Чему равен кпд асинхронного двигателя при холостом ходе - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чему равен кпд асинхронного двигателя при холостом ходе

Чему равен кпд асинхронного двигателя при холостом ходе

Механический коэффициент полезного действия, равный отношению среднего эффективного давления к среднему индикаторному, оценивает механические потери в двигателе:

Механический к. п. д. можно выразить и через мощности двигателя:

Таким образом, механический к. п. д. показывает в долях единицы или в процентах ту часть индикатор­ной мощности, которая передается на фланец коленчатого вала.

Анализ механических потерь в двигателе, выполненный нами ранее, позволяет сделать заключение, что значение механического к. п. д. двига­теля зависит: от степени быстроходности двигателя, от величины давления газов цикла и динамики его изменения, от качества изготовления и сборки деталей двигателя, от качества смазочного масла, от теплового состояния двигателя и режима загрузки его, от мощности навешенных вспомогатель­ных механизмов и от сопротивлений во впускной и выпускной системах двигателя.

При прочих равных условиях механический к. п. д. двигателя является функцией отношения среднего эффективного давления к максимальному давлению цикла; чем больше это отношение, тем выше механический к. п. д.

При уменьшении нагрузки на двигатель (сохраняя при этом число оборотов вала неизменным) мощность механических потерь N mex примерно остается постоянной, а потому относительное ее значение возрастает и ме­ханический к. п. д. падает.

На рис. 105 приведены кривые изменения механического к. п. д. ? т при полной нагрузке (сплошные кривые) и при 30 % нагрузки (пунктирные кри­вые) двигателя с воспламенением от сжатия (кривая В; ? = 16) и двигателя с воспламенением от искры (кривая А; ? = 6). Данные кривые показывают, что при уменьшении нагрузки на двигатель при неизменном числе оборотов ? т значительно падает. Следует заметить, что при холостом ходе двигателя N e == 0) из формулы (139а)

Таким образом, режим работы холостого хода можно охарактеризовать как режим, при котором механический к. п. д. равен нулю.

При одном и том же р е (как это видно из рис. 105) с увеличением числа оборотов двигателя (скоростная характеристика) ? т падает, что объясняется более интенсивным относительным ростом мощности механических потерь N мех , чем эффективной мощности двигателя.

При работе двигателя с наддувом значение ? т изменяется в зависимо­сти от системы и степени наддува. Если двигатель переводится на работу с газотурбинным наддувом, то, как показывают опытные данные, мощность механических потерь N мех при этом остается неизменной. Обозначим отно­шение ? н = p ? н / p ? , (степень наддува), где р а — давление в цилиндре в начале сжатия без наддува, а р —с наддувом. Можно принять, что отношение N in / N i также равно ? н , где N in — индикаторная мощность двигателя с наддувом, а N i — без наддува.

Если двигатель имел до наддува механический к. п. д. т. ? m , то при газо­турбинном наддуве он будет иметь:

Полученная формула показывает, что с повышением степени наддува при газотурбинном наддуве механический к. п. д. двигателя возрастает.

В том случае, когда газотурбонагнетатель кинематически связан с валом самого двигателя, отношение ? К = N к / N i может быть больше, меньше или равно отношению ? T = N T / N i в зависимости от степени использования энергии отработавших газов двигателя. Здесь N к — мощность, потребляе­мая наддувочным компрессором, а N T —мощность, развиваемая турбиной.

В этом случае, т. е. когда газотурбонагнетатель связан кинематически : валом двигателя, условный механический к. п. д. будет равен

где ? т д —механический к. п. д. собственно двигателя.

При ? T > ? К разность (? Т — ? К ) называется положительным небалансом, а при ? т к (? к — ? Т ) называется отрицательным небалансом.

Судовые дизели имеют следующие значения механического к. п. д.

мтомд.инфо

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Раздел:Электротехника

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n2, КПД асинхронного двигателя η, полезного момента (момента на валу) М2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const f1 = const.

Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя

Скоростная характеристика n2 = f(P2). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n2 = n1(1 — s).

Скольжение s = Pэ2/Pэм, то есть скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Рэ2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n2 ≈ n1.

