Лекція 6. Синхронні і асинхронні електричні машини

Перетворення електричної енергії в механічну супроводжується не тільки з витратами (споживанням) активної і реактивної потужності електромережі, але й з втратами енергії. З цієї причини коефіцієнт потужності (cosφ₁) і коефіцієнт корисної дії (η) асинхронного двигуна в процесі його роботи не залишаються постійними.

Змінення коефіцієнта потужності в процесі роботи асинхронного двигуна обумовлене зміненням складових струму статора.

Реактивна складова струму статора не залежить від навантаження на валу двигуна і при будь-якій напрузі мережі залишається практично незмінною.

Активна складова струму двигуна пропорційна його механічному навантаженню.

Таке змінення складових струму статора приводить до того, що зі збільшенням навантаження відносна величина реактивного струму спадає, а коефіцієнт потужності підвищується.

При холостому ході двигуна його коефіцієнт потужності достатньо низький – порядку 0,2...0,3. Однак зі збільшенням навантаження коефіцієнт потужності швидко зростає і досягає максимального значення в межах 0,7…0,9 при номінальному навантаженні.

При підвищенні навантаження двигуна зверх номінального значення підвищується реактивна складова струму і коефіцієнт потужності починає знижуватися.

Причиною вказаного підвищення реактивної складової струму є вплив магнітних потоків розсіювання, які зростають при збільшенні навантаження, що й приводить до збільшення реактивної потужності двигуна.

Значення коефіцієнта потужності трифазного асинхронного двигуна можна розрахувати за формулами:

.

Коефіцієнт корисної дії (ККД ) визначається як відношення корисної потужності P₂ до потужності P₁, що підводиться до двигуна з електромережі. При цьому слід пам’ятати, що корисною потужністю двигуна є механічна потужність, яка розвивається двигуном на його валу, тоді як потужність, що підводиться до двигуна з мережі живлення є електричним параметром і визначається як добуток напруги, струму і коефіцієнта потужності.

З наведеної вище енергетичної діаграми випливає, що потужність P₁ дорівнює сумі корисною потужності й усіх видів втрат в двигуні, тобто:

.

Сумарні втрати потужності в двигуні можна розділити на постійні втрати, які практично не залежать від навантаження двигуна, та на змінні втрати, які змінюються при зміні навантаження двигуна.

До постійних втрат відносяться втрати в сталі осердя внаслідок гістерезису, втрати, пов’язані з вихровими струмами, а також механічні втрати. Всі ці втрати визначаються експериментальним шляхом з дослідження режиму холостого ходу двигуна.

До змінних втрат відносяться втрати, обумовлені опором проводів обмоток двигуна струму, що цими обмотками протікає.

Змінні втрати трифазного асинхронного двигуна можна розрахувати як:

.

ККД двигуна можна розрахувати як:

.

Максимальне значення ККД досягатиметься за умови однаковості величин постійних і змінних втрат. Зазвичай максимум ККД має місце при навантаження, яке дорівнює 75 % номінального. Це пояснюється тим, що двигуни проектуються з урахуванням того, що під час експлуатації більшість двигунів не завантажені повністю.

Розрахунок механічної характеристики двигуна за паспортними даними

Основними точками механічної характеристики асинхронного двигуна є номінальний, пусковий і максимальний момент, а також відповідні значенням цих моментів частоти обертання ротора.

Вказані характерні точки механічної характеристики можна розрахувати на підставі даних, що наводяться в паспорті двигуна.

В табличці, закріпленій на корпусі статора двигуна, наводяться значення номінальної механічної потужності і частоти обертання ротора. За цими даними можна розрахувати значення номінального моменту на валу двигуна (нагадаємо, що розмірність моменту - Н·м):

,

і номінального ковзання

.

де  - кругова частота обертання ротора.

Для розрахунку значень пускового й максимального моментів слід у довіднику з електричних машин знайти для даного типу двигуна два параметра: кратність пускового моменту (К_П) та кратність максимального моменту (К_М). Значення цих коефіцієнтів визначається співвідношенням відповідних моментів до їх номінальних значень, а саме як:

.

З наведених співвідношень, знаходимо значення пускового і максимального моменті:

.

Ковзання, яке відповідає пусковому моменту, дорівнює одиниці. За таких умов n=0, об/хв., тобто ротор двигуна нерухомий.

Ковзання, яке відповідає максимальному (критичному) моменту, можна розрахувати як:

.

Частота обертання (об/хв.) асинхронного двигуна може бути розрахована за формулою:

.