Преобразование энергии в асинхронном двигателе

При работе асинхронного двигателя происходит процесс преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного движения. Этот процесс сопровождается бесполезным расходом части энергии источника питания на нагрев машины, который характеризуют мощностями электрических, магнитных и механических потерь.

Мощностью электрических потерь характеризуют нагрев обмоток статора и ротора, обладающих активными сопротивлениями R_{ и /?₂. По закону Джоуля — Ленца, она, как известно, пропорциональна квадрату тока в обмотке.

Мощностью магнитных потерь характеризуют нагрев стальных пакетов магнитопровода, вызванный явлениями перемагничивания (гистерезисом) и вихревыми токами. Эти потери — потери в стали — определяются свойствами стали. Они зависят от величины индукции магнитного поля и частоты перемагничивания, так как пропорциональны квадрату индукции магнитного поля и прямо пропорциональны частоте.

Механические потери слагаются из потерь механической энергии на трение в подшипниках (в контактных кольцах для машин с фазным ротором), а также на вентиляцию машины.

Процесс преобразования электрической энергии в полезную механическую энергию, развиваемую асинхронным двигателем, может быть описан уравнением баланса активной мощности. На основании закона сохранения и преобразования энергии можно записать.

где Р_х — мощность потребления электрической энергии; АР_1э — мощность электрических потерь в обмотке статора; АР_1маг|1 — мощность магнитных потерь в пакете магнитопровода статора; АР_ъ — мощность электрических потерь в обмотке ротора; ДР_2магн — мощность магнитных потерь в пакете магнитопровода ротора; АР_мех — мощность механических потерь; Р₂ — полезная механическая мощность двигателя.

Уравнение (3.8.1) наглядно иллюстрируется диаграммой мощностей, представленной на рис. 3.8.1. Она дополнена структурной схемой асинхронного двигателя, которая указывает на характер связей, существующих меж;

Рис. 3.8.1. Диаграмма преобразования энергии в асинхронном двигателе

ду источником питания, статором электрической машины, ротором и рабочей машиной (станок, кран, насос и т. п.), приводимой в движение асинхронным двигателем. Источник питания и статор связаны между собой электрически, статор и ротор имеют магнитную, а ротор и рабочий механизм — механическую связь.

Из диаграммы рис. 3.8.1 следует, что мощность Р_эм передачи энергии со статора на ротор, осуществляемой посредством вращающегося магнитного поля, всегда меньше активной мощности двигателя на значение мощности электрических и магнитных потерь в статоре:

Мощность Р_ш, называемую электромагнитной мощностью, можно выразить также через механические величины — угловую скорость С2, магнитного поля и электромагнитный момент М_)м, создаваемый двигателем вследствие силового взаимодействия вращающегося магнитного поля с токами роторной обмотки. Возможность такого выражения электромагнитной мощности может быть обоснована с помощью модели асинхронного двигателя — магнитной муфты, показанной на рис. 3.8.2.

Рис. 3.8.2. Электромагнитная муфта.

Здесь взамен статора с трехфазной обмоткой, возбуждающей основное вращающееся магнитное поле, применены эквивалентные постоянные магниты, вращаемые посторонним двигателем со скоростью Q,.

Как известно из курса теоретической механики, момент сил, действующих на равномерно вращающийся ротор, равен моменту сил, действующих на статор, или моменту сил, приложенных к полюсам вращаемого магнита. Отсюда мощность постороннего двигателя, вращающего магнитную муфту со скоростью D.р численно равна электромагнитной мощности:

Аналогично выражается механическая мощность Р_мех ротора, вращающегося со скоростью Q₉:

В инженерной практике большее применение имеет частота вращения п, об/мин, использование в формулах (3.8.2) и (3.8.3) угловой скорости Q, рад/с, предпочтительнее, гак как позволяет связать Р и М в основной системе единиц СИ без дополнительных коэффициентов.

Разность электромагнитной и механической мощностей равна мощности потерь в роторе машины. Поскольку мощность магнитных потерь в роторс мала по сравнению с мощностью электрических потерь (так как мала частота перемагничивания пакета ротора), ею пренебрегают и считают.

Последнее равенство позволяет получить из формул (3.8.2) и (3.8.3) весьма важное для анализа работы асинхронных двигателей соотношение.

или.

Итак, мощность электрических потерь в роторе асинхронного двигателя пропорциональна скольжению.

Для ограничения электрических потерь в роторе двигателя его рассчитывают и конструируют таким образом, чтобы при номинальной нагрузке частота вращения ротора незначительно отличалась от частоты вращения магнитного поля, и, как уже отмечалось выше, номинальное скольжение равно нескольким процентам.

Полезная механическая мощность Р₂ двигателя меньше механической мощности Р_мех ротора на значение мощности механических потерь: Р₂ ^=ех «ЛР_мех. Поэтому полезный момент (момент на валу двигателя, момент вращения М_|ф) совсем немного меньше электромагнитного момента, создаваемого ротором М_эм, и при ДР_мех= 0 эти моменты равны: М_эм = М_щУ

Для асинхронных двигателей, как и для двигателя постоянного тока, вращающий момент М_ир равен моменту нагрузки, т. е. моменту сопротивления М_с, и в этом случае возможно обозначение момента без индекса: М = М_эм = М_с.

В режиме разгона или торможения часть мощности расходуется на изменение запаса кинетической энергии, и часто используется понятие «динамический момент» М_дин. Динамический момент равен произведению углового ускорения и приведенного к валу двигателя момента инерции всех вращающихся частей:

При равномерном вращении отсутствует ускорение — динамический момент равен нулю.

Анализ процессов разгона и торможения (переходных процессов) невозможен без рассмотрения этой динамической составляющей момента нагрузки.

Следует иметь в виду, что в паспорте асинхронного двигателя, так же как и других электрических двигателях, в качестве номинальной мощности всегда указывается его полезная механическая мощность Р₂, а не мощность потребления электрической энергии Р,. Отношение этих мощностей определяет КПД асинхронного двигателя:

Задание 3.8.1. Мощность магнитных потерь в пакете магнитопровода статора…

Варианты ответа:

• 1. Максимальна в режиме пуска двигателя.
• 2. Не зависит от нагрузки на валу.
• 3. Максимальна в режиме холостого хода двигателя.