Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками двигателя называют зависимости угловой скорости Q₂ или частоты вращения вала п₂, электромагнитного момента М, тока статора I_v коэффициента мощности cos (p и КПД двигателя от мощности нагрузки Р₂ при неизменном напряжении на статорной обмотке. Примерный вид рабочих характеристик показан на рис. 3.10.1, где зависимости для коэффициента мощности и КПД приведены в абсолютных значениях, а все остальные — в относительных единицах.

Рис. 3.10.1. Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя

Частота вращения вала в номинальном режиме меньше частоты вращения магнитного поля всего на несколько процентов, характеристика а,.

— (Р₂) близка к линейной. В соответствии с соотношением Р₂ = Q₂M при и б|.

практически неизменной частоте вращения вала электромагнитный момент возрастает с ростом мощности Р₂ по закону, также близкому к линейному.

Зависимость тока 1_Х от мощности на валу аналогична зависимости тока первичной обмотки трансформатора от мощности нагрузки — с ростом мощности увеличивается ток ротора, при этом возрастает также и ток статора, компенсируя размагничивающее действие тока ротора, и обеспечивается неизменность магнитного потока вращающегося магнитного поля. В отличие от трансформатора, у которого значение тока холостого хода составляет несколько процентов от значения номинального тока, в асинхронном двигателе ток холостого хода может достигать 50% номинального значения. Объясняется это тем, что в магнитной цепи двигателя имеется воздушный зазор, существенно увеличивающий ее магнитное сопротивление.

Как известно, коэффициент мощности оценивает соотношение между активной Р_{ и реактивной мощностями двигателя и численно равен cos сдвига фазы тока в обмотке статора по отношению к напряжению:

При изменении нагрузки двигателя от холостого хода до номинального режима реактивная мощность остается практически неизменной, так как ее значение определяется обратимыми процессами периодического изменения запаса энергии магнитного поля машины, магнитный поток которого поддерживается практически неизменным.

В режиме холостого хода, когда необратимые процессы преобразования энергии определяются только потерями на нагрев и, следовательно, активная мощность мала, значение коэффициента мощности также мало и составляет 0,06—0,2. При возрастании нагрузки на валу активная мощность увеличивается, и при неизменном значении реактивной мощности возрастает коэффициент мощности, который в режиме, близком к номинальному, достигает своего наибольшего значения (0,7—0,95). Дальнейшее увеличение момента сопротивления на валу ведет к некоторому снижению коэффициента мощности, так как рост токов в обмотках приводит к насыщению машины, к значительным полям рассеяния, а обменные энергетические процессы в этих магнитных нолях вызывают соответствующее возрастание реактивной мощности и соответственно уменьшение коэффициента мощности. (Магнитная индукция машины в зубцовой зоне в номинальном режиме близка к насыщению — так проектируют асинхронные машины общепромышленного применения.).

Ввиду массового применения асинхронных двигателей в народном хозяйстве рациональная эксплуатация их, исключающая работу машины с низким коэффициентом мощности, приобретает важное экономическое значение для электроснабжения предприятий. В частности, необходимо избегать длительного вращения роторов асинхронных двигателей без нагрузки, следя за тем, чтобы мощность устройства, приводимого в действие асинхронной машиной, незначительно отличалась от номинальной мощности машины. Если при длительной работе асинхронного двигателя его средняя полезная мощность не превышает 45% номинальной, то такой электродвигатель заменяют соответствующим двигателем меньшей мощности.

В тех случаях, когда работа двигателя при полной нагрузке сочетается с его работой со значительной недогрузкой, при которой коэффициент мощности становится недопустимо низким, применяют специальные меры, обеспечивающие повышение коэффициента мощности. Так, во время работы асинхронного двигателя со значительной недогрузкой (например, когда Р₂ < 0,5Р_2ном) снижают фазные напряжения на его статорной обмотке. Тем самым магнитный поток полюса вращающегося магнитного поля, а следовательно, и реактивная мощность машины будут уменьшены, а коэффициент мощности возрастает.

Пренебрегая трением, выражение (3.8.5) для коэффициента полезного действия можно записать в виде.

