Исследование трехфазного асинхронного двигателя

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

 

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить конструкцию и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя; снять рабочие характеристики; по рабочим характеристикам оценить свойства двигателя; сделать выводы о преимуществах и недостатках трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Ознакомиться с конструкцией трехфазного асинхронного двигателя (АД) и устройствами, предназначенными для его испытания.

2.2 Записать паспортные данные двигателя, измерительных приборов и ре­гулировочных устройств.

2.3 Произвести пуск двигателя.

2.4 Снять экспериментальные данные для построения рабочих характеристик.

2.5 Составить отчет и сделать заключения о проделанной работе.

3 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.1 Общие сведения. АД являются наиболее распространенными электрическими машинами. Они являются основными преобразователями элек­тричес­кой энергии в механическую. В настоящее время АД потребляют около полови­ны всей вырабатываемой в мире электроэнергии и находят широкое применение в качестве электропривода подавля­ющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

Однако эти двигатели не лишены недостатков. У них низкий коэффициент мощности, неудовлетворительные регулировочные характеристики, особенно при необходимости плавного регулирования частоты вращения в широких диапазонах. У двигателей с короткозамкнутым ротором плохие пусковые характеристики. Что касается коэффициента мощности (соsj), то АД уступает синх­ронному, а в отношении регулировочных характеристик – двигателю постоянного тока.

3.2 Конструкция асинхронного двигателя. Основными частями двигателя являются статор и ротор. Их сердечники собираются из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм или 0,5 мм, предварительно покрытых с обеих сторон изолирующим лаком. Это предотвращает образование больших вихревых токов в стали сердечников. Листы для набора пакетов статора и ротора штампуются, при этом получается необходимая форма листа со всеми отверстиями. Отверстия на внутренней окружности листов для статора и на внешней окружности листов для ротора, после сборки их образуют пазы статора и ротора, в которые закладывают проводники обмоток.

Сердечник статора помещают в корпус, а сердечник ротора закрепляют на валу двигателя. Вал вращается в подшипниках, закрепленных в боковых под­ши­пниковых щитах. Подшипниковые щиты присоединяют к корпусу статора при помощи болтов или шпилек. Подшипниковые щиты и корпус статора обы­ч­но выполняют литыми из чугуна или стали.

Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Его делают по возможности небольшим, исходя из того, чтобы ротор при вращении не задевал статор.

В зависимости от конструкции ротора различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором (с контактными кольцами).

Простейшим видом обмотки ротора является короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки. Такая обмотка выполняется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

В двигателях с фазной обмоткой ротора в пазы укладывают трехфазную обмотку и соединяют ее в звезду. Выводы обмотки присоединяют к трем контактным кольцам, которые жестко крепятся на валу. Контактные кольца изолированы от вала и друг от друга. На контактные кольца наложены щетки (угольные или графитные). Кольца и щетки образуют скользящий электрический контакт и служат для включения в цепь ротора пускового или регулировочного реостата.

Статорные обмотки выполняют обычно из проводников круглого или прямоугольного сечения.

Для улучшения отвода тепла сердечники статора и ротора выполняют с осевыми каналами, где циркулирует воздух. Движение воздуха осуществляется вентилятором, лопасти которого в большинстве случаев отливаются одновременно с заливкой пазов ротора алюминием.

Основным исполнением асинхронных двигателей средней мощности является защищенное и закрытое. Машины в защищенном исполнении предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов. В машинах закрытого исполнения отсутствует интенсивное сообщение между их внутренним пространством и окружающей средой.

Асинхронные двигатели обычно выполняются для работы при горизонтальном или вертикальном расположении вала. Крепление машины осуществляются при помощи лап на ее корпусе или фланцев, расположенных на подшипниковых щитах.

3.3 Принцип действия асинхронного двигателя. В основе работы АД ле­жит закон электромагнитных сил (закон Ампера) о взаимодействии тока в проводнике с магнитным полем , проявляющийся следующим образом. Если статорную обмотку подключить к трехфа­зному источнику напряжения, то в обмотках статора возникнет ток, создающий в воздушном зазоре между статором и ротором вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (об/мин) определяется формулой:

,

где f ₁ - частота тока сети, Гц;

p - число пар полюсов машины (зависит от способа укладки витков фазных обмоток статора в пазы сердечника).

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и ин­дуцирует в них ЭДС. Под действием ЭДС в обмотке ротора возникнет ток. При взаимодействии тока ротора и вращающегося магнитного поля статора соз­дается вращающий момент, который и приводит во вращение ротор в сторону вращения поля. Частота вращения ротора n ₂ будет несколько меньше частоты вращения поля n ₁, называемой синхронной частотой вращения. Действительно, если бы ротор вращался с частотой поля, то в проводниках роторной обмотки не индуцировалось бы ЭДС, значит, тока в обмотках ротора не было бы и момент тоже был бы равен ну­лю. Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора называют скольжением и обозначают s:

, (6.1)

откуда частота вращения ротора:

. (6.2)

Скольжение, величина относительно небольшая и при номинальной наг­ру­зке составляет s _ном = 0,01 ¸ 0,06 или 1 ¸ 6 %.

