Что такое момент вращения. Статика. Момент силы

§ 92. 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 Φ, так и от силы тока в обмотке ротора I 2 . Однако в создании вращающего момента участвует только активная мощность, потребляемая машиной из сети. Вследствие этого вращающий момент зависит не от силы тока в обмотке ротора I 2 , а только от его активной составляющей, т. е. I 2 cos φ 2 , где φ 2 - фазный угол между э. д. с. и током в обмотке ротора.
Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя определяется следующим выражением:

M = C ΦI φ 2 cos φ 2 , (122)

где С - конструктивная постоянная машины, зависящая от числа ее полюсов и фаз, числа витков обмотки статора, конструктивного выполнения обмотки и принятой системы единиц.
При условии постоянства приложенного напряжения и изменении нагрузки двигателя магнитный поток остается также почти постоянным.
Таким образом, в выражении вращающего момента величины С и Φ постоянны и вращающий момент пропорционален только активной составляющей тока в обмотке ротора, т. е.

M ~ I 2 cos φ 2 . (123)

Изменение нагрузки или тормозного момента на валу двигателя, как уже известно, изменяет и скорость вращения ротора, и скольжение.
Изменение скольжения вызывает изменение как силы тока в роторе I 2 , так и ее активной составляющей I 2 cos φ 2 .
Можно силу тока в роторе определить отношением э. д. с. к полному сопротивлению, т. е. на основании закона Ома

где Z 2 , r 2 и x 2 - полное, активное и реактивное сопротивления фазы обмотки ротора,
E 2 - э. д. с. фазы обмотки вращающегося ротора.
Изменение скольжения изменяет частоту тока ротора. При неподвижном роторе (n 2 = 0 и S = 1) вращающееся поле с одинаковой скоростью пересекает проводники обмотки статора и ротора и частота тока в роторе равна частоте тока сети (f 2 = f 1). При уменьшении скольжения обмотка ротора пересекается магнитным полем с меньшей частотой, вследствие чего 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 обмотке ротора пропорциональна скольжению, т. е.

f 2 = S f 1 .

Активное сопротивление обмотки ротора почти не зависит от частоты, тогда как э. д. с. и реактивное сопротивление пропорциональны частоте, т. е. изменяются с изменением скольжения и могут быть определены следующими выражениями:

E 2 = S E и X 2 = S X ,

где Е и X - э. д. с. и индуктивное сопротивление фазы обмотки для неподвижного ротора соответственно.
Таким образом, имеем:

и вращающий момент

Следовательно, при небольших скольжениях (примерно до 20%), когда реактивное сопротивление Х 2 = S X мало по сравнению с активным r 2 , увеличение скольжения вызывает увеличение вращающего момента, так как при этом возрастает активная составляющая тока в роторе (I 2 cos φ 2). При больших скольжениях (S X больше, чем r 2) увеличение скольжения будет вызывать уменьшение вращающего момента.
Таким образом, при увеличении скольжения (его больших значениях) хотя и повышается сила тока в роторе I 2 , но ее активная составляющая I 2 cos φ 2 и, следовательно, вращающий момент уменьшаются вследствие значительного возрастания реактивного сопротивления обмотки ротора.
На рис. 115 показана зависимость вращающего момента от скольжения. При некотором скольжении S m (примерно 12 - 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 кривой, т. е. при скольжении S > S m , невозможна, так как здесь не обеспечивается устойчивое равновесие моментов.
Если предположить, что вращающий момент был равен тормозному (M вр = M торм) в точках A 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 А , то увеличение скольжения вызовет возрастание вращающего момента двигателя и он станет вновь равным тормозному моменту, т. е. равновесие моментов восстановится при возросшем скольжении. 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 скорость вращения ротора будет непрерывно уменьшаться до полной остановки двигателя.
Таким образом, в точке А машина будет работать устойчиво, а в точке Б устойчивая работа невозможна.
Если приложить к валу двигателя тормозной момент, больший максимального, то равновесие моментов не восстановится и ротор двигателя остановится.
Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения, так как пропорциональны напряжению как магнитный поток, так и сила тока в роторе. Поэтому изменение напряжения в сети вызывает изменение вращающего момента.

Моментом силы относительно оси вращения называется физическая величина, равная про­изведению силы на ее плечо.

