Исследование трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Цель работы: Ознакомиться с конструкцией и экспериментально исследовать пусковые и рабочие свойства двигателя с короткозамкнутым ротором.

Общие положения

Электродвигатель – электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Электродвигатель – это основной привод производственных механизмов.

Механическая работа совершается за счёт преобразования электромагнитного момента М, который уравновешивает момент сопротивления М_С производственного механизма (в статическом режиме М=М_С)

Трёхфазный асинхронный двигатель (АД) состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. На статоре расположена симметричная трёхфазная обмотка, состоящая из трёх фазных обмоток, расположенных в пространстве одна относительно другой на 120⁰ .

Фазные обмотки статора могут соединяться звездой или треугольником. Обмотка статора включается в трёхфазную сеть переменного тока.

Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором выполнен в виде вращающейся беличьей клетки («беличье колесо»). Его токопроводящая часть (вид обмотки) состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов.

Принципиальная схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при соединении обмоток статора звездой показана на рис. 1а, упрощённый символ такой машины показан на рис. 1б.

 

 

А В С А В С

 

 

а) б)

Рис. 1. Принципиальная схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (а) и упрощённый символ этого двигателя (б)

 

Принцип действия асинхронного двигателя

При включении трёхфазной обмотки статора в трёхфазную сеть в машине образуется вращающееся магнитное поле. Оно пересекает проводники обмотки ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток. Этот ток взаимодействует с вращающимся магнитным полем и образует вращающий момент.

В результате этого взаимодействия, ротор начинает вращаться с частотой n₂ в ту же сторону, что и магнитное поле обмотки статора, но меньшей, чем частота вращения магнитного поля статора n₁:

(1)

где f₁– частота питающей сети (f₁= 50 Гц);

p– число пар полюсов (p= 1,2,3…).

 

Возникновение тока в роторе возможно лишь при движении проводников ротора относительно магнитного поля машины, т. е. при наличии разности частот вращения магнитного поля статора n₁ и ротора n₂, так как только в этом случае в роторе наводится ЭДС.

Разность (n₁-n₂) должна быть больше нуля. Рассмотрим для примера, что же произойдёт, если бы частота вращения ротора n₂ сравнялась с частотой

вращения магнитного поля статора, т.е. если n₁= n₂.

Магнитное поле статора и проводник ротора (обмотка ротора) будут в этом случае неподвижны относительно друг друга, в обмотке ротора не будет наводиться ЭДС, не появится ток, не будет и вращающего момента. Ротор несколько притормозится, и как только возникает разность частот вращения n₁-n₂, вновь в обмотке ротора наведётся ЭДС, появится ток и возникнет электромагнитный момент.

Таким образом, ротор не может вращаться с синхронной частотой n₁ в такой конструкции электродвигателя.

Так как частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, то двигатель называется асинхронным.

Отставание частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора называется скольжением s:

(2)

C учётом (2) частота вращения ротора

(3)

Электромагнитный момент асинхронного двигателя (вращающий момент) может быть выражен зависимостью:

, (4)

где - постоянная, зависящая от конструкции машины;

Ф – магнитный поток;

I₂ – ток в обмотке ротора.

В выражении (4) угол ,

где R₂ – активное сопротивление фазы ротора;

x₂ – индуктивное сопротивление фазы вращающегося ротора, которое зависит от частоты тока в роторе,

 

;

L₂ – индуктивность фазы ротора.

Выражение (4) показывает, что вращающий момент двигателя создаётся за счёт взаимодействия магнитного потока статора и тока в роторе двигателя.

Механическая характеристика

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от электромагнитного момента, т.е. n₂ = f(M) при U₁ = const, f₁ = const. От её характера зависит пригодность асинхронного двигателя для привода различных механизмов. Так, для многих станков требуется, чтобы частота вращения двигателя мало менялась при изменении нагрузки. Наряду с этим рабочие механизмы, работающие при резко изменяющихся нагрузках (прессы, краны), требуют быстрого изменения частоты вращения при таких нагрузках.

На рис. 2 показана механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

n

n₂ С В 2

n_2p А

n_2н 1

К

 

 

 

 

Мр Мн Мп Мк М

Рис. 2. Механическая характеристика АД (1) и нагрузка

например, вентилятор(2)

 

На рис. 2 обозначено:

М_р и n_2p – электромагнитный момент и скорость вращения двигателя в рабочей точке В;

М_н и n_2н - электромагнитный момент и скорость вращения двигателя в точке номинального режима (точка А);

М_п – пусковой момент АД.

При включении статорной обмотки в сеть её магнитное поле начинает вращаться с синхронной частотой n₁, а ротор под влиянием сил инерции в первый момент останется неподвижным (n₂=0). Из соотношения n₂=n₁(1-S) следует, что в момент пуска S=1, а момент двигателя равен пусковому моменту М_п.

Под его действием ротор начинает вращаться, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент растёт до критического М_к, который достигается при критическом скольжении S_k. Дальнейшее нарастание частоты вращения (уменьшение S) приводит к уменьшению М, который будет убывать до установившегося значения, равного противодействующему моменту сопротивления М_с), приложенному к ротору двигателя М_р=М_с (точка В на рис.2).

Если же этот момент соответствует номинальной нагрузке двигателя, установившейся режим работы машины определяется точкой А на механической характеристике с координатами М=М_н и n₂=n_н.

Как видно из рис. 2, частота вращения ротора незначительно изменяется при изменении вращающего момента на участке СК (устойчивый режим работы). Механическую характеристику такого вида называют жёсткой.

Пусковые режимы

При пуске ротор двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется от частоты вращения n₂=0 до n₂. Скольжение при этом меняется от S=1 до S. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен быть больше момента сопротивления (М>M_c) и пусковой ток I_п должен быть по возможности небольшим.

В зависимости от конструкции ротора, мощности двигателя, характера нагрузки возможны различные способы пуска.

Для АД с короткозамкнутым ротором, у которых I_п=(5÷7)I_ном, возможны

следующие способы пуска:

1. Прямой пуск АД

2. Пуск с ограничением пускового тока.

Прямым пуском АД называют пуск двигателя непосредственным включением обмоток статора в электрическую сеть.

При этом в сети возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжения, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться. Относительно небольшой пусковой момент таких двигателей (рис. 2) может привести к тому, что при пуске двигателя под нагрузкой он не сможет преодолеть момент сопротивления и не тронется с места.

Поэтому прямой пуск АД с короткозамкнутым ротором можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт), без нагрузки или при малой нагрузке.

Пуск с ограничением пускового тока подразделяется на:

а) пуск с переключением обмотки статора с треугольника на звезду, при этом пусковой ток в сети уменьшается в раз. Обмотки статора такого двигателя в нормальном режиме включены по схеме «треугольник»;

б) пуск с ограничением подводимого напряжения к двигателю путём включения в обмотку статора реактора во время пуска или с помощью автотрансформатора.

Необходимо отметить, что при выборе того или иного способа ограничения пускового тока необходимо учитывать, что момент асинхронного двигателя .