где АР_Э — потери в обмотке статора и ротора; АР_магн — потери в магнитопроводе машины.

При анализе зависимости КПД двигателя от мощности на валу нужно учитывать, что магнитные потери не зависят от нагрузки на валу, так как при неизменном напряжении питания магнитный поток вращающегося магнитного поля постоянен, а электрические потери пропорциональны квадрату тока.

В режиме холостого хода КПД равняется нулю (Р₂ = О, АР_магн > 0), а с ростом нагрузки на валу (полезной мощности) растет КПД двигателя. При нагрузках, близких к номинальной мощности, КПД двигателя принимает максимальное значение. При дальнейшем росте нагрузки КПД начинает уменьшаться, что связано с быстрым ростом потерь в обмотках.

Зависимость КПД двигателя от мощности на валу аналогична зависимости КПД трансформатора от полезной мощности — Р₂. Здесь также потери в обмотках пропорциональны квадрату токов, а зависимость токов от мощности Р₂ близка к линейной.

Большинство двигателей работают с переменной нагрузкой, обычно их средняя нагрузка меньше номинальной. Это учитывают при проектировании, обеспечивая максимум КПД (равенство потерь энергии в обмотках и магнитопроводе) при недогрузке машины (0,7—0,8)Р_2мом.

Задание 3.10.1. На рис. 3.10.2 показаны паспортные данные, указанные на щитке трехфазного асинхронного двигателя.

Рис. 3.10.2. К заданию 3.10.1.

Как следует соединить фазы обмотки статора двигателя при включении се в сеть с линейным напряжением 380 В? Определить активную мощность двигателя Р_1ном, ток /_1ном и момент на валу М_ном при номинальной нагрузке.

Решение

Двигатели, которые предназначены для включения в трехфазную сеть напряжением 220/380 В, имеют обмотки статора, каждая фаза которых рассчитана на 220 В, т. е. 1У_ф ном = 200 В. Поскольку в фазе обмотки статора допустимо подвести напряжение, равное лишь 220 В, а линейное напряжение сети составляет 380 В, то статорную обмотку следует включить по схеме «звезда».

Для симметричной трехфазной цени активная мощность Р, = 3f/₍j/_(J)cos<�р_ф или Р, = V3[/_ri/_;icos (p_(j), тогда ток обмотки статора.

где Р, = Р₂/г. Подставляя данные двигателя, находим.

и при 11_л = 380 В, cos (p_lHOM = 0,85 вычисляем номинальное значение тока обмотки статора:

^ПР^И ««ом = 735 об/мин, П_иом = (2л/60) п_пш = w_IIOM/9,55, тогда М_иом = 9,55Р_2но1>_|ЮМ = = 974 Н м.

Задание 3.10.2. Как изменятся ток, мощность и cos ф двигателя из предыдущей задачи, если двигатель будет работать с моментом М' = 0,5 М_{И (Ш}?

Решение

• 1. Момент М' = 487 Н • м.
• 2. Частота вращения п' = (п_{ + п_ном)/2 = (1000 + 735)/2 = 867,5 об/мин.
• 3. Механическая мощность Р₂ = М’п'/9,55 = 44 кВт.
• 4. Электрическая мощность с учетом малого изменения КПД в диапазоне нагрузок (0,45— 1,0)Р_1ном равна Р[ = 44/0,921 = 48 кВт.
• 5. Реактивная мощность осталась неизменной (так как осталось неизменным напряжение питания) и равной Q = Q_H0M = P_lH0Mtg9 = 50,5 квар.
• 6. Полная мощность 5' = ^/(P,')² + ((2j)² = 69,7 кВ • А.
• 7. Коэффициент мощности соэф = P[/S' = 48/69,7 = 0,69.

Задание 3.10.3. В табл. 3.10.1 приведены некоторые данные, но трехфазным асинхронным двигателям, работающим в номинальных режимах. Найдите ответы на все вопросы, поставленные в таблице для вашего варианта.

Ответы приведены в табл. 3.10.2.

Таблица 3.10.1

Таблица 3.10.2