УДК 621.313.333
В.П. Оноприч, канд. техн. наукИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ АИР ПРИ ИЗМЕНЕНИИ МАТЕРИАЛА МАГНИТОПРОВОДА И ПОВЫШЕНИИ ЧАСТОТЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ
Известно, что зависимости коэффициента полезного действия (КПД), коэффициента мощности (cosφ1 ), потребляемой мощности (Р1), тока фазы (I1), полезного момента (M2), скольжения (s), частоты вращения (n) в функции от полезной мощности (Р2), определяющие технические показатели двигателя, называются рабочими характеристиками. Рассмотрим изменение этих характеристик при изменении материала магнитопровода и повышении частоты напряжения питающей сети.
1. КПД и потери двигателя. В асинхронных двигателях так же, как и в других электромеханических преобразователях энергии имеются следующие виды потерь: потери в меди статора и ротора, потери в стали, механические и добавочные потери. Снижение потерь повышает энергетический КПД (произведение КПД и (cosφ1) и позволяет при заданной температуре перегрева повысить рабочую индукцию.
С повышением частоты напряжения питающей сети повышается доля потерь от вихревых токов, и для их уменьшения увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, применяя материалы с большим удельным сопротивлением, а также уменьшают толщину листов электротехнической стали. Однако известно, что уменьшение толщины проката ниже некоторого критического значения вызывает резкое увеличение потерь от гистерезиса. Следовательно, применение очень тонких листов может вызвать не уменьшение, а даже увеличение полных потерь в стали, поэтому количественная оценка составляющих потерь позволяет найти оптимальное решение [2].
Расчетные исследования показали, что потери в меди статора и ротора изменяются в небольшом диапазоне при изменении материала магнитопровода и частоты напряжения питающей сети (5…10 %). Механические потери практически не зависят от материала магнитопровода и увеличиваются пропорционально квадрату частоты питающего напряжения. Потери в стали и добавочные потери возрастают при увеличении частоты питающей сети (в степени 1,5…2 соответственно) и уменьшаются при использовании электротехнических материалов лучшего качества (0,5…10 раз и 0,5…2 раза соответственно).
2. Частота вращения двигателя n = f(P2). Частота вращения АД непосредственно зависит от скольжения двигателя, которое численно равно отношению потерь в обмотке ротора к развиваемой двигателем электромагнитной мощности. При пропорциональном увеличении значения питающего напряжения и его частоты скольжение уменьшается, так как потери в обмотке ротора практически не изменяются. От свойств материала магнитопровода скольжение не изменяется.
3. Зависимость момента M2 = f(P2) и перегрузочная способность (КМ). При установившемся режиме работы полезный момент АД равен M2=MРЕЗMТ, Н•м, где MРЕЗ результирующий электромагнитный момент, развиваемый двигателем, Н•м; MТ момент сопротивления, Н•м. Так как момент сопротивления пропорционален потерям двигателя, то при увеличении частоты питающего напряжения полезный момент незначительно снижается.
Перегрузочная способность АД (опрокидывающий момент, КМ) это отношение максимального момента двигателя к его номинальному моменту. Обычно в асинхронных двигателях малой и средней мощностей КМ =2,2 2,4. Из выражения для электромагнитного момента [1] видно, что момент достигает максимума при тем меньшем скольжении, чем больше частота питающего напряжения.
4. Коэффициент мощности cosφ1 = f(P2). Асинхронный двигатель потребляет из сети отстающий ток, почти не зависящий от нагрузки, поэтому его cosφ1 всегда меньше единицы. При холостом ходе cosφ1 обычно не превышает 0,1 у двигателей серии АИР, затем при нагрузке он быстро растет и достигает максимума при мощности 0,8…1,0 от номинальной. При дальнейшем увеличении нагрузки частота вращения двигателя падает и уменьшается cosφ1.
Было проведено расчетное исследование характеристик АД АИР 80А2 (Р2H = 1500 Вт, nc =3000 мин-1). Рассчитывались варианты двигателя с магнитопроводами, изготовленными из различных электротехнических материалов при питании от сети напряжением 220 и 440 В частотой 50 и 100 Гц (соответственно), причем соблюдалось классическое соотношение U1/f1 = const. Исследование показало, что использование при изготовлении магнитопроводов АД электротехнической стали лучшего качества (большая индукция насыщения, меньшие удельные потери) или композиционных материалов приводит к увеличению КПД на 0,5…1,2 % в номинальном режиме работы (большее значение относится ко включению на напряжение повышенной частоты).
Относительное значение скольжения пропорционально уменьшается при увеличении частоты питающего напряжения, так как потери в обмотке ротора практически не изменяются; от свойств же материала магнитопровода скольжение не изменяется.
Полезный момент АД незначительно снижается при увеличении частоты питающего напряжения, так как увеличивается момент сопротивления, пропорциональный потерям двигателя. Момент достигает максимума при тем меньшем скольжении, чем больше частота питающего напряжения (более жесткая характеристика).
Использование ферромагнитных материалов улучшенного качества увеличивает cosφ1 на 5…7 %. Повышение частоты напряжения питающей сети уменьшает cosφ1 на 3…5 %, так как увеличивается реактивное сопротивление роторной цепи.
1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч.2. М.Л.: Энергия, 1965. 704 с.
2. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. М.: Высш. шк., 1976. 336 с.