Основные характеристики асинхронных электродвигателей

1. Виды электродвигателей

Наибольшее распространение имеет трехфазный асинхронный электродвигатель. Электродвигатели постоянного тока и синхронные применяются редко.

Большинство электрифицированных машин нуждаются в приводе мощностью от 0,1 до 10 кВт, значительно меньшая часть — в приводе мощностью в несколько десятков кВт. Как правило, для привода рабочих машин используются короткозамкнутые трехфазные электродвигатели. По сравнению с фазным такой электродвигатель имеет более простую конструкцию, меньшую стоимость, большую надежность в эксплуатации и простоту в обслуживании, несколько более высокие эксплутационные показатели (коэффициент мощности и коэффициент полезного действия), а при автоматическом управлении требует простой аппаратуры. Недостаток короткозамкнутых электродвигателей — относительно большой пусковой ток. При соизмеримости мощностей трансформаторной подстанции и электродвигателя его пуск сопровождается заметным снижением напряжения сети, что усложняет как пуск самого двигателя, так и работу соседних токоприемников.

Наряду с трехфазными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями основного исполнения применяются также отдельные модификации этих двигателей: с повышенным скольжением, многоскоростные, с фазным ротором, с массивным ротором и т. д. Электродвигатели с фазным ротором применяют и в тех случаях, когда мощность питающей сети недостаточна для пуска двигателя с короткозамкнутым ротором.

Механические характеристики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в значительной мере зависят от формы и размеров пазов ротора, а также от способа выполнения роторной обмотки. По этим признакам

Рис. 1. Кривые моментов M = f(S) асинхронных электродвигателей

различают электродвигатели с нормальным ротором (нормальная беличья клетка), с глубоким пазом и с двумя клетками на роторе. Конструкция ротора короткозамкнутых асинхронных электродвигателей общего назначения мощностью свыше 500 Вт предопределяет явление вытеснения тока в обмотке, эквивалентно увеличению ее активного сопротивления. Поэтому, а также вследствие насыщения магнитных путей потоков рассеивания такие электродвигатели (в первую очередь обмотки ротора) обладают переменными параметрами и аналитические выражения их механических характеристик усложняются. Увеличение активного сопротивления ротора в период пуска вызывает увеличение начального пускового момента при некотором снижении силы начального пускового тока (рис. 1).

2. Основные характеристики электродвигателей

Номинальный режим электродвигателя соответствует данным, указанным на его щитке (паспорте). В этом режиме двигатель должен удовлетворять требованиям, установленным ГОСТом.

Существует восемь различных режимов работы, из них основными можно считать:

· продолжительный номинальный режим;

· кратковременный номинальный режим с длительностью рабочего периода 10, 30 и 90 мин;

· повторно-кратковременный номинальный режим с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40, 60%, с продолжительностью одного цикла не более 10 мин.

Номинальной мощностью Р_н электродвигателя называется указанная на щитке полезная механическая мощность на валу при номинальном режиме работы. Номинальная мощность выражается в Вт или кВт.

Номинальная частота вращения n_н вала электродвигателя называется указанное на щитке число оборотов в минуту, соответствующее номинальному режиму.

Номинальный момент вращения — момент, развиваемый двигателем на валу при номинальной мощности и номинальной частоте вращения:

где:

М_н — номинальный момент вращения, Н·м (1 кгс·м = 9,81 Н·м ≈ 10 Н·м);

Р_н — номинальная мощность, кВт;

n_н — номинальная частота вращения, об/мин.

Номинальный к.п.д. hн электродвигателя — отношение его номинальной

мощности к мощности, потребляемой им из сети при номинальном напряжении:

где:

Р_н — номинальная мощность, кВт;

U_н — номинальное (линейное) напряжение, В;

I_н — номинальная сила тока, А;

cosφ_н — номинальный коэффициент мощности.

