Асинхронные двигатели широко используются в промышленности благодаря простоте конструкции и надежности. Для эффективной работы таких двигателей важно знать их механические характеристики.
Основные понятия механической характеристики асинхронного двигателя
Механической характеристикой асинхронного двигателя называют зависимость частоты вращения ротора от момента на валу:
n = f(M)
Она показывает, как будет меняться скорость вращения ротора при изменении нагрузки на валу двигателя. Например, с увеличением нагрузки скорость будет падать.
На механическую характеристику асинхронного двигателя влияют следующие параметры:
- сопротивления обмоток статора и ротора;
- индуктивные сопротивления обмоток;
- подводимое к статору напряжение;
- частота питающего напряжения.
Устройство асинхронного двигателя, влияющее на механическую характеристику
В асинхронном двигателе выделяют две основные части: неподвижную (статор) и вращающуюся (ротор).
Статор состоит из стального сердечника с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка. При подаче на обмотку переменного трехфазного напряжения создается вращающееся магнитное поле.
Ротор также состоит из сердечника с пазами, в которых размещена короткозамкнутая обмотка или обмотка с внешними контактными кольцами. При вращении магнитного поля статора в обмотке ротора наводится электродвижущая сила, создающая ток.
Взаимодействие этого тока с магнитным полем статора порождает вращающий момент, приводящий ротор в движение. Частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора - это явление называется скольжением.
От параметров устройства асинхронного двигателя зависит величина максимального момента, жесткость механической характеристики, значения критического и пускового моментов.
Расчет и построение механической характеристики асинхронного двигателя
Для расчета механической характеристики асинхронного двигателя используется следующая формула:
где М - электромагнитный момент двигателя, Н·м;
ω1 - угловая скорость магнитного поля статора, с-1;
U1 - напряжение на статоре, В;
r1, r'2 - активные сопротивления обмоток статора и ротора, Ом;
x1, x'2 - индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора, Ом;
s - скольжение ротора.
Для построения механической характеристики асинхронного двигателя необходимо рассчитать следующие ее основные точки:
- Точка холостого хода (n=n1, M=0)
- Точка номинальной нагрузки (n=нном, M=Мном)
- Точка максимального момента (n=нкр, M=Мкр)
- Точка пускового момента (n=0, M=Мпуск)
Зная значения моментов и частот вращения в этих точках, строится график механической характеристики M=f(n). Пример такого графика приведен на рисунке:
Из графика видно, что с увеличением нагрузки на валу скорость вращения ротора асинхронного двигателя падает. Это объясняется увеличением скольжения.
Виды механических характеристик асинхронного двигателя
Различают естественную и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя.
Естественная характеристика соответствует основной схеме включения двигателя без дополнительных элементов. Она определяется конструктивными параметрами двигателя.
Искусственные характеристики получаются при подключении добавочных резисторов или реакторов к обмотке ротора. Это позволяет регулировать механические свойства двигателя.
Зависимость механической характеристики от напряжения и частоты
На механическую характеристику асинхронного двигателя существенное влияние оказывают напряжение и частота питающей сети.
При снижении напряжения максимальный момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения. А при повышении частоты максимальный момент также падает обратно пропорционально квадрату частоты.
Анализ механических характеристик асинхронного двигателя
Знание механической характеристики позволяет оценить возможность запуска двигателя с заданной нагрузкой, а также устойчивость работы.
Если пусковой момент меньше момента сопротивления нагрузки, пуск невозможен. А если максимальный момент двигателя ниже момента сопротивления нагрузки, возможно опрокидывание при разгоне.
Рекомендации по применению асинхронных двигателей
Для обеспечения надежного пуска и устойчивой работы асинхронного двигателя рекомендуется выбирать его мощность с запасом 20-30% относительно мощности нагрузки.
Кроме того, при выборе двигателя нужно обращать внимание на крутизну механической характеристики – она должна соответствовать характеру нагрузки.
Особенности механической характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором
У асинхронных двигателей с фазным ротором в рассеченные пазы ротора вложена трехфазная обмотка, выведенная на контактные кольца. Это позволяет регулировать механические характеристики таких машин с помощью роторного реостата.
