Что такое скольжение асинхронного двигателя
Скольжение – это одна из основных характеристик электродвигателя. Она изменяется в зависимости от режима работы, нагрузки на валу и питающего напряжения. Давайте подробнее разберемся, что такое скольжение электродвигателя, от чего оно зависит и как определяется.
Что это такое
Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.
Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.
Величина определяющая разность скоростей вращения магнитных полей ротора и статора, называется скольжение. Так как ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее, чем поле статора — оно обычно меньше единицы. Может измеряться в относительных единицах или процентах.
Высчитывается она по формуле:
где n1— это частота вращения магнитного поля, n2 – частота вращения магнитного поля ротора.
Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.
Величина скольжения в разных режимах работы
В режиме холостого хода скольжение близко к нулю и составляет 2-3%, ввиду того, что n1 почти равняется n2. Нулю оно не может быть равным, потому как в этом случае поле статора не пересекает поле ротора, простыми словами, двигатель не вращается и питающее на него напряжение не подается.
Даже в режиме идеального холостого хода, величина скольжения, выраженная в процентах, не будет равной нулю. S может принимать и отрицательные значения, в том случае, когда электродвигатель работает в генераторном режиме.
В генераторном режиме (вращение ротора противоположно направлению поля статора) скольжение ЭД будет в значениях -∞
Также существует режим электромагнитного торможения (противовключения ротора), в этом режиме скольжение принимает значение больше единицы, со знаком плюс.
Значение частоты тока в обмотках ротора равно частоте тока сети только в момент пуска. При номинальной нагрузке частота тока будет определяться по формуле:
где f1 – частота тока, подаваемого на обмотки статора, а S — скольжение.
Частота тока ротора прямо пропорциональна его индуктивному сопротивлению. Таким образом, проявляется зависимость тока в роторе от скольжения АД. Вращающий момент электродвигателя зависит от величины S, так как определяется значениями величин магнитного потока, тока, углом сдвига между ЭДС и током ротора.
Поэтому, для детального исследования характеристик АД устанавливается зависимость, изображенная на рисунке выше. Таким образом, изменение момента (при различных значениях скольжения) в АД с фазным ротором может регулироваться путем ввода сопротивления в цепь обмоток ротора. В электродвигателях с короткозамкнутым ротором момент вращения регулируется или с помощью преобразователей частоты или использованием двигателей с переменными характеристиками.
При номинальной нагрузке электродвигателя значение скольжения будет в диапазоне 8%-2% (для двигателей малой и средней мощности), номинальное скольжение.
При увеличении нагрузки на валу (момента на валу) будет увеличиваться скольжение, простым языком, магнитное поле ротора будет все сильнее отставать (тормозить) от магнитного поля статора. Увеличение скольжения (S) приведет к пропорциональному увеличению тока ротора, следовательно, пропорционально увеличится момент. Но при этом увеличиваются активные потери в роторе (увеличивается сопротивление), которые уменьшают рост силы тока, поэтому момент увеличивается медленнее, чем скольжение.
При определенной величине скольжения момент достигнет максимального значения, потом начнет снижаться. Величину, при которой момент будет максимальным, называют критической (Sкр).
В графической форме механическую характеристику асинхронного электродвигателя можно выразить с помощью формулы Клосса:
где, Мк — это критический момент, который определяется критическим скольжением электродвигателя.
График строится исходя из характеристик, указанных в паспорте АД. При возникновении вопросов по приводу, в качестве движителя, использующего асинхронный электродвигатель, используется данный график.
Критический момент определяет величину допустимой мгновенной перегрузки электродвигателя. При развитии момента более критического (следовательно, более критического скольжения) происходит, так называемое, опрокидывание электродвигателя и двигатель останавливается. Опрокидывание — один из аварийных режимов.
Способы измерения
Существует несколько способов измерения скольжения асинхронного двигателя. Если частота вращения значительно отличается от синхронной, то ее можно измерить с помощью тахометра или тахогенератора, подключенного на валу ЭД.
Вариант измерения стробоскопическим методом с помощью неоновой лампы подходит при величине скольжения не более 5%. Для этого на валу двигателя либо наносят мелом специальную черту, либо устанавливают специальный стробоскопический диск. Освещают их неоновой лампой, и отсчитывают вращение за определенное время, потом, по специальным формулам производят вычисления. Также возможно использование полноценного стробоскопа, подобно тому что показано ниже.