Номинальной силой тока электродвигателя называется сила тока, соответствующая номинальному режиму. Действительное значение силы тока при номинальном режиме может отличаться от указанного на щитке электродвигателя в пределах установленных допусков для к.п.д. и коэффициента мощности.

Максимальный вращающий момент электродвигателя — наибольший вращающий момент, развиваемый при рабочем соединении обмоток и постепенном повышении момента сопротивления на валу сверх номинального при условии, что напряжение на зажимах двигателя и частота переменного тока остаются неизменными и равными номинальным значениям.

Начальный пусковой вращающий момент электродвигателя — момент вращения его при неподвижном роторе, номинальных значениях напряжения и частоты переменного тока и рабочем соединении обмоток.

Минимальным вращающим моментом электродвигателя в процессе пуска называется наименьший вращающий момент, развиваемый двигателем при рабочем соединении обмоток и частоте вращения в пределах от нуля до значения, соответствующего максимальному вращающему моменту (напряжение на зажимах двигателя и частота переменного тока должны оставаться неизменными и равными их номинальным значениям).

Номинальная частота вращения вала электродвигателя является следующим за мощностью параметром, от которого в значительной мере зависят конструктивное оформление, габариты, стоимость и экономичность работы электропривода. Наиболее приемлемыми в диапазоне мощностей от 0,6 до 100 кВт являются частоты вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин (синхронные). Электродвигатели с частотой вращения 750 об/мин (восьмиполюсные) малых мощностей имеют низкие энергетические показатели. При одинаковой мощности электродвигатели с более высокой частотой вращения имеют более высокие значения к.п.д. и cosφ, а также меньшие размеры и массу, что определяет их меньшую стоимость.

Сила тока холостого хода I₀ в значительной мере определяется силой намагничивающего тока I_0Р. приближенно можно считать I₀ = I_0P . Для машин

основного исполнения относительное значение силы тока холостого хода

I₀ = (0,2—0,6)I_н (оно тем больше, чем меньше номинальная частота вращения и мощность электродвигателя). Зависимость тока холостого хода от частоты вращения электродвигателя приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Токи холостого хода для двигателей основного исполнения

Мощность, кВт	Среднее значение токов холостого хода (в долях от силы номинального тока) при синхронной частоте вращения, об/мин
	3000	1500	1000	750	600
0,5—1	0,4	0,55	0,6	—	—
1,1—5	0,35	0,5	0,55	0,6	—
5,1—10	0,25	0,45	0,5	0,55	0,6
10,1—25	0,2	0,4	0,45	0,5	0,55
25,1—50	0,18	0,35	0,4	0,45	0,5

Если известны номинальный коэффициент мощности и кратность максимального момента mк, то сила тока холостого хода при номинальном напряжении

I_1н — ток статора при номинальной нагрузке, А.

При номинальных напряжениях и частоте переменного тока сила тока холостого хода от изменения нагрузки практически не зависит. Определить из опыта I₀ нетрудно, если электродвигатель не соединен с рабочей машиной. По значению I₀ можно в известной мере судить о состоянии электродвигателя, в частности после его ремонта.

К.п.д. электродвигателя при различной степени нагрузки

с достаточной для практических расчетов точностью определяют по формуле:

— коэффициент потерь, представляющих собой отношение постоянных потерь к переменным при номинальной нагрузке.

К постоянным потерям, практически не зависящим от нагрузки, относятся механические потери, и потери в стали, к переменным — электрические потери в обмотках, зависящие от силы тока нагрузки, и добавочные потери — не учтенные ранее перечисленными видами потерь. Постоянные потери в значительной степени зависят от числа полюсов двигателя и его мощности.

Переменные потери при номинальной нагрузке определяют с помощью каталожных данных, приведенных в таблице 2.2.

где:

Р_н — номинальная мощность двигателя;

ΔР_н — полные потери двигателя при полной нагрузке;

ΔР₀ — постоянные потери (Δm₀= Δm_мех + Δm_–).

