3.6 Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками называют графические зависимости частоты вращения (или скольжения ), момента на валу , потребляемой активной мощности , тока статора , коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от полезной мощности при и . Их определяют экспериментально или расчетным путем, чаще всего по схемам замещения. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т. е. в диапазоне изменения скольжения от 0 до s = (1,11,2)s_H.

При изменении рабочего режима от холостого хода до полной нагрузки частота вращения изменяется незначительно (рис. 4.6), так как при проектировании двигателей с целью уменьшения потерь мощности в роторе стремятся, чтобы скольжение в номинальном режиме не превышало 0,020,06. Следовательно, скоростная (электромеханическая) характеристика двигателя является жесткой.

Для объяснения снижения частоты вращения при увеличении нагрузки на валу (возрастанию полезной мощности ) следует воспользоваться формулой:

 ,

поскольку ЭДС статорной обмотки = const, а коэффициент мощности роторной цепи в рассматриваемом диапазоне изменения скольжения.

В ращающий момент на валу двигателя ; при малом изменении частоты вращения практически момент  : зависимость почти линейна. Характеристика электромагнитного момента ( ), отличающегося от момента на валу двигателя на небольшую постоянную величину момента холостого хода, проходит выше характеристики .

Характеристика потребляемой двигателем активной мощности нелинейна и зависит от вида (рис. 3.7) характеристики . При малых значениях нагрузки КПД двигателя возрастает и потребляемая мощность растет незначительно. При нагрузке, близкой к номинальной, КПД незначительно изменяется при увеличении нагрузки (повышаясь до максимального значения и снижаясь при дальнейшем увеличении нагрузки). При этом зависимость почти линейна. При дальнейшем увеличении нагрузки, вследствие значительного возрастания переменных потерь и уменьшения КПД, потребляемая двигателем мощность резко возрастает.

Ток статорной обмотки может быть определен из формулы полезной мощности

,

откуда ток статорной обмотки

.

Таким образом, характеристика тока статорной обмотки повторяет зависимость с учетом характера изменения коэффициента мощности при увеличении полезной нагрузки ( ) (рис. 3.9). Ток и потребляемая мощность, при значении полезной мощности равном нулю, отличны от нуля и определяются величиной тока и мощности холостого хода.

3.7 Кпд и коэффициент мощности асинхронного двигателя

КПД электродвигателя

,

где потребляемая асинхронным двигателем (его статорной обмоткой) активная электрическая мощность; полезная механическая мощность (снимаемая с вала двигателя); суммарные потери мощности.

КПД современных асинхронных двигателей при номинальной нагрузке для машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,920,96, мощностью 1100 кВт – 0,70,9, а микромашин – 0,40,6 (большие значения относятся к машинам большей мощности).

Так же как в трансформаторе, потери мощности асинхронного двигателя следует разделить на потери постоянные и переменные (или потери холостого хода и короткого замыкания). Постоянные потери не зависят от нагрузки. Это потери: магнитные, механические, электрические холостого хода.

Магнитные потери определяются аналогично магнитным потерям трансформатора:

,

где удельные потери в стали на единицу массы при частоте 50 Гц и индукции 1,0 Тл; индукция на участке магнитопровода; масса сердечника (магнитопровода) или его участка.

Частота перемагничивания в роторе в рабочем режиме двигателя существенно меньше частоты магнитной индукции в статоре; масса магнитопровода ротора также меньше аналогичной массы статора. Обычно в практических расчетах асинхронных двигателей общепромышленного применения пренебрегают магнитными потерями в роторе.

Механические потери состоят из потерь в подшипниках , потерь на трение щеток о кольца (только для фазного ротора), вентиляционных потерь , включающих в себя потери на трение частей машины о воздух и потери в крыльчатке вентилятора, установленной на валу машины:

.

Механические потери зависят только от частоты вращения и составляют не более 2 % от номинальной мощности машины. Поскольку частота вращения асинхронного двигателя при изменении нагрузки от нуля до номинальной изменяется мало, то механические потери считаются постоянными.

В отличие от трансформатора в асинхронном двигателе учитывают электрические потери холостого хода, поскольку ток холостого хода в нем существенно больше, чем в трансформаторе, и составляет от 20 до 50 % от номинального тока.

.

Таким образом, потери холостого хода: .

К потерям переменным (короткого замыкания) относят электрические потери в обмотках статора и ротора:

.

К переменным потерям относят и добавочные потери, вызванные различными причинами: неравномерностью зазора, технологическими погрешностями, вытеснением тока в проводниках обмотки, пульсациями магнитного потока и т. д. Обычно эти потери рассчитывают как определенный процент от номинальной мощности.

Итак, переменные потери зависят от второй степени тока или второй степени коэффициента нагрузки (отношения тока текущей нагрузки к номинальному его значению):

,

где потери короткого замыкания при номинальном токе.

Суммарные потери мощности, таким образом, можно представить в следующем виде:

.

Тогда: .

Характер зависимости КПД от коэффициента нагрузки такой же, как и у трансформатора. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения , но одновременно быстрее, чем , возрастают переменные потери , поэтому при некотором токе рост КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если исследовать функцию (4.52) на экстремум (взять производную и приравнять ее к нулю), то получим условие максимума КПД: он наступает при равенстве переменных и постоянных потерь . При проектировании электрической машины стремятся так распределить потери мощности, чтобы указанное условие выполнялось при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках 6080 % от номинальной (коэффициент нагрузки К_НГ = 0,60,8). На рис. 4.8 приведены зависимости изменения КПД и потерь мощности от коэффициента нагрузки.

Коэффициент мощности асинхронной машины определяют как отношение активного тока к полному току или активной потребляемой мощности к полной мощности по выражению

.

Асинхронный двигатель, так же как и трансформатор, не зависимо от нагрузки потребляет из сети отстающий ток, поэтому его всегда меньше единицы.

П ри холостом ходе асинхронного двигателя коэффициент мощности мал и составляет 0,080,15 (рис.3.9). Это объясняется малой величиной активной составляющей тока, идущего на покрытие лишь достаточно небольших потерь активной мощности. В то же время реактивная составляющая тока холостого хода сравнительно велика, поскольку потребляется двигателем для создания основного магнитного потока, практически не зависящего от нагрузки. При увеличении нагрузки сначала довольно быстро растет при увеличении момента на валу, затем рост его замедляется и достигает максимума при мощности, близкой номинальной (рис. 3.9). Но при увеличении момента уменьшается частота вращения и растет скольжение. При этом увеличивается частота тока в роторе , его индуктивное сопротивление , что ведет к уменьшению и активной составляющей тока ротора (рис. 4.10). Снижается и , как правило, при нагрузках выше номинальных.

В следствие массового использования асинхронных двигателей для рационального электроснабжения предприятий следует так организовывать технологический процесс, чтобы асинхронные двигатели были загружены в соответствии с их номинальной мощностью и не работали на холостом ходу.

Величина коэффициента мощнос-ти для двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 100 кВт достигает 0,70,9, а для двигателей свыше 100 кВт = 0,90,95. В двигате-лях с фазным ротором и КПД несколько ниже, что объясняется дополнительными потерями на трение щеток, худшим использованием объема ротора из-за наличия изоляции в его пазах и увеличением намагничивающего тока в результате уменьшения сечения зубцов ротора.