3.4 Характеристики асинхронного двигателя. К основным характерис­ти­кам асинхронного двигателя относятся: механическая характеристика – зави­симость частоты вращения двигателя n ₂ от момента на валу М ₂ (рис. 6.1), т.е. n ₂ = f (М ₂) и рабочие характеристики (рис. 6.2), отражающие эксплуатационные свойства асинхронного двигателя.

К рабочим характеристикам относятся следующие зависимости:

n ₂ = f (Р ₂); M = f (Р ₂); I ₁ = f (Р ₂); cosj = f (Р ₂); h= f (Р ₂),

где Р ₂ - мощность на валу двигателя, Вт;

М ₂ - вращающий электромагнитный момент двигателя, Н×м;

I ₁ - ток обмотки статора, А;

сosj - коэффициент мощности;

h- коэффициент полезного действия.

Рабочие характеристики строят в системе координат, где ось абсцисс – зна­чение Р ₂, а ось ординат – значения n ₂, М ₂, I ₁,cosj, h.

Рассмотрим некоторые теоретические положения, объясняющие характери­с­тики АД.

Рис. 6.1 Механическая характеристика трехфазного асинхронного электродвигателя

Рис. 6.2 Рабочие характеристики трехфазного асинхронного электродвигателя

При неизменном (номинальном) напряжении статора и при нагрузке на валу меньше номинальной механическая характеристика АД, выражающаяся фор­мулой Клосса, становится линейной относительно n ₂.

.

Здесь s _кр – критическое скольжение, соответствующее максимально возмо­жному моменту двигателя М _2мах; n _2xx – скорость вращения ротора при идеальном холостом ходе. При холостом ходе частота вращения ротора n _2хх близка к частоте вращения магнитного поля статора, т.е. n _2хх» n ₁.

Мощность на валу связана с вращающим моментом и частотой вращения ротора вторым законом Ньютона для вращательного движения:

.

Отсюда можно найти функцию n ₂ = f (Р ₂). График зависимости n ₂ = f (Р ₂) имеет вид кривой, слабо наклоненной к оси абсцисс. Такая характеристика называется жесткой (рис. 6.2).

Если бы частота вращения n ₂ была постоянной величиной, то график зависимости M ₂ = f (Р ₂) имел бы вид прямой, выходящей из начала координат. Но так как частота вращения ротора с ростом нагрузки на валу двигателя уменьшается, график момента (см. рис. 6.2) будет иметь вид кривой, т.е. электромагнитный момент М_ЭМ с ростом нагрузки увеличивается несколько быстрее, чем Р ₂.

В режиме холостого хода в обмотке статора возникает ток холостого хода I ₀, составляющий в двигателях мощностью несколько киловатт и выше 25 ¸50% от номинального тока статора I _1ном. С ростом нагрузки на валу ток также возрастает.

Активная мощность – определяет скорость преобразования энергии электрического тока в полезную механическую работу, а также в тепловую энергию, представляющую собой сумму потерь в двигателе. Таким образом, активная мощность зависит от нагрузки двигателя. Активная мощность при холос­том ходе мала, так как энергия расходуется только на покрытие потерь в стали статора, механических потерь и потерь в обмотке статора (потери в обмотке ротора ничтожно малы). Поэтому коэффициент мощности (cosj) при холостом ходе дви­гателя мал и обычно не превышает 0,09 ¸ 0,18. При увеличении нагру­з­ки на валу двигателя возрастает активная мощность, а реактивная остается неиз­менной. Следовательно, при этом коэффициент мощности растет. Он достига­ет наиболь­шего значения 0,8¸0,9 при нагрузке, близкой к номинальной. Увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cosj. Это объясняется увеличением индуктивного сопротивления роторной обмотки вследствие увеличения скольжения, т.к. индуктивное сопротивление роторной обмотки при вращающемся роторе прямо пропорционально скольжению: X _2s = s X ₂.

Коэффициент полезного действия h связан с мощностью на валу двигателя следующим соотношением: , где Р ₁ - мощность энергии, потребляемой двигателем из сети. Мощности Р ₁ и Р₂ связаны между собой также уравнением баланса мощностей: Р ₁ = Р ₂ + åD Р _пот, где åD Р _пот – сумма мощности потерь эне­ргии в двигателе. Поэтому коэффициент полезного действия равен:

.

При холостом ходе Р ₂ = 0, следовательно и h = 0.

Потери в АД делятся на две группы: 1) постоянные по­тери, не зависящие от нагрузки (магнитные и механические); 2) переменные по­тери, изменяющиеся с изменением нагрузки (потери электрические в обмотках статора и ротора).