Таблица 2.2. Усредненное значение постоянных потерь мощности, рекомендуемое для практических расчетов

Число полюсов	Номинальная мощность Рн, кВт	Механические потери DРмех, %Рн			Потери в стали DРс, %Рн
		в пределах	рекомендуемые при расчетах для электродвигателей типов		в пределах	рекомендуемые при расчетах
			А2	АО2
2	10 40	0,7—4,9	0,9	3,4	3,1—3,9 2,0—2,9	3,5 2,5
4	10 40	0,4—1,4	0,5	0,9	3,0—5,6 2,2—3,4	4,3 2,8
6	10 40	0,32—0,82	0,44	0,6	3,0—6,0 2,1—3,0	4,5 2,6
8	10 40	0,25—0,62	0,3	0,45	3,5—4,8 2,0—3,3	4,2 2,6

При наличии кривой к.п.д. в функции нагрузки касательная к этой кривой в начальной точке отсекает на горизонтали, проведенной на уровне η + 1, отрезок р₀, равный в масштабе абсцисс постоянным потерям (рис. 2).

Коэффициент мощности cosφ₁ существенно зависит от реактивной мощности, потребляемой из сети, и степени нагрузки двигателя. Реактивная мощность, потребляемая из сети,

где:

Q'_p, q₁, q₂— реактивная мощность, расходуемая на образование соответственно основного магнитного поля двигателя, полей рассеивания обмоток статора и ротора. Основную часть реактивной мощности составляет мощность Q'_p которая из-за наличия воздушного зазора значительно больше, чем в трансформаторах, и определяет относительно большое значение намагничивающего тока: I₀ = (0,2—0,6)I_н .

Обычно у трехфазных асинхронных электродвигателей при номинальной нагрузке cosφ_1н= 0,7—0,92. Большие значения коэффициента мощности относятся к мощным двигателям с числом полюсов 2p = 2 и 4. При уменьшении нагрузки cosφ1 уменьшается до значения cosφ₁₀ ≈ 0,09—0,18 при холостом ходе. Средние значения cosφ и к.п.д. трехфазных электродвигателей даны в таблице 2.3.

Рис. 2. Изменение к.п.д. асинхронного электродвигателя

в зависимости от нагрузки на валу

Таблица 2.3. Практические пределы значений к.п.д. и cos j трехфазных асинхронных двигателей основного исполнения

Мощность, кВт	Синхронная частота вращения, об/мин	К.п.д.	cosφ
0,8—1,1	3000	0,78—0,795	0,86—0,87
0,6—1,1	1500	0,72—0,78	0,76—0,8
0,4—1,1	1000	0,68—0,76	0,65—73
1,5—7,5	3000	0,805—0,87	0,88—0,89
	1500	0,80—0,885	0,81—0,87
	1000	0,79—0,87	0,75—0,82
2,2—7,5	750	0,795—0,865	0,69—0,81
10—22	3000	0,88—0,89	0,88—0,9
	1500	0,885—0,9	0,87—0,9
	1000	0,87—0,9	0,86—0,9
	750	0,87—0,9	0,79—0,84
30—55	3000	0,89—0,91	0,9—0,92
	1500	0,905—0,925	0,88—0,92
	1000	0,9—0,925	0,88—0,92
	750	0,9—0,925	0,84—0,9

Для к.п.д. и коэффициента мощности допускаются следующие отклонения: к.п.д. (η) машин мощностью до 50 кВт включительно: –0,15 (1 – η);

к.п.д. машин мощностью свыше 50 кВт: –0,1(1 – η);

коэффициента мощности (cosφ):

, но не менее 0,02 и не более 0,07 по абсолютному значению.

Скольжение при номинальной нагрузке трехфазных асинхронных электродвигателей основного исполнения обычно составляет от 1,5 до 6,6%. Большие значения скольжения относятся к меньшим значениям мощности двигателя (табл. 2.4). Требование малой Sн связано с получением высокого к.п.д. и приводит к необходимости иметь малое активное сопротивление обмотки ротора.

