Энергетический баланс асинхронного двигателя кратко

Обновлено: 05.07.2024

Асинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Рассмотрим каждую из них.

Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки

часть – в виде магнитных потерь в магнитопроводе статора

Оставшаяся часть мощности

представляет собой электромагнитную мощность, передаваемую с помощью магнитного поля из статора в ротор. На схеме замещения (рис. 11.6 в) этой мощности соответствует мощность, пропорциональная активному сопротивлению . Поэтому

Другая часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки ротора

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность ротора

или, с учетом уравнений (11.30) и (11.31)

Полезная механическая мощность на валу двигателя меньше механической мощности на величину механических и добавочных потерь

Из уравнений (11.30)…(11.32) следует, что

Таким образом, активная мощность представляет собой среднюю мощность преобразования в двигателе электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии. Процесс преобразований активной энергии в режиме двигателя изображен на рис. 11.8 а в виде энергетической диаграммы.

Сумма потерь в двигателе

вычитается из потребляемой мощности и определяет полезную мощность на валу

Непременным условием работы асинхронного двигателя является потребление реактивной мощности

Часть этой мощности расходуется на создание магнитных полей рассеяния

расходуется на создание основного магнитного потока, а мощность

расходуется на создание полей рассеяния в роторе.

Диаграмма реактивных мощностей изображена на рис. 11.8 б.

Активная мощность двигателя Р_х определяет среднюю мощность необратимого преобразования в двигателе электрической энергии, получаемой из трехфазной сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии, а реактивная мощность Q_x— максимальную мощность обмена энергией между источником и магнитным полем двигателя.

Активная мощность и КПД двигателя. Диаграмма преобразования энергии в двигателе показана на рис. 14.20. В ней исходной величиной является активная мощность Р_г = 3 f/^coscpj потребления электрической энергии из трехфазной сети.

Часть этой мощности Р_мр1 составляет мощность потерь на нагревание проводов обмотки статора. Остальная мощность преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля Р_|ф ,„ часть которой Р_с составляет мощность потерь из-за гистерезиса и вихревых токов в сердечнике статора. Мощность потерь в сердечнике ротора, через который замыкается вращающийся магнитный поток, практического значения не имеет, так как частота /₂ тока в роторе весьма мала (1 — 3 Гц) и мощность потерь из-за гистерезиса и вихревых токов незначительна.

Оставшаяся часть мощности вращающегося магнитного поля составляет электромагнитную мощность ротора Р_эм = р_врл1 — Р_с. Наконец, чтобы определить механическую мощность Р_мсх, развиваемую ротором, из электромагнитной мощности нужно вычесть мощность потерь на нагревание проводов обмотки ротора Р_пр2. Следовательно,

Р — Р — Р

Рис. 14.20

1 мех 1 1 л и

ир1 £ нр2*

Полезная механическая мощностьР₂на валу двигателя будет меньше механической мощности Р_мех из-за механических потерь Р_МЛ1в двигателе, т.е.

Р — Р — Р

1 2 1 мех м.и*

Отношение полезной механической мощности Р₂на валу двигателя к активной мощности Р_гпотребления электрической энергии из сети определяет КПД асинхронного двигателя

Т1 =P₂/Pi-

пр1

ТТ

Рг.

Реактивная мощность и коэффициент мощности двигателя. Реактивная мощность Qi характеризует обратимый процесс обмена энергией между магнитным полем двигателя и источником. Так как необходимость магнитного поля обусловлена принципом действия асинхронного двигателя, то неизбежно наличие реактивной мощности двигателя.

(14.21)

При проектировании и эксплуатации асинхронных двигателей представляет интерес соотношение между активной и реактивной мощностями, которое определяется коэффициентом мощности:

cos =pjjp* + QI.

Анализ уравнения электрического состояния фазы статора (14.116) показывает, что при постоянном значении напряжения U_x между выводами фазной обмотки статора и тока I_x^ /_1ном магнитный поток вращающегося поля двигателя Ф_в также постоянен и не зависит от ее нагрузки. Это означает, что энергия, запасаемая в магнитном поле асинхронного двигателя, и реактивная мощность двигателя также постоянны и не зависят от его нагрузки. Но так как с ростом нагрузки активная мощность двигателя увеличивается, то из (14.21) следует, что с ростом нагрузки и коэффициент мощности
двигателя увеличивается. Если при отсутствии нагрузки на валу двигателя коэффициент мощности асинхронного двигателя равен 0,1 — 0,15, то при номинальной нагрузке двигателя коэффициент мощности, как указывалось, достигает 0,8 — 0,95.