Также, для измерения величины скольжения всех видов машин подходит способ индуктивной катушки. Катушку лучше всего использовать от реле или контактора постоянного тока, из-за количества витков (там 10-20 тысяч), количество витков должно быть не менее 3000. Катушку с подключенным к ней чувствительным милливольтметром, располагают у конца вала ротора. По отклонениям стрелки прибора (числу колебаний) за определенное время высчитывают по формуле величину скольжения. Помимо этого, у асинхронного двигателя с фазным ротором скольжение можно замерить с помощью магнитоэлектрического амперметра. Амперметр подключается к одной из фаз ротора и по числу отклонений стрелки амперметра производят вычисления (по формуле из способа с индуктивной катушкой).
Трансформаторные подстанции высочайшего качества
1. Определить угловую скорость вращении ротора асинхронного электродвигателя, если обмотка статора четырехполюсная, частота напряжения сети, к которой присоединен электродвигатель, 50 Гц и скольжение ротора равно 3,5%.
Решение:
Частота токов, проходящих в обмотках статора, равна частоте напряжения сети:
Кроме того, известно, что обмотка статора четырехполюсная, т. е. число пар полюсов р = 2.
Скорость вращения магнитного потока, вызываемого трехфазной системой токов, проходящих в обмотках статора, зависит от частоты этих токов 
и числа пар полюсов обмотки р, так как 
, откуда число оборотов в минуту вращающегося синхронно магнитного потока
Угловая скорость вращения
Вращение ротора асинхронного электродвигателя возможно лишь при наличии отставания ротора от вращающегося магнитного потока. Величина, характеризующая это отставание, называется скольжением:
где 
— скорость вращения магнитного потока;
— скорость вращения ротора.
Подставив числовые значения, получим
Угловая скорость вращения ротора
2. На щитке асинхронного электродвигателя значится: 730 об/мин, 50 Гц.
Определить скольжение ротора, вращающегося с указанной скоростью, и число пар полюсов обмотки статора. Каким было скольжение ротора в первые мгновения пуска?
Решение:
В табл. 13 синхронных скоростей вращения при частоте 50 Гц ближайшей скоростью вращения (по отношению к скорости 
) является скорость 
.
Следовательно, скольжение ротора
Число пар полюсов обмотки статора
В момент пуска ротор неподвижен . Поэтому скольжение при пуске
Такое значение имеет скольжение ротора в момент пуска любого асинхронного электродвигателя.
3. В разрыв провода линии, соединяющей контактные кольца ротора асинхронного электродвигателя с трехфазным реостатом, введен магнитоэлектрический амперметр, шкала которого имеет нулевое значение посередине (рис. 80). Разомкнув рубильник, шунтировавший амперметр во время разбега ротора, не поднимая щеток, наблюдали за отклонениями амперметра: оказалось, что за полминуты указательная стрелка прибора совершила 60 полных колебаний.
Определить скорость вращения ротора в течение указанного промежутка времени, если обмотка статора шестиполюсная и частота напряжения сети 50 Гц.
Решение:
Полное колебание указательной стрелки соответствует полному периоду тока в обмотке ротора. Если 60 полных колебаний (периодов) произошло за полминуты, то число полных колебаний (периодов) в секунду равно двум. Следовательно,
Магнитный поток в асинхронном электродвигателе вращается относительно ротора со скоростью, равной разности скоростей:
причем частота тока в роторе
Подставив числовые значения, получим
При шестиполюсной обмотке статора и частоте токов в цепи статора скорость вращения магнитного потока
Подставим в выражение для величины
откуда скорость вращения ротора
4. Когда трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором присоединили к сети с линейным напряжением 220 В, напряжение между контактными кольцами при разомкнутой обмотке ротора составило 90 В.
Определить коэффициент трансформации, рассматривая этот электродвигатель как трансформатор в режиме холостого хода, если обмотки статора и ротора соединены звездой.
Решение:
Фазное напряжение на обмотке статора при схеме соединения звездой в раз меньше линейного напряжения. Следовательно,
Фазное напряжение на обмотке ротора
Коэффициент трансформации фазных напряжений
5. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором характеризуется отношением вращающих моментов соответственно при пуске и при номинальном режиме .
Можно ли осуществить пуск двигателя в случае полной его нагрузки на валу и понижения напряжения в сети на 5 и 10%? К сети присоединен статор.
