Потери и КПД асинхронного двигателя Преобразование электрической энергии в механическую в двигателе связано с потерями энергии, поэтому полезная мощность на выходе двигателя Р2 всегда меньше потребляемой мощности P1 на величину потерь Потери разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические. Магнитные потери Pм в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи, происходящими в сердечнике ротора и статора при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания , β = 1,3÷1,5. Частота перемагничивания сердечника статора равна f=50 Гц, соответственно, магнитные потери в сердечнике статора значительны, а частота перемагничивания сердечника ротора при номинальном скольжении составляет f=50∙s = (2…4)Гц и магнитные потери в сердечнике ротора малы, которые на практике не учитывают. Электрические потери вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами: и , где r1 и r2 – сопротивления обмоток фаз статора и ротора; m – число фаз. В асинхронных двигателях с фазным ротором дополнительно имеются электрические потери в щеточном контакте. Механические потери Рмех — это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора В 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 пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных двигателей принимают равными 0,5% от подводимой к двигателю мощности Р1. Таким образом, часть подводимой к двигателю мощности затрачивается в статоре на магнитные РМ и электрические потери РЭ1. Оставшаяся электромагнитная мощность РЭМ передается на ротор, где расходуется на электрические потери РЭ2 и преобразуется в полную механическую мощность. Часть этой мощности идет на покрытие механических и добавочных потерь, а оставшаяся мощность Р2 – полезная мощность двигателя. Электрические потери в обмотках являются переменными потерями, так как их величина зависит от нагрузки двигателя, то есть от значений токов в обмотках статора и ротора. Переменными являются и добавочные потери. Магнитные и механические потери практически не зависят от нагрузки. Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя определяется С изменениями нагрузки КПД меняет свою величину: в режиме холостого хода КПД равен нулю, а с ростом нагрузки КПД увеличивается, достигая максимума при нагрузке равной (0,7÷0,8)Рном. КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт η= 75÷88 %, а для двигателей мощностью более 10 кВт η = 90÷94 %. Коэффициент полезного действия один из основных параметров асинхронного двигателя, который определяет его энергетические свойства — экономичность в процессе эксплуатации. Кроме того, КПД двигателя, а точнее величина потерь в нем, регламентирует температуру нагрева его основных частей и в первую очередь обмотки статора. По этой причине двигатели с низким КПД (при одинаковых условиях охлаждения) работают при более высокой температуре нагрева обмотки статора, что ведет к снижению их надежности и долговечности. Понятия о характеристиках двигателей и рабочих механизмов Свойства двигателей оценивают по их характеристикам, выражающим зависимость между параметрами двигателя. Наиболее важными при оценке свойств двигателя являются механические характеристики, определяющие взаимосвязь между электромагнитным моментом и частотой вращения или скольжением. Назначение двигателя - приводить в действие различные рабочие механизмы: станки, подъемные устройства, транспортные средства и т.д. При этом рабочий механизм создает на валу двигателя момент, противодействующий вращению вала. Этот момент называется статическим моментом сопротивления Мс. Величина этого момента находится в определенной зависимости от частоты вращения. Свойства рабочих механизмов, также как и двигателей, определяются механическими характеристиками. Механическая характеристика подъемного механизма (лебедка, подъемный кран) имеет вид прямой вертикальной линии 1 (рис. 1), так как при неизменной массе поднимаемого или опускаемого груза статический момент сопротивления при разных скоростях его перемещения постоянен. Вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты создают момент сопротивления, пропорциональный квадрату частоты вращения, т.е. М = n2 (график 2). Металлорежущие станки имеют гиперболическую зависимость между частотой вращения n и статическим моментом Мс; с ростом частоты вращения статический момент сопротивления убывает (график 3). Значения вращающего момента принято считать положительными, поэтому противодействующий статический момент считают отрицательным и механические характеристики рабочих машин строят во втором квадранте осей координат. Устойчивая работа электродвигателя соответствует его установившемуся режиму. Для определения точки установившегося режима на механической характеристике двигателя (график 4) следует в первом квадрате осей координат совместно с механической характеристикой двигателя построить зеркальное отражение механической характеристики рабочего механизма, приводимого в действие данным двигателем, n = f(- Мс). Это кривая 2'. Точка пересечения этих двух линий (точка А) с координатами nуст и Муст определяет установившийся режим работы двигателя. При оценке характеристик двигателей употребляют понятие жесткость характеристики. Количественно жесткость определяется тангенсом угла наклона характеристики к оси ординат tgɑ. Чем больше угол ɑ, тем жестче характеристика: при 𝛼 = 90° характеристика абсолютно жесткая, при 80° < 𝛼< 90° - жесткая, при 𝛼 < 80° - мягкая. Однако такое деление характеристик условно. Обычно оценка жесткости характеристик ведется применительно к конкретному виду характеристик. При этом жесткость определяется величиной изменения параметра на оси ординат (%), вызванного изменением параметра на оси абсцисс в определенном диапазоне. Например, жесткость механических характеристик определяется изменением частоты вращения (%) при сбросе нагрузки, т.е. при изменении нагрузки от номинальной (Мном) до режима холостого хода (М2 = 0). Электромагнитный момент и механическая характеристика асинхронного двигателя Электромагнитный момент создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности и определяется по формуле Электромагнитный момент асинхронного электрических потерь в обмотке ротора двигателя пропорционален мощности Параметры схемы замещения асинхронной машины r1, r2', x1, x2', с некоторым приближением можно считать постоянными величинами. Постоянными также можно считать напряжение на обмотке фазы статора U1 и частоту тока в сети f1. В выражении момента М единственная переменная величина - скольжение s. Величина скольжения асинхронной машины зависит не только от нагрузки, но и от режима работы. При различных режимах работы асинхронной машины скольжение может принимать разные значения в диапазоне от +∞ до - ∞. Рисунок 1. асинхронной машины Механическая характеристика Графически момента выраженная от зависимость скольжения и постоянных параметрах схемы замещения представляет собой механическую характеристику асинхронной машины. Для определения величины критического скольжения sкр, соответствующего максимальному моменту, и приравнять ее нулю: Формула максимального момента (Н·м): Упрощенные выражения критического скольжения: Двигательный режим (0 < s < 1), когда электромагнитный момент М является вращающим; генераторный режим (-∞ < s < 0) и тормозной режим противовключением (1 < s< +∞), когда электромагнитный момент М является тормозящим. Электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети: М = U12 Это в значительной степени отражается на эксплуатационных свойствах двигателя: даже небольшое снижение напряжения сети вызывает заметное уменьшение вращающего момента асинхронного двигателя. При уменьшении напряжения сети на 10 % относительно номинального (U1 = 0,9Uном) электромагнитный момент двигателя уменьшается на 19%: Механическая характеристика асинхронного двигателя соответствующая двигательному режиму При включении двигателя в сеть, магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n1, в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным (n2 = 0) и скольжение s = 1. Необходимо иметь в виду, что при скольжениях, близких к единице (пусковой режим двигателя), параметры схемы замещения асинхронного двигателя заметно изменяют свои значения. Объясняется это в основном двумя факторами: а) усилением магнитного насыщения зубцовых слоев статора и ротора, что ведет к уменьшению индуктивных сопротивлений рассеяния х1 и х2'; 6) эффектом вытеснения тока в стержнях ротора, что ведет к увеличению активного сопротивления обмотки ротора r2'. Из анализа механической характеристики следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического, т. е. на участке ОА механической характеристики, который называют рабочим участком.