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = Pэ2/Pэм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n2 = f(P2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n2 при колебаниях нагрузки Р2 возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимость М2 = f(P2). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М2 от полезной мощности Р2 определяется выражением M2 = Р22 = 60 P2/(2πn2) = 9,55Р2/n2, где Р2 — полезная мощность, Вт; ω2 = 2πf2/60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n2 = const, то график М2 = f22) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р2 частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М2 с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М2 = f (P2) имеет криволинейный вид.

Читать еще:  Suzuki grand vitara свист при запуске холодного двигателя

Зависимость cos φ1 = f (P2). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода. Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I1 ≈ I). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ1 ≈ φ), лишь немногим меньше 90°.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I1 и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ1, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U1 уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя.

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 Р2 всегда меньше мощности на входе (потребляе­мой мощности) Р1 на величину потерь Р :

Р2 = Р1 Р (13.1)

Потери Р 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 Рм в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вих­ревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания Рм = f β ,

где β = 1,3 ÷ 1,5. Частота перемагничивания сердеч­ника статора равна частоте тока в сети (f = f1), а частота перемагничивания сердечника ротора f = f2 =f1s.При частоте тока в сети f 1 = 50 Гц при номинальном скольжении sном = 1 ÷ 8 % частота перемагничивания ротора f = f2 = 2 ÷ 4 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

электрические потери в обмотке ротора

Здесь r1 и r2 — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θраб (см. § 8.4):

где r1.20 и r2.20 — активные сопротивления обмоток при температу­ре Θ1 = 20 °С; α — температурный коэффициент, для меди и алю­миния α = 0,004.

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:

где Рэм — электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:

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 электрическиe потери в щеточном контакте Рэ.щ = 3 I2 ΔUщ /2, где Uщ =2,2 В — переходное падение напряжения на пару щеток.

Механические потери Рмех — это потери на трение в подшип­никах и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (Рмех = n 2 2). 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 Р1:

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

где β = I1/ I1ном —коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

P = Рэм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рдоб. (13.9)

На рис. 13.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р1 = m1 U1 I1 cos φ1 затрачивается в статоре на магнитные Ры и электрические Рэ1 потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Рэм [см. (13.6)] передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Рэ2 и преобра­зуется в полную механическую мощность Р′2. Часть мощности идет на покрытие механических Рмех и добавочных потерь Рдоб, а оставшаяся часть этой мощности Р2 составляет полезную мощ­ность двигателя.

Читать еще:  Что такое компрессия и степень сжатия дизельного двигателя

У асинхронного двигателя КПД

η = Р2/ Р1 =1 — P. (13.10)

Электрические потери в об­мотках РЭ1 и РЭ2 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 Рм и механических Рмех, 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 (0,7 ÷ 0,8)Рном. При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке (P2 > Рном) он резко убывает, что объясняется ин­тенсивным ростом переменных потерь (Рэ1 + Рэ2 + Рдоб), величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности. График зависимости КПД от нагрузки η = f (β) для асинхронных двигателей имеет вид, аналогичный представленному на рис. 1.41 (см. рис. 13.7).

КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт ηном = 75 ÷ 88%, для двигателей мощностью более 10 кВт ηном =90 ÷ 94%.

Рис. 13.1. Энергетическая диа­грамма асинхронного двигателя

Пример 13.1.Трехфазный асинхронный двигатель работает от сети напряжением 660 В при соединении обмоток статора звездой. При номинальной нагрузке он потребляет из сети мощность Р1 = 16,7 кВт при коэффициенте мощности cos φ1 = 0,87. Частота ηвращения nном = 1470 об/мин. Требуется определилить КПД двигателя η hоm, если магнитные потери Рм = 265 Вт, а механические потери Рмех = 123 Вт. Активное сопротивление фазы обмотки статора r1.20 = 0,8 Ом, и класс нагревостойкости изоляции двигателя F (рабочая температура Θра6 =115 °С).

Решение. Ток в фазе обмотки статора

I1ном = = =16,8 А

где U1 = 660/ = 380 В.

Сопротивление фазы обмотки статора, пересчитанное на рабочую температуру

r1 = r1.20 [1 + α (Θраб — 20)] = 0,8[1 + 0,004(115 — 20)] = 1,1 Ом.