Решение:
Вращающий момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения в сети:
Следовательно, если напряжение в сети понизится на 5% и составит , то вращающий момент
Отношение 
Так как пусковой момент при номинальном напряжении 
, то при понижении напряжения в сети на 5% пусковой момент
Таким образом, пуск при этих условиях позволит электродвигателю развить вращающий момент больше номинального.
Если напряжение в сети понизится на 10% и составит , то вращающий момент
Пусковой момент при указанном понижении напряжения
Обозначим через долю, которую составляет пусковой вращающий момент от вращающего момента при номинальном напряжении. Тогда для возможности пуска электродвигателя при номинальной нагрузке должно быть выполнено равенство
Поэтому при пуске электродвигателя напряжение сети может составлять от номинального напряжения долю
Таким образом, при заданной кратности пускового момента от номинального 
понижение напряжения в сети может происходить на 
и пуск может быть осуществлен при номинальной нагрузке на валу электродвигателя.
6. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа А51-4 имеет следующие номинальные данные: 
; кратность вращающих моментов 
.
Определить вращающие моменты: номинальный 
, максимальный 
и пусковой 
.
Решение:
Номинальный вращающий момент можно определить из основного соотношения
Вращающий момент 
измерен в 
и мощность Р — в Вт. При этом
Если подставить сюда в качестве Р мощность, измеренную в киловаттах, то число будет в 1000 раз меньше.
Таким образом, при тех же единицах измерения вращающего момента получим
Подставим величины номинального режима:
Используя известные кратности моментов, максимальный вращающий момент
пусковой вращающий момент
7. Асинхронный электродвигатель развивает номинальную мощность 
при номинальной скорости вращения ротора 
, имея перегрузочную способность 2,1.
Выразить зависимость между вращающим, моментом 
и скольжением ротора S электродвигателя.
Решение:
Номинальный вращающий момент
Перегрузочная способность l = 2,1 представляет собой отношение максимального вращающего момента 
к номинальному вращающему моменту 
. Следовательно,
Номинальному вращающему моменту соответствует и номинальное скольжение
где в качестве 
подставлена ближайшая большая (по отношению к 
) синхронная скорость вращения магнитного потока статора.
Зависимость между вращающим моментом 
и скольжением ротора s в асинхронном двигателе выражается формулой
где 
означает критическое скольжение, а 
и s соответствуют одному и тому же режиму работы. Если в левую часть подставить 
, то в качестве s следует подставить 
. Тогда можно определить критическое скольжение 
, при котором имеет место момент 
. В этом случае получается квадратное уравнение, из которого берут большее значение корня.
Так как
Разделив на 0,238 левую и правую части равенства и сосредоточив все члены в одной стороне, получим
Корни полученного квадратного уравнения
Далее берется только больший из корней (при положительном знаке перед корнем):
Подставив в формулу, выражающую зависимость между вращающим моментом 
и скольжением ротора s, численные значения 
, получим требуемую зависимость
Скольжение ротора в момент пуска
Пуск асинхронного привода прямым включением в сеть связан с бросками тока в статорной цепи. Это общеизвестный факт. Но не все задумывались о том, в чем причина этого явления. Мы привыкли, что ток любого электродвигателя прямо пропорционален вращающему моменту на валу. А здесь, казалось бы, парадоксальная ситуация: момент двигателя при пуске ограничен, а ток может превышать номинальное значение в семь раз. Как же так получается?
Все дело в физике работы асинхронной машины. Переменное электромагнитное поле статора наводит ЭДС в обмотке ротора двигателя. Величина этой ЭДС, в соответствии с законами электромагнитной индукции, зависит от скорости изменения электромагнитного поля статора, то есть от частоты вращения этого поля относительно ротора (от скольжения).
Но если поле статора начинает вращаться сразу после подачи напряжения, то ротору необходимо какое-то время, для того, чтобы разогнаться. И чем мощнее и больше двигатель, тем больше времени требуется ротору для разгона – увеличенная масса способствует инерции.
Величина скольжения, в свою очередь, имеет самое большое значение именно в первый момент пуска. В этот момент скольжение равно единице, ротор еще неподвижен, а поле уже вращается с максимальной скоростью. ЭДС в роторной цепи достигает максимального значения, так же как и ток ротора.
Ток ротора тоже является переменным, поэтому он тоже создает свое переменное электромагнитное поле. Это поле опять же наводит ЭДС уже в статорной цепи двигателя. А под воздействием упомянутой ЭДС в статоре начинает протекать дополнительная составляющая тока, компенсирующая МДС ротора.