Вращающий момент асинхронного двигателя

Выражение для вращающего момента асинхронного двигателя можно получить из формулы для механической мощности Р_мех на валу двигателя:

где uj_p— угловая скорость ротора.

Так как и;_р = 2тт/60, то, следовательно, связь между угловыми скоростями магнитного поля и;_п двигателя и ротора и;_р определяется скольжением

Угловая скорость магнитного поля и>„ равна угловой частоте синусоидального тока в фазных обмотках статора и для двухполюсного двигателя (р — 1). В общем случае многополюсного двигателя

где р — число пар полюсов.

Подставив в (14.22) выражение и>_р через и, получим

Из анализа схемы замещения фазы двигателя (рис. 14.18) известно, что механическая мощность на валу

Подставив значение механической мощности на валу двигателя из (14.24) в (14.23), получим выражение вращающего момента:

а так какR_b2I₂= E₂cosy)₂,что следует из векторной диаграммы фазы ротора (см. рис. 14.16), a E₂/s=E_2wто

Чтобы ввести в выражение момента на валу (14.26) значение магнитного потока вращающегося поля, заменим согласно (14.17)

т. е. вращающий момент двигателя пропорционален произведению потока вращающегося магнитного поля и тока в обмотке ротора.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.005)

Энергетический баланс асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Рассмотрим каждую из них.

Активная мощность

(11.26)

Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки

, (11.27)

часть – в виде магнитных потерь в магнитопроводе статора

. (11.28)

Оставшаяся часть мощности

(11.29)

. (11.30)

Другая часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки ротора

. (11.31)

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность ротора

(11.32)

или, с учетом уравнений (11.30) и (11.31)

. (11.33)

. (11.34)

Из уравнений (11.30)…(11.32) следует, что

, (11.35)

. (11.36)

Сумма потерь в двигателе

вычитается из потребляемой мощности и определяет полезную мощность на валу

а) б)

Рис. 11.8

КПД двигателя

. (11.37)

Непременным условием работы асинхронного двигателя является потребление реактивной мощности

. (11.38)

Часть этой мощности расходуется на создание магнитных полей рассеяния

. (11.39)

Оставшаяся мощность

(11.40)

расходуется на создание основного магнитного потока, а мощность

(11.41)

расходуется на создание полей рассеяния в роторе.

Диаграмма реактивных мощностей изображена на рис. 11.8 б.

Электромагнитный момент

Электромагнитная мощность равна произведению электромагнитного вращающего момента и угловой скорости вращения магнитного потока

Механическая мощность на валу ротора равна произведению момента на угловую скорость вращения ротора

Как следует из рис. 11.8, разность электромагнитной и механической мощностей, затрачиваемая на электрические потери в активном сопротивлении ротора,

Рис. 11.9

Учитывая (11.31), получим

где .

Из векторной диаграммы для ротора (рис. 11.9) получаем

Формула для вращающего момента приобретает вид

, (11.42)

где – постоянный коэффициент.

Из (11.42) следует, что вращающий момент пропорционален произведению магнитного потока и активной составляющей тока ротора. Для определения момента через параметры двигателя выразим ток из схемы рис. 11.6 в без учета тока холостого хода

и через параметры ротора

Подставив последнее соотношение в (11.42) с учетом

, ,

где – число витков ротора на одну фазу статора (число фаз = 3); р – число пар полюсов; , получаем

. (11.43)

Согласно (11.43) электромагнитный момент при любом скольжении пропорционален квадрату напряжения фазы статора и тем меньше, чем больше и индуктивное сопротивление машины .

Рис. 11.10

Графическая зависимость показана на рис. 11.10.

Характерными точками для режима двигателя являются:

режим холостого хода: = 0, = 0;

номинальный режим: =0,02…0,06, ;

режим максимального (критического) момента: , ;

режим пуска: = 1,0, .

Максимум вращающего момента разделяет кривую на устойчивую часть от = 0 до и неустойчивую – от до = 1. Увеличение тормозного момента выше максимального ведет к остановке двигателя.

Максимальный момент и критическое скольжение можно выразить через параметры машины, приравняв к нулю первую производную по (11.43)

, (11.44)

. (11.45)

В этих соотношениях знак плюс относится к двигательному, знак минус – к генераторному режиму работы. Напомним, что формулы получены без учета активного сопротивления обмотки статора.

Путем преобразования уравнения (11.43) с учетом (11.44) и (11.45) получим формулу момента в относительных единицах

. (11.46)

11.11. Механическая характеристика

Рис. 11.11

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу . Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то и механическая характеристика представляется зависимостью . Если учесть взаимосвязь , то механическую характеристику можно получить из (11.43) или (11.46), представив ее графическую зависимость в координатах и (рис. 11.11).