При незначительной нагрузке в двигателе преобладают постоянные потери, поэтому КПД растет почти пропорционально увеличению Р ₂. Дальнейшее увеличение нагрузки двигателя приводит к росту переменных потерь и кривая КПД становится более пологой. При нагрузке, примерно равной 0,75 Р _2ном, когда переменные потери будут равны постоянным потерям, КПД достигает максиму­ма. Дальнейшее увеличение нагрузки двигателя приводит к росту суммарных потерь мощности (åD Р _пот) за счет увеличения переменных потерь, что приводит к снижению КПД. Обычно двигатели рассчитывают так, чтобы КПД имел максимальное значение при нагрузке, составляющей 0,75 Р _2ном, так как при такой нагрузке двигатели работают большую часть времени.

3.5 Пуск двигателя. Пусковые свойства асинхронного двигателя обычно оцениваются следующими характеристиками: величиной пускового тока и пускового момента, продолжительностью и плавностью пуска, сложностью пусковой операции, надежностью и экономичностью пусковой операции.

Для асинхронных короткозамкнутых двигателей небольшой и средней мо­щности обычно применяют прямой пуск, при котором к обмотке статора подводят номинальное напряжение. Одним из недостатков такого пуска является относительно небольшой пусковой ток статора, обычно превышающий номинальный ток в 5¸7 раз.

3.6 Изменение направления вращения вала двигателя(реверсирование).

Из принципа действия АД следует, что ротор вращается по направлению вращения магнитного поля статора. Направление вращения магнитного поля статора определяется порядком чередования токов в фазных обмотках статора (поле вращается в сторону фазы с отстающим током). Поэтому для реверсирования двигателя необходимо изменить порядок чередования токов. Для этого достаточно поменять местами любые два провода питающей сети, подходящие к зажимам статорной обмотки двигателя.

4 ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

4.1 Изучить основные теоретические положения; усвоить принцип действия и устройство трехфазного асинхронного двигателя; изучить рабочие характеристики, их построение и объяснения; познакомиться с пусковыми свойствами и реверсированием двигателя.

4.2 В рабочей тетради начертить схему испытания двигателя и подготовить таблицу для занесения результатов эксперимента.

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ

Лабораторная работа проводится на секции электрических машин стенда ЭВ-4.

5.1 Записать в тетрадь паспортные данные двигателя.

5.2 На мнемонической панели «Асинхронный двигатель» соединительными вилками, вставляемыми в соответствующие гнезда мнемонической схемы, собирается схема лабораторной работы (рис. 6.3). Предел амперметра установить 15 А.

Рис. 6.3 Мнемоническая схема АД

5.3 Включить последовательно пакетные выключатели на стенде «Электрические цепи», а затем «Электрические машины».

5.4 Включить кнопку «ВКЛ сети» (подается напряжение на обмотку возбуждения нагрузочного устройства агрегата №1, вольтметр покажет напряжение сети).

5.5 Нажать кнопку «ВКЛ нагрузки» кнопку «Агрегат №1».

5.6 Установить в крайнее против часовой стрелки положение ручку «Регулировка нагрузки».

5.7 Ручкой «Балансировка момента» установить нулевое показание прибо­ра, измеряющего момент агрегата №1.

5.8 Фиксируя по амперметру «Ток статора» пусковой ток, кнопкой «Включение к сети синхронной и асинхронной машины» осуществить пуск двигателя. Не выключая двигатель, установить предел амперметра «3А».

5.9 Записать данные приборов в таблицу (холостой ход).

Таблица 6.1

№ измерений	Измерено	Вычислено
U 1,	I 1,	P 1,	n 2,	M 2,	P 2,	h,	сosj	s
B	A	Вт	об/мин	Н×м	Вт	%

5.10 Изменение нагрузки электродвигателя достигается поворотом ручки «Регулирование нагрузки». Показания приборов снимать через одинаковые интервалы нагрузки. Снять 5-6 точек. Последняя точка снимается при Р = 1,2 Р _ном. Данные занести в таблицу.

6 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

6.1 Паспортные данные электродвигателя.

6.2 Схема испытания двигателя.

6.3 Таблица с данными измерений и результатами вычислений.

6.4 Полный расчет всех величин для одной строчки таблицы (при М ₂ ¹ 0).

6.5 Рабочие характеристики в одной системе координат, построенные по данным таблицы.

 

7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1 В чем назначение асинхронного двигателя?

7.2 Какова конструкция асинхронного двигателя?

7.3 В чем состоит принцип действия трехфазного АД?

7.4 От чего зависит и как рассчитывается частота вращения поля статора.

7.5 Объяснить, что такое скольжение и как его определить.

7.6 Как изменить направление вращения двигателя?

7.7 Почему двигатель называется асинхронным?

7.8 Почему сердечники статора и ротора набираются из отдельных изолиро­ванных друг от друга пластин электротехнической стали?

8 ЛИТЕРАТУРА

8.1 «Электротехника и электроника» Кн.2 «Электромагнитные устройства и электрические машины». Под ред. В. Г. Герасимова, Электроатомиздат, М. 1997 г.

8.2 Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.- М.: Высшая школа, 2000 г.

Лабораторная работа № 7

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить свойства различных схем включения операционных усилителей (ОУ). Иссле­довать усилители на ОУ.