Рабочие характеристики асинхронной машины

С фазным ротором

Для снятия рабочих характеристик асинхронной машины с фазным ротором в двигательном и генераторном режимах машину постоянного тока необходимо использовать и в режиме генератора, и в режиме двигателя. Асинхронная машина испытывается в режиме двигателя по схеме рис. 3.1, а в режиме генератора – по схеме рис. 3.2. Электрические схемы приведены также в прил. В в формате А4.

Порядок определения рабочих характеристик асинхронного двигателя изложен в п. 1.6 данных методических указаний. После запуска асинхронного двигателя выводят до нуля пусковые сопротивления в роторе и устанавливают на его зажимах номинальное напряжение. В качестве нагрузки двигателя используется генератор постоянного тока. Тормозящий момент, развиваемый генератором постоянного тока, изменяется пропорционально току якоря в нагрузочном сопротивлении R_Н (блок А10). В лабораторной работе на зажимы генератора подключается нагрузочное сопротивление постоянной величины, а ток нагрузки регулируется изменением тока возбуждения генератора постоянного тока от источника постоянного тока G2. Такая регулировка нагрузки позволяет получить ее плавное изменение, но допустима только для двигателей малой мощности. При малых нагрузках генератор постоянного тока работает неустойчиво в режиме, близком к короткому замыканию. Поэтому ток возбуждения генератора следует изменять медленно с учетом времени переходных процессов. Результаты опыта получаются лучше при снижении нагрузки двигателя от максимально возможной до режима холостого хода.

Запускают асинхронный двигатель, выводят на нуль пусковые сопротивления, устанавливают номинальное напряжение и фиксируют данные первой точки в режиме холостого хода. Затем подают на обмотку возбуждения генератора постоянного тока напряжение от блока питания машины постоянного тока G2. Перед его включением регулятор напряжения должен быть выведен в нулевое положение вращением ручки против часовой стрелки до упора. Увеличивая ток возбуждения машины постоянного тока, постепенно нагружают асинхронный двигатель на 10 – 20 % выше номинальной мощности, не выше Р₂ = 1,2 Р_Н. Номинальная мощность данного двигателя 30 Вт, что соответствует показаниям однофазного ваттметра 10 Вт. Нагрузив двигатель и записав эти данные, постепенно снижают нагрузку, делая при этом 6 – 7 замеров, и доводят ее до нуля. Необходимо получить повторно точку холостого хода, полностью отключив нагрузку генератора постоянного тока.

 

Следует убедиться в одинаковости этих данных с ранее полученными в опыте холостого хода. Их разброс свидетельствует об изменении температурного режима двигателя.

При проведении опыта фиксируют ток нагрузки асинхронного двигателя I₁, соответствующий линейному току сети, активную P₁ и реактивную Q₁ мощности, потребляемые двигателем из сети, частоту вращения вала n, а также ток I_П и напряжение U_П генератора постоянного тока для контроля его нагрузки. Напряжение на зажимах асинхронного двигателя в ходе опыта должно быть постоянным по величине, контролируется посторонним вольтметром. Результаты измерений заносятся в табл. 3.3.

В таблице и в дальнейшем расчете приняты следующие обозначения: U₁ – номинальное линейное напряжение двигателя, В; I₁ – ток, потребляемый двигателем из сети, А; Р₁, Р₂ – соответственно потребляемая и полезная мощности, Вт; P_w– измеряемая активная мощность, Вт; Q_w – измеряемая реактивная мощность, вар; n₁,–частота вращения магнитного поля статора, об/мин; n – частота вращения ротора машины, об/мин; I_П – ток нагрузки генератора постоянного тока, А; U_П – напряжение генератора постоянного тока, В.

