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)

Источник

Лекция на тему «Потери и КПД асинхронного двигателя»

Просмотр содержимого документа
«Лекция на тему «Потери и КПД асинхронного двигателя»»

Потери и кпд асинхронного двигателя

Преобразование электрической энергии в меха­ническую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энер­гии, поэтому полезная мощность на выходе двигате­ля Р₂всегда меньше мощности на входе (потребляе­мой мощности) Р₁на величину потерь∑Р :

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.

где β = 1,3 ÷ 1,5. Частота перемагничивания сердеч­ника статора равна частоте тока в сети (f=f₁), а частота перемагничивания сердечника ротораf=f₂=f_1s.При частоте тока в сетиf₁ = 50 Гц при номинальном скольжении s_ном= 1 ÷ 8 % частота перемагничивания ротораf=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

электрические потери в обмотке ротора

Здесь r₁и r₂— активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θ_раб(см. § 8.4):

где r_1.20и r_2.20 — 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:

где Р_эм— электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:

Из (13.5) следует, что работа асинхронного двигателя эконо­мичнее при малых скольжениях, так как с ростом скольжения растут электрические потери в роторе.

Механические потери Р_мех— это потери на трение в подшип­никах и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (Р_мех= 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:

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

где β = I₁/ I_1ном—коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

На рис. 13.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р₁ = m₁U₁I₁cos φ₁затрачивается в статоре на магнитные Р_ыи электрические Р_э1потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Р_эм[см. (13.6)] передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Р_э2и преобра­зуется в полную механическую мощность Р′₂. Часть мощности идет на покрытие механических Р_мехи добавочных потерь Р_доб, а оставшаяся часть этой мощностиР₂ составляет полезную мощ­ность двигателя.

У асинхронного двигателя КПД

Электрические потери в об­мотках Р_Э1и Р_Э2являются пере­менными потерями, так как их величина зависит от нагрузки дви­гателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора [см. (13.2) и (13.3)]. Переменными яв­ляются также и добавочные потери (13.8). Что же касается магнитных Р_ми механических Р_мех, 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)Р_ном. При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке (P₂ Р_ном) он резко убывает, что объясняется ин­тенсивным ростом переменных потерь (Р_э1+ Р_э2+ Р_доб), величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности. График зависимости КПД от нагрузки η = f (β) для асинхронных двигателей имеет вид, аналогичный представленному на рис. 1.41 (см. рис. 13.7).

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

Рис. 13.1. Энергетическая диа­грамма асинхронного двигателя

Пример 13.1. Трехфазный асинхронный двигатель работает от сети напряжением 660 В при соединении обмоток статора звездой. При номинальной нагрузке он потребляет из сети мощность Р₁ = 16,7 кВт при коэффициенте мощности cos ц₁ = 0,87. Частота звращения n_ном = 1470 об/мин. Требуется определилить КПД двигателя з _hоm, если магнитные потери Р_м = 265 Вт, а механические потери Р_мех = 123 Вт. Активное сопротивление фазы обмотки статора r_1.20 = 0,8 Ом, и класс нагревостойкости изоляции двигателя F (рабочая температура И_ра6=115 °С).

РешениеТок в фазе обмотки статора

Сопротивление фазы обмотки статора, пересчитанное на рабочую температуру

Электрические потери в обмотке статора по (13.2)

Р_э1 = m₁ I 2 _1ном r₁ = 3 * 16,8 2 * 1,1 = 93 1 Вт.

Электромагнитная мощность двигателя по (13.6)

Добавочные потери по (13.7)

Р_до6 = 0,005 Р₁ =0,005 * 16,7 * 10 3 =83 Вт.

Суммарные потери по (13.9)

Р = Р_м + Р_э1 + Р_э2 + Р_мех + Р_мех = 265 + 931 + 310 + 123 + 83 = 1712 Вт.

КПД двигателя в номинальном режиме по (13.10)

Для выполнения домашней работы необходимо знать устройство и принцип действия асинхронного двигателя и зависимости между электрическими величинами, характеризующими его работу.

Асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором при номинальной мощности Р₂, напряжении U_ном, и токе I_номпотребляет из сети мощность Р₁. КПД двигателя η_ном, а коэффициент мощности cos φ_ном. Потери в обмотках статора Р_о1, в стали статора Р_ст1, в обмотках ротора Р_о2, механические Р_м.п. Суммарные потери в двигателе ∑р. Электромагнитная мощность, передаваемая магнитным потоком ротору, Р_эм. Двигатель развивает номинальный момент М_ном и электромагнитный момент М_эм при частоте вращения n₂. Определить величины, отмеченные прочерками в таблице1.

