Материал: Лекция 13 Физические процессы в АМ
Для машин мощностью от нескольких киловатт и выше модуль этого коэффициента равен c1 = 1,02–1,05, а аргумент γ 1 . Поэтому обычно принимают γ 0 , а комплексный коэффициент c1 заменяют модулем c1 .
При практических расчетах для машин средней и большой мощности можно принять c1 1.
Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, его по-
тери и КПД. Преобразование активной мощности в асинхронном двигателе можно проиллюстрировать на энергетической диаграмме (рис.
2.18). Обмотка статора, включенная в сеть, потребляет из нее активную мощ-
Рис. 2.18. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
ность Р1 . Часть этой мощности теряется в
виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки статора при протекании по ней тока. Другая часть мощности расходуется на магнитные потери в зубцах и ярме стали статора. Оставшаяся мощность посредством магнитного поля передается со статора в ротор. Эта мощность представляет собой электромагнит-
ную мощность
Р Р р |
эл.1 |
р |
m I |
2 |
r2 |
|
|||||
эм 1 |
ст.1 |
2 |
2 s |
||
Электромагнитная мощность частичнорасходуется на потери в роторе. Потерив ротореглавным образом состоят из электрических потерьв обмотке
рэл.2 m2I22r2 Pэмs
Магнитныепотерив роторемалы из–за небольшой частоты перемагничивания сталиипоэтомуих не учитывают.
Из рис. 2.18 видим, что полная механическая мощность Рмх равна
Рмх Рэм рэл.2 Рэм (1 s)
Полезная механическая мощностьР2 , снимаемая с вала двигате-
ля, будет меньше Рмх на значение механических потерь рмех (трение в подшипниках, вентиляцию) и добавочных потерь рд возникающих при нагрузке:
Р2 Рмх рмех рд .
Добавочные потери вызываются высшими гармониками магнитного поля, возникающими из–за зубчатого строения статора и ротора и из–за наличия высших гармоник МДС. При вращении ротора происходит перемещение его зубцов и пазов относительно зубцов и пазов статора, что вызывает колебание потока с высокой частотой. Вследствие колебаний поля возникают добавочные потери в стали на поверхности (поверхностные потери) и в теле зубцов (пульсационные потери) статора и ротора, которые пропорциональны квадрату тока.
Те же колебания потока индуцируют токи в обмотках, в связи с чем также появляются добавочные потери (потери в обмотках заметны главным образом в короткозамкнутых роторах). Добавочные потери трудно поддаются расчету и экспериментальному определению. Они обычно принимаются равными 0,5 % подводимой мощности при номинальной нагрузке. При других нагрузках эти потери пересчитываются пропорционально квадрату тока статора.
Коэффициент полезного действия
ηР2 .
Р1
Как уже отмечалось, КПД асинхронных двигателей достаточно высокий: от 0.7 до 0.95. С повышением мощности двигателя КПД увеличивается. Возрастает КПД также при увеличении частоты вращения.
Реактивная мощность в асинхронном двигателе. Физический процесс возбуждения асинхронного двигателя, т. е. образования в нем магнитного поля, такой же, как в трансформаторе, и, следовательно, тоже требует наличия реактивного намагничиваюнамагничивающего намагничивающего тока. Реактивная мощность, которую асинхронный двигатель забирает из сети для создания рабочего магнитного потока и потоков рассеяния,
θ1 m1U1Ι1 sin 1. |
(2.22) |
Произведение полного тока статора I1 на sin как раз и являет-
ся реактивной составляющей этого тока. Намагничивающим током машины называется геометрическая сумма (т. е. арифметическая разность) реактивных составляющих токов статора и ротора (см. рис. 2.16).
Из-за наличия воздушного зазора между статором и ротором намагничивающий ток в асинхронном двигателе значительно больше, чем в трансформаторе. Это легко объясняется законом Ома для магнитной цепи. Ведь с увеличением зазора растет его магнитное сопротивление, и для получения требуемого магнитного потока надо увеличивать МДС обмотки, т.е. намагничивающий ток.
Следовательно, асинхронные двигатели с большим числом полюсов имеют меньший cos 1, так как рабочий поток в машине пересе-
кает воздушный зазор 2p раз. Максимальное число полюсов у серий-
ных двигателей составляет 2p=12, несмотря на то что потребность в машинах с большим числом полюсов, конечно же, существует. Дело в том, что дальнейшее увеличение числа полюсов машины ведет к недопустимому росту ее намагничивающего тока и снижению cos 1 .
Это подтверждает и формула (2.22). Если 1 растет, увеличива-
ются sin и 1 , а cos падает.
Векторная диаграмма асинхронного двигателя (см. рис. 2.15) также показывает, что чем больше намагничивающий ток, т. е. реактивная составляющая тока холостого хода, тем ниже коэффициент мощности асинхронного двигателя в любом режиме. Следовательно, при номинальной нагрузке cos в асинхронных двигателях ниже, чем
в трансформаторах, и равен приблизительно 0,7 – 0,95. Со снижением нагрузки на валу cos 1, падает до значения, соответствующего холо-
стому ходу (cos 0 = 0,1 – 0,15).
Наибольшая часть потребляемой реактивной мощности идет на создание основного (рабочего) магнитного потока в воздушном зазоре двигателя. В соответствии со схемами замещения, показан-ными на рис. 2.17, 2.18
12 m1E1Ι1p m1Ι21p x12 m1Ι210x0.
На создание потоков рассеяния обмоток статора и ротора соответственно расходуются реактивные мощности
q1 m1Ι21x1;
q2 m2Ι22x2 m1(Ι'2 )2x'2 .
Уравнение баланса реактивных мощностей в асинхронном двигателе имеет вид
Q1 Q12 q1 q2 .
На основании изложенного понятно, почему в асинхронных машинах воздушный зазор между статором и ротором делают минимально возможным.
КПД и cos 1 являются энергетическими показателями асин-
хронного двигателя и в значительной степени определяют количество электроэнергии, которую он потребляет за время эксплуатации, т. е. энергетические показатели определяют экономичность и потребительский уровень качества асинхронных двигателей. Даже незначительное повышение энергетических показателей может обеспечить существенный экономический эффект, хотя бы потому, что асинхронные двигатели потребляют около 40 % всей вырабатываемой электроэнергии. Этим объясняется большое внимание, уделяемое в настоящее время различным методам компенсации реактивной мощности в асинхронных двигателях и созданию высокоэффективных машин с повышенным КПД.