Таким образом, ток в статоре всегда складывается из двух сонаправленных составляющих. Величина одной составляющей обусловлена собственным сопротивлением статорной обмотки. Эта составляющая имеет постоянное значение и на идеальном холостом ходу двигателя весь статорный ток сводится только к ней.
А вторая составляющая статорного тока зависит от тока в роторной цепи и своего максимума достигает в первый момент пуска двигателя, уменьшаясь до нуля по мере приближения к точке идеального холостого хода. За счет второй составляющей статорный ток двигателя и достигает таких огромных значений при пуске.
Остается невыясненным только один нюанс: почему большой пусковой ток асинхронного двигателя не обеспечивает столь же большого пускового момента, как это бывает у двигателей постоянного тока? Причина состоит в том, что момент двигателя создается только активной составляющей тока ротора, то есть той составляющей, которая совпадает по фазе с роторной ЭДС.
А соотношение активного и реактивного тока ротора зависит, прежде всего, от частоты ЭДС, наводимой в роторной обмотке. Чем выше частота, тем более «переменным» становится ток и тем большее значение приобретает индуктивное сопротивление обмоток ротора. А чем больше индуктивное сопротивление роторных обмоток, тем более реактивным становится роторный ток.
Максимальной частоты ЭДС ротора достигает именно в момент пуска, когда ротор неподвижен. В этот момент роторная ЭДС изменяется с частотой питающей сети – 50 герц. Впоследствии, когда двигатель выходит на рабочий участок характеристики, эта частота падает до нескольких герц, и индуктивное сопротивление обмоток перестает иметь значение, а ток ротора становится практически полностью активным.
Да, пусковой ток в роторной цепи асинхронного двигателя велик, но это преимущественно реактивный ток, он не может обеспечить большой электромеханический момент. Активный ток достигает необходимой величины только после снижения частоты ЭДС и выхода двигателя на рабочую характеристику. С этим и связаны две проблемы пуска асинхронных двигателей: ограниченный пусковой момент и, напротив, повышенный в несколько раз пусковой статорный ток.
Максимальной частоты ЭДС ротора достигает именно в момент пуска, когда ротор неподвижен. В этот момент роторная ЭДС изменяется с частотой питающей сети – 50 герц. Впоследствии, когда двигатель выходит на рабочий участок характеристики, эта частота падает до нескольких герц, и индуктивное сопротивление обмоток перестает иметь значение, а ток ротора становится практически полностью активным.
Скольжение ротора в момент пуска
Работа асинхронного двигателя под нагрузкой .
В рабочем режиме ротор двигателя вращается с частотой n 2 , меньшей частоты n 1 магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор.
Поэтому магнитное поле, имеющее большую частоту, скользит относительно ротора с частотой (об/мин), равной разности частот поля и ротора, т. е. ns = n 1 — n 2 .
Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S .
Скольжение представляет собой отношение разности частот вращения магнитного поля статора и вращающегося ротора к частоте поля статора
S = ns/n 1 = (n 1 — n 2 )/n 1 .
Эта формула определяет скольжение в относительных единицах.Скольжение может быть также выражено в процентах:
S = ((n 1 — n 2 )/n 1 ) x 100% .
Если ротор неподвижен ( n 2 = 0 ), то скольжение равно единице или 100%.
Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой частотой
( n 2 = n 1 ), то скольжение равно нулю.
Таким образом, чем больше частота вращения ротора, тем меньше скольжение.
В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало.
У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3—5%, т.е. ротор вращается с частотой, незначительно отличающейся от частоты магнитного поля статора.
При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, скольжение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.
Частоту вращения ротора можно определить из следующих соотношений:
n 2 = n 1 — ns = n 1 (1 — S) = (60f 1 /p)(1 — S) .
Двигатель будет работать устойчиво с постоянной частотой вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий двигателя М будет равен тормозному моменту на валу двигателя Мт , который развивает приемник механической энергии, например резец токарного станка. Следовательно, можно записать: М = Мт .
Любой нагрузке машины соответствует определенная частота вращения ротора n 2 и определенное скольжение S .
Магнитное поле статора вращается относительно ротора с частотой ns и индуктирует в его обмотке эдс Е 2 , под действием которой по замкнутой обмотке ротора проходит ток I 2 .
Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего.