Пример 11.1. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: = 14 кВт, = 960 об/мин, = 0,85, = 0,88, кратность максимального момента = 1,8.

Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику.

Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети

кВт.

Номинальный ток, потребляемый из сети

А.

Число пар полюсов

где = 1000 – синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте = 960 об/мин.

Номинальное скольжение

Номинальный момент на валу двигателя

Н·м.

Критический момент

Н·м.

Критическое скольжение находим по (11.46), подставив , и

Для построения механической характеристики с помощью определим характерные точки: точка холостого хода = 0, = 1000 об/мин, = 0, точка номинального режима = 0,04, = 960 об/мин, = 139,3 Н·м и точка критического режима = 0,132, = 868 об/мин, =250,7 Н·м.

Для точки пускового режима = 1, = 0 из (11.46) находим

Н·м.

По полученным данным строят механическую характеристику. Для более точного построения следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений по (11.46) определить моменты, а по (11.4) – частоту вращения.

нергетический баланс асинхронного двигателяАсинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Рассмотрим каждую из них. Активная мощность(11.26) Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки, (11.27) часть – в виде магнитных потерьв магнитопроводе статора. (11.28) Оставшаяся часть мощности(11.29) представляет собой электромагнитную мощность, передаваемую с помощью магнитного поля из статора в ротор. На схеме замещения (рис. 11.6 в) этой мощности соответствует мощность, пропорциональная активному сопротивлению. Поэтому. (11.30) Другая часть этой мощности теряется в виде электрических потерьв активном сопротивленииобмотки ротора. (11.31) Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощностьротора(11.32) или, с учетом уравнений (11.30) и (11.31). (11.33) Полезная механическая мощностьна валу двигателя меньше механической мощностина величину механическихи добавочных потерь. (11.34) Из уравнений (11.30)…(11.32) следует, что, (11.35). (11.36) Таким образом, активная мощностьпредставляет собой среднюю мощность преобразования в двигателе электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии. Процесс преобразований активной энергии в режиме двигателя изображен на рис. 11.8 а в виде энергетической диаграммы. Сумма потерь в двигателевычитается из потребляемой мощности и определяет полезную мощность на валу.а) б) Рис. 11.8 КПД двигателя. (11.37) Непременным условием работы асинхронного двигателя является потребление реактивной мощности. (11.38) Часть этой мощности расходуется на создание магнитных полей рассеяния. (11.39) Оставшаяся мощность(11.40) расходуется на создание основного магнитного потока, а мощность(11.41) расходуется на создание полей рассеяния в роторе. Диаграмма реактивных мощностей изображена на рис. 11.8 б.

28. Пуск и регулирование скорости асинхронного двигателя. Способы пуска асинхронных двигателей

Общая характеристики вопроса. Прямой пуск. При рассмотрений возможных способен пуска и ход асинхронных двигателей необходимо учитывать следующие основные положения: 1) двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения; 2) пусковой ток должен быть ограничен таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой, а число и стоимость пусковых устройств -- малыми.

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Подробно динамика движения электропривода и энергетические соотношения при пуске рассматриваются в курсах электропривода. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы. Двигатели мощностью 3--10 кВт в обычных условиях допускают до 5--10 включений в час.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще по устройству и обслуживанию, а также дешевле и надежнее в работе, чем двигатели с фазным ротором.

Поэтому всюду, где это возможно, применяются двигатели с короткозамкнутым ротором и подавляющее большинство находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются двигателями с короткозамкнутым ротором.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора

При этом пусковой ток двигателя Iп = (4 - 7) Iн.

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируются с таким расчетом, чтобы они по значению возникающих при пуске электродинамических усилий, действующих на обмотки, и по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск. Поэтому прямой пуск всегда возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи двигателей не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10--15%). Современные энергетические системы, сети и сетевые трансформаторные подстанции обычно имеют токмо мощности, что в подавляющем большинстве случаев возможен прямой пуск асинхронных двигателей.

Нормальным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором поэтому является прямой пуск.

Нередко таким образом осуществляется пуск двигателей мощностью в тысячи киловатт.

Поэтому эти способы пуска применимы, когда возможен пуск, двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой.

Для весьма мощных двигателей применяются также реакторы без ферромагнитного сердечника, с обмотками, укрепленными на бетонном каркасе.

