Потери и кпд асинхронного двигателя кратко

Обновлено: 02.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №7

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: рассчитать значение потребляемой мощности АД, величину переменных, добавочных и суммарных его потерь АД, значение КПД двигателя и его нагрузку при этом КПД.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии, поэтому полезная мощность на выходе двигателя Р2 всегда меньше мощности на входе (потребляемой мощности) Р1 на величину потерь Р :

Р2 = Р1 - Р (7.1)

Потери Р преобразуются в теплоту, что в конечном итоге ведет к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические.

Магнитные потери Рм в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания Рм = f β ,

где β = 1,3 ÷ 1,5. Частота перемагничивания сердечника статора равна частоте тока в сети ( f = f 1), а частота перемагничивания сердечника ротора f = f 2 = f 1 s .При частоте тока в сети f 1 = 50 Гц при номинальном скольжении s ном = 1 ÷ 8 % частота перемагничивания ротора f = f2 = 2 ÷ 4 Гц, поэтому магнитные потери в сердечнике ротора настолько малы, что их в практических расчетах не учитывают.

Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами. Величина этих потерь пропорциональна квадрату тока в обмотке (Вт):

электрические потери в обмотке статора

Рэ1 = m 1 I 2 1 r 1 ; (7.2)

электрические потери в обмотке ротора

Рэ2 = m 2 I 2 2 r 2 = m 1 I ′ 2 1 r ′ 1 (7.3)

Здесь r 1 и r 2 — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θраб (см. § 8.4):

r 1 = r1.20 [1 + α (Θраб - 20)]; r 2 = r2.20 [1 + α (Θра6 - 20)], (7.4)

где r1.20 и r2.20 — активные сопротивления обмоток при температуре Θ1 = 20 °С; α — температурный коэффициент, для меди и алюминия α = 0,004.

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:

Рэ2 = s Рэм (7.5)

где Рэм — электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:

Рэм = Р1 = (Рм + Рэ1) (7.6)

Из (7.5) следует, что работа асинхронного двигателя экономичнее при малых скольжениях, так как с ростом скольжения растут электрические потери в роторе.

В асинхронных двигателях с фазным ротором помимо перечисленных электрических потерь имеют место еще и электрически e потери в щеточном контакте Рэ.щ = 3 I 2 Δ U щ /2, где U щ =2,2 В - переходное падение напряжения на пару щеток.

Механические потери Рмех — это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (Рмех = n 2 2). В асинхронных 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 действием высших гармоник МДС, 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:

Рдо6 = 0,005 Р1. (7.7)

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

Р ′ доб = Рдоб β 2 (7.8)

где β = I 1/ I1ном —коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

P = Рэм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рдоб. (7.9)

На рис. 7.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р1 = m 1 U 1 I 1 cos φ1 затрачивается в статоре на магнитные Ры и электрические Рэ1 потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Рэм передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Рэ2 и преобразуется в полную механическую мощность Р′2. Часть мощности идет на покрытие механических Рмех и добавочных потерь Рдоб, а оставшаяся часть этой мощности Р2 составляет полезную мощность двигателя.

Рис. 7.1. Энергетическая диаграмма

У асинхронного двигателя КПД : η = Р2/ Р1 =1 - P . (7.10)

Электрические потери в обмотках РЭ1 и РЭ2 являются переменными потерями, так как их величина зависит от нагрузки двигателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора. Переменными являются также и добавочные потери (7.8). Что же касается магнитных Рм и механических Рмех, то они практически не зависят от нагрузки (исключение составляют двигатели, у которых с изменением нагрузки в широком диапазоне меняется частота вращения).

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя с изменениями нагрузки также меняет свою величину: в режиме холостого хода КПД равен нулю, а затем с ростом нагрузки он увеличивается, достигая максимума при нагрузке (0,7 ÷ 0,8)Рном. При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке ( P 2 > Рном) он резко убывает, что объясняется интенсивным ростом переменных потерь (Рэ1 + Рэ2 + Рдоб), величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности.

КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт ηном = 75 ÷ 88%, для двигателей мощностью более 10 кВт ηном =90 ÷ 94%.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Во время превращения одной энергии в другую в электродвигателе в виде теплоты неустанно рассеивается их часть. Это и называется потерей. Потери могут быть фиксированными и переменными, а также делятся на еще несколько подвидов.


Трехфазный асинхронный электропривод переменного тока может иметь два вида потерь:

  1. Постоянный вид.
  2. Переменный вид потерь.

Фиксированные – это те, что не изменяются, если электромотор работает полностью исправно и с нормальной нагрузкой. Их можно получить и в результате холостого прогона агрегата. Они делятся на еще три подвида потерь:

  1. В стали (а еще железа или сердечника).
  2. Механические.
  3. Расходы при трении щеток.

В стали

Такой вид потерь в стали, в свою очередь, может быть гистерезисным или расходом вихревого электротока. Второй типа можно эффективно минимизировать, если использовать наслоение на сердечник. С применением наслоения сокращается участок, что ведет к увеличению сопротивления, а значит сокращение вихревых токов неизбежно.

Первый же тип, гистерезисный, уменьшают, пользуясь высококачественной сталью, в составе которой есть кремний. Почему? Любая потеря связана с частотой напряжения, поступающего в двигатель. Статорная частота всегда подающая, обозначается как f, а вот частотность якоря – это проскальзывание s. Оно умножается на подающую (sf). Якорная частота, в асинхронной машине, надо заметить, всегда будет ниже статорной.

Показатель подающей частоты равен 50 Гц, а вот якорная составляет приблизительно 1,5 Гц. Так получается по той простой причине, что величина проскальзывания равна лишь 3% для нормального рабочего состояния привода. Поэтому и расход в роторе относительно малы, в сравнении с потерей в статоре. Потерями роторного сердечника, обычно, можно спокойно пренебречь.

Механический тип потерь. Трение щеток

Механический вид – это расходы, возникающие в подшипниках, а трения щеток имеют место во всех асинхронных электромоторах, ротор которых обмотан. При запуске машины они являются нулевыми. С увеличением скорости работы агрегата, они тоже растут. В трехфазном движке скорость принимает определенное значение и не меняется на протяжении всего рабочего цикла. Поэтому и данные потери в нем всегда будут постоянными.

Другое название – расходы меди. Появляются они из-за того, что электроток идет по статорным и роторным обмоткам. При смене нагрузки на движок, электроток тоже меняет значение, что ведет и к изменению величины потерь меди. Это и послужило источником их названия. Получить их можно, если провести тест трехфазного агрегата при заблокированном роторе.

Главная задача асинхронной машины заключается в преобразовании электроэнергии в механическую силу. Пока происходит такая трансформация, одна энергия становится другой, она проходит несколько разных этапов. Эту проходящую ступени преобразования энергию можно изобразить с помощью диаграммы.


Частично двигатель использует ее, чтобы поддерживать статорные расходы: стали и меди. Та часть, которая остается сохранной, поступает к якорю в качестве входа на ротор.

Из этого следует, что вход на ротор равен статорным потерям (P2 = Pin). Теперь сохранившаяся входная энергия должна пройти преобразование и стать механической. Однако, механическим выходом она стать не может, так как он поддерживает потери.

Как мы уже поняли, роторные потери можно разделить на две группы: меди и железа. Последние ничтожно малы, настолько, что ими можно пренебречь. Это связано с тем, что они зависят от роторной частоты, а она составляет примерно 1,5 Гц.

Следуя из вышесказанного, можно смело утверждать, что ротор обладает лишь потерями меди. Так вот, после именно ее поддержки не преобразованная часть электроэнергии, которая осталась становиться механической. Ее обозначают как Pm.