Это приведёт к уменьшению частоты вращения ротора, а следовательно, к увеличению скольжения. С увеличением скольжения магнитное поле будет пересекать проводники обмотки ротора чаще, эдс E 2 , индуктированная в обмотке ротора, возрастет, а в результате как ток в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент.
Скольжение и ток в роторе будут увеличиваться до значений, при которых вновь наступит равновесие моментов, т. е. вращающий момент станет равным тормозному.
Так же протекает процесс изменения частоты вращения ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению частоты вращения ротора или к уменьшению скольжения.
В результате уменьшаются эдс и ток в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.
Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней эдс Е1 , которая уравновешивает приложенное напряжение сети U 1 .
Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении обмотки статора, которое мало по сравнению с эдс, то между абсолютными значениями приложенного напряжения и эдс обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е.
U 1 = E 1 .
Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неизменна и эдс обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки остается примерно постоянным.
Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено противоположно магнитному полю тока обмотки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении тока в обмотке ротора увеличивается и ток в обмотке статора.
Таким образом, асинхронный двигатель подобен трансформатору, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.
Вращающий момент асинхронного двигателя.
Вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами в проводниках обмотки ротора. Поэтому вращающий момент зависит как от магнитного потока статора Фm , так и от тока в обмотке ротора I 2 .
Однако в процессе преобразования энергии (создании вращающего момента) участвует только активная мощность, потребляемая машиной из сети. Вследствие этого вращающий момент зависит не от тока в обмотке ротора I 2 , а только от его активной составляющей, т. е. I 2 X cos 2 , где 2 — фазный угол между эдс и током в обмотке ротора.
Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя определяется следующим выражением:
М = С Ф m I 2 cos 2 ,
где С — конструктивная постоянная машины, зависящая от числа ее полюсов и фаз, числа витков обмотки статора и конструктивного выполнения обмотки.
При условии постоянства приложенного напряжения магнитный поток остается также почти постоянным при любом изменении нагрузки двигателя.
Таким образом, в выражении вращающего момента величины Фm и С постоянны и вращающий момент пропорционален только активной составляющей тока в обмотке ротора, т. е. M ~ I 2 cos 2 .
Изменение нагрузки или тормозного момента на валу двигателя изменяет частоту вращения ротора и скольжение, что вызовет изменение как тока в роторе I 2 , так и его активной составляющей I 2 cos 2 .
Можно ток в роторе определить отношением эдс к полному сопротивлению, т. е.
I 2 = E 2 /Z 2 = E 2 /(R + X) и cos 2 = R 2 /(R + X) ,
где Z 2 , R 2 и X 2 — полное, активное и реактивное сопротивления фазы обмотки ротора.
Вместе со скольжением изменяется частота тока ротора.
При неподвижном роторе ( n 2 = 0 и S = 1 ) вращающееся поле с одинаковой частотой пересекает проводники обмотки статора и ротора и частота тока в роторе равна частоте тока в сети ( f 2 = f 1 ).
При уменьшении скольжения обмотка ротора пересекается магнитным полем с меньшей частотой, так что частота тока в роторе уменьшается. Когда ротор вращается синхронно с полем ( n 2 = n 1 и S = 0 ), проводники обмотки ротора не пересекаются магнитным полем, так что частота тока в роторе равна нулю f 2 = 0 . Таким образом, частота тока в роторе пропорциональна скольжению, т. е. f 2 = Sf 1 .
Активное сопротивление обмотки ротора почти не зависит от частоты, тогда как эдс и реактивное сопротивление пропорциональны частоте, т. е. изменяются с изменением скольжения, и могут быть определены следующими выражениями:
E 2 = SE и X 2 = SX ,
где Е и X — соответственно эдс и индуктивное conpoтивление фазы обмотки неподвижного ротора. Таким образом, имеем:
I 2 = SE/(R + (SX)) и cos 2 = R 2 /(R + (SX))
и вращающий момент
M I 2 cos 2 = SER 2 /(R + (SX))
Зависимость вращающего момента
асинхронного двигателя от скольжения
Следовательно, при небольших скольжениях (примерно до 20%), когда SX мало по сравнению с R 2 , увеличение скольжения вызывает повышение вращающего момента, так как при этом возрастает активная составляющая тока в роторе ( I 2 cos 2 ).
При больших скольжениях ( SX>R 2 ) увеличение скольжения будет вызывать уменьшение вращающего момента.
