5.2.7. Реактивна потужність і коефіцієнт потужності двигунів

Крім незворотного процесу витрати енергії, який враховується величиною активної потужності Р₁, в асинхронному двигуні відбувається зворотний процес періодичної зміни запасу енергії магнітного поля машини (тобто, процес обміну між енергією, що запасається в магнітному полі двигуна, і енергією джерела), який характеризують реактивною потужністю Q₁. Необхідність магнітного поля обумовлена принципом дії асинхронного двигуна, тому наявність реактивної потужності двигуна стає неминучою.

Співвідношення між активною та реактивною потужностями асинхронного двигуна оцінюється його коефіцієнтом потужності :

- тобто коефіцієнт потужності при синусоїдальних напругах і струмах чисельно дорівнює косинусу кута φ₁ зсуву фаз між струмом і напругою в обмотці статора.

Коефіцієнт потужності залежить від навантаження на його валу.

При холостому ході машини, коли енергія витрачається тільки на покриття невеликих втрат в статорі та незначних механічних втрат, активна потужність двигуна мала, а реактивна потужність велика, оскільки в машині при номінальній напрузі збуджується магнітне поле з максимальною величиною магнітного потоку. Оскільки коефіцієнт потужності при холостому ході асинхронного двигуна буде низьким – звичайно 0,08...0,15.

Із збільшенням навантаження активна потужність збільшується, а реактивна потужність залишається практично незмінною, так як при незмінній амплітуді напруги мережі живлення потік магнітного поля зберігає ту саму величину, що і при холостому ході. Інакше говорячи, енергія, яка запасається в обертовому магнітному полі, практично не залежить від витрати енергії на виконання корисної механічної роботи і нагрівання двигуна. Отже, із збільшенням навантаження двигуна його коефіцієнт потужності теж збільшується.

Однак при подальшому збільшенні гальмівного моменту на валу, яке супроводжується суттєвим зростом струмів в обмотках статора і ротора, коефіцієнт потужності двигуна зменшується, що пояснюється збільшенням реактивних потужностей, обумовлених полями розсіяння і більш швидким зростом сумарної реактивної потужності машини порівняно з її активною потужністю.

5.2.8. Механічна характеристика ТАД: n₂ = f(М)

Механічна характеристика двигуна – це залежність частоти обертання двигуна n₂ від моменту М. Вона показує, як буде вести себе двигун під навантаженням. Ця характеристика має велике значення для електроприводу.

Частота обертання двигуна залишається постійною до тих пір, поки обертальний момент двигуна М дорівнює моменту гальмівному М_Г, утвореному навантаженням: М = М_Г (умова рівноваги двигуна).

При збільшенні навантаження на валу зменшується його кутова швидкість обертання ω₂, а, отже, збільшується його ковзання s , → збільшується швидкість перетинання магнітним полем статора провідників ротора → збільшується Е₂ ротора → збільшується І₂ → збільшується обертальний момент М до М = М_Г і рівновага відновлюється при збільшеному значенні ковзання.

Властивість автоматичного встановлення рівноваги між гальмівним моментом навантаження і обертальним моментом двигуна, що його долає, називається с а м о р е г у л ю в а н н я м двигуна.

Механічна характеристика n₂ = f(М) має вигляд (рис. 5.24):

Н а графіку виділені три обертальних моменти: номінальний М_ном (відповідає режиму тривалої роботи, при якій двигун не перегрівається вище встановленої температури), максимальний М_мах і пусковий момент М_п, який виникає в момент запуску двигуна при n₂ = 0, s = 1.

Максимальний момент визначає перевантажувальну здатність двигуна. Він не залежить від активного опору кола ротора. Але він прямо пропорційний U₁ ² , це робить двигун дуже чутливим до зниження напруги мережі, що його живить. Цим можна пояснити, що при значному зниженні U₁ обертання двигуна при запуску під навантаженням може не розпочатися.

Як показує крива n₂ = f(М), частота обертання асинхронного двигуна лише незначно зменшується при збільшенні обертального моменту в межах від нуля до максимального значення М_мах, тобто механічна характеристика двигуна в цих межах є жорсткою.

Звичайно асинхронний двигун розраховують таким чином, щоб пусковий момент перевищував номінальний, тобто щоб забезпечувався запуск двигуна при номінальному навантаженні.

Відношення пускового моменту до номінального називається кратністю пускового моменту:

(для двигунів з короткозамкненим ротором λ_п = 1,2 ÷ 1,4).

Відношення максимального моменту до номінального називається перевантажувальною спроможністю:

.

Для асинхронних двигунів вона дорівнює ≈ 1,6 - 2,2.

Робота машини з моментом, що перевищує номінальний, припустима тільки короткочасно, інакше термін служби машини скорочується із-за її перегріву. Значення номінального моменту визначається за формулою:

.

5.2.9. Побудова механічної характеристики М = f(s)

Залежність обертального моменту від ковзання задається формулою:

(1)

де s – параметр ковзання; s_кр - критичне ковзання, що відповідає максимальному значенню обертового моменту М_мах .

Критичне ковзання можна визначити з формули:

(2)

Методика побудови механічної характеристики М= f(s):

1.За паспортними даними знаходимо S_н : .

2. За формулою визначаємо номінальний момент М_н.

3. З паспортних даних знаходимо λ_.

4. За відомими значеннями S_н і λ, за формулою (2) знаходимо S_кр .

5.За формулою по відомим значенням λ і М_н знаходимо М_мах .

6. Задаємося значеннями S (1,2,3, .... % ) , підставляємо у формулу (1) і одержуємо значення М.

7. Будуємо залежність М = f(s).

Характерний графік залежності обертального моменту від ковзання

М = f(s) наведений на рис. 5.25.

Аналіз графіку: При S = 0 ( n₂ = n₁) робота двигуна неможлива, так як відсутній обертальний момент. При S → ∞ обертальний момент також обертається на нуль. Таким чином, із збільшенням ковзання від нуля обертальний момент двигуна збільшується, досягає максимуму, а з подальшим зростанням S до нескінченності зменшується, прямуючи до нуля.

Максимум обертального моменту розділяє графік на дві частини:

- стійку (зрівноважену) частину ( від S = 0 до S_кр );

-нестійку (незрівноважену ) частину ( від S_кр до S = 1), в межах якої обертальний момент зменшується з ростом ковзання.

У працюючого двигуна динамічна рівновага моментів, про яку ми вже говорили, автоматично відновлюється при збільшення ковзання (ділянка І графіку), поки гальмівний момент на валу менший за максимальний момент двигуна. Але коли гальмівний момент досягає значення максимального моменту двигуна, тоді, при подальшому збільшенні навантаження, зростання ковзання буде лише зменшувати обертальний момент (ділянка ІІ графіка): таким образом, динамічна рівновага, що порушується збільшенням навантаження, не відновлюється і, внаслідок переваги гальмівного моменту, двигун зупиняється.