Трехфазного асинхронного двигателя

Лабораторная работа № 4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

 

Цель работы: изучить устройство и принцип действия асинхронного двигателя; ознакомиться с процессами пуска, оста­новки и реверсирования; исследовать работу двигателя при раз­личных значениях питающего напряжения и соединении фаз обмотки статора звездой и треугольником.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Назначение, устройство и принцип действия

Трехфазного асинхронного двигателя

Трехфазные асинхронные двигатели применяются:

- внерегулируемых электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров, нагнетателей, дымососов, транспортеров, автомати­ческих линий, кузнечно-штамповочных машин и др.;

- в регулируемых электроприводах металлорежущих станков, манипуляторов, роботов, грузоподъемных механизмов, общепро­мышленных механизмов с изменяющейся производительностью и др.

Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из двух основных частей: неподвиж­ной - статора и вращающейся – ротора.

Основные части статора 1 (рис. 4.1): станина, сердечник и его обмот­ка. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра (рис. 4.2). Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов он набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой листов электротехнической стали. На внутренней поверхности сердечника расположены пазы, в которые укладывается обмотка статора (рис. 4.1). Сердечник запрессован в корпус (станину) 7 (рис. 4.1), изготовляемый из чугуна или сплава алюминия.

Рис. 4.1

1 – статор; 2 – ротор; 3 – подшипниковые щиты;

4 – вентилятор; 5 – отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха; 6 – коробка, прикрывающая зажимы; 7 - корпус

Рис. 4.2 Рис. 4.3

У двигателя с одной парой по­люсов обмотка статора выполняется из трех одинаковых катушек, на­зываемых фазами. Каждая фаза обмотки укладывается в противоположные пазы сердечника статора, фазы обмотки сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол и соединены между собой по особым правилам.

Ротор 2 (рис. 4.1) состоит из сердечника и короткозамкнутой обмотки. Сердечник ротора набирается также из листов электротехнической стали и крепится на валу двигателя.

В пазы на поверхности сердечника, укладываются неизолированные медные или алюминиевые стержни 1 (рис. 4.3), которые по торцам замыкаются кольцами 2 (рис. 4.3), образуя короткозамкнутую обмотку ротора, называемую «беличьим колесом».

Для охлаждения двигателя во время работы на валу устанавливается вентиляторное колесо или вентиляционные лопасти 4 (рис. 4.1), отливаемые из алюминия одновре­менно с обмоткой ротора (для двигателей малой и средней мощно­сти).

Вал вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах 3 (рис. 4.1), называемых подшипниковыми щитами. Подшипниковые щиты крепятся к корпусу 7 (рис. 4.1) при помощи болтов.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: образовании вращающегося магнитного поля токами обмотки статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках обмотки ротора.

Обозначения выводов фаз обмотки

 

Выводы обмоток статора маркируются и подсоединяются к зажимам клеммного щитка 6 (рис. 4.1). На щитке шесть клемм обозначены символами начала и концов фаз.

По международным стандартам начала и концы фаз обозна­чаются соответственно: для фазы A – U₁ и U₂; для фазы B – V₁ и V₂; для фазы C – W₁ и W₂. По устаревшим отечественным стандартам начала и концы фаз обозначаются С₁ и С₄ – в фазе A; С₂ и С₅ – в фазе B; С₃ и С₆ – в фазе С.

Выпускаются асинхронные двига­тели с тремя клеммами в коробке, к которым подключены только начала фаз. Концы фаз соединены внутри двигателя.

Схемы соединения фаз обмотки статора

Вращающее магнитное поле

 

Одним из основных преимуществ многофазных токов является возможность получения вращающихся магнитных полей, лежащих в основе принципа действия наиболее распространенных типов двигателей переменного тока, в частности, трехфазных асинхронных двигателей, исследуемых в данной лабораторной работе.

Рассмотрим получение вращающегося магнитного поля посредством трехфазной системы токов.

При подключении трехфазной обмотки статора к трехфазному источнику ЭДС, в фа­зах обмотки возникают токи:

Графики этих токов изображены на рис. 4.6.

Рис. 4.6

Каждый из токов создает пульсирующее магнитное поле, направленное вдоль оси своей катушки:

Результирующее магнитное поле для любого момента времени определяется векторной суммой трёх индукций:

На рис. 4.7 показаны схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, следующие друг за другом.

В момент времени t₁, при котором (ωt₁ = 90°), ток в фазе А положителен и равен I_m, в фазах В и С токи отрицательны и составляют по величине 0,5I_m (рис. 4.6). Соответственно векторы индукций B_a = B_m; B_b = B_c = -1/2 B_m и сдвинуты друг относительно друга на 120⁰.

Выберем условно положительные направления токов трёхфазной обмотки статора. Пусть положительный ток i_а в фазе А направлен от её конца X к началу A, тогда в фазах B и C токи i_b, i_cимеют противоположное направление. На рис. 4.7, а направления токов обозначены крестиками и точками.

Направления векторов магнитной индукции в каждой из трёх обмоток совпадают с осями обмоток и определяются по правилу правоходового винта. Результирующий вектор магнитной индукции для момента времени t₁ B_t1 = 3/2 B_m (рис. 4.7, а). На рис. 4.7, а хорошо видно, что магнитное поле имеет два полюса – северный и южный, т.е. одну пару полюсов. Линии магнитной индукции выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S.

Далее, на рис. 4.7, б и 4.7, в показаны направления токов и схематические картины магнитного поля для моментов времени t₂ (ωt₂ = 210°) и t₃ (ωt₃ = 330°).

Из сравнения этих рисунков видно, что магнитное поле вращается по часовой стрелке с постоянной по величине магнитной индукцией 3/2 B_m.

Если продолжить анализ, то мы увидим, что для момента времени t₄ (ωt₄ = 450°) токи и соответственно картина магнитного поля такие же как и для t₁ (ωt₁ = 90°).

Таким образом, интервалу времени от t₁ до t₄ составляет период Т синусоидального тока i_a, а результирующее двухполюсное магнитное поля соверша­ет за это время один полный оборот.

Тогда угловая частота и частота вращения магнитного поля равны

, с^-1; n₀ = 60 f, об/мин.

где f = 50 Гц, частота напряжения сети электроснабжения.

Увеличение числа катушек в фазах обмотки статора приводит к увеличению числа пар полюсов магнитного поля. При различном числе пар полюсов частоты вращения:

где p - число пар полюсов магнитного поля двигателя.

Частота вращения магнитного поля многоскоростных асинхронных двигателей при соответствующем числе пар полюсов п_о /р равна: 3000/1; 1500/2; 1000/3; 750/4 и т.д.

 

Вращающий момент

 

Вращающееся магнитное поле, пересекая стержни ротора асинхронного двигателя, индуцирует в них ЭДС. Под действием наведенной ЭДС в роторной обмотке возникает индуцированный ток i₂ (рис. 4.8).

Из рис. 4.8 кривые распределения индукции B и наведенного тока i₂ по окружности ротора асинхронного двигателя приняты синусоидальными. Обе кривые имеют неизменные амплитуды B_m и I_2m и остаются неподвижными одна относительно другой со сдвигом фаз ψ₂.

Рис. 4.8

На проводник ротора с током i₂ со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера f, направленная по касательной к окружности ротора (рис. 4.9), направление которой определяется по «правилу левой руки». Величина этой силы

,

где l₂ – длина проводника ротора, расположенного в магнитном поле. На рис. 4.8 показана кривая распределения касательных сил f по окружности ротора и их среднее значение.

 

Рис. 4.9

Общую силу, действующую на ротор, найдем, умножив среднюю силу на число проводников обмотки ротора N₂:

.

Вращающий момент равен произведению силы F на плечо D/2:

,

где D – диаметр ротора.

Под воздействием вращающего мо­мента начинается разгон ротора. Переходные электромагнитные и электромеха­нические процессы в двигателе закончатся при достижении устойчивого равновесия между вращающим моментом и моментом сил сопротивления, созданными приводными механизмами. При этом условии ротор будет вращать­ся с частотой ω.

Таким образом, кривые В, i₂ и f (рис. 4.8) относительно статора вращаются с синхронной скоростью ω₀, а сила Ампера относительно ротора вращается со скоростью (ω₀- ω). Основным условием работы двигателя является асинхронность (неравенство) частот вращения ротора и магнитного поля (в двигателях ), так как только в этом случае возможно индуцирование ЭДС и возникновение тока в обмотке ротора, следовательно, образование вра­щающего момента.

При неравенстве частот ротор при своем вращении скользит по магнитному полю. Скольжение ротора

где ω₀, ω - угловые частоты вращения магнитного поля и ротора; n₀, n- частоты вращения магнитного поля и ротора.

В режиме идеального холостого хода (при М = 0) и пренебре­жении моментом холостого хода, обусловленным механическими и магнитными потерями в двигателе, частота вращения ротора , а скольжение s = 0.

При неподвижном роторе при пуске и скольжение s = 1. Та­ким образом, в двигательном режиме частота вращения ротора и его скольжение изменяются в пределах ; . Частота вращения ротора

ω = ω₀ (1 - s); n = n₀ (1 - s).

 

Реверсирование двигателей

Для изменения направления вращения ротора (реверсирования) необходимо изменить направление вращения магнитного поля, для этого меняют порядка чередования фаз статора. В производственных условиях это достигается при помощи двух магнитных пускателей при их раздельном включении. Для проверки реверсирования в лабораторных условиях дос­таточно поменять местами два любые линейные провода от сети, ко­торые подключаются к клеммам С₁, С₂, С₃ клеммной коробке дви­гателя.

Задание на подготовительную работу

 

1. Изучить по учебникам, конспекту лекций и данному ру­ководству устройство, принцип действия, схемы подключения к се­ти и технические характеристики асинхронных двигателей.

2. Начертить электрические схемы установки для исследо­вания двигателя (рис. 4.13, 4.14), ознакомиться с назначением и устройством их эле­ментов, а также с порядком сборки цепи.

3. По паспортным данным рассчитать номинальный момент исследуемого двигателя.

4. Подготовить таблицы для записи экспериментальных данных при исследовании двигателя в режимах.

5. Изучить порядок проведения исследований двигателя в указанных режимах.

 

 

Программа выполнения работы

 

1. Собрать электрическую схему установки для исследования двигателя при номинальном напряжении и соединении фаз обмотки статора звездой (рис. 4.13). Номинальные линейные напряжения и токи указаны в паспортных данных. Начала фаз обмотки статора двигателя соединяются с клеммами сети с напряжении 3~380 В. Испыта­ния проводятся при неизменном напряжении сети. Если напряжение сети окажется больше номинального, то будем считать полученную мощность P₁ за номинальную.

2. Выполнить проверку правильности показаний приборов – вольтметра моментомераМ и указателя частоты вращения n.

Перевести рукоятки переключателей 10, 11, 13 (рис. 4.12, д) в положение АД. Включить кнопку 8 (рис. 4.12, г) блока питания измерительных приборов. Если стрел­ка вольтметра моментомера М откланяется от ноля в любую сторону, необходимо отвернуть стопорную гайку и, смещая рукоятку 12 (рис. 4.12, д) вправо или влево, установить стрелку вольтметра моментомера на ноль, после чего гайку снова затянуть. ВНИМАНИЕ! Эта операция выполняется только препода­вателем.

Рукоятку ЛАТРа 3 (рис. 4.12, в) повернуть до предела против движения ча­совой стрелки, установив выходное напряжение ЛАТРа равным нулю. Нажатием кнопки 5 (рис. 4.12, г) произвести пуск двигателя в режиме холостого хода.

Включить источник питания тормоза (ЛАТР) нажатием кнопки 9 (рис. 4.12, г). Медленно вращая рукоятку 3 ЛАТРа (рис. 4.12, в) по часовой стрелке, увеличить тормозной момент электромагнитного тормоза, установив номинальный режим работы двигателя - при номинальном напряжении ток в амперметре должен быть равен номинальному (I=I_1Н).

Этому номинальному режиму соответствует номинальная частота вращения n_Н (указана в паспортных данных), которую необходимо выставить по указателю частоты вращения n (вольтметру) вращением отвёрткой рукоятки потенциометра 14 (рис. 4.12, д) в соответствующую сторону.

3. Снять механическую и рабочие характеристики двигателя при номинальном напряжении и соединении фаз обмотки статора звездой.

Вначале провести исследования для номинального режима. все измеренные величины занести в столбец 7 табл. 4.1. напряжение U_MH, измеряемое вольтметром моментомера М, соответствует номинальному моменту M_H.

Таблица 4.1

Номер опыта
Измерено	U1	В
I1	А
UМ	В
M	Нм
n	об/мин
Вычислено	P1	Вт
P	Вт
	Вт
	%
s

Дальнейшее регулирование тормозного момента производится рукояткой 3 ЛАТРа (рис. 13. в). При вращении её по направлению движения часовой стрелки момент увеличивается.

В столбце 1 табл. 4.1 момент М равен 0. В столбец 8 заносятся значения с 1,25-кратной перегрузкой по отношению к номинальным значениям. Интервал моментов 0 – М_Н, выраженный в напряжениях моментомера 0 – U_МН делится приблизительно равномерно и значения U_М заносятся в соответствующие строки по столбцам опытов 2-6 табл. 4.1.

Результаты измерений занести в табл. 4.1.

Остановить двигатель нажатием кнопки 6 (рис. 4.12, г).

Примечание. по измеренному значению U_М необходимо вычислить соответствующее ему значение момента. При линейной зависимости U=f(M) устройства дистанционного измерения момента, справедливо равенство

где М - значение вращающего момента двигателя при установленном нагрузочном режиме;

U_М - напряжение по измерителю момента, соответствующее данному моменту М;

k_М - коэффициент момента, определяемый по M_Н и U_MН из соотношения

k_М = M_Н /U_MН.

4. По данным табл. 4.1 построить:

а) механическую характеристику двигателя n = f(М) при его работе на номинальном напряжении;

б) рабочие характеристики двигателя n, s, P₁, I₁, М, , .

5. Снять механическую характеристику двигателя при его работе при пониженном напряжении (U<U_н) и соединении фаз обмотки статора звездой.

Для снятия механической характеристика при пониженном напряжении необходимо цепь установки (рис. 4.13) отключить от клемм сети с напряжением 3 ~ 380 В и подключить к клеммам сети с напряжением 3 ~ 220 В на боковых панелях стенда (рис. 4.12, а). Пуск двигателя производится нажатием кнопки 4 на пульте управления. Результаты эксперимента занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Измеряемые величины	Номер опыта
М, Нм
n, об/мин

ВНИМАНИЕ. Следует помнить, что такое понижение напряжения приводит к значительному уменьшению вращающего момента. В связи с этим может произойти перегрузка двигателя. Если частота вращения при перегрузке уменьшилась больше чем на 30%, необходимо остановить двигатель и снятие характеристик в этом режиме закончить.

6. Построить на одном графике механические характеристики двигателя при U=U_Н и при U<U_Н .

7. Собрать электрическую цепь установки для исследова­ния двигателя при номинальном напряжении и соединении фаз обмотки статора треугольником. Исследование двигателя производится по схеме установки рис. 4.14.

8. Снять экспериментальные данные в номинальном режи­ме работы для сравнительной оценки механических и рабочих ха­рактеристик двигателя при соединении фаз обмотки статора звездой и треугольни­ком. Экспериментальные данные занести в табл. 4.3.

Таблица 4. 3

Измеряемые величины
U,В	I1,А	МН,НМ		n,об/мин

9. Нанести на графики механических и рабочих характе­ристик точки номинального режима при соединении фаз обмотки статора звездой и треугольником, обозначив точки символами Y и . Сравнить экспериментальные данные, полученные при номинальном напряжении и соединении фаз звездой и треугольником и сделать выводы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Объясните устройство испытуемого двигателя.

2. Объясните принцип действия испытуемого двигателя.

3. Как определяется частота вращения магнитного поля
и частота вращения ротора двигателя.

4. От каких факторов зависит электромагнитный момент двигателя?

5. Как определяется момент на валу двигателя по данным эксперимента?

6. Как определяется КПД двигателя по экспериментальным данным?

7. Какие характеристики двигателя называют рабочими? Объясните их характер.

8. Какие характеристики двигателя называют механическими? Объясните их характер.

9. Объясните получение вращающегося магнитного по-
ля в испытуемом двигателе.

10. Объясните смысл величин, указанных на щитке двигателя.

11. Какой пусковой момент создаёт двигатель при подаче на фазы обмотки статора напряжения ?

12. Можно ли измерить пусковой ток двигателя амперметром на 1 А? Какую функцию выполняет кнопка под амперметром?

13. Во сколько раз уменьшается момент двигателя при пониженном напряжении (по результатам эксперимента).

14. Объясните, как установить стрелку измерителя момента на ноль в режиме холостого хода.

15. Объясните, как и в каком режиме проверяется и выставляется номинальная частота вращения.

16. Объясните, как определяется номинальный момент двигателя.

17. Поясните последовательность проведения опытов 1-8 при исследовании АД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Курс «Электротехника и электроника» для студентов специальностей «Стандартизация и сертификация», «Техническая физика» и «Техника и физика низких температур» является одним из основных среди общетехнических дисциплин.

Основная часть курса посвящена изучению цепей постоянного тока и цепей синусоидального тока, а также применению полученных знаний в этой области при знакомстве с трансформаторами и электрическими машинами, широко используемыми в повседневной жизни.

Лабораторные занятия, проводимые со студентами в лабораториях кафедры электротехники ВГТУ, имеют своей целью привитие практических навыков при сборке электрических цепей и эксплуатации трансформаторов и электрических машин.

Данное учебное пособие содержит теоретические сведения, необходимые для проведения лабораторных работ и подробное описание технических средств, позволяющих успешно их выполнить.

Это пособие может быть также использовано студентами других специальностей неэлектротехнического профиля.

 

Лабораторная работа № 4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

 

Цель работы: изучить устройство и принцип действия асинхронного двигателя; ознакомиться с процессами пуска, оста­новки и реверсирования; исследовать работу двигателя при раз­личных значениях питающего напряжения и соединении фаз обмотки статора звездой и треугольником.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