Электрические потери в обмотке статора по (13.2)

Рэ1 = m1 I 2 1ном r1 = 3 • 16,8 2 • 1,1 = 93 1 Вт.

Электромагнитная мощность двигателя по (13.6)

РЭМ = Р1 — (Рм + Рэ1) = 16,7 • 10 3 — (265 + 931) = 15504 Вт.

Номинальное скольжение sном = (n1 – nном)/ n1 = (1500 — 1470)/1500 = 0,020 . Электрические потери в обмотке ротора по (13.5)

Добавочные потери по (13.7)

Рдо6 = 0,005 Р1 =0,005 • 16,7 • 10 3 =83 Вт.

Суммарные потери по (13.9)

Р = Рм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рмех = 265 + 931 + 310 + 123 + 83 = 1712 Вт.

КПД двигателя в номинальном режиме по (13.10)

ηном = 1 — Р/ Р1 = 1 — 1712/ (16,7 • 10 3 ) = 0,898 , или 89,8%.

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 (см. § 8.4).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Режим холостого хода трансформатора

Одно из наиболее используемых электротехнических устройств – трансформатор. Данное оборудование используется для изменения величины электрического напряжения. Рассмотрим особенности режима холостого хода трансформатора, с учётом правил определения характеристик для различных видов устройств.

Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, расположенных на сердечнике. При подаче напряжения на входную катушку, образуется магнитное поле, индуцирующее ток на выходной обмотке. Разница характеристик достигается, благодаря различному количеству витков в катушках входа и выхода.

Принцип работы трансформатора

  1. Что такое режим холостого хода
  2. Как проводится опыт холостого хода
  3. Для однофазного трансформатора
  4. Для трёхфазного трансформатора
  5. Для сварочного трансформатора
  6. Видео: измерение тока холостого хода
  7. Меры по снижению тока холостого хода

Что такое режим холостого хода

Под режимом холостого хода понимают состояние устройства, при котором во время подачи переменного электротока на входную катушку выходная находится в разомкнутом состоянии. Данная ситуация характерна для агрегата, подключённого к электросети, при условии, что нагрузку к выходному контуру ещё не включили.

Режим короткого замыкания

В процессе эксперимента можно найти:

  • электроток холостого хода (замеряется амперметром) – обычно его значение невелико, не больше 0,1 от номинального показателя тока первой обмотки;
  • мощность, теряемую в магнитопроводе прибора(или другими словами потери в стали);
  • показатель трансформации напряжения – примерно равен значению в первичной цепи, деленному на таковое для вторичной (оба значения – данные вольтметров);
  • по результатам замеров силы тока, мощности и напряжения первичной электроцепи можно высчитать коэффициент мощности: мощность делят на произведение двух других величин.
Читать еще:  Что будет с двигателем гольфа при холодном запуске

Как проводится опыт холостого хода

При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:

  • коэффициент трансформации;
  • мощность потерь в стали;
  • параметры намагничивающей ветви в замещающей схеме.

Для опыта на устройство подаётся номинальная нагрузка.

При проведении опыта холостого хода и расчёте характеристик на основе данной методики необходимо учитывать разновидность устройства.

В данном состоянии трансформатор обладает нулевой полезной мощностью по причине отсутствия на выходной катушке электротока. Поданная нагрузка преобразуется в потери тепла на входной катушке I02×r1 и магнитные потери сердечника Pm. По причине незначительности значения потерь тепла на входе, их в большинстве случае в расчёт не принимают. Поэтому общее значение потерь при холостом ходе определяется магнитной составляющей.

Далее приведены особенности расчёта характеристик для различных видов трансформаторов.

Для однофазного трансформатора

Опыт холостого хода для однофазного трансформатора проводится с подключением:

  • вольтметров на первичной и вторичной катушках;
  • ваттметра на первичной обмотке;
  • амперметра на входе.

Приборы подключаются по следующей схеме:

Для определения электротока холостого хода Iо используют показания амперметра. Его сравнивают со значением электротока по номинальным характеристикам с использованием следующей формулы, получая итог в процентах:

Iо% = I0×100/I10.

Чтобы определить коэффициент трансформации k, определяют величину номинального напряжения U1н по показаниям вольтметра V1, подключённого на входе. Затем по вольтметру V2 на выходе снимают значение номинального напряжения U2О.