После всего этого, новопреобразованая сила отправляется на нагрузку, чему помогает вал. Но на этом этапе неизбежны уже механические расходы. В их число входит трение и сопротивление в воздухе. Поэтому общая механическая энергия, которая воспроизводиться в электродвигателе обязательно уходит, чтобы поддерживать эти потери.

Так что образованная в итоге энергия отправляется на вал мотора. Ее, в конце концов, подают нагрузке. Обозначается это как Pout. Она носит название энергии вала или, по-другому, полезная.

Pout это и есть механические потери Pm. Они связаны с сопротивлением в воздухе и трением.

Итак, потери в двигателе могут механическими, магнитными или электрическими.

От питающей сети на статорную обмотку происходит подача мощности Р1. Одна ее часть идет в расход, чтобы покрыть магнитные потери в статорном сердечнике рс1. Используется она и в статорной обмотке, чтобы поддержать электропотери из-за нагретой намотки.

Мощность роторных электропотерь имеет прямую зависимость от скольжения, поэтому асинхронная машина будет работать тем экономичнее, чем меньше будет составлять величина скольжения.

Последнее по очереди, но не по важности – возникновение магнитных потерь. Они тоже возникают в подвижном элементе электромотора, но небольшая электротоковая частота (f2 = f1s) делает их настолько малыми, что ими также можно пренебречь.

Трение частей системы, которые вращаются, о воздух, а также трение, происходящее в подшипнике обуславливает появление механического расхода.

Поля рассеяния наряду с пульсациями в статоре и якоре становятся причиной добавочного вида потерь.

Из всего, что сказано выше, можно собрать формулу общих потерь. Она приведена ниже:

∑р = рс1 + рэ1 + рэ2+ рмех + рд

КПД асинхронной машины

где потребляемая асинхронным двигателем (его статорной обмоткой) активная электрическая мощность; полезная механическая мощность (снимаемая с вала двигателя); суммарные потери мощности.

КПД современных асинхронных двигателей при номинальной нагрузке для машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,92-0,96, мощностью 1-100 кВт – 0,7-0,9, а микромашин – 0,4-0,6 (большие значения относятся к машинам большей мощности).

Так же как в трансформаторе, потери мощности асинхронного двигателя следует разделить на потери постоянные и переменные (или потери холостого хода и короткого замыкания). Постоянные потери не зависят от нагрузки. Это потери: магнитные, механические, электрические холостого хода.

Магнитные потери определяются аналогично магнитным потерям трансформатора:

где удельные потери в стали на единицу массы при частоте 50 Гц и индукции 1,0 Тл; индукция на участке магнитопровода; масса сердечника (магнитопровода) или его участка.

Частота перемагничивания в роторе в рабочем режиме двигателя существенно меньше частоты магнитной индукции в статоре; масса магнитопровода ротора также меньше аналогичной массы статора. Обычно в практических расчетах асинхронных двигателей общепромышленного применения пренебрегают магнитными потерями в роторе.

Механические потери состоят из потерь в подшипниках , потерь на трение щеток о кольца (только для фазного ротора), вентиляционных потерь , включающих в себя потери на трение частей машины о воздух и потери в крыльчатке вентилятора, установленной на валу машины:

Механические потери зависят только от частоты вращения и составляют не более 2 % от номинальной мощности машины. Поскольку частота вращения асинхронного двигателя при изменении нагрузки от нуля до номинальной изменяется мало, то механические потери считаются постоянными.

В отличие от трансформатора в асинхронном двигателе учитывают электрические потери холостого хода, поскольку ток холостого хода в нем существенно больше, чем в трансформаторе, и составляет от 20 до 50 % от номинального тока.

Таким образом, потери холостого хода: .

К потерям переменным (короткого замыкания) относят электрические потери в обмотках статора и ротора:

К переменным потерям относят и добавочные потери, вызванные различными причинами: неравномерностью зазора, технологическими погрешностями, вытеснением тока в проводниках обмотки, пульсациями магнитного потока и т. д. Обычно эти потери рассчитывают как определенный процент от номинальной мощности.

