Характеристики асинхронной нагрузки.

Для упрощения исключим из рассмотрения активные потери в статоре двигателя, пренебрежём активным сопротивлением цепи статора и потерями активной мощности, связанные с намагничиванием. Представим двигатель Г-образной схемой замещения.

Активная мощность, потребляемая нагрузкой, и соответственно вращающий момент двигателя будут при этих условиях определяться мощностью и моментом сопротивления машин, приводимых во вращение, т.е. рабочих машин и их характеристиками М_мех = f(ω).

Изменения Р, М будут зависеть от режима питающей сети, механических характеристик и характера приводного механизма машин, т.е. зависимостей механического момента от скорости вращения. Примем в дальнейшем для упрощения, что М_мех не зависит от скольжения, т.е.

Из схемы замещения видно, что реактивная мощность Q, потребляемая двигателем, имеет две составляющие: намагничивающую мощность Q_μ , связанную с намагничивающим током и мощность рассеяния Q_s, связанную с созданием полей рассеяния в статоре и роторе; Q = Q_μ + Q_s

Статические характеристики. Активная мощность, определяемая в зависимости от напряжения и скольжения, легко находится из схемы замещения.

(1)

где Р – электромагнитная мощность.

Графическое изображение этой зависимости и связь между напряжением U и скольжением S изображены на рис.7

причём, так как , а при постоянном механическом моменте , зависимость Q_S = f(U) будет иметь такой же вид, как и зависимость S = f(U). Рис. 6

Из приведённых характеристик видно, что при данной механической нагрузке Р_мехУ каждого двигателя есть определённый критический режим. Напряжение U_кр и скольжение S_кр, при которых этот режим наступает, называют критическим. Нетрудно математически определить значения максимального момента или мощности и критического скольжения, воспользовавшись выражением (1). Продифференцировав и приравняв его нулю, найдём:

(2)     (3)

Величина критического скольжения может быть определена через номинальное скольжение S_н и кратность максимального момента:

(4)

При синхронной частоте сети ω ₀ = 1 мощность в относительных единицах равна вращающему моменту

Механическая мощность, развиваемая на валу двигателя

Р_мех = M(1-S) = P(1-S)

Реактивная мощность двигателя состоит из мощности Q_S, поглощаемой в сопротивлении X_S и мощности намагничивания Qμ.

Работа двигателя при положительном значении (точки 1, 2, 3) устойчива; при отрицательном (точки 5, 6, 7) - неустойчива (рис.).

Опрокидывание двигателей. Из сказанного следует, что у асинхронного двигателя имеется только одна область устойчивой работы – область, лежащая между номинальной скоростью и критическим скольжением. Область между критическим скольжением и скольжением, равным единице, является неустойчивой (рис. 7.а).

В нормальных условиях двигатель работает устойчиво на участке а₁-а’₁ при скольжении меньше критического. Однако при снижении напряжения или увеличении механического вращающего момента двигатель может оказаться в критическом режиме (точка а₂).

При дальнейшем снижении напряжения точка, характеризующая режим, перейдёт на спадающую часть характеристики (точка а₃ и а₄); двигатель будет тормозиться, ток и реактивная мощность будут резко расти, а затем двигатель остановится – «опрокинется». При неизвестном напряжении равным критическому, процесс остановки идет так, как это показано на рис. б, в.

Обычно двигатели работают с большим запасом устойчивости. Их рабочее скольжение значительно меньше критического, а максимальный вращающий момент много больше рабочего (1, 5–1, 7 Мн). В этих условиях колебания напряжения не опасны с точки зрения устойчивости двигателей и только очень большие снижения напряжения на их шинах (порядка 20-40%) приводят к опрокидыванию.

Изменение частоты системы. Определим изменения активной и реактивной мощностей при изменениях частоты, но при неизменной величине U в предположении, что механический момент М_мех на валу двигателя остаётся постоянным. При этом активная мощность, потребляемая двигателем, изменяется пропорционально частоте согласно выражению Р = ω М. Снижение частоты приводит к уменьшению скольжения, которое нужно найти из выражения:

где X_SH = X_H при ω = ω ₀.

При М = const можно грубо заменить зависимость S = f(ω) прямой, т.е. принять S = f.

Критическое скольжение при снижении частоты сказывается больше, т.к.

Это благоприятно в отношении устойчивости, тем более что величина максимального момента несколько увеличивается. Реактивная мощность, потребляемая двигателем, зависит от изменения частоты Q = f(ω). Чтобы установить характер этого изменения, необходимо рассмотреть в отдельности влияние частоты на составляющие Q_S и Q_M. Если , то

Таким образом, составляющая Q_S уменьшается с уменьшением частоты и возрастает с её увеличением.

Составляющая , напротив, возрастает с уменьшением частоты. Соотношение между этими составляющими в обычных асинхронных двигателях таково, что характер изменения результирующей мощности Q = Q_S + Q_μ определяется первой слагающей при малых отклонениях частоты и второй при значительном её росте.