 

Таблица 3.3. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

U1 = В; f = 50 Гц; n1 = об/мин

I1, А

Pw, Вт

Qw, вар

n, об/мин

IП, А

UП, В

P1, Вт

P2, Вт

s

cosφ

M2, Н·м

η, %

PП, Вт

 

Затем исследуют работу асинхронной машины в режиме генератора. Схема испытания представлена на рис. 3.2. Запускают машину постоянного тока в режиме двигателя включением блока питания машины постоянного тока G1 и постепенным повышением напряжения на якоре машины. Замечают направление вращения вала агрегата. После отключения двигателя постоянного тока от сети запускают в ход асинхронный двигатель и также замечают направление вращения агрегата. Если направления вращения не совпадают, то изменяют чередование фаз у асинхронного двигателя и проверяют направление вращения электромашинного агрегата еще раз. Только при совпадении направлений вращения можно исследовать работу асинхронной машины в режиме генератора.

Заносят в табл. 3.4 данные режима холостого хода асинхронного двигателя при номинальном напряжении, полученные при проведении опыта холостого хода. Если такой величины напряжения при испытании двигателя в режиме холостого хода не было, то данные следует получить после обработки результатов опыта холостого хода и построения необходимых кривых.

Пускают в ход двигатель постоянного тока. Перед включением регулятор блока питания машины постоянного тока G2 должен быть выведен в нулевое положение вращением ручки регулятора против часовой стрелки до упора. Частоту вращения вала следует довести до 1500 об/мин. Это производится изменением напряжения на якоре двигателя от источника питания машины постоянного тока. После этого подают напряжение на асинхронный двигатель включением трехполюсного переключателя А6. Так как частота вращения ротора асинхронного двигателя практически равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотке статора, то броска тока включения не будет. После запуска асинхронной машины следует вывести на нуль пусковые сопротивления, если они были включены, и установить на зажимах асинхронного двигателя номинальное напряжение. Далее испытание проводится следующим образом.

Устанавливают частоту вращения вала электромашинного агрегата точно 1500 об/мин, регулируя величину напряжения на якоре двигателя постоянного тока, и записывают данные в табл. 3.4. В этом режиме идеального холостого хода асинхронная машина потребляет из сети активную мощность, равную потерям в стали и в обмотке статора, а также реактивную мощность возбуждения асинхронного двигателя. Двигатель постоянного тока компенсирует потери механические и добавочные. На круговой диаграмме эта точка является началом линии полной механической мощности Р_МЕХ = 0 и линии электромагнитной мощности Р_ЭМ = 0.

Далее следует увеличить частоту вращения до величины, когда активная мощность, потребляемая асинхронной машиной из сети, станет равной нулю. В этом режиме все ее потери компенсируются за счет двигателя постоянного тока. Реактивная мощность на возбуждение асинхронной машины продолжает потребляться из сети.

Дальнейшее увеличение момента двигателя постоянного тока и рост частоты вращения электромашинного агрегата приведет к изменению направления активной составляющей тока статора асинхронной машины. Она начнет отдавать активную мощность в сеть, то есть будет работать в режиме генератора. При этом стрелка ваттметра отклоняется в обратную сторону по сравнению с двигательным режимом.

Данные измерительных приборов в рассмотренных режимах работы следует занести в табл. 3.4. Рабочие характеристики в генераторном режиме снимаются при постепенном повышении момента постоянного двигателя. Необходимо получить 5 – 6 точек в эксперименте до достижения током статора асинхронной машины величины, превышающей номинальное значение на 20 – 25 %. Обозначения величин соответствуют принятым в табл. 3.3.

 

Таблица 3.4. Характеристики асинхронной машины в генераторном режиме

U1 = В; f = 50 Гц; n1 = об/мин

I1, А

Pw, Вт

Qw, вар

n, об/мин

IП, А

UП, В

P1, Вт

P2, Вт

s

cosφ

M2, Н·м

η, %

PП, Вт

 

Обработка результатов испытаний. Скольжение асинхронной машины s определится как

, где .

Здесь n₁ – синхронная скорость машины, частота вращения магнитного поля статора, об/мин; n – частота вращения ротора, об/мин; f – частота напряжения сети, Гц; р – число пар полюсов машины.