При увеличении сопротивления роторной цепи характеристика в устойчивой части вытягивается, скорость сильнее зависит от нагрузки. То есть характеристика становится мягче.
Учет механической характеристики при выборе асинхронного двигателя
При подборе асинхронного электродвигателя для конкретного механизма необходимо учитывать особенности его работы, в том числе характер нагрузки и требуемый диапазон регулирования скорости.
Двигатели с более пологой механической характеристикой целесообразно применять в механизмах с тяжелыми условиями пуска и сильно переменной нагрузкой на валу.
Анализ рабочих характеристик асинхронного двигателя
Помимо механической, для асинхронных двигателей строятся рабочие характеристики - зависимости момента, тока, КПД от скорости или нагрузки.
Анализ этих характеристик позволяет оптимально загрузить двигатель по нагрузке и обеспечить наиболее эффективный режим работы.
Перспективы развития асинхронных электродвигателей
В настоящее время ведутся интенсивные исследования по улучшению характеристик и повышению энергоэффективности асинхронных двигателей с использованием новых материалов и принципов работы.
Результаты этих исследований позволят расширить области применения таких двигателей и повысить экономичность электроприводов на их основе.
Влияние пульсаций нагрузки на работу асинхронного двигателя
Реальные механизмы зачастую имеют пульсирующий характер нагрузки на валу двигателя. Это может приводить к колебаниям частоты вращения ротора.
Благодаря инерционности механической системы и демпфирующему действию двигателя такие колебания не приводят к существенному снижению устойчивости и надежности работы. Однако их необходимо учитывать при настройке систем управления электроприводом.
Выбор двигателя с учетом нагрева обмоток и длительных перегрузок
Помимо механических и электромагнитных процессов, существенное влияние на работу асинхронных двигателей оказывают тепловые процессы в обмотках статора и ротора.
При значительных перегрузках возможен опасный перегрев обмоток. Поэтому при выборе двигателей необходимы запасы по мощности с учетом допустимой тепловой инерционности обмоток.
Особенности работы асинхронных двигателей в составе частотно-регулируемого электропривода
В последнее время широкое распространение получили частотно-регулируемые электроприводы на базе асинхронных двигателей. Это позволяет эффективно регулировать скорость вращения в широком диапазоне.
Однако при этом необходим строгий контроль предельных токов и моментов, чтобы не допустить перегрузки двигателя, особенно на низких скоростях.
Перспективы использования асинхронных генераторов в ветроэнергетике
Благодаря простоте и надежности конструкции, а также способности работать в широком диапазоне скоростей вращения, асинхронные генераторы находят применение в ветроэнергетических установках.
Для эффективной совместной работы с ветроагрегатами требуется тщательный анализ механических и рабочих характеристик таких генераторов с учетом нестабильности ветровой нагрузки.
Особенности пуска асинхронных двигателей с большим моментом инерции
При пуске двигателей, приводящих в действие механизмы с большим моментом инерции, необходимо учитывать возможность возникновения больших пусковых токов и недопустимых механических перегрузок.
В таких случаях применяют плавный пуск с ограничением тока, либо ступенчатое увеличение напряжения во избежание срыва двигателя и нештатных ситуаций.
Рекомендации по пуску двигателей с большим моментом инерции:
- Применять устройства плавного пуска
- Ограничивать пусковые токи
- Постепенно наращивать напряжение
- Устанавливать двигатели с запасом по мощности и критическому моменту
Влияние несимметрии питающего напряжения на работу асинхронных двигателей
Отклонение формы кривой питающего напряжения от симметричной синусоиды, а также несимметрия напряжений по фазам может оказывать негативное влияние на работу асинхронных двигателей.
В результате этого возникают дополнительные потери, вибрации, перегрев, снижается момент и эффективность работы. Поэтому необходимо обеспечить симметрию напряжения и отсутствие высших гармоник.
Работа асинхронных двигателей в аварийных режимах
В случае внезапного исчезновения или недопустимого снижения напряжения питания, асинхронный двигатель может некоторое время продолжать работу за счет запасенной кинетической энергии вращающихся масс механизма.
Однако следует учитывать, что в таком режиме момент двигателя резко падает, что чревато опрокидыванием или поломкой механизма. Поэтому необходимо предусматривать аварийное отключение привода при недопустимом снижении напряжения.
