Рабочие характеристики асинхронного двигателя
КПД и потери энергии асинхронного двигателя
Мощность Р1, потребляемая двигателем из сети, определяется числом фаз обмотки статора m1, напряжением U1, подаваемым на фазу обмотки током I1 и углом сдвига фаз между током и напряжением φ1:
Р1 = m1·U1·I1· соs φ1
Полезная мощность двигателя Р2 – это механическая мощность на валу, которая меньше потребляемой мощности на величину суммарной мощности потерь ΣР:
ΣР = Р1 - Р2
Долю, которая составляет полезная мощность от потребляемой мощности, определяет коэффициент полезного действия двигателя ɳ, рассчитываемый в относительных единицах или процентах:
ɳ = Р2/ Р1 или ɳ = Р2/ Р1·100
У двигателей мощностью от 1 до 20кВт КПД при номинальной нагрузке составляет 75…90%; у более мощных двигателей он доходит до 95%.
В суммарную мощность потерь ΣР входят:
1. мощность электрических потерь в обмотках статора Роб1= m1·I1²·R1;
2. мощность магнитных потерь в сердечнике статора (потери в стали на гистерезис и вихревые токи) Рс1;
3. мощность электрических потерь в обмотках ротора Роб2= m2·I2²·R2;
4. мощность механических потерь Рмех.п, обусловленных трением в подшипниках и сопротивлением воздуха; в двигателях с фазным ротором механические потери обусловлены также трением щеток о контактные кольца ротора;
5. мощность добавочных потерь Рдоб, обусловленных пульсацией магнитной индукции в зубцах и наличием высших гармоник МДС. Добавочные потери трудно учесть, обычно их принимают равными 0,5% от потребляемой мощности Р1.
В данном перечне отсутствует мощность магнитных потерь в роторе (потери на гистерезис и вихревые токи), так как они незначительны.
Электрические потери Роб1 и Роб2, а также добавочные потери Рдоб зависят от нагрузки двигателя, т.е. от токов в обмотках ротора и статора, и поэтому являются переменными потерями. Магнитные потери Рс1 и механические потери Рмех.п почти не зависят от нагрузки, за исключением случая, когда при изменении нагрузки значительно изменяется частота вращения и, значит, значительно изменяется частота перемагничивания магнитной системы двигателя.
Электромагнитная мощность Рэм – это мощность, которая передается ротору вращающимся магнитным полем статора через воздушный зазор. Электромагнитная мощность меньше потребляемой мощности на величину потерь в обмотке и сердечнике статора:
Рэм = Р1 – (Роб1+ Рс1)
Мощность Р′2, развиваемая вращающимся ротором, меньше электромагнитной мощности на величину электрических потерь в роторе (Р′2 = Рэм – Роб2) и больше полезной мощности на валу на величину механических потерь: Р′2 =Р2 +Рмех.п
Механическая характеристика асинхронного двигателя
Электромагнитный момент.
Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, определяется электромагнитной мощностью Рэм, передаваемой ротору вращающимся полем статора и угловой скоростью вращения поля Ω1:
М = Рэм/ Ω1
Мощность Р1, потребляемая двигателем из сети, определяется выражением
Р1 = m1·U1·I1· соs φ1
Аналогичное выражение можно записать для электромагнитной мощности Рэм, передаваемой ротору: Рэм = m2·Е2·I2· соs ψ2. В этой формуле учтена замена вращающегося ротора эквивалентным неподвижным, т.е. ЭДС в обмотке ротора считается независимой от скольжения. Используя приведение величин к обмотке статора, запишем:
Рэм = m·Е′2· I′2s · соs ψ2
При этом следует иметь в виду, что действие ЭДС Е2 в фазе цепи ротора эквивалентно наличию источника с напряжением, равным Е2.
Угловая скорость вращения Ω1 пропорциональна частоте f1, которую имеют ЭДС Е1 и приведенная ЭДС Е′2. Выражение для электромагнитного момента может быть записано в виде:
М = С·Ф· I′2s · соs ψ2, где С – конструктивный коэффициент машины.
