ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
Выбор асинхронного двигателя для электропривода осуществляют на основе анализа его характеристик - механической и рабочих. Построение этих характеристик может быть выполнено путем расчета по схеме замещения или по круговой диаграмме. Высшие гармоники магнитного поля оказывают вредное влияние на механическую характеристику и энергетические показатели машины , так как создают добавочные моменты и потери мощности. Путем рационального проектирования двигателей можно существенно уменьшить добавочные моменты и потери .
МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА .
Аналитическое определение зависимости электромагнитного момента от скольжения. Наибольшее значение для оценки свойств асинхронного двигателя имеет механическая характеристика , представляющая собой графическую зависимость частоты вращения ротора n2 от вращающегося момента M, т.е. n2=f(M) или M=f(n2) .
Иногда эта зависимость выражается в виде:
М= f(s) или M=f(v),
где v=n2/n1 - относительная частота вращения.
При этом s=(n1-n2)/n1=1-v.
Использование понятий относительной частоты вращения и скольжения придает механической характеристике более общий характер.
Для построения механической характеристики можно воспользоваться круговой диаграммой или формулой
m1U1ýR2'
M = ДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
W1s[(R1+C1R2'/s)ý + (X1+C1X2')ý]
которая получена из формулы
M = DPэл2/(W1 s) =
m1 I2'ýR2' / ( W1 s)
подстановкой значения тока I2' = C1I2'' из Г-образной схемы замещения
U1
I2' = ДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Ö(R1+C1R2'/s)ý+(X1+C1X2')ý
Для машин мощностью более 10кВт величина С1 примерно равна 1, и формула для момента упрощается:
m1U1ýR2'
M = ДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
W1s[(R1+R2'/s)ý+(X1+X2')ý]
Задаваясь значениями s при известных параметрах двигателя, можно определить M и построить искомую механическую характеристику.
На рисунке приведена механическая характеристика типичная для асинхронных двигателей общепромышленного применения.
Механическая характеристика имеет максимум момента при частоте вращения n2=(0.8..0.9)n1; При частоте вращения n2=n1 момент равен нулю, а при n2=0 пусковой момент Mп=(0.3..0.7)Ммах.
Скольжение, при котором момент имеет максимальное значение (критическое скольжение), можно определить из формулы момента, взяв производную от момента по скольжению dM/ds и приравняв ее к нулю. Решая уравнение относительно s,получим критическое скольжение
C1R2'
sкр = ñ ДДДДДДДДДДД
ÖR1ý+(X1+C1X2')ý.
В первом приближении, принимая C1=1 и пренебрегая величиной R1 в знаменателе, так как R1< (X1+X2'), получим
sкр = ñ R2'/ (X1+X2').
Необходимость иметь высокий КПД заставляет снижать R2', вследствие чего максимум момента асинхронного двигателя имеет место при относительно высоких частотах врашения.
Максимальный момент получим из формулы момента, подставляя значения s кр из последней формулы
m1U1ý
Mмах= ñ ДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
2 W1С1[R1+ÖR1ý+(X1+C1X2')ý]
или приближенно считая С1=1 и R1=0,
Mмах= ñ m1U1ý/
[2W1(X1+X2')].
Знак "+" относится к двигательному режиму,"-" - к генераторному. Максимальный момент при генераторном режиме несколько больше чем при двигательном, так как в генераторном режиме сопротивление R1 принимается со знаком "-" и знаменатель формулы уменьшается по сравнению с его значением для двигательного режима. Из формулы максимального момента видно, что максимальный момент не зависит от активного сопротивления ротора. Оно определяет лишь скольжение s кр при максимальном моменте.
Отношение Ммах/Мном = Км определяет перегрузочную способность электродвигателя. Значение Км - кратность максимального момента - регламентируется ГОСТом и составляет для двигателей обшепромышленного применения от 1.7 до 2.2 . У двигателей, предназначенных для работы с большими перегрузками значение Км может достигать 3.5 .
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
Рабочими хаарктеристиками называют графические зависимости частоты вращения n2 (или скольжения s), момента на валу М2, ток статора I1, КПД и cos(g1) от полезной мощности P2 при U1=const и f1=const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.
Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя показан на рисунке.Частота n2* = n2/n1, ток статора I1* = I1/Iном, момент на валу М2* = М2/Мном, потребляемая P1* = P1/P1ном и полезная P2* = P2/P2ном мощности приведены на графике в относительных единицах. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т.е. до скольжения S = (1.1..1.2)Sном
Частота вращения ротора.
При переходе от режима холостого хода к режиму полной нагрузки, частота вращения n2 изменяется обычно незначительно, так как при проектировании двигателей с целью уменьшения потерь мощности в роторе DPэл2 стремятся, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0.02..0.06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является "жесткой". Значения скольжения s и частоты вращения n2 находят на основании схемы замещения.
Вращающий момент на валу двигателя.
Момент М2 связан с полезной мощностью Р2 соотношением М2=P2/W2,где
W2=2pn2/60.
Так как W2 изменяется мало, зависимость М2=f(P2) близка к линейной. Момент М2 на валу двигателя несколько меньше электромагнитного момента М, значение которого определяют по Г-образной схеме замещения или менее точно по круговой диаграмме;
M2=M-Mt ,
где Mt=DPмех/W2 - момент,обусловленный трением в двигателе.
Ток статора.
Активная составляющая тока I1 пропорцианальна полезной мощности. Реактивная составляющая в диапазоне полезных нагрузок изменяется мало, так как она определяется главным образом током холостого хода, который составляет 20-40% от номинального тока.
КПД электродвигателя определяется выражением
КПД=1-сумма(DP)/P1
где P1 - мощность поступающая в обмотку статора;
сумма(DP) - сумма электрических, магнитных, механических и добавочных потерь. КПД современных асинхронных двигателей при номинальной нагрузке для машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,92-0,96, мощностью 1-100кВт - 0.7- 0.9, а микромашин - 0.4- 0.6(большее значение КПД относится к машинам большей мощности.
Потери % от общих Факторы, влияющие
потерь на потери
DPэл1 35...40 Размер проводников обмотки
статора
DPэл2 15...20 Размер проводников
(стержней и колец) ротора
DPм 15...25 Марка стали, ее толшина и
масса
DPмех 5...10 Марка подшипников,
конструкция подшипникового узла
DPд 1...5 Конструкция и технология
изготовления двигателя