Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимость скорости вращения n₂, коэффициента полезного действия η, коэффициента мощности cosφ, скольжения s, вращающего момента M и тока в цепи статора I₁ от нагрузки (полезной мощности) на валу двигателя P₂ при постоянном номинальном напряжении и неизменной частоте сети ( рис. 3.).

Основной характеристикой двигателя является зависимость частоты вращения ротора от момента сопротивления на валу (от нагрузки), т.е. механическая характеристика. Рабочими характеристиками двигателя являются зависимости:

М = f₁(Р₂); I₁ = f₂(Р₂); Соsj₁ = f₃(Р₂);

h = f₄(Р₂); n₂=f₅(Р₂); (4)

Рис. 3.

При построении рабочих характеристик используются соотношения:

Р₂ = 0,104 * М * n₂; h = Р₂/Р₁ * 100 %; cos j₁ = P₁/(Ö3 * U₁ * I₁); (5)

Сosj₁ - коэффициент мощности двигателя;

h - КПД двигателя;

U₁ - линейное напряжение сети.

У асинхронного двигателя, как и у большинства машин, коэффициент полезного действия (КПД) с ростом нагрузки возрастает η=ƒ(Р₂), ввиду уменьшения доли электрических и магнитных потерь по отношению к развиваемой мощности двигателя. Однако, при достижении нагрузки 75% от номинальной, заметно возрастают и электрические потери (в обмотках статора и ротора), пропорциональные квадрату тока потребляемого двигателем, что ведет в дальнейшем с увеличением нагрузки к некоторому уменьшению КПД.

Коэффициент мощности cosφ зависит от соотношения между активной мощностью Р₁, потребляемой двигателем, и полной мощностью S, складывающейся из активной Р₁ и реактивной Q составляющих:

cosφ = (6)

При увеличении нагрузки растет величина активной мощности Р₁, что приводит к росту cosφ, достигающего максимального значения (0,7-0,9) при номинальной нагрузке на двигатель. В дальнейшем возможно уменьшение cosφ, в связи с увеличением реактивной мощности, связанной с усилением потоков рассеяния.

Механическая характеристика и саморегулирование двигателя.

График, связывающий между собой механические величины - скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 4.) n=ƒ(M). Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скорость n₁ и вращающий момент М₁. При равномерном вращении этот момент равен тормозному моменту М_т1, т.е.

М₁=М_т1, n₁= const.

Рис. 4.

Увеличение тормозного момента до М_т2, вызовет уменьшение оборотов машины, так как тормозной момент станет больше вращающего момента.

С уменьшением оборотов увеличивается скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание ЭДС и тока в роторе. Благодаря этому увеличивается вращающий момент двигателя.

Этот процесс заканчивается тогда, когда вращающий момент М₂, развиваемый двигателем, станет равным М_т2. При этом, устанавливается скорость вращения меньшая, чем n₁. Свойство автоматического установления равновесия между тормозным и вращающим моментами называется саморегулированием.

Момент сопротивления (тормозящий момент) на валу двигателя создается генератором постоянного тока (ГПТ).

При питании ОВ генератора от постоянного источника возникает ток возбуждения I_В, создающий основное магнитное поле машины Ф.

Чаще всего используют два способа включения ОВ - к независимому источнику питания (независимое возбуждение) и параллельно цепи якоря генератора (параллельное возбуждение).

Вал якоря ГПТ, будучи соединенным с валом асинхронного двигателя, приводится им во вращение, в результате чего индуцируется в обмотках якоря ЭДС Е, а на выходе генератора появляется напряжение U, питающее нагрузку генератора, ток цепи якоря I_я взаимодействует с магнитным полем возбуждения Ф и создает тормозящий моментМ:

М = С_М * Ф * I_Я (7)

где: С_М - конструктивный коэффициент машины.

Величина тормозящего момента зависит от величины нагрузки генератора и, следовательно, от I_Я и от тока возбуждения I_В, создающего магнитный поток Ф.

Основные характеристики генератора:

а) характеристика холостого хода: Е = f₆(I_В);

U_Г – напряжение на нагрузке генератора;

I_Г – ток нагрузки генератора.

Кривая КПД, как функция полезной мощности от коэффициента нагрузки β=P_ЭЛ/P_ЭЛ (P_ЭЛн – номинальное значение электрической мощности), представлена на рис. 5. Возрастание кривой КПД при малых значениях полезной мощности объясняется низкими значениями потерь короткого замыкания. С ростом нагрузки влияние потерь короткого замыкания возрастает (эти потери зависят от квадрата тока нагрузки), и рост КПД замедляется.

После достижения максимального значения КПД уменьшается и становится равным нулю в режиме короткого замыкания. В генераторах постоянного тока максимальное значение КПД достигается, как правило, при β = 0.7…0.8.

Максимальное значение коэффициента полезного действия машин постоянного тока мощностью более 10 кВт составляет 0,85…0,96, причём большие значения соответствуют машинам большей мощности. У машин мощностью до 50 Вт он существенно меньше и составляет всего 0,15…0,5.

В первом приближении можно считать, что КПД нагружаемого генератора постоянно и равно 0,7. Такое допущение приведет к значительной ошибке определения полезной мощности на валу только в режимах, близких к режиму холостого хода (расчетное значение P₂ будет занижено).

Рис. 5.

С увеличением нагрузки эта ошибка будет уменьшаться.

Исследование режимов работы асинхронного двигателя проводятся на модульном учебном комплексе МУК-ЭП1, который состоит из:

− блока питания двигателя постоянного тока БПП1;

− блока питания асинхронного двигателя БПА1;

− электромашинного агрегата МА1-АП.

В качестве исследуемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором использован АИР63А4 (220 В, 0.25 кВт, 1395 об./мин.). Автоматическая коммутация обмоток двигателя и подключение измерительных приборов к нему осуществляется в блоке БПА1.

В качестве нагрузки использован двигатель постоянного тока ПЛ073У3 (220 В, 180 Вт, 1500 об./мин.). Автоматическая коммутация обмоток двигателя и подключение измерительных приборов осуществляется в блоке БПП1.

При работе с комплексом МУК-ЭП1 необходимо соблюдать следующую инструкцию.