Потери мощности и КПД асинхронного двигателя

Преобразование энергии в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии. Эти потери делятся на механические, магнитные и электрические.

Из сети в обмотку статора поступает мощность Р₁. Часть этой мощности расходуется на покрытие магнитных потерь в сердечнике статора р_с1, а также в обмотке статора на покрытие электрических потерь, обусловленных нагревом обмотки,

р_э1 = m₁I₁²r₁.

Оставшаяся часть мощности при помощи магнитного потока передается на ротор и поэтому называется электромагнитной мощностью

Р_эм = Р₁ - (р_c1 + р_э1).

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора

р_э2 = m₂I₂²r₂ = m₁I’₂²r’₂.

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность двигателя, называемую полной механической мощностью.

Р’₂ = Р_эм - р_э2.

Таким образом, полная механическая мощность

Р’₂ = m₁I’₂²r’₂[(1-s)/s] = р_э₂[(1-s)/s].

Выполнив несложные преобразования, получим

р_э2[(1-s)/s] = Р_эм - р_э2 и р_э2= sР_эм,

т.е. мощность электрических потерь в роторе пропорциональна скольжению. Поэтому работа асинхронного двигателя более экономична при малых скольжениях.

Следует отметить, что в роторе двигателя возникают также и магнитные потери, но ввиду небольшой частоты тока ротора (f₂ = f₁s) эти потери настолько малы, что ими обычно пренебрегают.

Механическая мощность на валу двигателя Р₂ меньше полной механической мощности Р’₂ на величину механических р_мех и добавочных р_дпотерь

Р₂ = Р’₂ - (р_мех + р_д).

Механические потери в асинхронном двигателе обусловлены трением в подшипниках и трением вращающихся частей о воздух. Добавочные потери вызваны наличием в двигателе полей рассеяния и пульсацией поля в зубцах ротора и статора.

Таким образом, полезная мощность асинхронного двигателя

Р₂ = Р₁ - ∑р,

где ∑р – сумма потерь в асинхронном двигателе,
∑р = р_с1 + р_э1 + р_э2+ р_мех + р_д.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя

η = Р₂/ Р₁ = 1 - ∑р/ Р₁.

Благодаря отсутствию коллектора КПД асинхронных двигателей выше, чем у двигателей постоянного тока. В зависимости от величины мощности асинхронных двигателей их КПД при номинальной нагрузке может быть в пределах от 83 до 95% (верхний предел соответствует двигателям большой мощности).

56. Двухклеточные и глубокопазные асинхронные двигатели Короткозамкнутые асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом

Необходимость обеспечения высоких пусковых моментов без применения пусковых резисторов привела к созданию. двигателей с короткозамкнутым ротором, в которых использовано явление вытеснения тока в стержнях при пуске, когда при s = 1, /а =* fx. Как известно, при вытеснении тока в верхнюю часть проводника происходит уменьшение его используемого сечения, что эквивалентно повышению активного сопротивления стержня; кроме того, вытеснение тока приводит к уменьшению индуктивного сопротивления, так как уменьшается общая проводимость пазового магнитного потока рассеяния. Все это создает, как показано в п. 1, условия для получения высокого пускового момента.

Рис. 1. Паз двух клеточного ротора (а) и механические характеристики пусковой и рабочей клеток (6)

Этими свойствами обладают двигатели с двухклеточным и глубокопазным роторами.
Двигатель с двойной «беличьей клеткой». Ротор имеет две короткозамкнутых обмотки (рис. 1, а). Наружная клетка 1 является пусковой; ее стержни имеют малое поперечное сечение и изготавливаются из марганцовистой латуни или бронзы, поэтому активное сопротивление этой клетки Г2п достаточно велико. Внутренняя клетка 2 является основной (рабочей); она изготавливается из медных стержней большего поперечного сечения, поэтому ее активное сопротивление Ггр сравнительно мало. В некоторых случаях обе клетки объединяют и выполняют литыми из алюминия.
Индуктивные сопротивления клеток определяются значением потока рассеяния Фграс, сцепленного с их стержнями. Поскольку пусковая клетка расположена ближе к поверхности ротора, сцепленный с нею поток рассеяния невелик и, следовательно, ее индуктивное сопротивление Х2п мало. У рабочей же клетки потокосцепление рассеяния велико, значит, она обладает большим Х2Р. Соотношение между хгп и х2р, а также увеличение последнего обеспечиваются соответствующим выбором, ширин и высот шлица в пазу над верхней клеткой и щели между стержнями.
Обе клетки в электрическом отношении включены параллельно, поэтому токи между ними распределяются обратно пропорционально их полным сопротивлениям:

