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 всегда меньше мощности на входе (потребляе­мой мощности) на величину потерь :

. (13.1)

Потери 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.

Магнитные потери в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вих­ревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания , где . Частота перемагничивания сердеч­ника статора равна частоте тока в сети , а частота перемагничивания сердечника ротора . При частоте тока в сети Гц и номинальном скольжении частота перемагничивания ротора 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

; (13.2)

электрические потери в обмотке ротора

. (13.3)

Здесь и – активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру :

, (13.4)

где: и – активные сопротивления обмоток при температу­ре 9 ; – температурный коэффициент, для меди и алю­миния .

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:

, (13.5)

где: – электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:

. (13.6)

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

В асинхронных двигателях с фазным ротором помимо пере­численных электрических потерь имеют место еще и электричес­кие потери в щеточном контакте , где – переходное падение напряжения на пару щеток.

Механические потери – это потери на трение в подшип­никах и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора . 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 :

. (13.7)

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

. (13.8)

где: – коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

. (13.9)

На рис. 61 представлена энергетическая диаграмма асин­хронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности затрачивается в статоре на магнитные и электрические потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность [см. (13.6)] передается на ротор где частично расходуется на электрические потери и преобра­зуется в полную механическую мощность . Часть мощности идет на покрытие механических и добавочных потерь , а оставшаяся часть этой мощности составляет полезную мощ­ность двигателя.

Рис. 61. Энергетическая диа­грамма асинхронного двигателя

У асинхронного двигателя КПД

. (13.10)

Электрические потери в об­мотках и 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 и механических , 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 . При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке он резко убывает, что объясняется ин­тенсивным ростом переменных потерь , величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности. График зависимости КПД от нагрузки Для асинхронных двигателей имеет вид, рис. 62.

КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт , для двигателей мощностью более 10 кВт .

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.