6.10. Коэффициент мощности и рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Ранее говорилось о большом народнохозяйственном значении коэффициента мощности энергоустановок, повышение которого необходимо для лучшего использования энергетического оборудования генераторов, трансформаторных подстанций, линий электропередачи и распределительных сетей. Асинхронные двигатели очень широко используется, в промышленности и являются, поэтому, одним из основных потребителей электроэнергии. Они могут значительно снизить cos φ энергетических систем.

Как известно .

Так как рабочий магнитный поток при постоянстве входного напряжения U₁ остается неизменным, энергия магнитного поля и реактивная мощность так же остаются неизменной, и не зависит от нагрузки. Активная же мощность и, значит, cosφ зависит от нагрузки на валу двигателя.

При холостом ходе активная мощность стремится к нулю, угол сдвига фаз φ→90°. Почти весь ток, потребляемый двигателем, является реактивным и идет на создание магнитного поля. При увеличении нагрузки до номинальной, растет активная составляющая тока, угол φ уменьшается. При увеличении нагрузки выше номинальной значительно увеличиваются магнитные потоки рассеяния, реактивная составляющая тока и реактивная мощность, угол φ увеличивается, cosφ - уменьшается. Таким образом, cosφ максимален при номинальной нагрузке и уменьшается при недогрузке и перегрузке.

Рис. 6.16

Рис. 6.17

6.11. Электромагнитный момент.

Механическая мощность на валу связана с вращающим электромагнитным моментом соотношением.

- угловая скорость ротора. Электромагнитная мощность Р_эм связана с моментом соотношений

ɷ₀ - угловая скорость магнитного поля

Связь между ɷ₁и ɷ₂ определяется скольжением s.

или ɷ₂=ɷ₀(1-s)

,где р число пар полюсов (см.рис.6.2.)

6.12. Зависимость электромагнитного момента от скольжения и напряжения сети. Механическая характеристика.

Для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы автоматически устанавливалось равновесие вращающего и тормозного момента на валу. С увеличением нагрузки на валу двигателя соответственно должен увеличиваться и вращающий момент. Это увеличение происходит так: при увеличении нагрузки на валу тормозной момент оказывается больше вращающего, уменьшается частота вращения ротора n, а скольжение увеличивается.

Увеличение скольжения ведет к увеличению вращающего момента, и наступает равновесие моментов при увеличении скольжения. Зависимость момента от скольжения довольна сложна. В выражении M=C_MI₂Φcosφ₂все величины (I₂;Φ;cosφ) зависят от скольжения. Ток ротора I₂ с увеличением скольжения возрастает, что видно из формулы . Причем, при x₂s=ɷL_p2s<r₂ сила тока ротора возрастает быстро, а при x₂s>r₂ значительно медленней.

- магнитный поток Ф пропорционален ЭДС статора Ė₁, а Ė₁=Ů−İ₁z₁при увеличении скольжения ток статора увеличивается, ЭДС. Е₁, уменьшается, значит магнитный поток Ф уменьшается.

- коэффициент мощности цепи ротора при увеличении скольжения уменьшается.

Значит, при возрастании скольжения магнитный поток и ток ротора увеличивается, а коэффициент мощности уменьшается. Выражение момента через параметры асинхронного двигателя:

Для определения условий максимального момента возьмем производную приравняем ее к нулю.

Рис. 6.18

Решив это уравнение, определим критическое скольжение, при котором момент максимален

Из полученного выражения видно, что S_кр зависит от сопротивления фазы обмотки ротора. Чем больше активное сопротивление r₂’ ротора, тем ниже его скорость n_кр=n₀(1−S_кр).

M_max соответствует обычно небольшим значениям скольжения, так как индуктивное сопротивление обмоток намного больше чем их активные сопротивления, S_кр= 0,04÷ 0,05. При изменении скольжения

от нуля до S_кр работа двигателя является устойчивой, так как с увеличением тормозного момента на валу, скорость вращения ротора на валу уменьшается, скольжение увеличивается, увеличивается и вращающийся момент. Восстанавливается динамическое равновесие между тормозным и вращающим моментом, (участок 1 и 2 на рис. 6.18.) Дальнейшее увеличение нагрузки (s>s_кр) приведет лишь к уменьшению вращающего момента и к остановке двигателя. Подставив выражение S_кр в формулу для вращающего момента, получим выражение для максимального момента.

Максимальный вращающийся момент определяет перегрузочную способность двигателя M_max в 2-2,5 раза больше М_ном.

Так как M_max не зависит от r₂’, а S_к зависит, то увеличивая активное сопротивление ротора можно увеличить критическое скольжение, не изменяя максимального момента. Это используется для улучшения пусковых условий(см.З.13.). Вращающий электромагнитный момент чувствителен к изменению напряжения М~U₁² . При определенном снижении напряжения двигатель вращаться не будет.

Большое значение имеет зависимость скорости двигателя от нагрузки на валу n=ƒ(М) - механическая характеристика двигателя. Эта характеристика, как видно из рис. 6.19., аналогична по форме зависимости М = ƒ(s). Скорость асинхронного двигателя незначительно снижается при увеличении вращающего момента в пределах от 0 до М_max.

Такая механическая характеристика называется жесткой. Рабочим является участок 1,т.к. на этом участке при незначительном уменьшении тормозного момента скорость ротора увеличивается, скольжение уменьшится, вращающий момент уменьшится. Динамическое равновесие моментов M_вр=M_m восстановится, но с немного большей скоростью.

Рис. 6.19

На участке 2 при уменьшении тормозного момента скорость ротора уменьшится, что приведет к уменьшению вращающего момента и, в конце концов, к его остановке. Этот участок механической характеристики является нерабочей.