.

Рис.76 Зависимость электромагнитного момента АД от скольжения.

Пусть исполнительный механизм, приводимый во вращение данным двигателем, создает противодействующий тормозной момент М2. На рис. 76 имеются две точки, для которых справедливо равенство М_эм = М₂; это точки а и в.

В точке а двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие М_эм = М₂;.

В точке в работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку а. Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть - областью неустойчивой работы. Точка б, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы.

Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение S_k. Скольжению S = 1 соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента М₂ больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным. Еще выводы:

1. величина максимального вращающего момента не зависит от активного сопротивления цепи ротора;

2. с увеличением активного сопротивления цепи ротора максимальный вращающий момент, не изменяясь по величине, смещается в область больших скольжений;

3. вращающий момент пропорционален квадрату напряжения сети.

Механической характеристикой асинхронного двигателя называется зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу n₂ = f (M₂). Механическую характеристику получают при условии U - const, w₁ - const. На рис. 77 изображена типичная механическая характеристика асинхронного двигателя.

Рис.77. Механическая характеристика асинхронного двигателя.

На механической характеристике АД можно выделить два участка, которые разделены значением М_кр:

1. режим устойчивой работы,

2. режим неустойчивой работы.

Для каждого двигателя есть свое значение М_кр. При работе двигателя на первом участке М_кр.< М_н<0. и двигатель может развить вращающий момент, компенсирующий момент нагрузки. При работе двигателя на втором участке М_кр.> М_н происходит торможение и двигатель останавливается.

Различают 3 статических режима работы:

1. Двигательный. В этом режиме направление вращения ротора и поля совпадают и .w_p<w.

2. Режим генераторного торможения. В этом режиме направление вращения ротора и поля совпадают, но .w_p>w. Это возможно, если момент нагрузки поменяет знак. Двигатель не потребляет, а отдает энергию.

3. Режим торможения противовключением. Реализуется, если в обмотке управления изменится фаза на 180⁰, после этого вращающий момент поменяет знак и будет тормозить ротор.