Выключатель В1 выбирается на такую отключающую мощность, которая позволяет отключить двигатель при глухом коротком замыкании за выключателем, а выключатель * В2 может иметь низкую отключающую мощность. Если составляющие сопротивления короткого замыкания двигателя равны rк и хк, то начальный пусковой ток при прямом пуске

а при реакторном пуске, при пренебрежении активным сопротивлением реактора,

Следовательно,, при реакторном пуске "начальный" пусковой ток уменьшается в

раз. Во столько же раз уменьшается также напряжение на зажимах двигателя в начальный момент пуска. Начальный пусковой момент при реакторном пуске Мп.р уменьшается по сравнению с моментом при прямом пуске Мп.п в

Если пусковой автотрансформатор понижает пусковое напряжение двигателя к kат раз, то пусковой ток в двигателе или на стороне НН автотрансформатора Iп.д уменьшается также в kат раз, а пусковой ток на стороне ВН автотрансформатора или в сети Iп.с уменьшается в раз. Пусковой момент Мп, пропорциональный квадрату напряжения на зажимах двигателя, уменьшается также в раз.

Таким образом, при автотрансформаторном пуске Мп и Iп.с уменьшаются в одинаковое число раз. В то же время при реакторном пуске пусковой ток двигателей Iп.д является также пусковым током в сети Iп.с и пусковой момент Мп уменьшается быстрее пускового тока (в квадратичном отношении). Поэтому при одинаковых значениях Iп.c при автотрансформаторном пуске пусковой момент будет больше. Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается ценой значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры.

Поэтому автотрансформаторный пуск применяется реже реакторного, при более тяжелых условиях, когда реакторный пуск не обеспечивает необходимого пускового момента.

Недостатком этого способа - пуска по сравнению с реакторным и автотрансформаторным являетсй то, что при пусковых переключениях цепь двигателя разрывается, что связана с возникновением коммутационных перенапряжений. Этот способ ранее широко применялся при пуске низковольтных двигателей, однако с увеличением мощности сетей потерял свое прежнее значение и в настоящее время используется сравнительно редко.

Перед пуском щетки должны быть опущены на контактные кольца ротора, а все ступени реостата включены. Далее в процессе пуска

производится переключение реостата на вторую ступень. При этом двигатель будет работать по характеристике 2, и при дальнейшем разбеге двигателя скольжение уменьшится от s = s3 до s = s2, а момент -- от значения М = Ммакс до М = Ммин. Затем производится переключение на первую ступень и т. д. После выключения последней ступени реостата двигатель переходит на работу по естественной характеристике 0 и достигает установившейся скорости. При наличии у двигателя короткозамыкающего механизма после окончания пуска щетки с помощью этого механизма поднимаются с контактных колец и кольца замыкаются накоротко, а реостат возвращается и пусковое положение. Тем самым пусковая аппаратура приводится в готовность к следующему пуску. Необходимо отметить, что дистанционное управление короткозамыкающим механизмом контактных колец сложно осуществить; это затрудняет автоматическое управление двигателем. Поэтому в последнее время фазные асинхронные двигатели строятся без таких механизмов. При этом щетки постоянно налегают на контактные кольца, что несколько увеличивает потери двигателя и износ щеток. Число ' ступеней пускового реостата с целью упрощения схемы пуска и удешевления аппаратуры в автоматизированных установках выбирается небольшим (обычно 2--3 ступени).

Пусковые характеристики асинхронного двигателя при реостатном пуске наиболее благоприятны, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов.

Самозапуск асинхронных двигателей. В электрических сетях в результате, коротких замыканий случаются кратковременные, длительностью до нескольких секунд, большие понижения напряжения или перерывы питания. Включенные в сеть асинхронные двигатели при этом начинают затормаживаться и чаще всего полностью останавливаются. При восстановлении напряжения начинается одновременный самозапуск не отключившихся от сети двигателей. Такой самозапуск двигателей способствует быстрейшему восстановлению нормальной работы производственных механизмов и поэтому целесообразен, а в ряде случаев даже чрезвычайно желателен. Однако одновременный самозапуск большого числа асинхронных двигателей загружает сеть весьма большими токами, что вызывает в ней большие падения напряжения и задерживает процесс восстановления нормального напряжения. Время самозапуска двигателей при этом увеличивается, а в ряде случаев значение пускового момента недостаточно для пуска двигателя. Кроме того самозапуск некоторых двигателей в подобных условиях недопустим или невозможен (например, двигатели с фазным ротором с пуском с помощью реостата и двигатели с короткозамкнутым ротором с пуском с помощью реакторов и автотрансформаторов, не снабженные специальной автоматической аппаратурой для автоматического самозапуска). Поэтому целесообразно возможность самозапуска использовать только для двигателей наиболее ответственных производственных механизмов, а все остальные двигатели снабдить релейной защитой для их отключения от сети при глубоких падениях напряжения.

Самозапуск асинхронных двигателей широко применяется для двигателей механизмов электрических станций.

Читайте также: