Контрольные вопросы

1. Как определить угловую скорость вращения электромагнитного поля асинхронного двигателя ?

2. Как проверить сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и определить пригодность его включения в электрическую сеть ?

3. Какие существуют способы определения выводов обмоток электродвигателей ?

4. Какие существуют способы определения начало-конец обмотки АД ?

5. Как подключаются обмотки статора АД на клеммной колодке и как осуществляются на ней соединения для его включения в ∆ и Y ?

6. В чем заключаются преимущества при пуске АД с фазным ротором по сравнению с АД с короткозамкнутым ротором ?

7. Какое назначение пусковых реостатов у АД ?

8. Как регулируют угловую частоту вращения АД с фазным ротором?

9. Как перевести АД в режим динамического торможения ?

10. Какие применяются схемы соединения обмоток статора и ротора?

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ МАЛОМОЩНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить способы облегчения пусковых режимов АД, работающих в условиях сельскохозяйственного производства. Изучить влияние величины напряжения питания на механические и электромеханические характеристики АД.

ПРОГРАММА РАБОТЫ.

1. Изучить влияние параметров источников электроснабжения на рабочие характеристики АД.

2. Изучить способы снижения пусковых токов АД при их питании от маломощных источников электроснабжения.

3. Исследовать экспериментальные характеристики АД при его пуске путем переключения обмоток статора по схеме «звезда-треугольник». Построить механические характеристики АД для этих схем соединения.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

В основном сельскохозяйственные источники электроснабжения являются маломощными (мощность трансформаторной подстанции составляет, как правило, 100…250 кВт), сельские электрические линии со стороны напряжения 220/380 В являются протяженными и обладают большим сопротивлением проводов. В этих случаях при пуске АД, имеющих 5…7 кратное значение величины пускового тока, наблюдается значительное снижение величины напряжения у потребителей, что отрицательно сказывается на режиме пуска включаемого электродвигателя и на работе других электроприемников. Для электродвигателей сельскохозяйственных электроприводов в рабочем режиме допустимые отклонения величины напряжения питания составляют от -5 % до + 5 %. При пуске АД с короткозамкнутым ротором допускается снижение величины напряжения на его зажимах до 70 % (при условии обеспечивания запуска системы электродвигатель – рабочая машина), для остальных работающих от данной электрической сети АД в этом случае оно может снижаться до 80 % от номинального значения. Применительно к объектам сельскохозяйственного производства на пуск и работу АД снижения величины напряжения в электрической сети сказываются уже при мощности электродвигателя от 10 кВт и более.

АД с короткозамкнутым ротором в зависимости от конструктивного исполнения обмоток ротора имеют различные механические – ω = f(M) и электромеханические – ω f(I) естественные характеристики, показанные на рис. 5.1, где 1 – для двигателей общего исполнения; 2 – для двигателей с повышенным пусковым моментом; 3 – для двигателей с повышенным скольжением; 4 – для двигателей с повышенными значениями пускового момента и скольжения.

Рис. 5.1. Естественные характеристики АД с короткозамкнутым ротором:

механические ω = f(М) и - - - электромеханические ω = f(I).

При выборе мощности электродвигателя его модификация определяется технологическими требованиями и характером механической характеристики рабочей машины. При выборе двигателя по пусковому и перегрузочному моментам необходимо учитывать влияние на момент электродвигателя колебания величины напряжения на обмотке статора. Момент АД пропорционален квадрату напряжения. Как следует из рис. 5.1 АД общего исполнения имеют большие кратности пускового тока, что в условиях работы от маломощных источников электроснабжения приводит к недопустимым снижениям величины напряжения в сети при их пуске.

Рис. 5.2. Схемы ограничения тока статора и момента АД с короткозамкнутым ротором: а – при помощи активных резисторов R; б – при помощи индуктивностей (реактивных резисторов) L; в – при помощи автотрансформатора Т.

Для ограничения значений пусковых токов АД с короткозамкнутым ротором и уменьшения пусковых моментов электроприводов применяются различные способы подключения обмоток статора к электрической сети, приведенные на рис. 5.2.

Принцип работы всех трех схем ограничения пусковых токов статора АД с короткозамкнутым ротором (рис. 5.2) одинаковый. Он заключается в том, что пуск электродвигателя осуществляется в два этапа. Вначале срабатывает магнитный пускатель КМ1 и на обмотки статора, включенные по схеме «звезда», подается пониженное напряжение питания. Происходит пуск АД, затем система электродвигатель - рабочая машина при пониженном напряжении питания разгоняется до установившейся угловой частоты вращения, близкой к номинальной. Затем включением магнитного пускателя КМ2 на обмотки статора АД подается номинальное напряжение сети, двигатель переходит работать на «ЕМХ». При отключении АД магнитные пускатели КМ1 и КМ2 отключаются одновременно. Применение рассмотренных схем (рис. 5.2) усложняет и удорожает установку, а поэтому должно использоваться только там, где это обосновано.

Широкое распространение, в том числе и для сельскохозяйственных установок, получил способ снижения пусковых токов АД с короткозамкнутым ротором, основанный на переключении обмоток статора со схемы соединения «звезда» (Y) на схему соединения «треугольник» (∆). При этом линейное напряжение сети в нормальном режиме работы подается на каждую из обмоток статора электродвигателя. Поэтому для электрической сети 3х фазного переменного тока напряжением 380/220 В (линейное напряжение 380 В) надо применять АД, рассчитанные на напряжение 660/380 В. В сетях с линейным напряжением 220 В (т.е. 220/127 В) применяют электродвигатели на напряжение 380/220 В. Схема ограничения пусковых токов АД с короткозамкнутым ротором переключением его обмоток статора со «звезды» на «треугольник» (Y → Δ) приведена на рис. 5.3, а его механические и электромеханические характеристики – на рис. 5.4.

Работа схемы, представленной на рис. 5.3, осуществляется следующим образом.

Рис. 5.4. Характеристики АД при переключении обмоток статора «Y→∆»:

механические: 1– рабочей машины ω = f1(M); 2 – АД для схемы «∆» и номинальном напряжении при пуске ω = f2(M); 3 – АД для схемы «∆» с учетом снижения напряжения при пуске ω = f3(M); 4 - АД для схемы «Y» и номинальном напряжении при пуске ω = f4(M); - - - электромеханические: 5 - для схемы «∆» ω = f5(I); 6 - для схемы «Y» ω = f6(I).

К клеммной колодке электродвигателя М подключены выводы его обмоток статора С1 – С6. При пуске АД вначале срабатывает магнитный пускатель КМ1 и обмотки статора подключаются к сети по схеме соединения «звезда». В этом случае на них подается напряжение, меньшее в раза номинального значения, и АД работает на искусственной механической характеристике. Происходит разгон системы электродвигатель – рабочая машина до установившейся угловой частоты вращения. Затем магнитный пускательКМ1 отключают, а только после этого включают магнитный пускатель КМ2. Контакты магнитного пускателя КМ2 подключают обмотки статора к сети по схеме «треугольник» и АД переходит к работе на «емх». Для отключения АД от сети надо отключить только магнитный пускатель КМ2.

На рис. 5.4 точка “а” – соответствует рабочей точке системы электродвигатель – рабочая машина для схемы «Y»; точка “б” – соответствует рабочей точке системы электродвигатель – рабочая машина для схемы «∆»; точки “в и г” – это значения токов обмотки статора АД для рабочих точек “а и б” соответственно.

Рассмотрим, как изменяются величины токов и моментов АД с короткозамкнутым ротором при его пуске для соединения обмоток статора по схемам «треугольник» и «звезда». Для 3х фазной электрической сети переменного тока напряжением 380/220 В в этом случае надо использовать электродвигатель, рассчитанный на напряжение 660/380 В и имеющий значение номинального напряжения обмоток статора 380 В.

При прямом пуске АД по схеме «треугольник» к обмоткам статора прикладывается напряжение сети – Uc = 380 В, а его пусковой ток равен

, (5.1)

где Zk – сопротивление короткого замыкания электродвигателя.­

При пуске АД по схеме «звезда» к обмоткам статора прикладывается напряжение, равное U = , а его пусковой ток равен

. (5.2)

Момент на валу АД при схеме «треугольник» соответствует «ЕМХ», обозначим его текущее значение - М∆ , оно получено при напряжении на обмотках статора – Uc. Для схемы «звезда» напряжение на обмотках статора – U = , а момент двигателя - М_Y в этом случае равен

. (5.3)

Способ пуска АД с короткозамкнутым ротором переключением его обмоток статора по схеме «Y → Δ» позволяет в 3 раза уменьшить значение пусковых токов, однако при этом одновременно в 3 раза снижается вращающий момент двигателя. Он применяется для рабочих машин, пускаемых на холостом ходу или имеющих малую величину момента трогания.

УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Ознакомиться со стендом лабораторной установки, состоящим из: QF1 – автоматического выключателя, предназначенного для подачи 3х фазного напряжения переменного тока на АД; QF2 – автоматического выключателя, предназначенного для подачи напряжения постоянного тока 110 В на электромагнитный тормоз; М – АД с короткозамкнутым ротором, обмотки статора которого выведены на клеммную колодку и обозначены выводами С1 – С6; YB – электромагнитного тормоза, установленного на валу АД и создающего момент нагрузки; РА и РV – соответственно амперметра и вольтметра, включаемых в цепи электропитания АД; BR – тахогенератора, установленного на валу АД; R – трех активных резисторов, включаемых последовательно с обмотками статора АД; КМ1 и КМ2 – электромагнитных пускателей; SB1, SB2, SB3 – кнопочной станции управления; QA –универсального переключателя, служащего для переключения соединения обмоток статора АД при пуске по схеме «Y → Δ».

2. Изучить пуск АД с резисторами в цепи обмоток статора.

2.1. Собрать схему согласно рис. 5.5 для изучения способа облегчения пусковых режимов АД с короткозамкнутым ротором при помощи активных резисторов – R. При сборке схемы соединить обмотки статора АД по схеме «треугольник». При кратковременном нажатии кнопки SB1 получает питание катушка магнитного пускателя КМ1, после ее срабатывания контакты КМ1 блокируют кнопку SB1 (т.е. эту кнопку можно отпустить) и подают питание через резисторы R на обмотки статора электродвигателя М (в этом случае обмотки подключены на пониженное напряжение). При кратковременном нажатии кнопки SB2 получает питание катушка магнитного пускателя КМ2, после ее срабатывания контакты КМ2 блокируют кнопку SB2 и замыкают резисторы R (в этом случае обмотки подключены на полное напряжение сети). При кратковременном нажатии кнопки SB3 катушки магнитных пускателей КМ1 и КМ2 обесточиваются, их контакты размыкаются (в этом случае обмотки электродвигателя отключены от сети, а резисторы R – разомкнуты), при отпускании кнопки SB3 состояние всех элементов схемы не изменится.

2.2. Включить автоматический выключатель QF1. Включить автоматический выключатель QF2 и установить величину нагрузки электромагнитного тормоза YB, равную нулю (это режим холостого хода). Включить кнопкой SB2 магнитный пускатель КМ2, т.е. замкнуть резисторы R. Включить кнопкой SB1 магнитный пускатель КМ1 и осуществить прямой пуск АД, обмотки которого соединены в «треугольник». Во время пуска АД и его разгона до установившегося режима зафиксировать по амперметру – РА, вольтметру – PV и тахогенератору - BR значения измеряемых величин (обязательно в начальный момент пуска и при установившемся режиме). Показания приборов записать в табл. 5.1. Отключить кнопкой SB3 магнитные пускатели КМ1 и КМ2. Повторить опыты под нагрузкой АД (установить величину нагрузки АД при помощи электромагнитного тормоза YB).

Таблица 5.1.

Пара-метры	Рис. 5.5					Рис. 5.6
	прямой пуск		пуск с резисторами		пуск по схеме «∆»			пуск по схеме «Υ»
	холостой ход	с нагрузкой	холостой ход	с нагрузкой	холостой ход		с нагрузкой	холостой ход	с нагрузкой
U, B
Iпуск, А
Iуст, А
nкон, об/мин

2.3. Установить режим нагрузки тормозом YB - холостой ход, включить кнопкой SB1 магнитный пускатель КМ1 и запустить двигатель в работу при ограничении пускового тока резисторами R. Во время пуска записать показания приборов (аналогично п.2.2) в табл. 5.1. После достижения АД установившегося режима нажатием кнопки SB2 включить магнитный пускатель КМ2 (перейти на «ЕМХ» двигателя) и зафиксировать броски тока и напряжения. Повторить опыты под нагрузкой АД (установить величину нагрузки АД при помощи электромагнитного тормоза YB). Отключить автоматические выключатели QF1 и QF2, разобрать электрическую схему.

3. Изучить пуск АД переключением обмоток статора по схеме «Υ→∆».

3.1.Собрать схему согласно рис. 5.6 для изучения способа облегчения пусковых режимов АД с короткозамкнутым ротором переключением обмоток статора - «звезда – треугольник». В качестве коммутационного аппарата в этой схеме применяется универсальный переключатель QA, рассчитанный на коммутацию токов до 16…25 А. Этот переключатель имеет три рабочих положения: «0» - отключено, все цепи разомкнуты; «Y» - обмотки статора АД соединены по схеме «звезда» и на них подано напряжение сети; «∆» - обмотки статора АД соединены по схеме «треугольник» и на них подано напряжение сети. Переводя рукоятку переключателя QA в требуемое положение, замыкают соответствующие контакты, замыкаемые цепи в каждом из положений показаны на схеме символом точки.

3.2. Установить переключатель QA в положение «0». Включить автоматические выключатели QF1 и QF2. Установить режим нагрузки тормозом YB – холостой ход. Перевести переключатель в положение «∆», АД будет включен по схеме «треугольник». Во время пуска АД и его разгона до установившегося режима зафиксировать показания приборов и записать их в табл. 5.1 (аналогично п. 2.2). Повторить опыты под нагрузкой, величина которой задается тормозом YB. Установить переключатель QA в положение «0», т.е. отключить электродвигатель М от сети.

3.3. Установить режим нагрузки тормозом YB – холостой ход. Перевести переключатель QA в положение «Y», АД будет включен по схеме «звезда». Во время пуска записать показания приборов в табл. 5.1. После достижения АД установившегося режима перевести переключатель QA в положение «∆» (двигатель будет включен по схеме «треугольник») и зафиксировать броски тока и напряжения. Повторить опыты под нагрузкой АД (установить величину нагрузки АД при помощи электромагнитного тормоза YB). Установить переключатель QA в положение «0», т.е. отключить электродвигатель М от сети.

3.4. Снять электромеханические характеристики АД при его пуске по схеме «Y» и «∆» - ω = f(I). Эти характеристики снимают для 5…6 значений угловой частоты вращения ротора, они выбираются произвольно (желательно шаг ее изменения установить во всех опытах примерно одинаковым). Данные измерений записываются в табл. 5.2. Вначале переводят переключатель QA из положения «0» в положение «Y» и электромагнитным тормозом YB устанавливают наименьшую угловую частоту вращения ротора АД. Записывают данные для схемы «Y» в табл. 5.2. Затем быстро переводят переключатель QA в положение «∆», записывают данные для схемы «∆» в табл. 5.2 (во избежание перегрева обмоток двигателя этот шаг измерений надо проводить как можно быстрее) и быстро переводят переключатель QA в положение Y. Потом устанавливают тормозом YB следующее значение угловой частоты вращения и повторяют все действия вновь. По окончании опытов установить переключатель QA в положение «0», т.е. отключить автоматические выключатели QF1 и QF2, разобрать электрическую схему.

Таблица 5.2.

№ п.п.		1	2	3	4	5	6
Схема Y	n,об/мин
	U, B
	I, A
Схема ∆	n,об/мин
	U, B
	I, A

3.5. Собрать схему согласно рис. 5.7 и изучить ее работу при пуске АД переключением обмоток статора - «звезда-треугольник», используя электромагнитные пускатели КМ1, КМ2 и кнопочную станцию управления SB1, SB2, SB3. Данная схема применяется для пуска АД мощностью более 10 кВт, т. к. ручная коммутационная аппаратура не позволяет переключать цепи с нагрузкой по току более 25 А. При нажатии кнопки SB1 включается магнитный пускатель КМ1 и соединяет обмотки статора АД по схеме «звезда», одновременно размыкающие контакты КМ1 разрывают цепь питания катушки КМ2. Включить АД по схеме «треугольник» можно только сначала нажав кнопку SB3, а затем через нажатие кнопки SB2 подать питание на катушку КМ2 (одновременно размыкающие контакты КМ2 разрывают цепь питания катушки КМ1).

Рис. 5.7. Схема пуска АД «звезда-треугольник» на магнитных пускателях.

В этой схеме используются электрические блокировки (размыкающиеся контакты КМ1 и КМ2) для исключения одновременного включения катушек КМ1 и КМ2, приводящего к короткому замыканию на клеммной колодке электродвигателя. Выключение АД производится кратковременным нажатием кнопки SB3.

После завершения работы отключить автоматические выключатели QF1 и QF2, разобрать электрическую схему.

4. Рассчитать и построить на отдельном рисунке механические и электромеханические характеристики АД при его пуске по схеме «Y→∆» (аналогичные характеристикам рис. 5.4).

4.1. Естественная механическая характеристика АД при его включении по схеме «треугольник» - кривая ω = f2(M) строится на основе каталожных данных по пяти характерным точкам:

Рн – номинальная паспортная мощность, Вт;

nн – номинальная частота вращения, об/мин;

р – число пар полюсов обмотки статора;

–кратность пускового момента;

–кратность минимального момента;

–кратность максимального момента.

1 точка: ω1 = ωо = =,М1 = 0.

2 точка: ω2 = ωн = =0,105 nн, М2 = Мн = .

3 точка: ω3 = ωк, ωк = ωо (1 - sк), sк = sн  (μк +,

М3 = Мк = μк  Мн.

4 точка: ω4 = ωmin = ωо / 7, М4 = Мmin = μm  Мн.

5 точка: ω5 = 0, М5 = Мп = μп  Мн.

4.2. Механическая характеристика АД при его включении по схеме «звезда» с учетом изменения величины напряжения на двигателе при пуске - кривая ω = f3(M) строится согласно экспериментальных данных. Для ее построения надо выполнить перерасчет точек «ЕМХ» по формуле

М2 = К²  М1 , (5.4)

где К = U / Uc – коэффициент пропорциональности, учитывающий снижение величины напряжения на обмотках статора (значения напряжения U берутся из табл. 5.1 и 5.2).

4.3. Механическая характеристика АД при его включении по схеме «треугольник» - ω = f4(M) строится перерасчетом точек «ЕМХ» по выражению 5.4 при К = .

4.4. Электромеханические характеристики АД для его включения при пуске по схемам «треугольник» - ω = f5(I) и «звезда» - ω = f6(I) строятся согласно экспериментальным данным в табл. 5.1 и 5.2.

4.5. Для полученных в п.2, 3, 4 результатов выполнить анализ по использованию различных способов облегчения пусковых режимов АД с короткозамкнутым ротором.