Момент силы определяют по формуле:

М - FI , где F - сила, I - плечо силы.

Плечом силы называется кратчайшее расстояние от линии действия силы до оси вращения тела.

На рис. 1.33, а изображено твердое тело, способное вращаться вокруг оси. Ось вращения этого тела перпендикулярна плоскости рисунка и проходит через точку, обозначенную буквой О. Пле­чом силы F здесь является расстояние 1Хот оси вращения до линии действия силы. Находят его следующим образом. Сначала проводят линию действия силы. Затем из точки О, через которую проходит ось вращения тела, опускают на линию действия силы перпендикуляр. Длина этого перпендикуляра является плечом данной силы.

Момент силы характеризует вращающее действие силы. Это действие зависит как от силы, так и от плеча. Чем больше плечо, тем меньшую силу надо приложить, чтобы получить желаемый результат, т. е. один и тот же момент силы (см. (1.33)). Именно поэтому открыть дверь, толкая ее возле петель, гораздо труднее, чем берясь за ручку, а гайку отвернуть гораздо проще длинным, чем коротким гаечным ключом.

За единицу момента силы в СИ принимается момент силы в 1 Н, плечо которой равно 1м - ньютон-метр (Н м).

Правило моментов

Твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной оси, находится в равновесии, если момент силы М, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы М2, вращающей его против часовой стрелки:

М1 = -М2 или F 1 ll = - F 2 l 2 .

Правило моментов является следствием одной из теорем механики, сформулированной фран­цузским ученым П. Вариньоном в 1687 г.

Если на тело действуют две равные и противоположно направленные силы, не лежащие на одной прямой, то такое тело не находится в равновесии, поскольку результирующий момент этих сил относительно любой оси не равен нулю, т. к. обе силы имеют моменты, направленные в одну сторону. Две такие силы, одновременно действующие на тело, называют парой сил. Если тело закреплено на оси, то под действием пары сил оно будет вращаться. Если пара сил приложена ксвободному телу, то оно будет вращаться вокруг оси, проходящей через центр тяжести тела, рис. 1.33, б.

Момент пары сил одинаков относительно любой оси, перпендикулярной к плоскости пары. Суммарный момент М пары всегда равен произведению одной из сил F на расстояние I между силами, которое называется плечом пары,независимо от того, на какие отрезки и /2 разделяет положение оси плечо пары:

M = Fll + Fl2=F(l1 + l2) = Fl.

Момент нескольких сил, равнодействующая которых равна нулю, будет одинаковым относи­тельно всех осей, параллельных друг другу, поэтому действие всех этих сил на тело можно заме­нить действием одной пары сил с тем же моментом.

Которая равна произведению силы на ее плечо.

Момент силы вычисляют при помощи формулы:

где F - сила, l — плечо силы.

Плечо силы - это самое короткое расстояние от линии действия силы до оси вращения тела. На рисунке ниже изображено твердое тело, которое может вращаться вокруг оси. Ось вращения этого тела является перпендикулярной к плоскости рисунка и проходит через точку, которая обозначена как буква О. Пле-чом силы F t здесь оказывается расстояние l , от оси вращения до линии действия силы. Определяют его таким образом. Первым шагом проводят линию действия силы, далее из т. О, через которую проходит ось вращения тела, опускают на линию действия силы перпендикуляр. Длина этого перпендикуляра оказывается плечом данной силы.

Момент силы характеризует вращающее действие силы . Это действие зависит как от силы, так и от плеча. Чем больше плечо, тем меньшую силу необходимо приложить, чтобы получить желаемый результат, то есть один и тот же момент силы (см. рис. выше). Именно поэтому открыть дверь, толкая ее возле петель, намного сложнее, чем берясь за ручку, а гайку отвернуть намного легче длинным, чем коротким гаечным ключом.

За единицу момента силы в СИ принимается момент силы в 1 Н , плечо которой равно 1м — ньютон-метр (Н · м).

Правило моментов.

Твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси, находится в равновесии, если момент силы М 1 вращающей его по часовой стрелке, равняется моменту силы М 2 , которая вращает его против часовой стрелки:

Правило моментов есть следствие одной из теорем механики , которая была сформулирована французским ученым П. Вариньоном в 1687 г.

Пара сил.

