Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками называют графические зависи­мости частоты вращения п ₂ (или скольжения s), момента на валу М ₂, тока статора I ₁, коэффициента полезного действия η и cos φ ₁от полезной мощности Р ₂ при U ₁ = const и f ₁ = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.

Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя показан на рис. 4.25. Частота вращения, ток статора, момент на валу, потребляемая и полезная мощности приведены на графике в относительных единицах. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т. е. до скольжения (1, 1 ÷ l, 2) s _ном.

Рис. 4.25. Рабочие характеристики асинхрон­ного двигателя(а)и типичная кривая КПД электрической машины иее потерь (б)

Частота вращения ротора. При переходе от режима холостото хода к режиму полной нагрузки частота вращения n₂ изменяется незначительно, так как при проектировании двигателей для уменьшения потерь мощности в роторе Δ Р _эл2 необходимо, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0, 02—0, 06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой».

Характеристики n₂ = f(P₂) и n₂ = f(М) можно построить по круговой диаграмме. Для этого задаются рядом точек на окружности токов и находят соответствующие им значения полезной мощности, электромагнитного момента и скольжения. При расчетах, не требующих большой точности, полезную мощность Р ₂ принимают равной Р _мех (пренебрегая потерями мощности Δ Р _т ), т. е. считают, что она пропорциональна отрезку AM круговой диаграммы (см. рис. 4.17). Более точно ее определяют путем построения на круговой диаграмме специальной линии полезной мощности О" К (см. рис. 4.18, 6), которую получают, соединяя точку О " реального холостого хода с точкой К (в режимах, соответствующих точкам О и К, мощность Р ₂ = 0). В этом случае величина Р ₂ пропорциональна отрезку AM, заключенному между окружностью токов и линией 0" К.

Электромагнитный момент пропорционален отрезку AE круговой диаграммы (см. рис. 4.17). Чтобы определить максимальный момент (рис. 4.26, а), через точку А _м проводят касательную к окружности токов параллельно линии ОТ и из этой точки опускают перпендикуляр на диаметр окружности токов. Максимальный момент пропорционален отрезку A _м E _м, где Е _м - точка пересечения перпендикуляра с прямой ОТ.

Рис. 4.26. Круговая диаграмма со шкалами скольжения (а) и cos φ (б)

Скольжение s = Δ Р _эл2 / Р _эм можно найти по круговой диаграмме как отношение отрезков FE / AE. Однако поскольку измерениемалого отрезка FE может дать существенную погрешность, для определения s надо построить шкалу скольжения (рис. 4.26, а). Для этого на произвольном расстоянии от линии O'G проводят прямую, параллельную линии ОТ, до пересечения ее с линией ОК (или с ее продолжением) и получают точку N. Затем из точки О восставляют перпендикуляр к диаметру окружности до пересечения с построенной прямой и находят точку Р. Линия ОА (вектор тока - Í ' ₂) пересекается с прямой PN в точке Q. Из подобия полученных при таком построении треугольников (Δ OFE ~ Δ OPN и Δ OAF ~ Δ OPQ) имеем

FE / OP = OE / PN; OP / AE = PQ / OE.

Перемножая эти отношения, находим

(4.55)

FE / AE = PQ / PN = s.

Следовательно, линия PN представляет собой шкалу скольжения, на которой отрезок PQ, отсекаемый линией ОА (вектором — Í '₂), позволяет получить скольжение s. Зная скольжение s, по формуле n₂ = n₁ (I — s) можно определить частоту вращения ротора.

Вращающий момент на валу двигателя. Зависимость между моментом М ₂ и полезной мощностью Р ₂ определяется соотношением

(4.56)

Р₂ = М₂ ω ₂,

где ω ₂ — угловая скорость ротора.

Поскольку n₂ изменяется мало, эта зависимость близка к линейной. Чтобы определить момент М ₂ на валу двигателя, по круговой диаграмме находят электромагнитный момент М, а затем из него вычитают момент, обусловленный трением в двигателе, — М _т = Δ Р _т /ω ₂:

М₂ = М - М _т.

Ток статора. Ток I ₁ получают по круговой диаграмме непосредственным измерением отрезков, соединяющих начало координат с точками А ₁, А ₂, А ₃ и другими на окружности токов. Активная составляющая тока пропорциональна полезной мощности. Реактивная составляющая в диапазоне рабочих нагрузок изменяется мало, так как она определяется главным образом током холостого хода, который составляет 20—40% от номинального тока.

Коэффициент мощности. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки коэффициент мощности возрастает от значения cos φ ₁ = 0, 09 ÷ 0, 18 до некоторой максимальной величины: для двигателей малой и средней мощности (1 - 100 кВт) cos φ 1 = 0, 7 ÷ 0, 9, а для двигателей большой мощности (свыше 100 кВт) cos φ ₁ =0, 90 ÷ 0, 95. При дальнейшем увеличении нагрузки cos φ ₁ несколько уменьшается. Следовательно, работа асинхронного двигателя при малых нагрузках, когда cos φ ₁ мал, в энергетическом отношении невыгодна. Величину cos φ ₁ можно определить по круговой диаграмме, если построить на ней дополнительную шкалу. Такой шкалой является отрезок О'Х (рис. 4.26, 6), отсекаемый на оси ординат вспомогательной окружностью XYZ произвольного радиуса (его целесообразно принять равным 100 единицам длины). Для определения cos φ ₁ на линию О'Х проектируют отрезок O'Y, полученный путем пересечения линии ОА (вектора тока Í ₁)с окружностью XYZ. При этом отрезок О'S позволяет определить величину cos φ ₁.