Таблица 2.4. Частота вращения ротора трехфазного асинхронного электродвигателя основного исполнения при номинальной нагрузке и стандартной частоте тока 50 Гц

Число полюсов	Частота вращения поля статора (синхронная) nc, об/мин	Частота вращения вала ротора nн
2	3000	2815—2940
4	1500	1400—1470
6	1000	930—985
8	750	720—740
10	600	580—585

Примечания:

1. В таблице приведены данные для двигателей мощностью от 1,1 до 100 кВт.

2. В серии А2 10-полюсные электродвигатели на синхронную частоту вращения 600 об/мин выпускаются с наименьшей мощностью 17 кВт.

3. Двигатели на 12 полюсов и более выполняют преимущественно мощностью выше 100 кВт.

При номинальном значении напряжения и частоты переменного тока скольжение с изменением нагрузки в пределах от холостого хода до номинальной практически изменяется пропорционально нагрузке (для двигателей, имеющих кратность максимального момента mк ≥ 1,6):

S = bS_н,

где:

b — степень загрузки.

При работе электродвигателя с пульсирующей или ударной нагрузкой для

лучшего использования маховых масс целесообразно увеличивать номинальное скольжение. У электродвигателей с повышенным скольжением серии А2 и АО2 номинальное скольжение в зависимости от типоразмера и частоты вращения находится в пределах 6,6—16%.

Критическое скольжение Sк — величина скольжения, соответствующая максимальному моменту электродвигателя. Может быть определена по каталожным данным из выражений:

где:

m_к — кратность максимального момента;

m_n — кратность начального пускового момента;

S_н — относительное значение номинального скольжения.

Приближенно критическое скольжение

При значениях:

mк	1,6	1,8	2,0	2,5	3,0
Sк/Sн	1,85	3,33	3,73	4,8	5,8

В среднем можно считать Sк = (4—5)Sн.

Начальная скорость нарастания температуры Δτ, °С/с, обмотки статора короткозамкнутых электродвигателей при заторможенном роторе и номинальном напряжении (без учета отдачи тепла)

где:

k_i — кратность начального пускового тока по отношению к номинальному; γ₁ — плотность тока (А/мм2) в обмотке статора при номинальной нагрузке; N — коэффициент, равный (для медной обмотки) 200, если процесс нарастания температуры начинается при холодном состоянии двигателя, и 145 — при нагретом состоянии двигателя.

При средних величинах k_i = 6—7 и g1 = 5—6 А/мм2 интенсивность нарастания температуры (в нагретом состоянии двигателя) составляет:

Δτ = 5,45—10,6°С/с.

Для трехфазных асинхронных двигателей серии А2 и АО2 при пуске температура обмоток статора нарастает со скоростью не более 7°С/с. В таком случае пребывание двигателя под пусковым током возможно без вреда для изоляции в течение 10—15 с.

Напряжение трехфазных асинхронных электродвигателей должно соответствовать стандартам на данный вид электрической машины. Электродвигатели серии А2 и АО2 мощностью до 100 кВт выпускаются на напряжение 220 Δ, 380 Y и 500 Y В по требованию.

Трехфазные двигатели сельскохозяйственной серии АО2-СХ мощностью 2,2—10 кВт выпускают на 380 Y и мощностью 13—30 кВт при 1500 об/мин — на 380 Δ В.

Трехфазные двигатели серии 4А мощностью 0,12—0,37 кВт рассчитаны на напряжение 220 Δ, 380 Y, а мощностью 0,55—110 кВт — на 220 Δ, 380 Y и 380 Δ, 660 Y В.

Трехфазные асинхронные электродвигатели серии Д мощностью от 0,25 до 4 кВт основного исполнения поставляют для напряжений 220 Δ, 380 Y В.

На напряжение 380 В изготавливаются асинхронные двигатели мощностью до 400 кВт, поэтому применение напряжений 3 и 6 кВ необходимо только для более мощных двигателей.