Если на тело действуют 2 равные и противоположно направленные силы, которые не лежат на одной прямой, то такое тело не находится в равновесии, так как результирующий момент этих сил относительно любой оси не равняется нулю, так как обе силы имеют моменты, направленные в одну сторону. Две такие силы, одновременно действующие на тело, называют парой сил . Если тело закреплено на оси, то под действием пары сил оно будет вращаться. Если пара сил приложена «свободному телу, то оно будет вращаться вокруг оси. проходящей через центр тяжести тела, рисунке б .

Момент пары сил одинаков относительно любой оси, перпендикулярной к плоскости пары. Суммарный момент М пары всегда равен произведению одной из сил F на расстояние l между силами, которое называется плечом пары , независимо от того, на какие отрезки l , и разделяет положение оси плечо пары:

Момент нескольких сил, равнодействующая которых равна нулю, будет одинаковым относи-тельно всех осей, параллельных друг другу, поэтому действие всех этих сил на тело можно заме нить действием одной пары сил с тем же моментом.

Как уже говорилось, взаимодействие тока I 2 в обмотке ротора с потоком асинхронной машины Ф создает механическую силу, приводящую ротор во вращение. При определении вращающего момента, создаваемого этой силой, необходимо исходить из известного физического соотношения, согласно которому мощность, затрачиваемая на приведение тела во вращение, определяется произведением приложенного к нему момента на скорость вращения данного тела.

Как было указано в § 3, на ротор двигателя через вращающийся магнитный поток Ф передается некоторая электромагнитная мощность, рассчитываемая по формуле (33). Однако не вся мощность, переносимая на ротор магнитным потоком, расходуется на приведение его во вращение, поскольку часть ее тратится на нагревание проводников обмотки ротора.

Механическая мощность двигателя, равная разности электромагнитной мощности и мощности потерь [см. формулу (34)], будет равна произведению вращающего момента на частоту вращения ротора:

Р мех = Мп /9,55,

Где М - момент, Н∙м; n - частота вращения, об/мин.

Частота вращения ротора может быть связана с частотой вращения магнитного поля машины, если вспомнить формулу (9), из которой следует:

n = n 1 (1- s ).

Подставив в (39) выражение для Р мех из правой части (34) и выражение для n из правой части (40), получим:

	3(I"2 )2 r"2	1 - s		3(I "2 )2	r "2
M =		s	=		s	.
	0,105n1 (1 - s)			0,105n1

Если теперь учесть формулу (7) для n1 и формулу (30) для I"2 , то окончательно выражение для М будет иметь вид:

	3	r"2	pU1 2
M =		s		.
	6,28f[(r1 + r"2 /s)2 + (x1 + x"2 )2 ]

Во многих случаях для понимания сущности явлений, происходящих в асинхронной машине, полезно иметь в виду еще одно выражение для вращающего момента. Выше мы уже упоминали, что механическая сила, действующая на проводники ротора, создается в результате взаимодействия тока в проводниках обмотки ротора с магнитным полем. Момент асинхронного двигателя можно рассчитать, зная значение приведенного тока в роторе и потока машины

М = cм I2 Фмакс cos ψ2 ,

Где ψ2 - угол сдвига между э. д. с. Е"2 , наводимой в роторе и током ротора I"2 ; c м - постоянный коэффициент; Фмакс - магнитный поток, Вб; I"2 - ток ротора, А.

В области малых скольжений асинхронной машины справедливой является приближенная формула

М = c м I" 2 Фмакс ,

Поскольку cos ψ2 при малых скольжениях близок к единице

Используя формулу (42), можно получить достаточно полное представление о механических характеристиках асинхронного двигателя. Обратим прежде всего внимание на то, что

механический момент двигателя зависит от трех групп величин: во-первых, что величины, определяемые конструкцией двигателя, к их числу относятся r1 , r"2 , x1 , x"2 ; вовторых, величины, характеризующие напряжение, подводимое к двигателю - напряжение на его зажимах U и частота питающего напряжения f ; наконец, последняя величина, определяющая момент, развиваемый двигателем, зависит от режима его работы - это скольжение s .

В большинстве случаев асинхронные двигатели работают при номинальном напряжении U1 , приложенном к обмотке статора и номинальной частоте питающей сети. Кроме того, параметры цепей ротора и статора двигателя, т. е. активные и индуктивные сопротивления также обычно не меняются в зависимости от режима работы. Поэтому в обычных условиях момент, развиваемый двигателем, изменяется только за счет изменения частоты вращения ротора.

