Карточка № 8.10 (250).

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

§8.11. КПД и коэффициент мощности асинхронного двигателя

Потери энергии в асинхронном двигателе складываются из потерь в обмотках статора и ротора, потерь в магнитопроводе, механических и добавочных потерь.

Потери в обмотках Рм (потери в меди) пропорциональны квадрату тока и существенно изменяются при изменении нагрузки двигателя. Потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе Рс (потери в стали) практически не зависят от нагрузки, так как магнитный поток асинхронного двигателя при изменении нагрузки почти не меняется. Механические потери Pмех обусловлены трением в подшипниках и о воздух вращающихся частей двигателя. Добавочные потери Pдов определяются пульсациями магнитного потока вследствие зубчатого строения магнитопровода и другими трудно учитываемыми факторами. Добавочные потери невелики и составляют при номинальной нагрузке около половины процента от подводимой мощности.

Для определения потерь ставят опыты холостого хода и короткого замыкания асинхронного двигателя. В опыте холостого хода определяют потери в стали и механические

потери: Рх=Рс+Рмех Мощность холостого хода Рх измеряют ваттметром, подключенным к зажимам питания

электродвигателя.

Опыт короткого замыкания проводят при неподвижном роторе и пониженном напряжении питания. В опыте короткого замыкания определяют потери в меди: Рк=Рм.

Мощность короткого замыкания Рк также измеряют ваттметром. КПД двигателя

рассчитывают по формуле

η = P1 − (Pм + Pc + Pмех + Pдоп )

P1

где Р1 — мощность, потребляемая двигателем из сети.

КПД асинхронного двигателя зависит от нагрузки. При номинальном режиме работы двигателя η=0,94÷0,95. Чем больше расчетная мощность двигателя, тем выше его КПД.

Важной характеристикой асинхронного двигателя является его коэффициент мощности cosϕ. Он показывает, какая часть полной мощности, поступающей из сети, расходуется на покрытие потерь и преобразуется в механическую работу. Коэффициент мощности асинхронного

двигателя зависит от нагрузки, достигая значений 0,7—0,9 при номинальном режиме работы и снижаясь до 0,2—0,3 при холостом ходе.

Низкое значение cosj асинхронного двигателя объясняется тем, что для создания

магнитного потока в магнитопроводе с воздушными зазорами необходим большой намагничивающий ток, который является реактивным и с увеличением воздушного зазора возрастает. Конструктивный выбор воздушного зазора зависит от многих причин: жесткости вала, его центровки, допустимого износа подшипников и др. У мощных машин воздушный зазор относительно других размеров магнитопровода меньше, чем у машин малой мощности. Поэтому у мощных асинхронных двигателей cosj обычно больше, чем у машин малой мощности.

При низком cosj сеть нагружается реактивными токами и не может обеспечить питание расчетного числа потребителей. Поэтому при эксплуатации асинхронного двигателя следует стремиться к повышению его cosj, в частности необходимо обеспечивать двигатель полезной нагрузкой, близкой к номинальной.

Карточка № 8.11 (252).

КПД и коэффициент мощности асинхронного двигателя

§8.12. Однофазный асинхронный двигатель

На статоре однофазного двигателя размещается одна обмотка, синусоидальный ток в которой создает пульсирующий магнитный поток.

На рис. 8.19 показано, что пульсирующий магнитный поток может быть разложен на два вращающихся в противоположные стороны потока Ф1 и Ф2. Частоты вращения этих потоков равны угловой частоте тока, а амплитуды — половине амплитуды пульсирующего потока Ф.

Рис. 8.19.

Разложение

пульсирующего магнитного потока на два

При неподвижном роторе возникают два равных по значению и противоположно направленных вращающих момента Мпр и Мобр, вследствие чего результирующий момент остается равным нулю. Таким образом, собственный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя равен нулю.