Как и ранее, Р₁ и Р₂ – соответственно потребляемая и полезная мощности асинхронной машины. Ваттметр в цепи статора показывает в двигательном режиме потребляемую мощность Р₁, а в генераторном режиме – полезную мощность Р₂. Если обозначить измеряемую ваттметром мощность как P_W, то

в режиме двигателя

Р₁ = 3P_W; Р₂ = 3Р_W – (р_ст + р_мх + р_эл1 + р_эл2 + р_д);

в режиме генератора

Р₂ = 3P_W; Р₁ = 3Р_W + (р_ст + р_мх + р_эл1 + р_эл2 + р_д).

Здесь р_ст – потери в стали сердечника статора машины при U₁ = U_Н; р_мх – механические потери в машине; р_эл1 – электрические потери в обмотке статора; р_эл2 – электрические потери в обмотке ротора; р_д – добавочные потери в машине.

Электрические потери в трехфазной обмотке статора найдутся как р_эл1 = 3I₁² r_1/75, где r_1/75 – сопротивление фазы обмотки при рабочей температуре 75^оС; I₁ – ток фазы двигателя, равный при схеме «звезда» (Y) линейному току, А.

Электрические потери в обмотке ротора и добавочные потери в машине:

в режиме двигателя

Р₁ = 3P_W; р_эл2 = (3Р_W – р_эл1 – р_ст) s; р_д = 0,005Р₁;

в режиме генератора

Р₂ = 3P_W; р_эл2 = (3Р_W + р_эл1 + р_ст) s; р_д = 0,005Р₂.

Потери в стали р_ст и механические потери р_мх находятся методом разделения потерь, изложенным в прил. Б. Берутся их значения при U₁ = U_Н. Коэффициент мощности, момент на валу двигателя и КПД находятся по известным формулам:

; ; %.

При расчетах следует применять единицы СИ: напряжение в вольтах, ток в амперах, мощность в ваттах, частоту вращения вала в оборотах в секунду (опытные данные числа оборотов в минуту делить на 60), вращающий момент в ньютон-метрах.

Мощность машины постоянного тока Р_П = U_П I_П служит для контроля проводимых расчетов по результатам опыта. В режиме двигателя она меньше полезной мощности асинхронного двигателя на величину потерь в генераторе постоянного тока. Когда асинхронная машина работает как генератор, машина постоянного тока является приводным двигателем и потребляемая ею из сети мощность Р_П всегда больше мощности асинхронного генератора, измеряемой ваттметром. Проведенные исследования показывают, что сумма потерь механических, в стали и добавочных для машины постоянного тока (МПТ), асинхронного двигателя (АД) и всего агрегата (Агр.) находятся при частоте вращения 1500 об/мин в соотношении 1: 2: 3.

(р_ст + р_мх + р_д)_МПТ: (р_ст + р_мх + р_д)_АД: (р_ст + р_мх + р_д)_Агр = 1: 2: 3.

Если получаемые по ранее приведенным формулам расчетные данные значительно отличаются от проверочных приближенных результатов, то в расчете где-то совершена ошибка.

По согласованию с преподавателем в расчете рабочих характеристик двигателя можно использовать формулы, учитывающие изменение потерь механических и в стали при изменении частоты вращения агрегата. Расчетные формулы получены из экспериментальных данных и справедливы только для агрегатов, установленных на лабораторных стендах:

(р_ст + р_мх + р_д)_Агр = 30 + 0,028 (n – 1500);

(р_ст + р_мх + р_д)_АД = 20 + 0,020 (n – 1500);

(р_ст + р_мх + р_д)_МПТ = 10 + 0,008 (n – 1500).

При расчете следует учитывать знак разности частот вращения. Результат получается в ваттах, если частота вращения в оборотах в минуту.

