Основные теоретические положения

 

Процесс преобразования электрической энергии в механическую сопровождается в асинхронном двигателе потерей определенной части энергии, которая, обращаясь в тепло, рассеивается отдельными частями машины. Потери в АД рассмотрим при помощи энергетической диаграммы (рис. 5 а), записав уравнение баланса активной мощности асинхронного двигателя:

Р₁ = 3U₁I₁cosj₁ = P_1Э + P_1М + P_2Э + P_2М + Р_МХ + Р₂ = DР + Р₂,

где Р₁ - мощность, потребляемая АД из сети;

P_1Э и P_2Э - мощности электрических потерь в обмотках статора и ротора, соответственно;

P_1М и P_2М - мощности магнитных потерь в пакете магнитопровода статора и ротора, (P_2М - очень малы);

Р_МХ - мощность механических потерь;

Р₂ - полезная мощность на валу АД.

     Мощность электрических потерь характеризует нагрев обмоток статора и ротора. Мощность магнитных потерь определяется нагревом сердечников этих же частей машины. Механические потери слагаются из потерь механической энергии на трение в подшипниках и на вентиляцию машины. Для предотвращения чрезмерного нагревания и выхода машины из строя потери, выделяющиеся в ней в виде тепла, должны быть удалены во внешнюю среду с помощью системы охлаждения.

     Коэффициент полезного действия электрического двигателя, в том числе и асинхронного, определяется отношением полезной мощности на валу Р₂ к мощности Р₁, потребляемой из сети

.

     Значение Р₁ всегда больше Р₂, причем чем меньшую долю составляют потери, тем ближе к.п.д. машины к единице.

Коэффициент полезного действия не постоянен, а меняется в зависимости от нагрузки. Максимум КПД имеет место при равенстве переменных потерь, зависящих от квадрата тока (электрические потери), и постоянных потерь, не зависящих от нагрузки (потери в стали, механические и вентиляционные потери).

При расчете двигателей стремятся получить такое соотношение этих видов потерь, чтобы КПД достигал максимума при нагрузке, несколько меньше номинальной, т.к. большинство двигателей эксплуатируются с некоторой недогрузкой.

Коэффициент полезного действия достаточно высок в широком диапазоне нагрузок (рис. 5 б). Для большинства современных АД КПД имеет значение 0,8¸0,9, а для мощных двигателей 0,9¸0,96.

Кроме активной мощности, асинхронный двигатель потребляет из сети еще и реактивную, которая необходима для создания вращающего магнитного поля машины. Соотношение между активной и реактивной мощностями АД оценивают коэффициентом мощности, характеризующим степень использования полной мощности, выработанной генераторами электрических станций

.

Этот коэффициент зависит от нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе машины активная мощность АД мала (расходуется только на покрытие незначительных механических потерь и потерь в статоре), а реактивная велика, т.к. на двигатель подается номинальное напряжение. При этом возбуждается вращающееся магнитное поле с максимальным потоком полюсов, практически не отличающимся от потока при номинальной нагрузке. Коэффициент мощности при холостом ходе, поэтому мал. Он равен 0,1¸0,2.

     С возрастанием нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная остается практически постоянной. Коэффициент мощности поэтому растет и при нагрузке, близкой к номинальной, достигает наибольшего значения 0,75¸0,95. При дальнейшем росте нагрузки значительно увеличиваются магнитные потоки рассеяния и cos j вновь падает.

     На рис. 5 б приведена типичная зависимость cosj от относительной мощности Р₂/ Р_2Н. Так как асинхронные двигатели используются в народном хозяйстве наиболее широко, рациональная эксплуатация их, исключающая работу с низким коэффициентом мощности, приобретает важное значение для экономичного электроснабжения предприятий.

В частности предусматриваются следующие мероприятия:

а) отключение АД, работающих длительно на холостом ходу;

б) загрузка двигателей до мощности, близкой к номинальной;

в) замена АД, загруженных до 45% от Р_2Н, электродвигателями меньшей мощности;

г) переключение статорной обмотки с треугольника на звезду. Такой способ используют, когда работа двигателя при полной нагрузке сочетается с работой при Р₂ < 0,5 Р_2Н.

В этом случае двигатель при номинальной нагрузке включается " Δ ", а при понижении нагрузки - переключается в "Ύ". При этом уменьшается фазное напряжение, а следовательно, и реактивная мощность, потребляемая машиной. В результате угол j уменьшается, а cosj возрастает;

д) установка батарей конденсаторов или синхронных машин, работающих в перевозбужденном режиме, которые являются источниками реактивной мощности и вырабатывают ее в месте установки асинхронных двигателей, разгружая ЛЭП от реактивного тока.

 

 

 

 

 

Рис. 5. Диаграмма мощностей (а); Р_ЭМ – электромагнитная мощность

        Р_МЕХ – механическая мощность; б) зависимости cos j = f (К_НД),

        h_Д = f (К_НД)

Рис. 6. Зависимость КПД генератора от нагрузки

 

 

Рис. 7. Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать схему лабораторной установки (рис. 7), используя для определения напряжения, тока и мощности на стороне переменного тока измерительный комплект К-505 (К-50). Записать паспортные данные асинхронного двигателя и генератора постоянного тока.

Таблица 6