В двигателях с фазным ротором кривые η и cos φ 1 располагаются несколько ниже, чем у соответствующих двигателей с короткозамкнутым ротором. На это влияют следующие причины:

а) возникновение дополнительных потерь мощности в результате наличия щеток на контактных кольцах;

б) уменьшение полезной мощности из-за худшего использования объема ротора (обмотку ротора выполняют из изолированного провода, вследствие чего пазы ротора частично заполняются изоляцией);

в) увеличение намагничивающего тока из-за возрастания магнитного сопротивления зубцовопазового слоя ротора в результате уменьшения поперечного сечения зубцов.

Коэффициент полезного действия. Зависимость η от полезной мощности Р ₂ имеет такой же характер, как и для трансформатора. Эта зависимость имеет общий характер для большинства электрических машин.

При изменении нагрузки электрической машины отдельные виды потерь изменяются по-разному: электрические потери Δ Р _эл в обмотках статора и ротора, а также добавочные потери Δ Р _доб изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки; электрические потери в щеточном контакте Δ Р _щ. элизменяются пропорционально току в первой степени; механические Δ Р _т и магнитные Δ Р _м потери остаются практически постоянными - такими же, как при холостом ходе, если напряжение машины U ₁ и частота ее вращения п ₂ не изменяются. По этому признаку все виды потерь можно разделить на две группы: постоянные потери Δ Р _пост = Δ Р _м + Δ Р _т и переменные потери Δ Р _пер = Δ Р _эл + Δ Р _{щ. эл} + Р _доб, которые можно приближенно считать пропорциональными квадрату тока нагрузки (обычно потери Δ Р _{щ. эл} малы по сравнению с Δ Р _эл). Мощность Р ₂, отдаваемая машиной (Р _эл в генераторах и Р _мех в двигателях), пропорциональна току нагрузки I в первой степени, поэтому зависимость КПД от тока нагрузки

(4.57)

η = Р ₂ / Р ₁ = Р ₂ /(Р ₂ + Δ Р _пост + Δ Р _пер) = АI /(АI + В + СI ²),

где А, В, С — постоянные.

Из (4.57) следует, что при изменении нагрузки электриче­ской машины ее КПД изменяется, как показано на рис. 4.25, 6. При холостом ходе η = 0, так как полезная мощность Р ₂ отсутствует. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения Р ₂, но одновременно быстрее, чем Р ₂, возрастают переменные потери Δ Р _пер, поэтому при некотором токе I _кр увеличение КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если взять производную d η / dt и приравнять ее нулю, то можно получить условие максимума КПД — это наблюдается при такой нагрузке, при которой Δ Р _пер = Δ Р _пост.

При проектировании электрической машины обычно так распределяют потери мощности, что указанное условие вы­полняется при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках примерно 60% от номинальной.

При увеличении номинальной мощности относительная величина суммарных потерь уменьшается. Следовательно, должен возрастать и КПД машины. Эта закономерность проявляется во всех типах вращающихся электрических машин и в трансформаторах — машины большей номинальной мощности всегда имеют соответственно и больший КПД, и, наоборот, КПД машин малой мощности и микромашин обычно невелик. Так, например, КПД вращающихся электрических машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0, 92 — 0, 96, мощностью 1 — 100 кВт — 0, 7—0, 9, а микромашин — 0, 4—0, 6.

КПД асинхронного двигателя можно определить из круговой диаграммы как отношение отрезков AF: АС (на упрощенной диаграмме, см. рис. 4.18, а) или AM: АС (на уточненной диаграмме, см. рис. 4.18, 6). Однако для получения более точных результатов КПД рекомендуется определять путем расчета отдельных видов потерь.

13) Способы пуска синхронных двигателей

Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно (откуда эти двигатели и получили свое название).

На фиг. 405 показана схема пуска оинхрониого двигателя 1 с помощью вспомогательного асинхронного двигателя 2.

Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.

Порядок пуска синхронного двигателя следующий. Включая рубильник 3, пускают вспомогательный асинхронный двигатель 2, который разворачивает ротор синхронного двигателя 1 до скорости, соответствующей скорости поля статора. Скорость вращения вспомогательного двигателя определяется по тахометру¹. Затем, включая рубильник 4 постоянного тока, возбуждают полюсы ротора. Чтобы включить синхронный двигатель в сеть трехфазного тока, его нужно синхронизировать так же, как и при включении синхронного генератора на параллельную работу. Для этого реостатом 5 устанавливают такое возбуждение, чтобы напряжение обмотки статора по вольтметру V было равно напряжению сети, указываемому вольтметром V1.

Электролампы 6, включенные параллельно ножам рубильника 7 трех-фазной сети, при разомкнутом рубильнике будут мигать. Сначала мигание будет частым, но если изменять скорость вращения вспомогательного асинхронного двигателя, то лампы будут мигать. все реже и реже. Синхронный двигатель можно включить в сеть трехфазного тока рубильником 7 тогда, когда все три лампы одновременно погаснут. Ротор двигателя при этом входит в синхронизм и может далее вращаться самостоятельно. Теперь

вспомогательный двигатель 2 рубильником 3 можно отключить от сети.

Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения 1 двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником 2 на сопротивление 3 (фиг. 406).

При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора 4 синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи.

Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник 2 переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора ² или автотрансформатора.

В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей.

¹ Тахометр — прибор, измеряющий скорость вращения машины.

² Реактор — индуктивное сопротивление, выполненное в виде катушки без стального сердечника.