Если использовать уравнение (9), то можно определить значение скольжения, соответствующее каждой заданной частоте n двигателя, и по формуле (42) вычислить величину момента для этой частоты вращения. Расчет значений момента для различных частот позволяет построить естественную механическую характеристику асинхронного двигателя, представляющую собой зависимость вращающего момента от частоты вращения ротора при номинальном напряжении на обмотках статора U1 = Uн , номинальной частоте сети и отсутствии каких-либо дополнительных сопротивлений в цепях статора и ротора. Обычно естественная механическая характеристика асинхронного двигателя имеет вид, пред ставленный на рис. 19.

Рассмотрим физические явления, обусловливающие такую форму механической характеристики. При частоте вращения ротора, равной синхронной, проводники рото­ра движутся с той же частотой, что и вращающееся магнитное поле. Поэтому э. д. с, а следовательно, и ток в роторе равен нулю. Поэтому равен нулю и вращающий момент двигателя. При уменьшении частоты вращения ротора ниже синхронной проводники обмотки ротора начинают пересекать магнитное поле машины, в результате чего в обмотке ротора наводится э. д. с, пропорциональная скольжению ротора [см. формулу (13)]. При малых скольжениях (в пределах от s = 0 до s = s к ) ток ротора также изменяется почти пропорционально скольжению. К такому выводу можно прийти, рассматривая уравнение (26) или уравнение (30). Так, в уравнении (26) при малых значениях s можно пренебречь составляющей x 2 s в знаменателе по сравнению со значением r 2 , а в уравнении (30) можно пренебречь всеми составляющими в знаменателе по сравнению со значе­нием r" 2 /s .

Таким образом, ток ротора в этом диапазоне скольжений практически определяется величиной э. д. с. ротора, деленной на постоянное активное сопротивление r 2 [уравнение (26)].

Если рассмотреть уравнение (43) и учесть, что поток машины Фмакс практически постоянен при изменении нагрузки двигателя, то можно прийти к заключению, что момент двигателя в области малых скольжений пропорционален току ротора. А поскольку ток ротора приблизительно пропорционален скольжению, то оказывается, что и момент в этой зоне пропорционален скольжению. Такая зависимость хорошо видна на рис. 19 при п , близких к п 1 .

Обычно номинальное скольжение двигателя, т. е. скольжение, при котором двигатель развивает номинальный момент, составляет малую величину порядка от 0,01 до 0,1. Поэтому зависимость момента двигателя от скольжения при изменении нагрузки от нулевой до номинальной подчиняется линейному закону.

По мере увеличения скольжения влияние индуктив­ного сопротивления обмотки ротора двигателя значи­тельно возрастает. Это приводит к тому, что зависимость между моментом и скольжением перестает быть линейной и при некотором значении скольжения s = s макс вращающий момент достигает максимального значения М макс Скольжение s макс называется критическим. Исследование условий, при которых наступает максимальный вращающий момент, показывает, что он имеет место приблизительно при таком скольжении, когда индуктивное сопротивление обмотки ротора равно ее активному сопротивлению.

Величину критического скольжения можно найти по формуле

Из приведенных выражений видно, что величина максимального момента не зависит от значения активного сопротивления ротора. Активное сопротивление ротора влияет только на величину критического скольжения. Величина максимального момента, который может быть развит асинхронным двигателем, определяется в основном суммой индуктивных сопротивлений статора и ротора, поскольку значение r1 обычно весьма мало по сравнению с х1 + х"2 . Для того чтобы увеличить М макс , асинхронные двигатели обычно стараются проектировать с возможно меньшими индуктивными сопротивлениями рассеяния статора и ротора. Одной из важных причин, характеризующих асинхронный двигатель, является перегрузочная способность

kmax =	Mmax	.
	Mн

Где kм - коэффициент, определяющий перегрузочную способность; М н - номинальный момент двигателя.

Увеличение скольжения до значений выше критического, т. е. дальнейшее понижение частоты вращения ротора, приводит к понижению величины вращающего момента.