Начертить в масштабе энергетическую диаграмму двигателя.

1. В чем сущность активной и реактивной мощности асинхронного двигателя?

2. Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе и какова их природа?

3. Дайте определение КПД асинхронного двигателя.

Gосле проведения анализа проблемы энергосбережения оказалось, что более половину электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуют электродвигатели. Потому над их совершенствованием работают все ведущие электротехнические компании в мире.

Что же такое энергосберегающие двигатели?

Это электродвигатели, КПД которых на 1–10% выше, чем у стандартных двигателей. В крупных энергосберегающих двигателях, разница в значениях КПД составляет 1–2%, а в двигателях малой и средней мощности эта разница составляет уже 7–10%.

КПД электродвигателей Siemens

Увеличение КПД в в энергосберегающих двигателях достигается за счет:

увеличения доли активных материалов – меди и стали;

использование более тонкой и высококачественной электротехнической стали;

применение вместо алюминия меди в роторных обмотках;

уменьшения воздушного зазора в статоре с помощью прецизионного технологического оборудования;

оптимизации формы зубцовой зоны магнитопровода и конструкции обмоток;

использование подшипников более высокого класса;

особой конструкции вентилятора;

П о статистическим данным, цена всего двигателя составляет менее 2% суммарных затрат на жизненный цикл. Так, если двигатель работает 4000 часов ежегодно в течение 10 лет, то на электроэнергию приходится примерно 97% всех затрат на весь жизненный цикл. Еще около одного процента приходится на монтаж и техобслуживание. Поэтому увеличение КПД двигателя средней мощности на 2% позволит окупить увеличение стоимости энергосберегающего двигателя уже через 3 года, в зависимости от режима работы. Практический опыт и расчеты показывают, что увеличение стоимости энергосберегающего двигателя окупается за счет сэкономленной электроэнергии при эксплуатации в режиме S1 за год-полтора (при годовой наработке 7000 часов).

В общем случае переход к применению энергосберегающего двигателя позволяет:

увеличить КПД двигателя на 1–10%;

повысить надежность его работы;

снизить время простоев;

уменьшить затраты на техобслуживание;

увеличить устойчивость двигателя к тепловым перегрузкам;

повысить перегрузочную способность;

поднять устойчивость двигателя к ухудшению эксплуатационных условий;

сниженному и завышенному напряжению, искажению формы кривой напряжения, перекосу фаз и т. д.;

повысить коэффициент мощности;

уменьшить уровень шума;

поднять скорость двигателя за счет уменьшения скольжения;

Отрицательным свойством электродвигателей с повышенным КПД по сравнению с обычными являются:

на 10 – 30% выше стоимость;

несколько больше масса;

более высокая величина пускового тока.

В некоторых случаях использование энергоэффективного двигателя является нецелесообразным:

при эксплуатации двигателя эксплуатируется короткое время (менее 1–2 тыс.часов/год), внедрение энергоэффективного двигателя может не внести существенного вклада в энергосбережение;

при работе двигателя в режимах с частым запуском, так как сэкономленная электроэнергия будет израсходована на более высокое значение пускового тока;

при работе двигателя работает с недогрузом, за счет уменьшения КПД при работе на нагрузку ниже номинальной.

Объемы энергосбережения в результате внедрения энергоэффективного двигателя могут оказаться незначительными по сравнению с потенциалом привода с переменной скоростью.Каждый дополнительный процент КПД требует увеличения массы активных материалов на 3–6%. При этом момент инерции ротора возрастает на 20–50%. Поэтому высокоэффективные двигатели уступают обычным по динамическим показателям, если при их разработке специально не учитывается это требование.

Под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне нагрузочной мощности.

На рис. 1а, б приведены примеры нерационального и рационального использования энергии. Мощности Рн приемников 1 и 2 одинаковые, при этом потери ΔР1, выделяющиеся в приемнике 1, значительно превосходят потери ΔР2, которые выделяются в приемнике 2. Как следствие, потребляемая мощность ΔРп1 приемником 1 больше мощности ΔРп2, потребляемой приемником 2. Таким образом, приемник 2 является энергоэффективным по сравнению с приемником 1.

Рис. 1а. Нерациональное использование энергии

Рис. 1б. Рациональное использование энергии

В современном мире вопросам энергоэффективности уделяется особое внимание. Объясняется это отчасти тем, что решение данной задачи может привести к достижению основных целей международной энергетической политики:

повышению энергетической безопасности;

снижению вредного экологического воздействия вследствие использования энергоресурсов;

повышению конкурентоспособности промышленности в целом.

В последнее время был принят целый ряд инициатив и мер в отношении энергоэффективности на региональном, национальном и международном уровнях.

Энергетическая стратегия России

В России разработана Энергетическая стратегия, которая подразумевает развёртывание программы энергоэффективности в рамках комплексной политики энергосбережения. Данная программа направлена на создание базисных условий для ускоренного технологического обновления энергетической отрасли, развития современных перерабатывающих производств и транспортных мощностей, а также на освоение новых, перспективных рынков.

С принятием закона ‘Об энергоэффективности’, одними из ключевых статей документа стали поправки в Налоговый кодекс (Статья 67 часть 1), которые освобождают от налога на прибыль предприятия, использующие объекты, имеющие наивысший класс энергоэффективности. Правительство РФ готово оказывать субсидии и снижение налогового бремени тем предприятиям, которые готовы поднять своё оборудование до уровня энергосберегающей техники.

По данным РАО «ЕЭС России» за 2006-й год около 46% вырабатываемой электроэнергии в России потребляется промышленными предприятиями (рис. 1), половина этой энергии посредством электродвигателей преобразуется в механическую.

Рис. 2. Структура потребления электроэнергии в России

В процессе преобразования энергии, часть ее теряется в виде тепла. Величина потерянной энергии определяется энергетическими показателями двигателя. Применение энергоэффективных электродвигателей позволяет существенно снизить потребление энергии и уменьшить содержание углекислого газа в окружающей среде.

Основным показателем энергоэффективности электродвигателя, является его коэффициент полезного действия (далее КПД):

где Р2 – полезная мощность на валу электродвигателя, Р1 – активная мощность потребляемая электродвигателем из сети, ΔP – суммарные потери возникающие в электродвигателе.

Очевидно, чем выше КПД (и соответственно ниже потери), тем меньше энергии потребляет электродвигатель из сети для создания той же самой мощности P2. В качестве демонстрации экономии электроэнергии при использовании энергоэффективных двигателей сравним количества потребляемой мощности на примере электродвигателей ABB обычной (М2АА) и энергоэффективной (М3АА) серий (рис. 3).

1. Серия М2АА (класс энергоэффективности IE1): мощность Р2=55 кВт, частота вращения n=3000 об/мин, η=92,4%, cosφ=0,91

Активная мощность, потребляемая из сети:

Если предположить, что данный двигатель работает 24 часа в сутки, 365 дней в году, то количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла

При средней стоимости электроэнергии 2 руб. за кВт/ч количество потерянной электроэнергии за 1 год в денежном эквиваленте

2. Серия М3АА (класс энергоэффективности IE2): мощность Р2=55 кВт, частота вращения n=3000 об/мин, η=93,9%, cosφ=0,88

Активная мощность, потребляемая из сети:

Если предположить, что данный двигатель работает 24 часа в сутки, 365 дней в году, то количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла

При средней стоимости электроэнергии 2 руб. за кВт/ч количество потерянной электроэнергии за 1 год в денежном эквиваленте

Таким образом, в случае замены обычного электродвигателя (класс IE1) энергоэффективным (класс IE2) экономия энергии составляет 7884 кВт в год на один двигатель. При использовании 10 таких электродвигателей экономия составит 78840 кВт в год или в денежном выражении 157680 руб./год. Таким образом, эффективное использование электроэнергии позволяет предприятию снизить себестоимость выпускаемой продукции, тем самым, повысив ее конкурентоспособность.

Стоимостная разница электродвигателей с классами энергоэффективности IE1 и IE2, составляющая 15621 руб., окупается приблизительно за 1 год.

Рис. 3. Сравнение обычного электродвигателя с энергоэффективным

Следует отметить, что с ростом энергоэффективности увеличивается и срок службы двигателя. Это объясняется следующим. Источником нагрева двигателя являются потери, выделяемые в нем. Потери в электрических машинах (ЭМ) подразделяются на основные, обусловленные протекающими в ЭМ электромагнитными и механическими процессами, и добавочные, обусловленные различными вторичными явлениями. Основные потери подразделяют на следующие классы:

1. механические потери (включают в себя вентиляционные потери, потери в подшипниках, потери на трение щеток о коллектор или контактные кольца);

2. магнитные потери (потери на гистерезис и вихревые токи);

3. электрические потери (потери в обмотках при протекании тока).

Согласно эмпирическому закону срок службы изоляции уменьшается в два раза при увеличении температуры на 100С. Таким образом, срок службы двигателя с повышенной энергоэффективностью несколько больше, так как потери и следовательно нагрев энергоэффективного двигателя меньше.

Способы повышения энергоэффективности двигателя:

1. Применение электротехнических сталей с улучшенными магнитными свойствами и уменьшенными магнитными потерями;

2. Использование дополнительных технологических операций (например, отжиг для восстановления магнитных свойств сталей, как правило, ухудшающихся после механообработки);

3. Использование изоляции с повышенной теплопроводностью и электрической прочностью;

4. Улучшение аэродинамических свойств для снижения вентиляционных потерь;

5. Использование высококачественных подшипников (NSK, SKF);

6. Увеличение точности обработки и изготовления узлов и деталей двигателя;

7. Использование двигателя совместно с частотным преобразователем.

Еще одним важным параметром, характеризующим энергоэффективность электродвигателя, является коэффициент нагрузки cosφ. Коэффициент нагрузки определяет долю активной мощности в полной, поступающей в электродвигатель из сети.

где S – полня мощность.

При этом только активная мощность преобразуется в полезную мощность на валу, реактивная мощность нужна лишь для создания электромагнитного поля. Реактивная мощность поступает в двигатель и возвращается обратно в сеть с удвоенной частотой сети 2f, создавая тем самым в подводящих линиях дополнительные потери. Таким, образом, система, состоящая из двигателей с высоким значениями КПД, но низкими значениями cosφ, не может считаться энергоэффективной.

Препятствия на пути внедрения энергоэффективных систем электропривода

Не смотря на высокую результативность энергоэффективных решений, на сегодняшний день существует ряд препятствий для распространения энергоэффективных систем электропривода:

1. Замена только одного или двух электродвигателей на целом предприятии является несущественной мерой;

2. Низкий уровень информированности потребителей в области классов энергоэффективности двигателей, их различий и существующих стандартов;

3. Раздельное финансирование на многих предприятиях: распорядитель бюджета на закупки электродвигателей часто является не тем лицом, которое занимается вопросами снижения себестоимости выпускаемой продукции или несет ежегодные расходы на техническое обслуживание;

4. Приобретение электродвигателей в составе комплексного оборудования, производители которого часто в целях удешевления продукции устанавливают электродвигатели низкого качества;

5. В рамках одной компании расходы на приобретение оборудования и на потребление энергии за срок службы часто оплачиваются по разным статьям;

6. На многих предприятиях существуют запасы электродвигателей, как правило, того же типа и того же класса эффективности.

Важным аспектом в вопросах, связанных с энергоэффективностью электрических машин, является популяризация принятия решения на приобретение оборудования на основе оценки суммарных эксплуатационных расходов за срок службы.

Новые международные стандарты, регламентирующие энергоэффективность электродвигателей.

В 2007, 2008-м гг. IEC были введены два новых стандарта, касающихся энергоэффективности электродвигателей: стандарт IEC/EN 60034-2-1 устанавливает новые правила определения КПД, стандарт IEC 60034-30 – новые классы энергоэффективности электродвигателей.

В стандарте IEC 60034-30 установлены три класса энергоэффективности трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (рис. 1).

Рис. 4. Классы энергоэффективности согласно новому стандарту IEC 60034-30

В настоящее время обозначение классов энергоэффективность часто можно увидеть в виде следующих комбинаций: EFF3, EFF2, EFF1. Однако границы разделения классов (рис. 2) установлены старым стандартом IEC 60034-2, на смену которому пришел новый IEC 60034-30 (рис. 1).

Рис. 5. Классы энергоэффективности согласно старому стандарту IEC 60034-2

Источник

• ← Чем вызваны фазовые искажения в раскрыве рупора
• Чем вызваны ярость зевса и гнев богов в стихотворении полонского прометей →