Раскрутим принудительно ротор до частоты вращения п2. Тогда скольжение ротора

относительно прямого поля

sпр=(п1-п2)/п1

относительно обратного поля

sобр = n1 + n2 = n1 + (1- sпр )n1 = 2 - sпр

n1 n1

Частота тока в роторе, создаваемого прямым полем, равна sпр, а частота тока, создаваемого обратным полем, (2—sпр)f. Так, если частота тока в сети f=50Гц, а скольжение sпр=0,02, то

fпр=sпрf=50×0,02=1Гц

fобр=(2-sпр)f=1,98×50=99Гц

Индуктивное сопротивление обмотки ротора пропорционально частоте тока и для прямого тока на два порядка меньше, чем для обратного тока. Вследствие этого прямой ток и прямой вращающий момент Мпр существенно больше обратного тока и обратного вращающего момента. Следовательно, раскрутив двигатель в любую сторону, можно нагрузить его и двигатель будет продолжать вращаться в ту же сторону. Вращающий момент раскрученного однофазного

двигателя незначительно отличается от вращающего момента аналогичного трехфазного двигателя.

Для создания пускового момента на статоре однофазного двигателя размещают дополнительную пусковую обмотку, рассчитанную на кратковременную работу. Эту обмотку включают через конденсатор, вследствие чего ток в ней сдвинут по фазе относительно тока основной обмотки (рис. 8.20). Образующееся двухфазное вращающееся магнитное поле раскручивает ротор. По окончании пуска питание пусковой обмотки должно быть отключено.

Однофазные асинхронные двигатели получили наибольшее распространение в бытовых приборах. Их мощность обычно не превышает 500 Вт.

где Р — мощность двигателя, кВт; U — напряжение сети, В; С — емкость конденсатора,

мкФ.

При соединении обмоток треугольником пусковая емкость в три раза больше, чем в предыдущем случае.

При работе в однофазном режиме трехфазный двигатель без перегрева развивает 60—70% номинальной мощности. Недостаток этих схем — необходимость в дорогостоящих конденсаторах большой емкости, примерно 10 мкФ на каждые 100 Вт мощности двигателя при соединении его обмоток треугольником.

тихоходными турбинами гидроэлектростанций, во втором — паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

Рис. 8.25. Форма воздушного зазора и распределение

магнитной индукции по поверхности ротора в синхронном генераторе

Питание к обмотке ротора подводится через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток. При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. Чтобы получить синусоидальную форму ЭДС, зазор между

поверхностью ротора и статором увеличивают от середины полюсного наконечника к его краям

(рис. 8.25).

Частота индуцированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора f=pn/60,

где р — число пар полюсов ротора генератора.

Отношение n/60 выражает число оборотов ротора в секунду; при р=1 каждый оборот ротора соответствует полному циклу изменений индуцированного переменного тока (одному периоду); при увеличении р соответственно увеличивается и число периодов тока, индуцируемого за один оборот ротора.

Как и у любого генератора, работающего по закону электромагнитной индукции, индуцированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и частоте вращения ротора.

Используют различные способы возбуждения синхронных генераторов. Широкое распространение получил синхронный генератор с машинным возбудителем, представляющим собой генератор постоянного тока, расположенный на одном валу с синхронным генератором. Машинный возбудитель приводится в действие от того же первичного двигателя, что и синхронный генератор. Выходные зажимы возбудителя через щетки и кольца подсоединены к обмотке ротора синхронного генератора. Напряжение синхронного генератора можно регулировать реостатом в цепи обмотки возбуждения возбудителя, что удобно и энергетически выгодно, так как в этой обмотке протекают сравнительно небольшие токи.

Находят также применение генераторы с самовозбуждением через полупроводниковые или механические выпрямители.

Из характеристик синхронного генератора наибольший практический интерес представляют внешние характеристики, выражающие зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных значениях тока возбуждения, частоты и коэффициента мощности.

Внешние характеристики снимают при повышении и понижений напряжения (рис. 8.26) и различных значениях коэффициента мощности нагрузки: cosϕ=1, cosϕ=0,8 (нагрузка индуктивная), cosϕ=0,8 (нагрузка емкостная). Так же как и у трансформатора, напряжение на зажимах синхронного генератора повышается при увеличении емкостной нагрузки. Отечественная промышленность выпускает синхронные генераторы на напряжение от 230 В до 21 кВ.