3.9.3.1. Коэффициент полезного действия ад и потери.

Коэффициент полезного действия конкретного АД зависит от мощности нагрузки Р₂ и достигает максимума при равенстве постоянных (Р_ст и Р_мех) переменных потерь (Р_эл1, Р_эл2, Р_доб), что соответствует Р₂=0,75Р_2ном [27].

Номинальный КПД АД возрастает с ростом их мощности и частоты вращения. При мощности более 500 Вт номинальный КПД трехфазных АД имеет величину 0,650,95 [13]. Для мощности 500 Вт КПД=0,7...0,75; для мощности 3 кВт КПД 0,8...0,85; для мощности 100 кВт КПД=0,9...0,93; для мощности 1 МВт КПД=0,92...0,95 [18]. Номинальный КПД трехфазных АД имеет величину 0,750,95 [19,24].

Для АД мощностью 0,6...100 кВт при номинальной нагрузке в [18] приводятся следующие относительные значения потерь Р/Рн:

- электрические потери в обмотке статора примерно равны электрическим потерям в обмотке ротора и составляют: 7 ÷ 2,5% при 2p = 4 и 2p = 6; 7,5 ÷ 2,5% при 2р = 8.

- потери в стали статора P_с1 и потери от пульсаций поля в зубцах статора и ротора P_с.д, вызванные наличием пазов на статоре и роторе, составляют 5...2,5%;

- механические потери (потери на трение) Р_мех обуславливаются трением в подшипниках, трением вращающихся частей о воздух, а в двигателях с фазным ротором еще и трением щеток о контактные кольца [24].

Зависят от:

- частоты вращения (пропорциональны приблизительно второй степени скорости вращения [24]);

- диаметра ротора;

- примененной системы вентиляции;

- типа подшипников.

Они составляют 1,5...0,8%;

- добавочные потери Р_доб, возникающие при нагрузке, вызваны полями рассеяния. Связаны с перемагничиванием зубцов статора и ротора высшими гармониками полей взаимоиндукции и полями рассеяния статора и ротора [13]. Не могут быть достаточно точно рассчитаны или определены опытным путем. Их оценивают в 0,5% от подведенной к двигателю мощности P_1н при номинальной нагрузке на валу.

Однако, как показывает опыт, они в современных короткозамкнутых двигателях при алюминиевой обмотке на роторе достигают 1  1.5% от Р_1н.

В маломощных АД потери распределяются следующим образом [27]:

- потери в стали - 15-25% от суммарных потерь;

- потери в меди – 65-70% от суммарных потерь;

- механические потери с самовентиляцией – 10-20% от суммарных потерь.

3.9.3.2. Коэффициент мощности.

В процессе работы АД потребляет из питающей сети значительную реактивную мощность, необходимую для создания рабочего магнитного потока машины и потоков рассеяния обмоток статора и ротора. Соотношение между активной и реактивной мощностями АД характеризует коэффициент мощности, который является важным энергетическим показателем АД. Величина коэффициента мощности АД при синусоидальных напряжениях и токах численно равна косинусу угла φ₁ сдвига фаз тока в обмотке статора по отношению к напряжению и определяется выражением

где Р_а = М₀+3I₁²R₁+ΔPст – активная мощность; Р_р=3Iμ²R₁+3I₁²x₁+3I’₂²x'₂ – реактивная мощность.

Выражение для реактивной мощности можно записать в виде:

Например, АД на 1 кВт активной мощности потребляет из сети 0,5-0,75 кВА реактивной мощности. Чем ниже cosφ _ном тем больше загружаются питающие сети реактивной мощностью, обуславливающей в них дополнительные потери. Номинальный коэффициент мощности зависит от мощности двигателей и их номинальной угловой скорости. С ростом номинальных значений мощности и скорости уменьшается отношение объема машины к выходной мощности. Следовательно, относительно уменьшается реактивная мощность главного поля и полей рассеяния, т.е. повышается номинальный коэффициент мощности [7].

Коэффициент мощности существенно зависит от нагрузки на валу двигателя (рис. 5).

Если нагрузка отсутствует (Рв=0), то двигатель потребляет незначительную активную мощность, расходуемую на потери в стали, механические и аэродинамические потери и значительную реактивную мощность, расходуемую в основном на создание главного поля машины. Отметим, что в АД в режиме холостого хода при номинальном напряжении возбуждается вращающееся поле с максимальной величиной потока полюса [19]. Коэффициент мощности мал (0,09 0,18 [32]; 0,08-0,15 [19], не превышает 0,2 [27,28]).

С ростом нагрузки активная мощность АД увеличивается, а потребление реактивной мощности изменяется незначительно, так как мощность главного поля несколько снижается из-за уменьшения намагничивающего тока, а мощность потока рассеяния незначительно увеличивается. Коэффициент мощности растет.

Номинальное значение коэффициента мощности для двигателей малой мощности составляет 0,6 0,85, а для двигателей средней и большой мощности 0,850,92 [32], 0,85-0,9 [28]. В АД малой мощности 0,3-0,7; в двигателях мощностью более 1 кВт 0,7-0,9 [13]. В [19] общий показатель – 0,750,95. В [24] 0,8-0,9. С увеличением числа пар полюсов коэффициент мощности уменьшается [18]. Для большинства асинхронных двигателей cosφ _ном составляет от 0,8 до 0,9 [7].

При дальнейшем увеличении нагрузки реактивная мощность за счет потоков рассеяния (увеличение x₂’) увеличивается в большей степени, чем активная мощность, и коэффициент мощности уменьшается [7].

Рациональная эксплуатация АД подразумевает их работу при высоких коэффициентах мощности. В частности, избегают длительного вращения роторов АД без нагрузки, следят за тем, чтобы мощность нагрузки, приводимого в действие АД, незначительно отличалась от номинальной мощности двигателя. Если при длительной работе АД его средняя полезная мощность не превышает 45% от номинальной, то такой электродвигатель заменяют соответствующим двигателем меньшей мощности [19].

В тех случаях, когда работа АД при полной нагрузке сочетается с его работой со значительной недогрузкой, при которой коэффициент мощности становится недопустимо низким, применяют специальные меры. Например, в режиме, когда Р_в<0.5*Р_вном, снижают фазные напряжения на статорной обмотке АД. Тем самым поток полюса вращающегося поля, а следовательно и реактивная мощность машины будут уменьшены, а коэффициент мощности возрастет [19].

Улучшение cos φ двигателя может быть достигнуто при уменьшении воздушного зазора δ между статором и ротором. При этом снижается магнитное сопротивление для главного потока Ф, и, следовательно, для его создания требуется меньший реактивный (намагничивающий) ток. Однако при выборе δ приходится считаться с необходимостью получить механически надежную машину, изготовление и установка которой не вызывают больших затруднений. Вследствие этого для δ существует некоторое минимальное значение, ниже которого не следует спускаться. Для машин различной мощности δ = 0,2...1,5 мм [18].