4. Режимы холостого хода и короткого замыкания асинхронного двигателя

Опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют определить параметры схем замещения по опытным данным.

4.1 Опыт и характеристики холостого хода. Холостым ходом называется режим работы асинхронного двигателя, когда отсутствует нагрузка на валу (M₂ = 0, P₂ = 0).

Изменяют приложенное к обмотке статора первичное напряжение U₁ в пределах (0,6 – 1,15)U_1н.

Измеряют ток холостого хода I₀, мощность холостого хода P₀.

Рассчитывают

- коэффициент мощности холостого хода

Зависимости I₀, P₀, cos j₀ = f (U₁) называются характеристиками холостого хода. Вид этих характеристик представлен на рис. 4.1.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 4.1. Характеристики холостого хода асинхронного двигателя типа А 71-6 мощностью 14 кВт, 220/380 В, 51,0/29, 6 А, сos j = 0,93, КПД 87 %

Ток холостого хода в процентах от номинального первичного тока при номинальном напряжении I_0% = (25 – 50) %.

При холостом ходе скольжение очень мало, а также очень малы ток ротора и обусловленные им электрические потери. Поэтому представленные характеристики реального холостого хода (s ¹ 0) во многом аналогичны таковым для трансформатора. Полная аналогия электромагнитных процессов в режимах холостого хода трансформатора и асинхронного двигателя наблюдается при идеальном холостом ходе двигателя (s = 0), для которого и определяются параметры намагничивающего контура Г-образной схемы замещения асинхронной машины.

При определении электромагнитных параметров режима идеального холостого хода делается допущение, что токи реального и идеального холостого хода равны. Мощность же, потребляемая двигателем при идеальном холостом ходе (P₀₀), меньше таковой при реальном холостом ходе (P₀) на величину механических потерь p_мх. Чтобы определить P₀₀, надо предварительно выполнить разделение потерь при реальном холостом ходе двигателя, исходя из законов изменения их составляющих. Представим P₀ в виде

P₀ = p_э1 + p_мг + p_мх    

где

P_мх » const

Вычитая из P₀ электрические потери в первичной обмотке p_э1 (предполагая, что известно активное сопротивление r₁ фазы обмотки статора) для каждого значения U₁, найдем

P₀ – p_э1 = p_мг + p_мх

Построив затем кривую (рис. 4.2), которая вследствие указанного характера изменения p_мг и p_мх представляет собой прямую линию, и продолжив ее до оси ординат, определим p_мх и p_мг для U₁ = U_н.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 4.2. Разделение магнитных и механических потерь асинхронного двигателя

После разделения потерь найдем

P_00н  = P_0н – p_мх

при U₁ = U_н (см. рис. 4.2). По найденному значению p_{мг н} найдем далее параметры намагничивающего контура Г-образной схемы замещения

Если от активной составляющей тока холостого хода I₀cosφ₀ вычесть активный ток I_2a^``, определяемый механическими потерями (пренебрегая всеми остальными составляющими тока рабочей ветви Г-образной схемы замещения), то можно получить величину идеального тока холостого хода.

тогда

Сопротивления x_σ1 и r₁ определяются по данным опыта короткого замыкания.

4.2 Опыт и характеристики короткого замыкания. Коротким замыканием называется режим работы двигателя, когда ротор заторможен Ω = 0, а его обмотка замкнута накоротко. К обмотке статора подводится пониженное напряжение U_1к, такое, чтобы ток статора I_1к < (1 – 1,2)I_н. Напряжение короткого замыкания в асинхронных двигателях в процентах к номинальному составляет u_к% = (15 – 20)%. Это больше чем в трансформаторах, так как воздушные пути пазового рассеяния меньше, потоки рассеяния развиты относительно сильнее, индуктивные сопротивления от потоков рассеяния больше.

В опыте измеряются первичная мощность P_1к и ток I_1к при различных значениях U_1к.

Определяют

Зависимости I_1к, P_1к, r_к, x_к, z_к = f (U_1к) называются характеристиками короткого замыкания (рис. 4.3).

Заметим, что при указанных условиях проведения опыта напряжение U_1к, как правило, в несколько раз меньше U_1н. Следовательно, малыми оказываются поток и намагничивающий ток I_μ. Так что в Т-образной схеме замещения асинхронной машины в режиме короткого замыкания можно исключить из рассмотрения намагничивающий контур, приняв I_μ = 0, подобно тому, как это принималось и для трансформаторов.

По данным опыта короткого замыкания можно определить сопротивления схемы замещения

Полагая , можно считать

.

Вид характеристик короткого замыкания существенно зависит от того, являются ли параметры r_к и x_к постоянными или изменяются при изменении U_1к, например, из-за насыщения участков магнитной цепи, по которым замыкаются магнитные потоки рассеяния.

На рис. 4.3 представлены типовые характеристики короткого замыкания для двигателей с постоянными параметрами (рис. 4.3, а) и с параметрами, зависящими от насыщения (рис. 4.3, б).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 4.3. Характеристики короткого замыкания асинхронных двигателей: а — с постоянными параметрами; б — с параметрами, зависящими от насыщения

Значения начального пускового тока и мощности при номинальном напряжении (см. рис. 4.3, а) определяются экстраполяцией соответствующих характеристик короткого замыкания по выражениям

где значения I_1к, P_1к, и U_1к соответствуют одному из произведенных замеров или одной из точек соответствующих характеристик короткого замыкания (см. рис. 4.3, а).

Начальный пусковой момент при U₁ = U_1н

где M_к — измеренное или рассчитанное значение электромагнитного момента в опыте короткого замыкания при I₁ = I_1к. Расчетное значение M_к определяется по электромагнитной мощности в опыте короткого замыкания вычитанием из P_1к электрических потерь в обмотке статора и магнитных потерь при U₁ = U_1к.

5. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

Преобразование активной мощности в асинхронном двигателе можно проиллюстрировать на энергетической диаграмме рис. 5.1.

Рис. 5.1. Энергетическая диаграмма

Активная мощность, потребляемая обмоткой статора из сети

Электрические потери в обмотке статора

Магнитные потери в сердечнике статора

Электромагнитная мощность, передаваемая со статора на ротор посредством магнитного поля

На схеме замещения этой мощности соответствует мощность, выделяемая в активном сопротивлении вторичной цепи .

Часть этой мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора

Полная преобразованная механическая мощность поглощается в сопротивлении r_мх = r₂(1-s)/s

Полезная механическая мощность, снимается с вала двигателя, учитывает потери механические, магнитные, добавочные. Магнитные потери малы из-за небольшой частоты перемагничивания сердечника ротора f₂ = f₁s = (0,5 – 2,5) Гц и, поэтому их не учитывают.

Механические потери связаны с трением, добавочные с высшими гармониками магнитного поля.

Сумма потерь в двигателе

Коэффициент полезного действия

η = (0,7 – 0,95)

С повышением мощности и частоты КПД увеличивается.

Отметим соотношения

откуда следует, что при Р_эм = const электрические потери в роторе пропорциональны скольжению.