Таким образом, хотя и возрастает ток в роторе I 2 , но его активная составляющая I 2 cos 2 и, следовательно, вращающий момент уменьшатся вследствие значительного повышения реактивного сопротивления обмотки ротора.
На изо показана зависимость вращающего момента от скольжения.
При некотором скольжении S m (примерно 20%) двигатель развивает максимальный момент, который определяет перегрузочную способность двигателя и обычно в 2 — 3 раза превышает номинальный момент.
Устойчивая работа двигателя возможна только на восходящей ветви кривой зависимости момента от скольжения, т. е при изменении скольжения в пределах от 0 до S m . Работа двигателя на нисходящей ветви указанной зависимости, т. е. при скольжении S > S m невозможна, так как не обеспечивается устойчивое равновесие моментов.
Если предположить, что вращающий момент был равен тормозному ( M = М Т ) в точках А и Б , то при случайном нарушении равновесия моментов в одном случае оно восстанавливается, а в другом не восстанавливается.
Допустим, что вращающий момент двигателя почему-либо уменьшился (например, при понижении напряжения сети), тогда скольжение начнет увеличиваться.
Если равновесие моментов было в точке A , то увеличение скольжения вызовет увеличение вращающего момента двигателя и он станет вновь равным тормозному моменту, т. е. равновесие моментов восстановится.
Если же равновесие моментов было в точке Б , то увеличение скольжения вызовет уменьшение вращающего момента, который будет оставаться всегда меньше тормозного, т. е. равновесие моментов не восстановится и частота вращения ротора будет непрерывно уменьшаться до полной остановки двигателя.
Если приложить к валу двигателя тормозной момент, больший максимального момента, то равновесие моментов нарушится и ротор двигателя остановится.
Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения, так как пропорциональны напряжению как магнитный поток, так и ток в роторе. Поэтому изменение напряжения в сети вызывает значительное изменение вращающего момента.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя .
Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости скольжения S , частоты вращения ротора n2 , развиваемого момента М , потребляемого тока I1 , расходуемой мощности P1 , коэффициента мощности cos и кпд от полезной мощности Р2 на валу машины. Эти характеристики (изо) снимаются при естественных условиях работы двигателя, т. е. двигатель нерегулируемый, частота тока f1 и напряжение U1 сети остаются постоянными, а , изменяется только нагрузка на валу двигателя.
При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, причем при больших нагрузках скольжение увеличивается несколько быстрее, чем при малых.
При холостом ходе двигателя скольжение очень мало ( n2 ~ n1 или S ~ 0 ).
При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет S = 3 — 5% (0,95) .
Частота вращения ротора n2 = n1(1—S) = (60f1/p)(1 — S) .
При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, а частота вращения будет уменьшаться. Однако изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной очень не значительно и не превышает 5 % . Поэтому скоростная характеристика асинхронного двигателя является жесткой — она имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.
Вращающий момент М , развиваемый двигателем, уравновешен тормозным моментом Мт на валу и моментом Мо , идущим на преодоление механических потерь, т. е.
М = Мт + М0 = Р2/2—М0 , где Р2 — полезная мощность двигателя, 2 — угловая скорость ротора.
При холостом ходе двигателя М = М0 ; с увеличением нагрузки на валу вращающий момент также увеличивается, причем за счет некоторого уменьшения частоты вращения ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем увеличение полезной мощности на валу.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Ток I1 , потребляемый двигателем из сети, неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя.
При холостом ходе cos мал и ток имеет большую реактивную составляющую.
При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая статора меньше реактивной составляющей, поэтому активная составляющая тока незначительно влияет на ток I1 , определяющийся в основном реактивной составляющей.
При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает большое изменение тока I1 .
Графически зависимость потребляемой двигателем мощности Р1 выражается прямой линией, незначительно отклоняющейся вверх от прямой при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с возрастанием нагрузки.
Коэффициент мощности изменяется в зависимости от нагрузки на валу двигателя следующим образом. При холостом ходе cos мал (порядка 0,2 ), так как активная составляющая тока статора обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток.
При увеличении нагрузки на валу cos возрастает (достигая наибольшего значения 0,8—0,95 ) в результате увеличения активной составляющей тока статора.
При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение cos , так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.
Кривая кпд имеет такой же вид, как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе кпд равен нулю. С увеличением нагрузки на валу двигателя кпд резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения кпд достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.