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 Р₂ всегда меньше мощности на входе (потребляе­мой мощности) Р₁ на 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 ротора f = f₂ =f_1s.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

электрические потери в обмотке ротора

Здесь r₁ и r₂ — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θ_раб (см. § 8.4):

где r_1.20 и 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)

P = Р_эм + Р_э1 + Р_э2 + Р_мех + Р_доб. (13.9)

На рис. 13.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р₁ = m₁ U₁ I₁ cos φ₁ затрачивается в статоре на магнитные Р_ы и электрические Р_э1 потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Р_эм [см. (13.6)] передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Р_э2 и преобра­зуется в полную механическую мощность Р′₂. Часть мощности идет на покрытие механических Р_мех и добавочных потерь Р_доб, а оставшаяся часть этой мощности Р₂ составляет полезную мощ­ность двигателя.

У асинхронного двигателя КПД

Электрические потери в об­мотках Р_Э1 и Р_Э2 являются 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_м и 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 φ₁ = 0,87. Частота ηвращения n_ном = 1470 об/мин. Требуется определилить КПД двигателя η _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 Θ_ра6 =115 °С).

Решение. Ток в фазе обмотки статора

I_1ном = = =16,8 А

где U₁ = 660/ = 380 В.

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)

Коэффициент полезного действия является одним из основ­ных параметров асинхронного двигателя, определяющим его энергетические свойства — экономичность в процессе эксплуатации. Кроме того, КПД двигателя, а точнее величина потерь в нем, регламентирует температуру нагрева его основных частей и в первую очередь его обмотки статора. По этой причине двигатели с низким КПД (при одинаковых условиях охлаждения) работают при более высокой температуре нагрева обмотки статора, что ведет к сниже­нию их надежности и долговечности (см. § 8.4).

Дата добавления: 2015-11-18 ; просмотров: 4068 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Потери асинхронного двигателя

Работа асинхронного двигателя, как и любой другой машины, сопровождается потерями. Потери в конечном итоге, приводят к нагреву двигателя и снижению его КПД.

КПД асинхронного двигателя, представляет собой отношение полезной мощности на выходе P₂ к подводимой двигателю мощности P₁, выраженная в процентах

Мощность, подводимая к двигателю

где m – количество фаз, U 1 – напряжение на статорной обмотке, I 1 – ток в статорной обмотке, cosφ 1 – коэффициент мощности двигателя

Полезная мощность на выходе P₂, меньше подводимой мощности P₁ на величину суммарных потерь ∑P

Потери ∑P складываются из магнитных, электрических и механических потерь

В первую очередь часть подводимой мощности P₁ расходуется на покрытие магнитных Pм₁ и электрических Pэ₁ потерь в статоре

Электрические потери в статоре

где r₁ активное сопротивление обмотки статора

Магнитные потери в статоре приблизительно определяются как

где f₁ – частота тока перемагничивания, которая равна частоте тока в сети. V = 1.3-1.5. Магнитные потери в роторе малы настолько, что ими при практических расчетах пренебрегают. Это связано с малой частотой перемагничивания ротора.

Мощность, оставшаяся после восполнения потерь в статоре, называется электромагнитной и равна

Электромагнитная мощность передается ротору с помощью магнитного поля, через воздушный зазор δ. Часть электромагнитной мощности затрачивается на электрические потери в роторе, которые пропорциональны скольжению

Отсюда можно получить выражение для скольжения

Не трудно заметить, что с увеличением скольжения электрические потери в роторе также увеличиваются, а это в свою очередь вызывает уменьшение КПД.

В асинхронных двигателях с фазным ротором, присутствуют потери в щеточном узле, которые обычно добавляют к электрическим потерям в роторе

где I₂ – ток ротора, U_щ – падение напряжения на пару щеток

Оставшаяся мощность называется механической

Часть механической мощности расходуется на механические и добавочные потери.

К механическим, относятся потери от трения в подшипниках, щетках и вентиляционные.

К добавочным потерям относят все остальные трудно учитываемые потери, которые, как правило, состоят из пульсационных и поверхностных потерь, которые возникают в зубцах ротора и статора. Приблизительное значение добавочных потерь рассчитывается по формуле