Наконец, при скольжении, равном единице, т. е. при неподвижном роторе момент асинхронного двигателя равен пусковому моменту. Наряду с максимальным моментом он составляет одну из важных эксплуатационных характеристик двигателя. Его величина может быть получена из общей формулы момента (42), если в нее подставить s = l:

В этом режиме знак момента меняется по сравнению с двигательным режимом, поскольку меняется направление тока, проходящего через ротор.

Помимо зависимости вращающего момента асинхронного двигателя от частоты вращения ротора большое значение имеет зависимость его от напряжения, питающего двигатель. Однако такая зависимость имеет значительно более простой характер. Как видно из рассмотрения формулы (42), при заданном значении частоты вращения и скольжения ротора развиваемый двигателем момент прямо пропорционален квадрату подводимого к обмотке статора напряжения. Это значит, что при снижении напряжения на 10% момент понижается на 19%, а при снижении напряжения на 20% уменьшение момента составляет 36%. На рис. 20 изображены механические характеристики двигателя при номинальном питающем напряжении (естественная характеристика) и напряжении, пониженном за счет введения сопротивлений (резисторов) R д1 .

Из сказанного следует, что вращающий момент, развиваемый асинхронным двигателем, весьма чувствителен к изменению питающего напряжения. При снижении напряжения, питающего двигатель, который работает под нагрузкой, его вращающий момент снижается. В результате этого происходит понижение частоты вращения двигателя. Частота понижается (и соответственно увеличивается скольжение) до тех пор, пока вращающий момент двигателя не станет равным статическому моменту сопротивления, обусловленному

приводом. Однако если напряжение понижается очень сильно, может случиться, что максимальный вращающий момент, который развивает двигатель при данном напряжении, оказывается меньше, чем статический момент сопротивления на его валу. В этом случае происходит опрокидывание двигателя, т. е. частота вращения ротора постепенно уменьшается и в конце концов двигатель останавливается. По его обмоткам в этом режиме проходит большой ток (см. § 3) и его необходимо обязательно отключить от сети.

Большое значение имеют механические характеристики асинхронных двигателей, получаемые при введении активного сопротивления в цепи обмоток ротора, что может быть выполнено в двигателях с фазным ротором. Механические характеристики двигателя при различных величинах дополнительных сопротивлений (резисторов) в цепи ротора R д2 изображены на рис. 21.

При малых значениях скольжения дополнительное сопротивление в цепи ротора уменьшает ток ротора. Если учесть формулу (42), то можно увидеть, что это приводит к уменьшению момента, развиваемого двигателем при одном и том же скольжении. Из рис. 21 видно, что при заданном скольжении, т. е. при одной и той же частоте вращения n , момент тем меньше, чем больше сопротивление в цепи ротора.

Величина критического скольжения при большем сопротивлении в цепи ротора оказывается большей. Это следует из формулы (45) и физически объясняется тем, что при большом активном сопротивлении в цепи ротора индуктивное сопротивление рассеяния в роторе может стать равным ему только при большом скольжении. Наконец, величина максимального момента, развиваемого двигателем, остается одинаковой при любом сопротивлении в цепи ротора, как это следует из формулы (46).

Принцип действия асинхронного двигателя, как указывалось, основан на взаимодействии вращающегося поля и тока, индуктированного этим полем в обмотке ротора.

В результате взаимодействия магнитного потока Φ с током I 2 , протекающим в проводниках обмотки ротора, возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение.

Поэтому вращающий момент, создаваемый на валу двигателя, зависит от величины тока ротора I 2 и от магнитного потока Φ.

Кроме того, на величину вращающего момента асинхронного двигателя влияет сдвиг фаз Ψ 2 между током I 2 и э.д.с. ротора. Для уяснения влияния cos Ψ 2 рассмотрим картину электромагнитных сил, действующих на проводники ротора.

Рассмотрим сначала случай, когда индуктивность обмотки ротора мала и поэтому сдвигом фаз между током и э.д.с. можно пренебречь (рис. 255, а). Вращающееся магнитное поле статора здесь заменено полем полюсов N и S, вращающимся, предположим, по направлению часовой стрелки. Пользуясь правилом "правой руки", определяем направление э.д.с. и токов в обмотке ротора. Токи ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создают момент вращения. Направления сил, действующих на проводники с током, определяются по правилу "левой руки". Как видно из чертежа, ротор под действием электромагнитных сил будет вращаться в ту же сторону, что и само вращающееся поле, т. е. по часовой стрелке.

