Название: Энергетика и экология - учебник (Пугач Л.И.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1497


1.3. потери в асинхронных двигателях

 

                Для повышения наглядности при анализе потерь часто рассматривается энергетическая диаграмма АД (рис.1.6).

 

Рис.1.6. Энергетическая диаграмма и диаграмма преобразования реактивной мощности АД

 

                Все потери кроме  определяются по схеме замещения АД.

                 - добавочные потери (п.24-5[1]), которые трудно поддаются расчету и экспериментальному определению. Их принимают как 0,005 от подводимой мощности  при номинальной нагрузке двигателя .При других нагрузках эти потери пересчитываются пропорционально квадрату первичного тока .

                 - механические потери, которые оцениваются приближенно как 0,01-0,015 от номинальной мощности и не зависят от параметров режима работы АД.

                 - активная мощность, потребляемая двигателем из сети.

                 - мощность, передаваемая посредством электромагнитного поля из цепей статора через воздушный зазор (ВЗ) в цепи ротора.

                 - механическая мощность на валу двигателя.

                 - полезная мощность на валу двигателя.

                 - реактивная мощность, потребляемая двигателем из сети.

                Полные потери в АД:

                .                                (1.9)

                Реактивная мощность (реактивные потери):

                                .                                         (1.10)

                Если не учитывать , то можно получить следующие важные соотношения:

                                      ,  откуда   .

                К.п.д. АД:     .

                С точки зрения зависимости потерь от загрузки двигателя, эти потери подразделяются на постоянные (почти не зависящие от нагрузки) и переменные.

                Постоянные потери - потери при холостом ходе. В соответствии с выражением    ( 1.9 ) имеют следующие составляющие:

                потери в обмотках статора от тока холостого хода

                .

 Так как  (рис.1.2), то эта составляющая потерь равна , то есть около 10 \% от величины при номинальной нагрузке и ее следует учитывать.

                . Ток  обусловлен потерями , его величина не превосходит 0,01 от номинального и поэтому им можно пренебречь. По этой причине принимаем ;

                магнитные потери в стали статора

,

                где  ;

                         - активная и реактивная составляющие тока статора при холостом  ходе АД;

                          - сопротивление цепи намагничивания.

                Если пренебречь величиной потери напряжения в обмотке статора , то  зависит от квадрата напряжения .

 

                Величина  нелинейно зависит от напряжения  в соответствии с характеристикой холостого хода АД, приведенной на рис.1.7. При уменьшении напряжения  сопротивление  увеличивается.

 

     Рис.1.7. Характеристика холостого хода          Рис.1.8. Зависимость постоянных

                   (кривая намагничивания) АД[3]                       потерь от напряжения

 

 

                Итак:

   

                    ( 1.11 )

                Аналогично для реактивной мощности:

                                  (1.12 )

                Зависимости постоянных потерь  и реактивной мощности  от  приведены на рис.1.8.

                В режиме холостого хода  при номинальном напряжении , реактивная мощность  в 3-5 раз превышает потери . С уменьшением  реактивная мощность  уменьшается быстрее, чем (рис.1.8). В точке  .

                Переменные (нагрузочные) потери - это та часть потерь (1.9) и (1.10), которая зависит от нагрузки при . Дя их определения необходимо из потерь (1.9) и (1.10) вычесть соответственно потери (1.11) и (1.12):

                         (1.13)

                 ,  (1.14)

где    - номинальный ток статора,

         - добавочные потери при номинальной нагрузке двигателя,

          - коэффициент загрузки двигателя,

         - величина переменных потерь при номинальной нагрузке на валу,

         -  величина «переменных потерь реактивной мощности» при номинальной нагрузке на валу.

                Зависимости нагрузочных потерь (1.13) и (1.14) в функции от коэффициента загрузки приведены на рис.1.9 а.

                При изменении  величина переменных потерь изменяется , так как изменяется величина тока  и   в выражении (1.13). При неизменности , ток  изменяется под влиянием двух факторов (1.6): напряжения  и скольжения . При возрастании  скольжение чуть-чуть уменьшается, так как двигатель переходит на более высокую механическую характеристику (рис.1.10), и увеличивается

сопротивление . Кривые зависимости переменных потерь от величины  приведены на рис.1.9 б.

 

Рис.1.9  Зависимости переменных потерь:

а) от коэффициента загрузки ; б) от напряжения U1.

 

                Суммарные потери:          (1.15)

                Реактивная мощность:              (1.16)

                Зависимости (1.15) и (1.16) приведены на рис. 1.11. На этом же рисунке приведена кривая , которая характеризует зависимость полной мощности АД от его коэффициента загрузки с учетом полных потерь.

                Зависимости полных потерь и реактивной мощности в функции от напряжения для различных значений   в соответствии с выражениями (1.15) и (1.16) приведены на рис. 1.12 а.

                Для всех трех случаев загрузки двигателя зависимость  от  одинакова  (показана на рис.1.12 а пунктирной кривой). Нагрузочные потери различны:  - - при ;  - при ; -  при  (пунктирные кривые).

                Полные потери,. равные сумме потерь холостого хода и нагрузочных, имеют минимум в точках пересечения указанных составляющих потерь (показаны жирными кривыми для трех значений коэффициента загрузки kз). Для номинальной нагрузки (kз = 1) минимальны потери при номинальном напряжении. Для kз = 0,6 - при U1 = Uоп2. Для kз = 0,2 - при U1 = Uоп3.

                Аналогично выглядит зависимость реактивной мощности двигателя от напряжения  для различных kз (рис.1.12 б). Отличие здесь состоит только в том, что стремление изготовителей двигателей уменьшить их массогабаритные показатели выражается для ряда типов АД в том, что минимум реактивной мощности имеет место при меньших напряжениях. Например, при kз = 1 кривые Qхх и Qнг1 пересекаются при напряжении, меньшем номинального. Это обстоятельство более выражено для АД малой мощности и не проявляется для двигателей мощностью больше 15 кВт.

 

                Рис.1.10. Зависимость скольжения s    Рис.1.11. Зависимости полных потерь и

                от напряжения U1.                                                  активной и реактивной мощности от

                                                                            загрузки двигателя (U=Uн).

 

                Рис.1.12. Зависимость суммарных потерь (а) и реактивной мощности (б)

                               от напряжения U1 для разных значений kз:

                                               kз1= 1,0; kз2= 0,6; kз3=0,2.

 

 

Регулирование напряжения АД  с целью уменьшения потерь

 

                Во многих случаях на практике АД в течении значительного времени работают с небольшими коэффициентами загрузки . Так например, средний за наиболее загруженную смену  асинхронных двигателей металлорежущих станков составляет 0,12 - 0,20. Для таких двигателей на основании анализа кривых на рис. 1.12 возникает идея регулировать напряжение с целью уменьшения потерь и потребляемой реактивной мощности. При этом оптимальным для АД является такое напряжение , при котором потери в двигателе минимальны. Кривые искомой регулировочной характеристики показаны на рис.1.11 пунктиром.

Блок-схема возможного варианта регулятора напряжения приведена на рис.1.13.

 

Рис.1.13. Блок-схема регулятора напряжения

 

                Тиристорные пускатели (ТП) обеспечивают необходимые функции по управлению и защите АД (включение, отключение, защиту минимального напряжения,. защиту от перегрузки, безпиковый пуск и др.), которые реализуются схемой управления СУ. Они могут также использоваться для регулирования напряжения в функции . Для этого конструкцию ТП необходимо дополнить блоком автоматического регулирования напряжения БАРН. Этот блок должен измерять напряжение и ток двигателя, вычислять активную мощность, потребляемую из сети , вычислять коэффициент загрузки  и снижать напряжение на двигателе в соответствии с регулировочной характеристикой, рассмотренной ниже (1.17).