Рабочие характеристики асинхронного двигателя

С короткозамкнутым ротором

Рабочие характеристики представляют собой зависимость потребляемых машиной из сети тока I₁, мощности Р₁, частоты вращения вала n и вращающего момента на нем М₂, скольжения s, КПД h, коэффициента мощности cosφ и других эксплуатационных параметров от полезной мощности P₂ при постоянном значении напряжения U₁ = U_Н и частоте питающей сети f₁ = 50 Гц:

I₁; Р₁; n; М₂; s; h; cosφ = f (P₂).

Порядок определения рабочих характеристик асинхронного двигателя изложен в п. 1.6 данных методических указаний. После запуска асинхронного двигателя выводят пусковые сопротивления в роторе до нуля и устанавливают на его зажимах номинальное напряжение. В качестве нагрузки двигателя используется нагрузочный генератор постоянного тока параллельного возбуждения. Тормозящий момент, развиваемый генератором постоянного тока, изменяется пропорционально току нагрузки генератора, протекающему по нагрузочному сопротивлению R_Н (блок А10). В лабораторной работе для упрощения схемы испытаний на зажимы генератора подключается постоянное нагрузочное сопротивление, а величина тока нагрузки регулируется изменением тока возбуждения генератора постоянного тока от источника постоянного тока G2. Такая регулировка нагрузки позволяет получить плавное ее 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 плавно с учетом времени переходных процессов. Результаты опыта получаются лучше, если снижать нагрузку двигателя от максимальной до режима холостого хода.

Нагрузив двигатель на 10 – 15 % выше номинальной мощности, постепенно снижают нагрузку до нуля, делая 6 – 7 замеров. Необходимо обязательно получить точку холостого хода, 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. 4.3.

В таблице и далее в расчете приняты следующие обозначения: U_1Л – номинальное линейное напряжение двигателя, В; I₁ – ток сети, потребляемый двигателем, А; Р₁, Р₂ – соответственно потребляемая и полезная мощности, Вт; P_w– измеряемая активная мощность, Вт; Q_w – измеряемая реактивная мощность, вар; n₁,– синхронная 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 4.3. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

U1Л = 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 проводят аналогичный опыт снятия рабочих характеристик асинхронного двигателя при пусковых сопротивлениях, оставленных включенными в цепь обмотки ротора. Этим имитируется двигатель повышенного скольжения, у которого стержни короткозамкнутой обмотки ротора заливаются алюминием большего удельного сопротивления. Результаты опыта заносятся в таблицу, аналогичную приведенной выше.

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, U_1Ф = U_1Л/√3; Р₁, Р₂ – соответственно потребляемая и полезная мощность асинхронной машины. Ваттметр в цепи статора показывает в двигательном режиме потребляемую мощность. Если обозначить измеряемую ваттметром мощность одной фазы как P_W, то в режиме двигателя

Р₁ = 3P_W; Р₂ = 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 определяют в режиме двигателя как

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

Потери в стали р_ст и механические потери р_мх находятся методом разделения потерь, изложенным в приложении 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. Она меньше полезной мощности асинхронного двигателя на величину потерь в генераторе постоянного тока. 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 механических потерь 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, подставляемых в оборотах в минуту. Результат получается в ваттах.

Вид рабочих характеристик асинхронной машины в режиме двигателя и генератора представлен на рис. 1.3, 1.4. В отчете рабочие характеристики, реально полученные из опытных данных, должны иметь вид согласно ГОСТ 2.319-81 «Правила выполнения диаграмм» [2, 3]. Для асинхронного двигателя они представлены на 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.

 

Только для студентов-электромехаников

Студенты-электромеханики проводят опыт снятия рабочих характеристик на асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором при включении обмоток статора по схемам «треугольник» (Δ) и «звезда» (Y). Номинальное линейное напряжение в обоих случаях равно 220 В. Результаты опыта заносятся в табл. 4.4 при соединении обмоток статора треугольником (Δ) и в аналогичную таблицу при соединении обмоток звездой (Y). Нагрузка двигателя регулируется изменением тока возбуждения генератора постоянного тока от источника постоянного напряжения.

 

Таблица 4.4. Рабочие характеристики для соединения обмоток в треугольник (Δ)

U1Л = 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 ведется так же, как изложено выше для лабораторного агрегата. При этом следует использовать только фазные величины напряжения и тока.

В отчете представляются рабочие характеристики двигателя для соединения обмоток треугольником (D) при напряжении 220 В. Также должны быть построены совмещенные на одной диаграмме рабочие характеристики для соединения обмоток двигателя треугольником (D) и звездой (Y) в сочетании на одной – cos j и I, на другой – h и Р₁, на третьей – n и М₂. Примерный вид характеристик показан на рис. 4.2.

Характеристики машины надо 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 соответствующих характеристиках двигателя.

 

 

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, режима нагрузки асинхронного двигателя, совмещенные характеристики для двигателя нормального исполнения и с повышенным скольжением, 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 даны 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 (см. 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 короткозамкнутым и фазным ротором по согласованию с преподавателем возможно построение круговой диаграммы только для одной машины.

Следует иметь в виду, что таблицы и иллюстрации представлены в методических указаниях 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

 

Студенты-электромеханики в графической части работы представляют характеристики холостого хода, короткого замыкания, режима нагрузки асинхронного двигателя при соединении обмоток треугольником (D) и совмещенные характеристики для одинаковых первичных напряжений при схемах обмоток «треугольник» (D) и «звезда» (Y). Круговая диаграмма асинхронного двигателя строится для соединения обмоток треугольником (D).

 

4.7. Контрольные вопросы

 

1. Объяснить принцип действия и устройство асинхронной машины.

2. Пояснить основные уравнения и схему замещения асинхронной машины.

3. Объяснить процессы, происходящие при прямом пуске в ход асинхронного двигателя.

4. Описать способы пуска в ход асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

5. Объяснить процессы при холостом ходе асинхронного двигателя, вид характеристик холостого хода и причину повышения тока при низком напряжении.

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

7. Рассказать о потерях в асинхронной машине.

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

9. Объяснить рабочие характеристики асинхронного двигателя.

10. Проанализировать работу асинхронного двигателя на пониженном напряжении, сравнить рабочие характеристики двигателя при включении обмоток звездой (Y) и треугольником ().

11. Проанализировать работу асинхронного двигателя нормального исполнения и с повышенным скольжением.

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

13. Дать характеристику 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. Дать характеристику двигателя с глубоким пазом и двойной беличьей клеткой.

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