Механической характеристикой (МХ) двигателя является зависимость частоты вращения от момента нагрузки на валу при постоянных значениях напряжения U₁ и частоты питающей сети f, т.е.

    n₂=f(M).

МХ по существу является обратной зависимостью по отношению к зависимости момента вращения от скольжения, показанной на рис. 5.10.

Действительно, из выражения (5.7) при s=0 получим n₂=n₁, а при s=1, n₂=0. Поэтому, если перенести ось ординат в точку s=1 получим n₂=0, повернув оси координат на 90° по часовой стрелке, получим механическую характеристику n₂=f(M), приведенную на рис. 5.11, б.

а)                                  б)

Рис.22.11 Механическая характеристика ТАД

Видим, что при изменении момента нагрузки на валу от нуля до номинального (0<М<М_н) скорость вращения изменяется всего лишь на несколько процентов от скорости вращения ВМП. Такая механическая характеристика считается жесткой. Это обусловлено тем, что скольжение s на холостом ходу двигателя около 1%, а в номинальном режиме (4...8)%. Отсюда уменьшение скорости вращения в рабочем диапазоне нагрузок составляет

    Dn₂=n₁ – n₂»(0,01…0,1)n₁.

Рабочие характеристики

Свойства двигателя в рабочем режиме определяются рабочими характеристиками. Рабочие характеристики представляют следующие зависимости: потребляемой мощности – Р₁; потребляемого тока – I₁; коэффициента мощности - cosj₁; коэффициента полезного действия (КПД) - h; момента вращения М_вр; частоты вращения – n₂; скольжения –s от полезной мощности на валу двигателя – Р₂, при номинальном напряжении U₁ и постоянной частоте f питающей сети.

Полезная механическая мощность

         Р₂=w₂М, Вт,                                                        (22.12)

где w₂=  –угловая скорость двигателя или круговая частота вращения, рад/с;

n₂ – скорость вращения ротора, об/мин.

Рабочие характеристики определяются для области устойчивой работы, как правило, экспериментальным путем. Примерный вид рабочих характеристик показан на графиках рис. 5.12.

Рис.22.12 Рабочие характеристики

Поясним некоторые рабочие характеристики. Частота вращения n₂ при изменении нагрузки 0<Р₂<Р_2н уменьшается незначительно, так как механическая характеристика у ТАД жесткая и скольжение при номинальной нагрузке невелико (S_н=4...8%) .

Момент вращения, как видно из формулы 22.12, связан с полезной мощностью простым соотношением по линейному закону. Поэтому зависимость М_вр=f(P₂) носит почти линейный характер. однако при Р₂=0, момент вращения не равен нулю, т.к. в двигателе существуют потери энергии и М_вр=М_пот (момент потерь).

Потребляемый из сети ток I₁ на холостом ходе создает ВМП и имеет малую активную и большую реактивную составляющие. С ростом нагрузки активный ток увеличивается и становится больше реактивного.

Активная потребляемая мощность Р₁ на холостом ходе мала и расходуется на покрытие потерь механических и в магнитопроводе. С увеличением нагрузки растет потребляемый активный ток и растет активная потребляемая мощность.

Коэффициент мощности двигателя определяется по известной формуле

cosj₁= ,                                                (22.13)

где S₁, P₁,Q₁ – полная, активная и реактивная мощности                       двигателя.

На холостом ходе активная мощность мала, а реактивная, идущая на создание ВМП, велика. Поэтому cosj₁ на холостом ходу весьма мал cosj = 0,08...0,2. Это является существенным недостатком асинхронных двигателей, т.к. они ухудшают качество (коэффициент мощности) питающей сети. С ростом Р₂ быстро растет активная потребляемая мощность – Р₁, а реактивная – Q₁ практически остается постоянной. Поэтому cosj₁ увеличивается и при номинальной нагрузке становится максимальным и достигает значений 0,75...0,85 .

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к уменьшению числа оборотов и к росту активной, и особенно реактивной мощности, что приводит к уменьшению коэффициента мощности.

Скольжение s с ростом нагрузки увеличивается, так как уменьшается скорость вращения двигателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется, как обычно, отношением полезной мощности (механическая мощность на валу двигателя) Р₂ к затраченной, т.е. потребляемой из сети Р₁.

       h= ,                                                  (22.14)

       где U₁, I₁ – линейные напряжение и ток;

        j₁ – угол сдвига фаз между линейным напряжением и током.

С другой стороны КПД можно определить через мощность потерь Р_п, например, по формуле

           h= .                                                    

Физические процессы в асинхронном двигателе и основные математические соотношения во многом аналогичны трансформатору, при этом статор соответствует первичной обмотке, а ротор – вторичной.

В двигателях различают потери постоянные (DР_пост) и переменные (DР_пер) потери в статоре и роторе, потери электрические и механические. Все разнообразие потерь можно объединить записав,

                 Р_пот=DР_пост+DР_пер

где DР_пост =DР_ст + DР_мех; DР_ст – потери в стали или магнитные потери в статоре и роторе, а также в воздушном зазоре между ними;

DР_мех – механические потери в подшипниках, контактных кольцах и за счет трения о воздух.

Потери в стали, как и у трансформаторов постоянны и их приближенно можно определить на холостом ходе двигателя, когда М®0 и S®0. Однако, следует отметить, что ток холостого хода двигателя примерно в 10 раз больше тока холостого хода трансформатора. Если в трансформаторе ток холостого хода составляет примерно (2...10)% от тока номинального, то у двигателя – (20...50)%. Это обусловлено воздушным зазором между ротором и статором, который увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода [1]. Падение напряжения в асинхронном двигателе на холостом ходе также  в несколько раз больше, чем у трансформатора и составляет (2...5)% U_ном против (0,1...0,4)% у трансформатора.

Переменные потери состоят из электрических потерь в обмотках статора (DР_эс ) и ротора (DР_эр). Потери в роторе в сильной степени зависят от скольжения, т.е.

    DР_эр=SDР_эм

где DР_эм=w_тМ_вр – мощность ВМП;

      w₁= – угловая скорость вращения магнитного поля;

     s – скольжение.

Кроме того, переменные электрические потери пропорциональны квадрату потребляемого тока. Учитывая это, можно выразить КПД ТАД через коэффициент нагрузки.

    b= .

Учитывая, что P₂=b×P_2H, получаем окончательную формулу для КПД ТАД

     h= ,                                             (22.15)

где DP_эн – электрические потери в номинальном режиме.

На холостом ходе, т.к. Р₂=0, КПД также равен нулю. Рост нагрузки приводит к быстрому увеличению КПД, т.к. постоянные потери не изменяются, а переменные (потери в проводниках) еще малы. Максимальное КПД двигателя (0,75...0,95) достигается при некоторой его недогрузки, т.е. когда b=0,6. При этом двигатели большей мощности имеют больший КПД.