Итак, переменные потери зависят от второй степени тока или второй степени коэффициента нагрузки (отношения тока текущей нагрузки к номинальному его значению):

где потери короткого замыкания при номинальном токе.

Суммарные потери мощности, таким образом, можно представить в следующем виде:

Характер зависимости КПД от коэффициента нагрузки такой же, как и у трансформатора. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения , но одновременно быстрее, чем , возрастают переменные потери , поэтому при некотором токе рост КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если исследовать функцию (4.52) на экстремум (взять производную и приравнять ее к нулю), то получим условие максимума КПД: он наступает при равенстве переменных и постоянных потерь . При проектировании электрической машины стремятся так распределить потери мощности, чтобы указанное условие выполнялось при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках 60-80 % от номинальной (коэффициент нагрузки КНГ = 0,6-0,8). На рис. 4.8 приведены зависимости изменения КПД и потерь мощности от коэффициента нагрузки.

Коэффициент мощности асинхронной машины определяют как отношение активного тока к полному току или активной потребляемой мощности к полной мощности по выражению

Асинхронный двигатель, так же как и трансформатор, не зависимо от нагрузки потребляет из сети отстающий ток, поэтому его всегда меньше единицы.

Вследствие массового использования асинхронных двигателей для рационального электроснабжения предприятий следует так организовывать технологический процесс, чтобы асинхронные двигатели были загружены в соответствии с их номинальной мощностью и не работали на холостом ходу.

Величина коэффициента мощнос-ти для двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 100 кВт достигает 0,7-0,9, а для двигателей свыше 100 кВт = 0,9-0,95. В двигате-лях с фазным ротором и КПД несколько ниже, что объясняется дополнительными потерями на трение щеток, худшим использованием объема ротора из-за наличия изоляции в его пазах и увеличением намагничивающего тока в результате уменьшения сечения зубцов ротора.


где — масса ярма и масса зубцов сердечника статора, определяемые по их размерам с учетом коэффициента (см. раздел);


— индукция в зубце сердечника статора; — удельные потери в стали на единицу массы при частоте 50 Гц и индукции 1 Т;

Примечание. Основными потерями в сердечнике ротора обычно за малостью пренебрегают.

Механические потери
а) Потери в подшипниках и вентиляционные.
1. Двигатели с радиальной вентиляцией:
с радиальными каналами


где τ — полюсное деление; — число радиальных каналов;
без радиальных каналов



где D — внутренний диаметр сердечника статора;



2. Двигатели с аксиальной вентиляцией (центробежный вентилятор)



3. Двигатели с внешним обдувом (центробежный вентилятор; )



где



Примечание. При осевом вентиляторе потери, определенные в п. 2 и 3, должны быть уменьшены в 2 раза.

б) Потери на трение щеток о контактные кольца



где — коэффициент трения; — удельное нажатие щеток; — площадь поверхности скольжения всех щеток, см2; — окружная скорость контактной поверхности колец, м/с.
в) Полные механические потери



Примечание. Сумму потерь часто называют потерями холостого хода.

Электрические потери в обмотках
а) Основные электрические потери в обмотках статора и ротора:


где — активные сопротивления фаз обмоток статора и ротора при расчетной рабочей температуре; определяются согласно раздела при .
б) Потери в переходных контактах щеток (в асинхронных машинах, не имеющих приспособления для подъема щеток и замыкания колец накоротко)


где — ток кольца; для угольных и графитных щеток; для металлоугольных и металлографитных щеток.
в) Полные электрические потери



где для двигателя (подводимая мощность), для генератора (полезная мощность).
Примечание. Сумму потерь Рэ+Рд часто называют потерями короткого замыкания.

Номинальный к. п. д. асинхронной машины:
к. п. д. двигателя:


где — суммарные потери; — номинальная первичная мощность (подводимая от сети);



— номинальная мощность (полезная);
к. п. д. генератора:


Читайте также: