Асинхронный двигатель с контактными кольцами

Цель работы: ознакомление с устройством трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, изучение основных рабочих свойств двигателя, получение навыков пуска двигателя.

1. Описание установки

В правой части стенда дано мнемоническое изображение асинхронного двигателя с контактными кольцами. Генератор в данной работе служит нагрузкой при снятии рабочих характеристик асинхронного двигателя. Для пуска двигателя применяется пусковой реостат (r_n). Для размыкания цепи ротора используется автоматический пускатель типа АП–25–3Т. Ручка пускового реостата с указанием положений Стоп и Ход находится на стенде. В одну из фаз роторной цепи между щетками и пусковым реостатом включен амперметр постоянного тока с двухсторонней шкалой, показывающий мгновенное значение тока. Для измерения тока, напряжения и мощности асинхронного двигателя применяется измерительный комплект К–505, краткое описание которого приведено во введении методических указаний.

2. Основные электрические величины асинхронного двигателя

с фазным ротором

2.1. Коэффициент трансформации

, (3.1)

где U₁ – линейное напряжение на обмотке статора; U₂ – линейное напряжение на обмотке ротора (вольтметр на установке).

2.2. Электромагнитные потери мощности в сердечнике статора

Р_ст = 0,5(Р₁ – Р_эл1) , (3.2)

где Р₁ = Р_А + Р_В + Р_С –мощность, потребляемая из сети. Она определяется как сумма показаний ваттметра в фазах обмотки статора.

Потери Р_ст являются величиной неизменной для всех замеров и рассчитываются только по результатам первого замера.

2.3. Электрические потери мощности в обмотке статора

, (3.3)

где I₁ = – ток обмотки статора, как среднее арифметическое показаний амперметра в фазах обмотки статора; r_ф = 0,3 Ом – активное сопротивление фазы обмотки статора.

Потери Р_эл1 являются величиной переменной и рассчитываются для каждого замера.

2.4. Частота тока в роторе

, (3.4)

где N – число колебаний стрелки амперметра, включенного в цепь ротора, за 30 секунд.

2.5. Скольжение

S = , (3.5)

где f₁ = 50 Гц – частота тока в обмотке статора.

2.6. Электромагнитная мощность

Р_эм = Р₁ – (Р_эл1 + Р_ст) . (3.6)

Данная мощность электромагнитным путем передается в обмотку ротора.

2.7. Электрические потери в обмотке ротора

Р_эл2 = Р_эмS . (3.7)

2.8. Добавочные потери

Р_д = 0,005Р₁ . (3.8)

ГОСТ устанавливает средние расчетные добавочные потери мощности при номинальной нагрузке, равные 0,5 % потребляемой мощности.

2.9. Механические потери

Р_мех = Р₁ – (Р_ст + Р_эл1) . (3.9)

Это потери на трение в подшипниках и преодоление сопротивления воздушного потока при вращении ротора. Они определяются по результатам второго замера (х.х. двигателя) и для остальных замеров являются неизменной величиной.

2.10. Суммарные потери

Р_ = Р_ст + Р_эл1 + Р_эл2 + Р_д + Р_мех . (3.10)

Кроме Р_мех, потери мощности расходуются на нагревание асинхронного двигателя. Чем меньше потери мощности, тем выше КПД двигателя. Кроме того, с уменьшением суммарных потерь снижается температура нагрева двигателя, а следовательно, повышается его срок эксплуатации.

2.11. Полезная мощность

Р₂ = Р₁ - Р_ . (3.11)

2.12. Коэффициент полезного действия

. (3.12)

2.13. Коэффициент мощности

. (3.13)

2.14. Вращающий момент

, (3.14)

где n₂ = n_1­(1–S) – частота вращения ротора.

3.Домашнее задание

3.1. Изучить (по учебнику и конспекту лекций) устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с контактными кольцами, ознакомиться с его рабочими свойствами и назначением пускового реостата.

3.2. По описанию ознакомиться со стендом, паспортными данными двигателя, измерительным комплектом К–505.

3.3. Подготовить бланк отчета, в котором:

а) начертить (схематично) магнитную цепь асинхронного двигателя и эскиз фазного ротора;

б) начертить принципиальную схему двигателя с контактными кольцами, номинальное напряжение которого 220380 В, указав соответственно схему соединения обмоток статора и ротора;

в) написать формулы, определяющие скольжение, ток статора, электрические потери в статоре и роторе, электромагнитный момент, электромагнитную мощность;

г) определить номинальный момент и скорость вращения магнитного поля статора;

д) подготовить таблицы для расчета данных и результатов испытания двигателя при номинальном напряжении.

4. Лабораторное занятие

4.1. Осмотреть стенд, разобранный образец асинхронного двигателя с контактными кольцами, рабочую установку. Записать паспортные данные испытываемого двигателя, указанные в табличке на его корпусе.

4.2. Собрать схему согласно рис. 3.1.



Л₁

Л₂

+Я₁

-Я₂

Ш₂

Ш₁

R_в1

C₁

C₆

C₄

C₅

C₃

C₂

r_n

Рис. 3.1

4.3. Разомкнуть цепь ротора, подать напряжение на обмотку статора. Снять показания с приборов и занести в табл. 3.1

4.4. Снять напряжение.

4.5. Замкнуть цепь ротора, подать напряжение на обмотку статора. При этом постепенно вывести пусковой реостат из положения стоп в ход.

4.6. Снять показания с приборов и занести в табл. 3.1. При этом генератор не должен быть возбужден (считать число полных колебаний за 30 с).

Таблица 3.1

	Наименование	1 2 3 4 5 6 7
Замерено	Напряжение сети U1 , В Напряжение в цепи ротора U2 , В Ток IА , А Ток IВ , А Ток IС , А Мощность РА , Вт Мощность РВ , Вт Мощность РС , Вт Число колебаний за 30 с N	0 0 0 0 0 0 –
Вычислено	1.Мощность, потребляемая из сети Р1, кВт 2. Потери в стали статора Рст , Вт 3. Потери в меди статора Рэл1 , Вт 4. Коэффициент трансформации К 5.Частота тока в роторе f2 , Гц 6. Скольжение S 7. Электромагнитная мощность Рэм , кВт 8. Механические потери Рмех , Вт 9. Дополнительные потери Рд , Вт 10. Потери в меди ротора Рэл2 , Вт 11. Суммарные потери Р , Вт 12. Полезная мощность Р2, кВт 13. КПД  Коэффициент мощности cos1 Вращающий момент М2 , Нм	– – – – – – 50 – 0 0 0 0 0 – 0 0

4.7. Возбудить генератор и, изменяя нагрузку с помощью выключателей, установленных на цепи якоря, сделать еще 5 замеров.

4.8. Отключить нагрузку, снять возбуждение генератора, выключить асинхронный двигатель и после проверки преподавателем измеренных данных разобрать эл. схему.

5. Обработка результатов

5.1. Рабочие характеристики

По измеренным данным рассчитать по формулам (3.1 – 3.14) (п.2) рабочие характеристики и результаты расчета занести в табл. 3.1.

По данным табл. 3.1 построить рабочие характеристики Р₁, I₁, cos₁, , М₂, S = f(Р₂). Графики необходимо построить на одном рисунке, который должен иметь координатную сетку. Зависимые переменные Р₁, I₁, cos₁, , М₂ и S необходимо откладывать по вертикальным осям (количество осей должно быть равно числу зависимых переменных), а независимую переменную Р₂ – по горизонтальной оси.

5.2. Энергетическая диаграмма

Учитывая Р₁, Р₂ и потери мощности, построить энергетическую диаграмму. Она должна содержать следующие основные участки: статор, воздушный зазор и ротор.

6. Контрольные вопросы

1. Назначение пускового реостата.

2. Назвать преимущества и недостатки двигателя с фазным ротором.

3. Почему при введении активного сопротивления в цепь ротора пусковой ток уменьшается, а пусковой момент возрастает?

4. Где применяется асинхронный двигатель с фазным ротором?

5. Какие требования предъявляются к пуску асинхронного двигателя?

6. Схема соединения обмотки ротора.

7. Назначение щеточно-кольцевого устройства.

8. Способы регулирования частоты вращения двигателя.

9. Способы пуска асинхронного двигателя с фазным ротором.

10. Способы выбора асинхронного двигателя с фазным ротором.

11. На что расходуются потери мощности?

12. Почему рабочие характеристики Р₁, I₁, cos(₁), , М₂ и S при Р₂ = 0 не равны нулю?

13. Почему при увеличении Р₂ растет скольжение?

14. Почему увеличивается частота тока в цепи ротора?

Литература

[1,§ 14.1 – 14.4, 14.8, 14.11 – 14.17; 2,§ 12.1; 3, § 24.1 – 24.5,25.1 – 25.2, 28.1 – 28.3].

Лабораторная работа №4

Генератор постоянного тока с параллельным

и смешанным возбуждением

Цель работы: ознакомление с устройством машины постоянного тока, изучение основных рабочих свойств генераторов постоянного тока.

1. Описание установки

В качестве генератора используется машина постоянного тока типа П–21м. Необходимая часть стенда для проведения лабораторной работы содержит два амперметра, вольтметр, реостат для возбуждения R_в1, выключатели для нагрузки с клеммами Л₁ и Л₂. На стенд выведены обмотки возбуждения: последовательная с клеммами С₁ и С₂; параллельная с клеммами Ш₁ и Ш₂. Приводным двигателем служит трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Для его включения используется включатель типа АП–25. Клеммы начала обмотки статора обозначены на стенде С­₁, С₂, С₃. Обмотка соединена на звезду, поэтому подается напряжение 380 В.

По способу возбуждения испытываемая машина относится к генераторам постоянного тока с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на наличии остаточного намагничивания наконечников основных полюсов, совпадения по направлению магнитного потока от остаточного намагничивания с основным магнитным потоком, определенной величине сопротивления цепи возбуждения (сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического) и определенной частоте вращения якоря (частота вращения должна быть больше критической). Если выполняются данные условия, то генератор возбуждается, т.е. на его клеммах появляется напряжение. Несоблюдение любого из этих условий приводит к невозбуждению генератора (отсутствие напряжения).

2.Основные электрические величины генератора постоянного тока

2.1. Электродвижущая сила

Выходной электрической величиной генератора постоянного тока является ЭДС обмотки якоря, от величины которой зависит напряжение на зажимах Я₁ и Я₂ генератора. Величина ЭДС в каждом проводнике обмотки якоря определяется по закону эл. магнитной индукции:

e_i = BVl , (4.1)

где В – магнитная индукция в зазоре между основными полюсами и якорем. Она является дифференциальной характеристикой магнитного поля основных полюсов.

На сновании (4.1) ЭДС обмотки якоря равно:

Е_а = С_еФn , (4.2)

где – постоянная для каждого генератора величина, которая зависит от числа пар полюсов Р, количества активных проводников N и числа пар параллельных ветвей (а) обмотки якоря; Ф – магнитный поток в зазоре; n – частота вращения якоря.

2.2. Напряжение на зажимах генератора

U_a = E_a – I_aR_a , (4.3)

где I_a – ток в обмотке якоря; R_a – сопротивление цепи якоря, которое зависит от собственного сопротивления обмотки якоря и щеточно-коллекторного устройства. Выражение (4.3) является основным уравнением генератора.

2.3. Ток возбуждения

, (4.4)

где – сопротивление цепи возбуждения, которое зависит от сопротивления обмотки возбуждения и сопротивления регулировочного реостата R_р.

2.4. Ток нагрузки

I_н = I_a - I_в . (4.5)

2.5. Намагничивающая сила генератора

, (4.6)

где – н.с. основных полюсов; – н.с. обмотки якоря, которая состоит из продольной и поперечной составляющей . Явление, связанное с влиянием на , называется реакцией якоря. За счет результирующие магнитное поле уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС обмотки якоря, а соответственно и напряжения U_a. Поперечная составляющая искажает магнитное поле, что может привести к искрению между щетками и коллектором. Для устранения этого явления в машинах постоянного тока устанавливаются дополнительные полюса, н.с. которых компенсирует .

3. Домашнее задание

3.1. Ознакомиться (по учебнику и конспекту лекций) с принципом работы и устройством машины постоянного тока, внешними и регулировочными характеристиками и особенностями генераторов различных способов возбуждения. Попытаться ответить (устно) на вопросы к работе.

3.2. Подготовить бланк отчета, в котором:

а) начертить (схематично) поперечный разрез 2-х полюсной машины постоянного тока, указав ее основные части;

б) написать выражение для ЭДС и напряжения на якоре;

в) начертить принципиальные схемы генераторов параллельного и смешанного возбуждения, указав включение всех приборов;

г) записать номинальные данные генератора;

д) заготовить таблицы для записи результатов опытов, указать их содержание и условия выполнения опытов (например, регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения I_в = f(I_а) при U_а = const, n = const).

4. Лабораторное занятие

1. Ознакомиться со стендом. Записать паспортные данные генератора по табличке, укрепленной на корпусе.

2. Собрать схему генератора с параллельным возбуждением.

3. Собрать схему приводного двигателя и после проверки преподавателем произвести его пуск.

4. Возбудить испытуемый генератор и установить на нем при помощи регулировочного реостата R_в1 номинальное напряжение при холостом ходе (или заданное преподавателем).

5. Постепенно загрузить генератор до номинальной нагрузки, измеряя при этом ток якоря, ток возбуждения и напряжение на зажимах якоря. Замеры занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Вид характеристики	№ пп	Параллельное возбуждение			Смешанное возбуждение
					Соглас. включ.			встречное включ.
		Iв	Iн	Uа	Iв	Iн	Uа	Iв	Iн	Uа
		А	А	В	А	А	В	А	А	В
Внешняя	1 2 3 4 5
Регулировочная	1 2 3 4 5

4.6. Полностью разгрузить генератор и регулировочным реостатом снова восстановить номинальное напряжение (или заданное преподавателем), получив первую точку регулировочной характеристики.

4.7. Постепенно увеличивать нагрузку, поддерживая при помощи регулировочного реостата постоянное напряжение на якоре, произвести еще 5 замеров (данные занести в табл. 4.1).

4.8. Выключить приводной двигатель и собрать схему генератора смешанного возбуждения согласного включения двух обмоток с клеммами С₁, С₂ и Ш₁, Ш₂.

4.9. Произвести пуск приводного двигателя и снова проделать опыт с п. 4.4 по п. 4.7.

4.10. Выключить приводной двигатель и поменять местами клеммы подключения сериесной обмотки возбуждения С₁ и С₂. Проделать снова опыт с п. 4.4 по п. 4.7.

4.11. Выключить приводной двигатель и после проверки преподавателем полученных данных разобрать схему.

Л₂

Л₁

С₁

С₂

+Я₁

-Я₂

С₁

Ш₂

Ш₁

С₃

С₂

R_в1

Рис. 4.1

5. Обработка результатов

5.1. Внешние характеристики

По данным табл. 1 построить на одном рисунке три внешних характеристики для генератора с параллельным и смешанным возбуждением встречного и согласованного включения обмоток возбуждения. Для генератора смешанного встречного включения обмоток возбуждения внешняя характеристика носит более мягкий характер, т.е. напряжение уменьшается с ростом нагрузки более значительно, чем с параллельным и согласованным включением. Поэтому внешняя характеристика – это зависимость напряжения от тока нагрузки U_а = f(I_н) при неизменном сопротивлении регулировочного реостата в цепи возбуждения и неизменной частоте вращения приводного двигателя.

5.2. Регулировочная характеристика

Это зависимость I_в = f(I_н) при неизменном напряжении на зажимах генератора и неизменной частоте вращения приводного двигателя. По данным табл. 4.1 построить на одном рисунке три регулировочных характеристики для генератора с параллельным и смешанным возбуждением встречного и согласованного включения обмоток возбуждения. Регулировочные характеристики выражают закон регулирования тока возбуждения, т.е. как необходимо менять ток возбуждения, чтобы напряжение оставалось неизменным.

6. Контрольные вопросы

1. Как можно получить постоянное напряжение на зажимах генератора?

2. Начертить принципиальные схемы генераторов различных типов возбуждения.

3. Каковы необходимые условия самовозбуждения шунтового генератора?

4. Начертить эскиз магнитной цепи 4-полюсной машины постоянного тока.

5. Что сделать, если при выведении реостата возбуждения шунтовый генератор не возбуждается?

6. Почему при одном и том же токе напряжение различно при различных токах возбуждения?

7. Как определить процентное изменение тока и напряжения при номинальной нагрузке?

8. Объяснить различие регулировочных характеристик при различных токах возбуждения.

9. Основные причины падения напряжения на зажимах якоря генератора.

10. Назначение основных частей машины постоянного тока.

11. Основные законы электротехники, на которых основан принцип действия генераторов постоянного тока.

Литература

[1,§ § 13.1 – 13.3, 13.5, 13.6, 13.8 – 13.10; 2, § 11.1; 3, § § 1.1-1.2, 9.1 – 9.2, 9.4, 9.6].

Лабораторная работа №5