Вид рабочих характеристик асинхронной машины в режиме двигателя и генератора представлен на рис. 1.3, 1.4. В отчете рабочие характеристики должны иметь вид согласно ГОСТ 2.319-81 «Правила выполнения диаграмм» [2, 3] (рис. А.2). Характеристики машины в режимах двигателя и генератора рекомендуется строить в одинаковых масштабах. Порядок построения круговой диаграммы [4, 5] дан в прил. Б. Величины, определенные по круговой диаграмме для номинального режима, должны быть отмечены на рабочих характеристиках двигателя и генератора.

 

Содержание отчета

 

Отчет о проведенных испытаниях представляется студентом в упрощенном виде и включает в себя титульный лист (рис. А.1), программу работы, паспортные данные машин, электрическую схему испытания, результаты испытания, представленные в виде таблиц, порядок проводимых расчетов и расчет как минимум одной точки каждого графика (желательно для номинальных данных) и собственно графики.

В графической части работы необходимо представить характеристики холостого хода, короткого замыкания, нагрузки асинхронной машины в режиме двигателя и генератора, а также круговую диаграмму асинхронной машины. Характеристики должны иметь вид согласно ГОСТ 2.319-81 «Правила выполнения диаграмм» [2, 3]. В качестве образца на рис. А.2 представлены рабочие характеристики асинхронного двигателя. Стандарт допускает применение шкал любого диапазона, но все диаграммы в отчете по лабораторным работам должны иметь шкалы, начинающиеся с нуля.

Диаграммы, иллюстрирующие разделение потерь и приведение тока короткого замыкания к номинальному напряжению (рис. Б.1, Б.2), могут быть размещены или при проведении расчетов для построения круговой диаграммы, или в соответствующих разделах опытных данных. При проведении в лабораторном цикле обеих работ по исследованию асинхронного двигателя с фазным и короткозамкнутым ротором по согласованию с преподавателем возможно построение круговой диаграммы только для одной машины.

Следует иметь в виду, что таблицы и иллюстрации в методических указаниях представлены согласно требованиям издательского отдела. В техническом отчете по требованию ГОСТ 7.32-2003 слова «рисунок» и «таблица» не сокращаются в тексте и при оформлении рисунков и таблиц. На конце номера точка не ставится. Словесная часть отделяется от обозначения тире, которое ограничено пробелами.

Например:

Рисунок 2.1 – Рабочие характеристики

Таблица 1.3 – Характеристики холостого хода

 

3.7. Контрольные вопросы

 

1. Объяснить принцип действия и устройство асинхронной машины.

2. Рассказать о режимах работы асинхронной машины и ее векторных диаграммах.

3. Пояснить основные уравнения и схему замещения асинхронной машины.

4. Объяснить процессы при прямом пуске в ход асинхронного двигателя.

5. Описать пуск в ход асинхронного двигателя с фазным ротором.

6. Объяснить процессы при холостом ходе асинхронного двигателя и вид характеристик холостого хода.

7. Написать принципиальную и расчетную формулы момента асинхронного двигателя. Пояснить зависимость момента двигателя от скольжения и влияние на нее параметров двигателя и сети.

8. Рассказать о потерях в асинхронной машине и ее энергетической диаграмме.

9. Объяснить процессы в режиме короткого замыкания асинхронного двигателя и влияние на вид характеристик формы пазов.

10. Объяснить вид рабочих характеристик асинхронного двигателя.

11. Дать анализ работы асинхронной машины в режиме генератора.

12. Рассказать о способах регулирования частоты вращения вала асинхронного двигателя с фазным ротором.

13. Дать анализ режимов торможения асинхронного двигателя.

14. Объяснить методы разделения потерь и приведения тока короткого замыкания к номинальному напряжению.

15. Описать порядок построения круговой диаграммы.

16. Определить по круговой диаграмме асинхронной машины ее параметры и все виды потерь в различных режимах работы.

17. Рассчитать относительное значение ЭДС обмотки статора асинхронного двигателя и падение напряжения в ней.

18. Объяснить особенности пуска и регулирования скорости двигателя с фазным ротором.

19. Объяснить характер изменения величины реактивной мощности машины в режимах холостого хода, короткого замыкания и нагрузки.