2.8. Потери и кпд асинхронного двигателя

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронной машине сопряжено с потерями энергии, поэтому полезная мощность на валу двигателя всегда меньше потребляемой из сети мощностина величину потерь:

.

Потери преобразуются в теплоту, что приводит к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяют наосновные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические.

Магнитные потери в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и на вихревые токи, возникающие в магнитопроводе при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивании, гдележит в пределах 1,3–1,5. Частота перемагничивания магнитопровода статора равна частоте сети. Частота перемагничивания магнитопровода роторане превышает в номинальном режиме нескольких герц, поэтому магнитные потери ротора малы, и в практических расчетах они не учитываются.

Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами:

и. Электрические потери пропорциональны квадрату тока в обмотке.

Электромагнитная мощность передается электромагнитным путем через воздушный зазор от статора к ротору:

. Электрические потери пропорциональны скольжению, поэтому предпочтительными являются режимы с малыми скольжениями.

В асинхронных машинах с фазным ротором имеются также потери в щеточном контакте:

.

Механические потери – это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (). В асинхронных двигателях с фазным ротором механические потери происходят еще и за счет трения между щетками и контактными кольцами ротора.

Добавочные потери включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник МДС, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии со стандартом добавочные потери асинхронных двигателей принимают равными 0,5 % от подводимой к двигателю мощности.

При расчете добавочных потерь для режима, отличного от номинального следует пользоваться выражением

, где– коэффициент нагрузки.

Коэффициент полезного действия асинхронной машины:

.

КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт составляет 75–85 %, для двигателей мощностью более 10 кВт – 90–94 %.

2.9. Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя

Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент пропорционален электромагнитной мощности:

, где– синхронная скорость вращения.

Подставив значение тока в последнее выражение, получим формулу электромагнитного момента асинхронной машины (Н∙м):

.

Параметры (сопротивления) схемы замещения асинхронной машины являются постоянными. Также постоянными можно считать напряжение на обмотке фазы статора и синхронную частоту. Единственной переменной величиной является скольжение, которое в различных режимах работы может принимать значение от –∞ до +∞.

Механическая характеристика машины – это зависимость прии. Длятипичных соотношений параметров механическая характеристика показана на рисунке:

Рис. Механическая характеристика асинхронной машины в различных режимах работы.

Электромеханическое преобразование энергии может происходить в асинхронной машине в следующих режимах:

– двигательном ,;

– генераторном ,;

– тормозном ,.

Характерными точками механической характеристики являются:

– точка идеального холостого хода. Скольжение , угловая скорость ротора совпадает с угловой скоростью поля , момент равен нулю;

– критическая точка со скольжением , соответствующая максимальному моменту, которые выражаются через параметры машины следующим образом:

,. Типичные значения критического скольжениядля асинхронных машин общепромышленного применения прикВт лежат в пределах 0,15–0,30.

Перегрузочная способность или кратность пускового момента:

для асинхронных двигателей общего назначения составляет 1,7–2,5;

– точка пуска (короткого замыкания) соответствует частоте вращения (скольжению). Пусковой момент:

. При пуске и в области малых скольжений параметры схемы замещения значительно изменяются по причине магнитного насыщения зубцовых слоев статора и ротора и поверхностного эффекта (вытеснения тока к краю проводника, т.е. увеличение активного сопротивления с ростом частоты) в проводниках ротора. Поэтому параметры схемы замещения при расчете механической характеристики в области, близкой к номинальной, не могут быть использованы для расчета пускового момента.

При пуске двигателя под действием электромагнитного момента вал двигателя приводится во вращение. Частота вращенияувеличивается, скольжениеуменьшается в соответствии с механической характеристикой двигателя и нагрузки. При критическом скольжении момент достигает максимального значения. После этого электромагнитный момент начинает убывать до достижения установившегося значения, при котором момент двигателя равен сумме противодействующих моментов (нагрузки и холостого хода).

Номинальное скольжение лежит в пределах от 0 до и составляет обычно 2–8%. Только в этом диапазоне возможна нормальная устойчивая работа асинхронного двигателя. Длительная работа в точке пересечения механических характеристик двигателя и нагрузкивозможна только в том случае, если при случайном отклонении угловой скорости от установившейся (вследствие колебаний нагрузки, напряжения сети и др.) на ротор действует момент, направленный на восстановление прежней угловой скорости.Условие устойчивости режима работы:

.