Анализ механической характеристики
Механическая характеристика асинхронного двигателя – это зависимость электромагнитного момента М от частоты вращения ротора n2. Вместо частоты вращения поля в качестве аргумента часто выбирают скольжение s, связанное с частотой выражением:
S = 1 - n2/ n1
Для анализа зависимости электромагнитного момента от скольжения рассмотрим зависимости от скольжения величин I2s и соs ψ2:
Видно, что при скольжении, равном нулю (когда ротор вращается синхронно с полем статора), ток ротора равен нулю, тогда и электромагнитный момент равен нулю. При увеличении скольжения, ток ротора увеличивается.
Косинус угла сдвига фаз между током ротора и ЭДС, индуцируемой в роторе:
Таким образом, при скольжении, равном нулю, соs ψ2 равен единице. При увеличении скольжения происходит убывание соs ψ2. При скольжении больше единицы, соs ψ2 продолжает убывать. Убывание соs ψ2 влияет на электромагнитный момент также в сторону убывания, и электромагнитный момент стремится к нулю.
Скольжение принимает значение больше единицы, когда частота вращения ротора n2 принимает отрицательное значение. Это произойдет, если в процессе работы двигателя изменить порядок следования фаз обмотки статора, поменяв местами два каких-либо провода, с помощью которых обмотка статора подключена к трехфазной сети. Направление вращения поля статора изменится на противоположное, и на ротор будет действовать тормозной момент. Таким образом реализуется метод торможения противовключением. Если изменить порядок следования фаз обмотки статора, когда ротор находится в покое (s=1), будет происходить разгон двигателя в направлении вращения поля, и скольжение будет меньше единицы.
Итак, электромагнитный (вращающий) момент принимает нулевое значение как при скольжении, равном нулю, так и при скольжении, стремящимся к бесконечности. Это означает, что при увеличении скольжения от нуля момент М сначала увеличивается, затем достигает максимального значения Мmax, после чего снова уменьшается. Другими словами, в интервале значений скольжения от нуля до критического Sкр, при котором момент максимален, характер изменения момента определяется возрастанием тока ротора I2s (соsψ2 при этом близок к единице и изменяется медленно). При большом скольжении, превышающем критическое значение Sкр, изменение момента определяется убыванием соsψ2: частота тока ротора f2 при этом значительна, ток ротора имеет большую реактивную составляющую.
Описанный характер изменения электромагнитного момента при изменении скольжения показан на рис.3.
Рис. 3. Механическая характеристика асинхронного двигателя при разных сопротивлениях цепи ротора
На рис. 3 показаны механические характеристики АД при двух различных значениях активного сопротивления цепи ротора. Область отрицательных скольжений, когда частота вращения ротора превышает частоту вращения поля статора, соответствует генераторному режиму асинхронного двигателя.
Электромагнитный момент при неподвижном роторе, т.е. при скольжении, равном единице, представляет собой пусковой момент Мпуск.
Точки, соответствующие номинальному моменту Мном, отмечены на восходящих участках механических характеристик – в области устойчивой работы двигателя. Надо иметь в виду, что восходящему участку зависимости момента от скольжения соответствует нисходящий участок зависимости момента от частоты вращения ротора.
Отношение пускового момента к номинальному Мпуск/Мном обычно составляет 0,8…1,5 и называется кратностью пускового момента.
Отношение максимального момента к номинальному Мmax/Мном обычно находится в пределах ,6…2,5 и называется перегрузочной способностью двигателя.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Рабочие характеристики асинхронного двигателя (рисунок 4) представляют собой зависимости: частоты вращения n2, КПД ɳ, полезного момента М2, коэффициента мощности cos φ1 и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при постоянстве питающего напряжения U1 = const и частоты f1 = const. При этом зависимость n2 = f(Р2) называется скоростной характеристикой. 
Рисунок 4 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Существует два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателей: метод непосредственной нагрузки и косвенный метод.