Коэффициент рассчитывается по формуле:

K = w1/w2 = U1н/ U2О.

Величина потерь составляет сумму из электрической и магнитной составляющих:

P0 = I02×r1 + I02×r0.

Но, если пренебречь электрическими потерями, первую часть суммы можно из формулы исключить. Однако незначительная величина электрических потерь характерна только для оборудования небольшой мощности. Поэтому при расчёте характеристик мощных агрегатов данную часть формулы следует учитывать.

Потери холостого хода для трансформаторов мощностью 30-2500 кВА

Для трёхфазного трансформатора

Трёхфазные агрегаты испытываются по аналогичной схеме. Но напряжение подаётся отдельно по каждой фазе, с соответствующей установкой вольтметров. Их потребуется 6 единиц. Можно провести опыт с одним прибором, подключая его в необходимые точки поочерёдно.

При номинальном напряжении электротока обмотки более 6 кВ, для испытания подаётся 380 В. Высоковольтный режим для проведения опыта не позволит добиться необходимой точности для определения показателей. Кроме точности, низковольтный режим позволяет обеспечить безопасность.

Применяется следующая схема:

Работа аппарата в режиме холостого хода определяется его магнитной системой. Если речь идёт о типе прибора, сходного с однофазным трансформатором или бронестержневой системе, замыкание третьей гармонической составляющей по каждой из фаз будет происходить отдельно, с набором величины до 20 процентов активного магнитного потока.

В результате возникает дополнительная ЭДС с достаточно высоким показателем – до 60 процентов от главной. Создаётся опасность повреждения изолирующего слоя покрытия с вероятностью выхода из строя аппарата.

Предпочтительнее использовать трехстержневую систему, когда одна из составляющих будет проходить не по сердечнику, с замыканием по воздуху или другой среде (к примеру, масляной), с низкой магнитной проницаемостью. В такой ситуации не произойдёт развитие большой дополнительной ЭДС, приводящей к серьёзным искажениям.

Для сварочного трансформатора

Для сварочных трансформаторов холостой ход – один из режимов их постоянного использования в работе. В процессе выполнения сварки при рабочем режиме происходит замыкание второй обмотки между электродом и металлом детали. В результате расплавляются кромки и образуется неразъёмное соединение.

После окончания работы электроцепь разрывается, и агрегат переходит в режим холостого хода. Если вторичная цепь разомкнута, величина напряжения в ней соответствует значению ЭДС. Эта составляющая силового потока отделяется от главного и замыкается по воздушной среде.

Чтобы избежать опасности для человека при нахождении аппарата на холостом ходу, значение напряжения не должно превышать 46 В. Учитывая, что у отдельных моделей значение данных характеристик превышает указанное, достигая 70 В, сварочный агрегат выполняют со встроенным ограничителем характеристик для режима холостого хода.

Блокировка срабатывает за время, не превышающее 1 секунду с момента прерывания рабочего режима. Дополнительная защитная мера – устройство заземления корпуса сварочного агрегата.

Видео: измерение тока холостого хода

Меры по снижению тока холостого хода

Ток при нахождении трансформатора в режиме холостого хода возникает, благодаря конструктивным особенностям сердечника. Для ферромагнитного материала, попавшего в электрическое поле переменного тока, характерно наведение вихревых индуктивных токов Фуко, вызывающих нагревание данного элемента.

Чтобы снизить вихревые токи, сердечник изготавливают не в виде цельной детали, а набирают из пакета пластин небольшой толщины. Между собой пластины изолируются. Дополнительная мера – изменение свойств самого материала, позволяющее увеличить порог магнитного насыщения.

Чтобы не допустить разрыва магнитного потока с возникновением поля рассеивания, пластины тщательно подгоняют в процессе набора. Отдельные элементы шлифуют, с получением гладкой, идеально прилегающей поверхности.

Также потери снижаются за счёт более полного заполнения окна магнитопровода. Это позволяет обеспечить оптимальные показатели массы и габаритов агрегата.

Холостой ход трансформатора – режим, при котором можно рассчитать важные характеристики. Это проводится для оборудования, находящегося в эксплуатации и на стадии проектирования.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector