Основные теоретические положения

 

В состав неподвижной части (статора) двигателя входит магнитопровод 1, изготовленный в виде полого цилиндра, набранного из листов стали электротехнической (рис. 1 а). В его пазы уложены стороны катушек, образующих три фазы статорной обмотки 2. Начала и концы фаз этой обмотки присоединены к зажимам, расположенным в коробке выводов, закрепленной на корпусе, в который запрессован магнитопровод. С корпусом соединяются два боковых щита с подшипниками, в которых вращается ротор (подвижная часть АД).

Роторы асинхронных машин из цилиндрического магнитопровода 3, набранного из насаженных на вал стальных дисков с пазами, а также обмотки, представляющей собой у машин большой мощности медные стержни 4 без изоляции, вставленные в пазы магнитопровода. Все концы стержней на обоих торцах ротора соединены между собой двумя медными кольцами 5. В машинах мощностью менее 100 кВт стержни и кольца изготовляют прямой заливкой пазов ротора расплавленным алюминием.

Такая обмотка называется "беличьей клеткой", не имеет соединения с внешней сетью. Ротор с обмоткой этого типа называют короткозамкнутым.

Принцип действия машины рассмотрим, используя рис. 1 а. При подаче на статорную обмотку трехфазной симметричной системы напряжений в ее катушках установятся синусоидальные токи, которые вызовут появление в статоре вращающегося магнитного поля с полюсами N и S. При неподвижном роторе в его стержнях вследствие пересечения их магнитными силовыми линиями вращающегося поля наведутся ЭДС (их направление определяется правилом правой руки). Так как обмотка ротора является короткозамкнутой, то под действием этих ЭДС по стержням пойдут токи, практически совпадающие по фазе с ЭДС. Вследствие того, что эти стержни с токами находятся в магнитном поле статора, на них будут действовать выталкивающие силы, направление которых можно определить по правилу левой руки. Применив его, найдем, что электромагнитные силы создают пусковой момент и ротор получает ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля статора. По мере возрастания скорости ротора уменьшаются величины ЭДС и тока. Их изменение прекратиться при наступлении равновесия между вращающим и тормозным

 

Рис. 1. Устройство асинхронного двигателя (а) и способы его включения

в трехфазную сеть (б) и (в)

 

Рис. 2. Схема лабораторной установки для исследования двигателя

 

моментами (последний создается устройством, которое АД приводит в движение). Ротор будет вращаться со скоростью n, меньшей скорости n₀ вращающегося магнитного поля. Такое отличие в скоростях является непременным условием работы двигателя, называемого в связи с этим асинхронным. Характерной величиной, определяющей условия работы АД, является скольжение S, определяемое отношением разности скоростей вращения магнитного поля и ротора к скорости вращения поля

.

Наиболее распространенным способом запуска АД от сети большой мощности является непосредственное включение выводов статорной обмотки в сеть (рис.1 б).

В тех случаях, когда требуется обеспечить плавный запуск АД, работающего от мощной сети, или при питании двигателей от автономных генераторов, применяются разнообразные схемы понижения, подводимого к двигателю. Это позволяет уменьшить большие пусковые токи, возникающие при включении питания. Однако при этом уменьшается пусковой момент М_П двигателя.

Одна из таких схем – схема автотрансформаторного пуска – приведена на рис.1 б. Рубильник включается после того, как переключатель устанавливается в положение "Пуск". При этом на двигатель подается пониженное напряжение. По мере разгона АД переключатель переводится в положение "Работа", в котором на двигатель подается полное напряжение сети. Недостатки способа – резкое снижение пускового момента и наличие громоздкого автотрансформатора.

Одной из характерных особенностей работы асинхронной машины в режиме холостого хода (х.х.) является весьма пониженное (до 0,1¸0,2) значение коэффициента мощности (см. лабораторную работу №4), что ведет к недоиспользованию установленной мощности генераторов, трансформаторов, а также распределительных электрических сетей.

Режимы работы ряда строительных машин часто предусматривают необходимость изменения направления вращения, т.е. реверсирования исполнительных механизмов. Реверсирование АД может быть осуществлено изменением порядка следования фаз. Если поменять местами выводы любых двух фаз двигателя, присоединенных к клеммам сети, например, В и С, то вращающееся магнитное поле, создаваемое в статорной обмотке машины, изменит направление вращения на противоположное. Следовательно, изменится на обратное и направление вращения ротора АД. Одним из основных недостатков асинхронных двигателей является ограниченная возможность регулирования скорости вращения.

 

Согласно выражению

n = 60f / p,

скорость вращения регулируют либо изменением частоты  f  тока питающей сети, либо изменением числа пар полюсов  р  обмотки статора. На рис.1 а показана статорная обмотка, создающая 1 пару полюсов.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с паспортными данными асинхронного двигателя.

2. Собрать схему лабораторной установки, включающей в себя АД, однофазный ваттметр W, предназначенный для измерения активной мощности в одной из фаз этого двигателя, вольтметр V, измеряющий фазное напряжение сети, двухпредельный амперметр А, позволяющий измерять пусковой ток и ток холостого хода. Мнемоническая схема этой установки показана на рис.2 в.

 

Таблица 1

Паспортные данные двигателя

 

Тип

Заводской номер

n об./мин

IН, А

Р2Н, кВт

r, %

cos jН

 

3. Нажав кнопку "Измерения при пуске", подготовить схему к включению (включается шунт, расширяющий пределы измерения амперметра, и закорачивается, для предохранения от перегорания, токовая обмотка ваттметра).

4. Включить рубильник "Р", нажав кнопку "Пуск" силового ящика и отметить пусковой ток Iп, по показаниям амперметра.

5. Нажать кнопку "Измерения при холостом ходе" (отключается шунт у А и раскорачивается токовая обмотка W). Снять показания А, V, и W, измерить число оборотов тахометром (n'), записать эти данные в табл. 2.

 

Таблица 2

Результаты измерений

 

Iп, А	Iхх, А	Uф, В	PO, кВт	n', об./мин

 

6. Реверсировать двигатель, поменяв местами клеммы В и С сети.

7. По показаниям ваттметра, измеряющего мощность одной фазы трехфазного симметричного приемника, каким является двигатель, определить активную мощность, потребляемую из сети,

p = 3p_o.

8. Вычислить значение коэффициента мощности двигателя, работающего в режиме х.х.

.

9. По паспортным данным АД и результатам измерений определить:

а) скорость вращения магнитного поля статора (синхронную скорость)

,

где f – частота питающей сети, Гц (f = 50 Гц);

Р – число пар полюсов АД (для данного случая Р = 1);

б) скольжение в режиме пуска Sп (n = 0), холостого хода Sх (n = nх), а также при номинальной нагрузке Sн (n = nн)

;

в) номинальный и пусковой моменты АД

;

г) кратность пускового I_П и номинального I_H токов

.

10. Результаты вычислений свести в табл. 3.

 

Таблица 3

Результаты расчетов

 

Р, кВт	no, об./мин	SП, %	SХ, %	SХ, %	SUХ, %	SH, %	MH, H×м	MП, H×м	КП, H×м

 

11. По данным, полученным в п. 10 б, построить зависимость скольжения от числа оборотов ротора  S = f (n').

12. Сделайте выводы о величине cos j двигателя, работающего на холостом ходу, об изменении скольжения, о способах запуска и регулирования числа оборотов.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите об устройстве АД с короткозамкнутым ротором.

2. Каковы особенности конструкции двигателя с фазным ротором?

3. Поясните принцип действия асинхронного двигателя.

4. Как запускаются асинхронные двигатели?

5. Что такое скольжение? Нарисуйте график зависимости

S = f (n'').

6. Расскажите о способах регулирования числа оборотов АД.

7. Как осуществляется реверсирование АД?

8. Где применяются асинхронные двигатели? Расскажите о достоинствах и недостатках АД.

9. Как определить направление ЭДС, наведенной в проводнике, перемещающемся в магнитном поле?

10. Расскажите о правиле левой руки.

11. Как выполняется лабораторная работа?

 

Лабораторная работа № 9

 

Коэффициент полезного действия и коэффициент

мощности асинхронного двигателя

 

Цель работы: познакомиться с понятиями "коэффициент полезного действия" и "коэффициент мощности" АД, определить характер изменения этих коэффициентов в зависимости от нагрузки и способы их увеличения.