Рассмотрим второй случай, когда индуктивность обмотки ротора относительно велика. В этом случае сдвиг фаз между током ротора I 2 и э.д.с. ротора будет также значительным. На рис. 255, б магнитное поле статора асинхронного двигателя по-прежнему показано в виде вращающихся по направлению часовой стрелки полюсов N и S. Направление индуктированной в обмотке ротора э.д.с. остается таким же, как и на рис. 255, а, но вследствие запаздывания тока по фазе максимум тока I 2 наступает позднее, чем максимум э.д.с.

На рис. 255 показано направление индуктированных токов в отдельных проводниках ротора в рассматриваемый момент времени, а также направления отдельных электромагнитных сил, действующих на проводники. Если Ψ 2 = 0, то все электромагнитные силы будут действовать согласованно. При большем Ψ 2 часть электромагнитных сил создают вращающий момент, направленный по часовой стрелке, а остальные силы - против часовой стрелки.

Магнитный поток Φ не зависит от скорости вращения ротора n. Следовательно, вращающий момент М пропорционален только активной составляющей тока ротора I 2 cos Ψ 2 . Индуктивное сопротивление ротора Х 2 = 2πfL 2 , а следовательно, и величина cos Ψ 2 зависят от частоты тока ротора f 2 и поэтому с изменением нагрузки на валу ротора изменяется не только величина тока I 2 , но и величина cos Ψ 2 . Таким образом, изменение вращающего момента, развиваемого двигателем, с изменением скорости вращения (и скольжения) определяется одновременно как изменением тока I 2 , так и изменением cos Ψ 2 .

На основании математического анализа и экспериментального исследования можно построить график зависимости вращающего момента асинхронного двигателя М от скольжения S (рис. 256). Так как каждому значению S соответствует определенное значение n = n 0 (1 - S), то указанный график можно представить и как зависимость вращающего момента от скорости n. Зависимость между вращающим моментом М и скольжением S называется механической характеристикой двигателя (рис. 256).

На кривой А видно, что в начальный момент пуска, когда S = 1 и n = 0, вращающий пусковой момент двигателя относительно невелик. Это объясняется тем, что в момент пуска частота тока в обмотке ротора наибольшая и индуктивное сопротивление обмотки велико. Вследствие этого cos Ψ 2 имеет малое значение (около 0,1-0,2). Поэтому, несмотря на большую величину пускового тока, пусковой вращающий момент будет наибольшим. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается.

При некотором скольжении S 1 , называемом критическим, вращающий момент двигателя будет иметь максимальное значение. При дальнейшем уменьшении скольжения (или, иначе говоря, при дальнейшем увеличении скорости вращения двигателя) вращающий момент будет быстро уменьшаться и при скольжении S = 0 момент двигателя будет равен нулю. Этот режим соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не нагружен, а механическими потерями (на трение) можно пренебречь.

Пусковой момент можно увеличить, если в момент пуска уменьшить сдвиг фаз между током и э.д.с. ротора. Если увеличить активное сопротивление цепи ротора, то угол Ψ 2 уменьшится, что приведет к тому, что cos Ψ 2 и вращающий момент двигателя станут больше.

Этим пользуются на практике для увеличения пускового вращающего момента двигателя. В момент пуска в цепь ротора вводят активное сопротивление (пусковой реостат), которое затем выводят по мере разгона двигателя.

Увеличение пускового момента приводит к тому, что максимальный вращающий момент двигателя получается при большем скольжении (точка S 2 кривой В на рис. 256). Путем увеличения активного сопротивления цепи ротора при пуске можно добиться того, что максимальный вращающий момент будет в момент пуска (S = 1 кривой С).

Вращающий момент, развиваемый асинхронным двигателем, как указывалось, зависит от величины магнитного потека Φ. При снижении приложенного напряжения U 1 уменьшается магнитный поток Φ, а следовательно, и вращающий момент, развиваемый двигателем при данной скорости вращения.

Теория и практика показывают, что вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому даже небольшое уменьшение напряжения сети сопровождается резким уменьшением момента.

Кривая А называется естественной механической характеристикой, а кривые В и С - реостатными механическими характеристиками асинхронного двигателя.

Работе двигателя с номинальной нагрузкой соответствует точка N на кривой A.

При скольжении S н двигатель развивает номинальный момент M н.

Ранее было указано, что путем увеличения активного сопротивления цепи роторной обмотки можно увеличить вращающий момент двигателя. Можно было бы сделать роторную обмотку большего сопротивления, но это вызвало бы значительный нагрев обмотки и уменьшение к.п.д. двигателя. Для улучшения пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют двигатели с двумя короткозамкнутыми обмотками на роторе и двигатели с глубоким пазом.

Двигатель с двумя клетками (короткозамкнутыми обмотками) был предложен Доливо-Добровольским. На роторе такого двигателя помещают две клетки (рис. 257): одну - пусковую, имеющую большое активное сопротивление и малое индуктивное сопротивление, и другую - рабочую, обладающую наоборот, малым активным сопротивлением и большим индуктивным сопротивлением.

Стержни пусковой клетки изготовляют обычно из латуни. Материалом рабочей клетки служит медь. Сечение рабочей клетки делается больше сечения пусковой клетки. В результате подбора материала и сечения клеток активное сопротивление пусковой клетки получается в четыре - пять раз больше сопротивления рабочей клетки.

Как видно на рис. 257, б, между стержнями пусковой и рабочей обмоток имеется узкая щель, размеры которой определяют индуктивность нижней рабочей клетки. Рассмотрим работу двуклеточного двигателя.

Индуктивность рабочей клетки больше, так как она сцеплена с большим числом магнитных линий.

В момент пуска двигателя, когда частота токов ротора равна частоте сети, индуктивное сопротивление этой клетки особенно велико. Благодаря этому сдвиг фаз между током рабочей клетки и э.д.с., индуктированной в ней, будет большим, а момент вращения, создаваемый клеткой, - малым. Ввиду большого активного сопротивления и малой индуктивности верхней пусковой клетки ток и э.д.с., индуктированные в ней, будут незначительно сдвинуты по фазе, и вращающий момент, развиваемый пусковой клеткой, будет большим. Следовательно, при пуске вращающий момент двигателя получается преимущественно за счет пусковой клетки.

С увеличением скорости двигателя частота токов ротора уменьшается, индуктивное сопротивление клеток оказывает на работу двигателя все меньшее влияние и поэтому распределение токов в клетках определяется только их активным сопротивлением. Но, как было указано выше, активное сопротивление рабочей клетки в несколько раз меньше сопротивления пусковой клетки. Поэтому при нормальной работе двигателя большая часть тока проходит по рабочей клетке и вращающий момент получается преимущественно за счет рабочей клетки.

На рис. 258 показана зависимость вращающего момента двигателя с двуклеточным ротором от величины скольжения. На диаграмме кривая 1 показывает изменение момента, создаваемого пусковой обмоткой, кривая 2 - изменение момента, создаваемого рабочей обмоткой. Сумма мгновенных значений моментов двух обмоток дает кривую М момента двуклеточного двигателя.

Более простым в изготовлении является ротор, у которого обе клетки заливают алюминием. На рис. 259 показаны внешний вид и частичный разрез ротора с двойной литой алюминиевой клеткой.

Двуклеточный двигатель дороже асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обычной конструкции на 20-30%. Наши заводы изготовляют двуклеточные двигатели от 5 до 2000 квт.

Наряду с двуклеточным двигателем применяются двигатели с глубоким пазом (рис. 260). Отношение длины паза к ширине берется в пределах 10-12. Нижняя часть паза сцеплена с большим числом магнитных линий, чем верхняя часть паза. Вследствие этого индуктивное сопротивление нижней части паза больше, чем верхней, в особенности в момент пуска. Это приводит к вытеснению тока ротора в верхнюю часть стержней обмотки. Плотность тока в верхних слоях стержня увеличивается, что равносильно уменьшению сечения стержней и увеличению активного сопротивления обмотки. Это, как известно, приводит к увеличению вращающего момента двигателя. Кроме того, увеличение индуктивного и активного сопротивления обмотки ротора вызывает уменьшение пускового тока. С увеличением скорости двигатель приобретает свойства, соответствующие его обычной конструкции.

В табл. 11 приведены пусковые характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором нормального исполнения, двуклеточного двигателя и двигателя с глубоким пазом. Пусковые свойства даются в виде отношения пускового тока I п к номинальному току I н и в виде отношения пускового момента М n к номинальному моменту М н.