Оставшаяся мощность представляет собой полезную мощность на валу двигателя

Источник

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,

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

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора

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

Таким образом, полная механическая мощность

Выполнив несложные преобразования, получим

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_д потерь

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

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

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя

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) Источник Потери асинхронного электродвигателя. В асинхронном двигателе, являющемся трёхфазным, возникает два типа потерь. Вот эти потери: 1. Постоянные или фиксированные потери. 2. Переменные потери. Постоянные или фиксированные потери Постоянными потерями называют такие потери, которые остаются постоянными в нормальном режиме работы асинхронного двигателя. Такие потери могут быть легко получены путём проведения теста без нагрузки трёхфазного двигателя. Эти потери подразделяются на следующие виды: 1. Потери железа или потери сердечника. 2. Механические потери. 3. Потери трения щёток. Потери железа или потери сердечника Данные потери также можно подразделить на гистерезисные потери и потери вихревого тока. Потери вихревого электрического тока минимизируются за счёт использования наслоения на сердечнике. Раз применяется наслоение на сердечнике, область уменьшается, и поэтому увеличивается сопротивление, вследствие чего уменьшаются вихревые токи. Гистерезисные потери минимизируются при помощи кремнистой стали высокого качества. Потери сердечника зависят от частоты поступаемого напряжения. Частота статора всегда является подающейся частотой, f, а частота ротора является проскальзыванием, умноженным на подающуюся частоту, (sf), которая всегда меньше частоты статора. Частота статора составляет 50 герц. Частота ротора составляет около 1,5 герц. Так происходит потому, что в нормальном рабочем состоянии проскальзывание составляет 3%. Отсюда потери сердечника ротора очень малы по сравнению с потерями сердечника статора, и ими обычно пренебрегают при рабочих состояниях. Механические потери и потери трения щёток Механические потери имеют место быть в подшипнике, потери трения щёток возникают в асинхронном двигателе с обмотанным ротором. Эти потери составляют ноль на старте. По мере того, как возрастает скорость, данные потери увеличиваются. В трёхфазных двигателях скорость обычно остаётся постоянной. Отсюда следует, что и данные потери почти остаются постоянными. Переменные потери Эти потери также называются потерями меди. Данные потери происходят из-за электрического тока, идущего по обмоткам статора и ротора. Когда нагрузка меняется, данный электрический ток также изменяется, а потому и потери эти тоже претерпевают изменения. Поэтому их и назвали переменными потерями. Их можно получить при помощи проведения теста с заблокированным ротором трёхфазного двигателя. Основная функция асинхронного двигателя состоит в том, чтобы преобразовывать электрическую энергию в механическую энергию. В течение данного преобразования одной энергии в другую, энергия проходит через различные этапы. Данная энергия, проходящая через разные ступени, отображается на диаграмме течения энергии. Как известно, на входе трёхфазного асинхронного двигателя трёхфазная подача. Так что эта трёхфазная подача идёт на статор трёхфазного электродвигателя. Допустим, Pin = электрическая энергия, которая идёт на статор трёхфазного двигателя, VL = линейное напряжение, поступающее статору трёхфазного двигателя, IL = линейный ток, Cos = коэффициент мощности трёхфазного двигателя. Вход электрической энергии на статор, Pin = 3VLILcos. Часть этой энергии на входе используется для поддержки потери статора, которыми являются потери железа статора и потери меди статора. Сохраняющаяся энергия (электроэнергия на входе – потери статора) идёт на ротор как вход на ротор. Так что вход на ротор, P2 = Pin – потери статора (потери меди статора и потери железа статора). Теперь ротор должен преобразовать этот вход на ротор в механическую энергию, но этот завершённый вход не может быть преобразован в механический выход, поскольку он должен поддерживать потери ротора. Бывает два типа потерь ротора, а именно потери меди и потери железа. Потери железа зависят от частоты ротора, которая очень мала, когда ротор вращается. Поэтому этим обычно пренебрегают. Так что можно сказать, что ротор имеет лишь потери меди. По этой причине вход на ротор должен поддерживать эти потери меди. После этой поддержки, оставшаяся часть входа ротора, P2 преобразовывается в механическую энергию, Pm. Допустим, Pc будет потерями меди ротора, I2 будет током ротора в рабочем состоянии, R2 – сопротивлением ротора, Pm – общая производимая механическая энергия. Pc = 3I22R2 Pm = P2 – Pc Теперь эта создаваемая механическая энергия идёт на нагрузку за счёт вала, но появляются некоторые механические потери, такие как потери трения и потери сопротивления воздуха. Так что общая воспроизводимая механическая энергия должна быть подана на поддержание этих потерь. Поэтому выход образуемой энергии идёт на вал, который в конечном итоге подаёт её нагрузке, Pout. Pout = Pm – механические потери (потери трения, а также потери, связанные с сопротивлением воздуха). Pout зовется энергией вала. Также его называют полезной энергией. Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Источник Потери энергии и кпд асинхронных двигателей Рис. 1. Энергетическая диаграмма двигателя Механическая мощность асинхронного двигателя Рмх, развиваемая на валу ротора, меньше электромагнитной мощности Рэм на значение мощности P об2 потерь в обмотке ротора: Мощность на валу двигателя: Электромагнитная и механическая мощности равны: Из этих выражений следует, что мощность потерь в обмотке ротора: или P об2 = s х P эм В асинхронных электродвигателях имеются также добавочные потери, обусловленные зубчатостью ротора и статора, вихревыми токами в различных конструктивных узлах двигателя и другими причинами. При полной нагрузке двигателя потери P д принимаются равными 0,5% его номинальной мощности. Коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного двигателя: Поскольку общие потери зависят от нагрузки, то и КПД асинхронного двигателя является функцией нагрузки. Рис. 2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта! Подписывайтесь на наш канал в Telegram! Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу. Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: Источник ← Чем вызваны магнитные аномалии земли Чем вызваны местные потери напора → Вам также понравится Оценить ремонт автомобиля после дтп 13.01.202315.02.2023 admin 0 Пленка для авто кузова красная 13.01.202316.02.2023 admin 0 Чем больше я понимаю жизнь тем 14.01.202303.03.2023 admin 0 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.