2. Режимы работы и энергетическая диаграмма ад

В зависимости от величины и знака скольжения, асинхронная машина может работать в двигательном (0 < s <1), генераторном (s < 0) или тормозном (s > 1) режимах работы.

Энергетические диаграммы работы асинхронной машины показаны на рис. 3.2

Рис. 3.2 Энергетические диаграммы двигательного (а), генераторного (б)

и тормозного (в) режимов

Кроме рассмотренных режимов, АД может также работать в режиме динамического торможения. В этом случае обмотка статора отключается от сети переменного тока и подключается к источнику постоянного тока.

Рассмотрим подробнее выражения для отдельных видов потерь, входящих в энергетическую диаграмму и соотношения между ними.

Электрическая мощность, поступающая в двигатель из сети (или, для генераторного режима, отдаваемая в сеть) P_эл = m₁^.U₁^.I₁^.cos, где  - фазовый угол между напряжением и током.

Мощность расходующаяся на электрические потери в обмотках статора и ротора

Р_эл1 = m₁^.I₁^2.R₁, Р_эл2 = m₁^.I₂’^2.R₂’. (3.6)

Мощность магнитных потерь Р_мг , связанная с потерями на гистерезис и на вихревые токи, выделяется в основном в магнитопроводе статора – здесь магнитное поле изменяется с частотой сети (50 или 60 Гц). В рабочем режиме асинхронной машины частота тока в роторе невелика, составляя обычно несколько герц, и поэтому магнитными потерями в магнитопроводе ротора пренебрегают.

3. Потери и кпд асинхронного двигателя

В настоящее время электротехнические системы с асинхронными двигателями являются основным потребителем электрической энергии. Поэтому определение основных энергетических показателей работы асинхронного двигателя и поиск способов их улучшения имеет большое практическое значение.

К основным энергетическим показателям работы двигателя относятся потери мощности и энергии, КПД и коэффициент мощности (cos). В связи с широким внедрением полупроводниковых преобразователей, при оценке энергетических показателей используется также коэффициент искажения, оценивающий степень отличия реальной формы тока или напряжения от синусоидальной.

Суммарная мощность потерь складывается из потерь в элементах электропривода, в частности в двигателе и механической передаче между двигателем и исполнительным органом.

Потери мощности в механической передаче Р_мх.п. определяются в основном трением в движущихся частях и существенно зависят от передаваемого момента. Они оцениваются с помощью КПД передачи, значение которого для конкретного вида передачи для разных нагрузок приводится в справочной литературе.

Коэффициент полезного действия электродвигателя определяется выражением

 = Р₂ / Р₁ = 1 - Р / Р₁, (3.7)

где Р₁ – мощность, поступающая в двигатель от источника электрической энергии, Р₂ = М^. - полезная мощность на его валу, а Р = Р₁ – Р₂ – сумма электрических, магнитных, механических и добавочных потерь в двигателе.

КПД современных асинхронных двигателей общепромышленного применения мощностью от 1 до 100 кВт находится в интервале 0.7 … 0.9, где большие значения КПД относятся к машинам большей мощности.

При изменении нагрузки электродвигателя, отдельные виды потерь изменяются по-разному. Электрические потери в обмотках статора асинхронной машины Р_эл изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки. Механические Р_мех, магнитные Р_мг и добавочные потери Р_доб остаются практически неизменными – такими же, как при холостом ходе (если напряжение машины U₁ и частота ее вращения  практически не изменились).

По этому признаку все виды потерь можно разделить на две группы: постоянные потери Р_о = Р_мг + Р_мех +Р_доб, не зависящие от нагрузки и переменные потери Р_пер = к_нг^2. Р_эл, которые приближенно можно считать пропорциональными квадрату коэффицента нагрузки нагрузки к_нг = Р₂ /Р_2н.

Тогда выражение для КПД асинхронного двигателя можно записать в виде

 = Р₂ /Р₁ = Р₂ / (Р₂+ Р_о + к_нг^2. Р_эл) (3.8)

Отсюда следует, что при изменении нагрузки КПД изменяется, как это показано на рис. 3.3 При холостом ходе  = 0, так как полезная мощность Р2 равна нулю. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения Р2, но одновременно, быстрее увеличения Р2, растут переменные потери Р_пер, поэтому при некотором токе рост КПД прекращается и в дальнейшем он начинает уменьшаться.

Рис.3.3 Кривая КПД асинхронного

двигателя и зависимости его потерь

от нагрузки

Условием максимума КПД является равенство постоянных и переменных потерь

Р_о = Р_пер = к_нг^2. Р_эл.

В асинхронных машинах средней мощности это условие выполняется при относительных нагрузках 0.7 … 0.85. Задаваясь этим соотношением можно выполнить разделение суммарных потерь на составляющие – постоянные и переменные потери и построить график (Р₂).