При пуске (s = 1) индуктивные сопротивления по сравнению с активными чрезвычайно велики; поэтому ток ротора в основном проходит по верхней пусковой клетке, так как Хщ Хгр. Но у этой же клетки велико г2п, что приводит к появлению большого пускового момента.
По мере разгона ротора уменьшаются скольжение s и частота fa = /iS. Вместе со скольжением и частотой, уменьшается индуктивное сопротивление хгр, и ток постепенно переходит из пусковой клетки в рабочую.

Рис. 2. Распределение плотности тока по высоте стержня глубокопазного ротора (а) и различные формы сечений стержней (б, в)

Итак, в двухклеточном роторе ток в начальный момент пуска вытесняется в верхнюю (пусковую) клетку, создающую большой пусковой момент; по мере разгона ток постепенно проникает в нижнюю (рабочую) клетку, а по окончании пуска практически полностью протекает по ней.
На рис. 1, б показаны механические характеристики пусковой и рабочей клеток, а также результирующая кривая, представляющая собой сумму двух предыдущих (М = в Мп -+- Alp).
У двухклеточных двигателей большой мощности кратность начального пускового момента = 1,7 -- 2 при существенно меньшем, чем у обычных двигателей, броске пускового тока: Лпуск/Лном = 4 5 (ср. с пусковыми параметрами обычных двигателей).
Глубокопазный двигатель. Можно показать, что эффект вытеснения тока в верхнюю часть проводника, когда s — 1 и /2 = /х = 50 Гц, начинает проявляться у медного проводника при его высоте h > 12 мм, а у алюминиевого — при h > 16 мм. Например, активное сопротивление медного проводника при h = 50 мм в 5 раз больше, а индуктивное — в 3,33 раза меньше в начальный момент пуска, чем в рабочем режиме при Shom — 0,01 0,03. Поэтому «беличью клетку» глубокопазных двигателей выполняют из узких и высоких (30—60 мм) стержней.
Распределение плотности тока по высоте стержня h в момент пуска показано на рис. 2, а кривой /. Можно представить себе, что при пуске работает только верхняя часть стержня, его активное сопротивление увеличивается, а индуктивное — уменьшается, и создаются условия для возникновения большого пускового момента.
При разгоне с уменьшением частоты fa ток все более равномерно распределяется по высоте стержня (кривая 2 на
ряс. 2, а)'. Происходят как бы плавное увеличение рабочего сечения проводника и уменьшение его активного сопротивления.
В номинальном режиме явления вытеснения тока нет, активное сопротивление стержня становится минимальным, плотность тока равномерно распределяется по высоте проводника (линия 3 на рис. 2, а).
На рис. 1, б кривая Мтл представляет механическую характеристику глубокопазного двигателя. Она занимает промежуточное положение между характеристиками обычного и двух клеточного двигателей.
Существуют разновидности глубокопазных двигателей с трапециедальной, двухступенчатой и колбообразной формами стержней (рис. 2, б). Эти роторы дешевле двухклеточных, поэтому они получили большее распространение.
С целью усиления эффекта вытеснения тока при пуске в современных короткозамкнутых двигателях мощностью до 100 кВт с алюминиевой заливкой роторов пазам последних придают специально сильно вытянутую в радиальном направлении форму (рис. 2, в).

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

19 20 21 22 23 24 25

Подборка статей по вашей теме: