Потери энергии и КПД асинхронного двигателя

 

Цель работы: изучить особенности расчета потерь энергии и КПД асинхронного двигателя.

Подготовка к работе:

Для решения данной практической работы необходимо знать устройство и принцип действия асинхронного двигателя и зависимости между электрическими величинами, характеризующими его работу.

Мощность трехфазного асинхронного двигателя:

, (1)

где Р₁, Q₁ – активная и реактивная мощности двигателя.

Активная мощность двигателя Р₁ определяет среднюю мощность необратимого преобразования в двигателе электрической энергии, получаемой из трехфазной сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии, а реактивная мощность Q₁ – максимальную мощность обмена энергией между источником и магнитным полем двигателя.

Преобразование энергии в двигателе показано на энергетической диаграмме (рис.1).

 

Рис.1

В ней исходной величиной является активная мощность потребления электрической энергии из трехфазной сети Р₁.

Часть этой мощности Р_о1 составляет мощность потерь на нагревание проводов обмотки статора. Остальная мощность преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля Р_вр.п, часть которой Р_ст1 составляет мощность потерь из-за гистерезиса и вихревых токов в сердечнике статора. Мощность потерь в сердечнике ротора, через который замыкается вращающийся магнитный поток, практического значения не имеет, так как частота тока в роторе f₂ весьма мала (1-3 Гц), и мощность потерь из-за гистерезиса и вихревых токов незначительна.

Оставшаяся часть мощности вращающегося магнитного поля составляет электромагнитную мощность ротора

. (1)

Электромагнитный момент двигателя М_эм при при частоте вращения n₂ определяется по формуле

(2)

Чтобы определить механическую мощность Р_мех, развиваемую ротором, из электромагнитной мощности нужно вычесть мощность потерь на нагревание проводов обмотки ротора Р_о2. Следовательно, , (3)

Полезная механическая мощность Р₂ на валу двигателя будет меньше механической мощности Р_мех из-за механических потерь Р_м.п в двигателе, т.е.

(4)

Суммарные потери в двигателе ∑р = Р_о1+Р_ст1+Р_о2+Р_м.п (5)

 

или ∑р = Р₁ –Р₂ (6)

Отношение полезной механической мощности Р₂ на валу двигателя к активной мощности Р₁ потребления электрической энергии из сети определяет КПД асинхронного двигателя:

. (7)

КПД современных трехфазных асинхронных двигателей при номинальном режиме работы составляет 0,8 -0,95.

 

Ход выполнения работы:

Переписать условие задачи. Данные для своего варианта взять из таблицы 1. Решение необходимо выполнять по действиям с нумерацией и краткими пояснениями.

 

Асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором при номинальной мощности Р₂, напряжении U_ном, и токе I_ном потребляет из сети мощность Р₁. КПД двигателя η_ном, а коэффициент мощности cos φ_ном. Потери в обмотках статора Р_о1, в стали статора Р_ст1, в обмотках ротора Р_о2, механические Р_м.п. Суммарные потери в двигателе ∑р. Электромагнитная мощность, передаваемая магнитным потоком ротору, Р_эм. Двигатель развивает номинальный момент М_ном и электромагнитный момент М_эм при частоте вращения n₂. Определить величины, отмеченные прочерками в таблице1.

Начертить в масштабе энергетическую диаграмму двигателя.

Таблица 1

№ вар.	Р2	Uном	Iном	Р1	η ном	cosφ	Ро1	Рст1	Ро2	Рм.п	∑р	Рэм	Мном	Мэм	n2
кВт	В	А	кВт			кВт	кВт	кВт	кВт	кВт	кВт	Нм	Нм	об/мин
	-		15,8	-	0,88	-	0,25	-	0,15	-	-	4.73	29,8	-
	-		-	2,91	0,86	0,82	-	0,1	0,08	0,05	-	-	8,22	-	-
	4,5		-	-	-	0,85	0,25	-	0,15	0,08	0,62	-	29,8	-	-
	-		5,38	-	0,86	0,82	0,18	0,1	0,08	-	-	-	-	-
	-		22,4	-	-	-	-	0,4	-	0,2	2,2	20,8		-
		-	14,2	-	-	0,85	-	0,2	-	0,11	0,96	7,36	-		-
	-	-	22,4	22,2	-	0,87		-	0,6	-	2,2	20,8	-	-
	2,5	-	5,38	-	0,86	0,82	0,18	-	-	0,05	-	2,53	-	8,33	-
			-	22,2	-	0,87		0,4	-	0,2	-	-	-	20,8	-
	-		14,2	7,96	-	-	0,4	-	0,25	-	0,96	-	-	7,36

 

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность активной и реактивной мощности асинхронного двигателя?

2. Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе и какова их природа?

3. Дайте определение КПД асинхронного двигателя.

 

 

 

Практическая работа № 13

ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Цель работы: изучить особенности расчета генераторов постоянного тока

Подготовка к работе: В настоящее время одним из основных способов производства электроэнергии является преобразование механической энергии в электрическую, которое осуществляется генераторами постоянного и переменного тока

Генераторы постоянного тока (ГПТ) делят на два типа:

-с самовозбуждением (рис.1),

- с независимым возбуждением (рис.2).

Самовозбуждение в генераторах постоянного тока может быть осуществлено при параллельном (рис.1а), последовательном (рис.1б) и смешанном (рис.1в) соединении обмоток возбуждения с обмотками якоря.

 

а) б) в)

 

Рис.1.

 

Самовозбуждение генератора происходит при наличии трех условий:

1) остаточного магнитного потока, создающего ЭДС;

2) совпадения направления поля обмотки возбуждения с направлением остаточного магнитного потока;

3)сопротивление обмотки возбуждения меньше критического, т.е. когда ток возбуждения способен достигнуть значения, обеспечивающего заданную ЭДС.

Генератор с независимым возбуждением требует питания обмотки возбуждения отдельным независимым источником питания.

 

Рис. 2.

 

Уравнение ЭДС якоря генератора E = U + I_aR_a (1)

показывает связь между напряжением на выводах, падением напряжения в обмотке якоря и ЭДС якоря.

Ход работы:

1. Произвести расчет ГПТ с параллельным возбуждением рассчитанным на напряжение U_н и полезную мощность P₂ . Сила тока в нагрузке I_н, в цепи якоря I_а, в обмотке возбуждения I_в. Сопротивление якоря R_а, обмотки возбуждения R_в. Генератор развивает ЭДС E. Электромагнитная мощность P₁, суммарные потери ∑р при КПД η_г. Потери в якоре P_а, в обмотке возбуждения P_в.

2. Заполнить таблицу 1

Расчетные формулы и таблица 1 приведены ниже.

 

η_г = P₂ ∕ P₁; (2)

E_а = U_ном + I_а R_а (3)

∑P = P₁ - P₂ ; (4)

P_эм = E_а I_а; (5)

P₂ = U_н I_н; (6)

P_а = I_а² R_а ; (7)

P_в = I_в² R_в ; (8)

I_в = U_н ∕ R_в ; (9)

I_а = I_н + I_в; (10)

I_в= P_в ∕ U_н (11)

 

Таблица 1

 

Вар	P2	Uном	Iн	Iв	Iа	Rа	Rв	Eа	Pэм	P1	∑P	ηг	Pа	Pв
№	кВт	В	А	А	А	Ом	Ом	В	кВт	кВт	кВт	-	Вт	Вт
						0,15						0,9
	20,7					0,18					2,8
				2,9			40,3			2,6
	11,8
						0,07					2,2
												0,9
	2,4		17,4			0,25					0,6
											2,8
	21,6											0,9

 

Контрольные вопросы

1.Дать определение генератора.

2.Начертить схемы включения генераторов с самовозбуждением и независимым возбуждением. Какая из схем нашла наибольшее распространение и почему?

3.Перечислить условия необходимые для возникновения самовозбуждения ГПТ.

Практическая работа № 14

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: изучить особенности расчета двигателей постоянного тока.

Подготовка к работе:

Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования, как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии цепи переменного тока в электрическую энергию цепи постоянного тока.

Так же как и в генераторах, обмотки возбуждения двигателя могут иметь последовательное, параллельное и смешанное согласное включение обмоток, а также независимое (от постороннего источника тока или постоянного магнита).

Двигатель с параллельным возбуждением (рис.1а). Благодаря обратимости, работа машины постоянного тока в режиме генератора с параллельным возбуждением может быть заменена на работу в режиме двигателя. Для этого достаточно сначала уменьшить до нуля вращающий момент первичного двигателя, а затем приложить к валу тормозной момент. При этом уменьшается частота вращения и ЭДС якоря, а направление тока в его обмотке изменится на обратное. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем машины, будет создавать вращающий электромагнитный момент.

Естественная механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением n (М_вр) изображается прямой линией (рис.2а), слегка наклоненной в сторону оси абсцисс. При изменении нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номинальной частоты вращения большинства двигателей параллельного возбуждения уменьшается лишь на 3–8%. Таким образом, естественную механическую характеристику двигателей с параллельным возбуждением следует считать жесткой.

Регулировать частоту вращения двигателя можно при помощи реостата в цепи якоря. Однако такое регулирование неэкономично из-за значительной мощности потерь и применяется лишь для двигателей небольших мощностей.

Более совершенный метод регулирования частоты вращения изменением напряжения якоря.

У двигателя с последовательным возбуждением (рис.1б) ток якоря является вместе с тем током возбуждения I_а = I_в . Благодаря такому соединению главный магнитный поток машины изменяется пропорционально току якоря, пока магнитопровод машины не насыщен. Как и все двигатели постоянного тока, этот двигатель для ограничения пускового тока снабжается пусковым реостатом R_п.

Ценным свойством этого двигателя является способность выдерживать сильные перегрузки при умеренном увеличении тока.

 

Механическая характеристика двигателя, показанная на рис.2б при I_В1= I_а, называется естественной характеристикой. Естественная механическая характеристика двигателя мягкая, так как изменение момента сильно сказывается на частоте вращения двигателя.

Для регулирования частоты вращения можно шунтировать обмотку возбуждения реостатом с регулируемым сопротивлением R_р. Возможно регулирование двигателя путем изменения напряжения на якоре.

Высокая перегрузочная способность и мягкая характеристика двигателя с последовательным возбуждением особенно ценны для электрической тяги (трамвай, метрополитен, электрические железные дороги и т.д.). Эти двигатели подходят также для работы в качестве крановых двигателей там, где имеются источники постоянного тока.

Двигатель со смешанным возбуждением (рис.1в). Двигатель с параллельным возбуждением имеет жесткую механическую характеристику, а двигатель с последовательным возбуждением – мягкую характеристику. В ряде случаев желательна некоторая промежуточная форма характеристики. Простейший способ получения такой характеристики – применение смешанного возбуждения двигателя.

В двигателе с последовательно – параллельным возбуждением преобладает последовательное возбуждение, но благодаря наличию параллельной обмотки возбуждения нарастание частоты вращения двигателя при уменьшении нагрузки на валу ограничено (рис.2 в).

В двигателе с параллельно – последовательным возбуждением преобладает параллельное возбуждение. Наличие дополнительного последовательного возбуждения стабилизирует основной магнитный поток двигателя и немного смягчает его жесткую механическую характеристику.

а) б) в)

 

Рис.1.

 

а) б) в)

Рис.2.

Ход работы:

1. Произвести расчет ДПТ с параллельным возбуждением, который развивает полезную мощность на валу P₂, потребляя из сети ток I при напряжении U_ном. Ток в обмотке якоря I_а, в обмотке возбуждения I_в. Частота вращения якоря n₂. Двигатель потребляет из сети мощность P₁. Полезный вращающий момент двигателя М. В якоре двигателя наводится противо-ЭДС Е. Сопротивление обмотки якоря R_а, обмотки возбуждения R_в, а КПД двигателя η_д. Используя данные таблицы 1, определить значения величин, отмеченные знаком «?».

 

2. Заполнить таблицу 1

Расчетные формулы и таблица 1 приведены ниже.

 

P₂ = P₁ η_д; (1)

I_a = (U_ном - E) ∕ R_a (2)

I_в = U_ном ∕ R_в; (3)

I_а = I - I_в; (4)

P₁= U_ном I; (5)

М = 9550 Р₂ ∕ n₂ (6)

 

Таблица 1

Вар

P1

P2

Uном

E

I

Iа

Iв

Rа

Rв

M

n2

ηд

№

кВт

кВт

В

В

А

А

А

Ом

Ом

Н м

об/мин

?

?

?

0,28

?

0,8

?

?

?

?

0,85

?

?

?

2,2

0,13

?

0,85

?

8,5

?

?

21,3

0,94

95,5

?

0,85

?

?

?

?

36,4

0,28

19,1

0,8

?

?

81,8

79,6

?

0,13

?

?

?

?

?

0,85

3,2

?

?

35,4

0,28

?

?

?

?

23,3

21,3

?

95,5

?

?

3,2

36,4

35,4

?

19,1

?

?

 

Контрольные вопросы

1. Назовите преимущества и недостатки двигателей постоянного тока.

2. Начертить схемы включения двигателей с параллельным, последовательным и

смешанным возбуждением.

3. Назовите методы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока.

4. Начертите механические характеристики для каждого типа двигателей.

 

 

Практическая работа №15