Метод непосредственной нагрузки заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от холостого хода до режима номинальной нагрузки. Этот метод применяется для двигателей мощностью не более 10—15 кВт.
Универсальный косвенный метод, применение которого не ограничивается мощностью двигателя. Метод заключается в выполнении двух экспериментов: опыта холостого хода и опыта короткого замыкания. Опыты холостого хода и короткого замыкания асинхронных двигателей аналогичны таким же опытам трансформаторов. Но имеют особенности, обусловленные наличием у двигателя вращающейся части – ротора.
Частота вращения ротора n2 уменьшается при повышении нагрузки на валу (т.е. при повышении Р2).
Скольжение S при увеличении нагрузки на валу двигателя возрастает в следствие уменьшения частоты вращения. Связь между частой вращения, скольжением, частотой напряжения питания и числом пар полюсов определяется следующим выражением:
Тормозной (полезный) момент на валу М2 выражается:
где Ω2 – угловая скорость вращения ротора, рад/с; fвр – частота вращения ротора, об/с (учтено, что n2 (об/мин) = 60 fвр).
За счет некоторого уменьшения частоты вращения n2 с ростом нагрузки на валу Р2 увеличение тормозного момента М2 происходит быстрее, чем увеличение полезной мощности на валу, и кривая тормозного момента незначительно отклоняется вверх от прямой линии.
Сумма полезного момента М2 и момента холостого хода М0, идущего на преодоление механических потерь двигателя, равна вращающему (электромагнитному) моменту М, развиваемому двигателем при стационарной работе (т.е. при отсутствии ускорений).
М = М2 + М0
Ток I1, потребляемый двигателем из сети, неравномерно изменяется при увеличении нагрузки на валу. При небольшой нагрузке ток возрастает медленно, а при незначительной нагрузке – более резко, компенсируя сильное увеличение активных потерь в обмотках статора и ротора.
Изменение коэффициента мощности соs φ1 при изменении нагрузки на валу двигателя происходит следующим образом. При холостом ходе (при S≈0) соs φ1 мал, так как активная составляющая тока статора, расходуемая на покрытие потерь в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток. При увеличении нагрузки на валу коэффициент мощности повышается, достигая наибольшего значения (0,8…0,9) за счет роста активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках заметно растет скольжение и частота тока ротора. По этой причине увеличивается реактивное сопротивление обмотки ротора и происходит некоторое уменьшение соs φ1.
Потребляемая мощность Р 1 при постоянном напряжении питания зависит только от активной составляющей тока статора I1·соs φ1. Произведение этих величин имеет примерно линейную зависимость от полезной мощности Р2, как и потребляемая мощность Р1.
КПД ɳ имеет такую же зависимость от полезной мощности, как и любой электрической машины или трансформатора. При ХХ КПД равен нулю, КПД принимает большее значение при нагрузке, для которой постоянные потери равны переменным.
Практическое задание к лекции
Контрольные вопросы:
1. Какие мощности потерь имеются в асинхронном двигателе?
2. Что характеризует электромагнитная мощность двигателя?
3. Какие значения скольжения соответствуют работе асинхронной машины в режиме двигателя; режиме генератора; режиме торможения противовключением?
4. Каковы особенности зависимости электромагнитного момента АД от активного сопротивления цепи ротора?
5. Опишите рабочие характеристики асинхронного двигателя.
6. При каком режиме работы асинхронного двигателя коэффициент мощности двигателя соs φ1 будет самым низким? Как он будет изменяться при увеличении и уменьшении нагрузки двигателя?
7. Решить задачи:
1. При вращении ротора асинхронного двигателя с частотой 980 об/мин подводимая к двигателю мощность равна 20кВт, а суммарные потери 1,5 кВт. Найти скольжение двигателя и его КПД, если число пар полюсов р=3, а частота напряжения f1 = 50Гц.
2. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором потребляет от сети мощность Р1 = 28 кВт при токе I1 = 140А и напряжении 220В. Найти КПД и коэффициент мощности двигателя соs φ1, если полезная мощность на его валу Р2 = 23,4 кВт.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 151; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!