Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы АД.

2. Какие режимы работы существуют у АД ?

3. Каким образом осуществляется перевод АД в режим генераторного торможения ?

4. Каким образом осуществляется перевод АД в режим тормозного спуска ?

5. Каким образом осуществляется перевод АД в режим торможения противовключением ?

6. Каким образом осуществляется перевод АД в режим динамического торможения ?

7. Что характеризует величина скольжения у АД ?

8. Почему испытания АД проводятся на стенде при пониженном напряжении питания ?

9. В каких случаях в сельском хозяйстве применяются АД с фазным ротором ?

10. Как изменится момент АД при изменении напряжения питания ?

Лабораторная работа № 4 режимы пуска и динамического торможения асинхронных электродвигателей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Практически овладеть основными приемами подготовки и осуществления пуска АД с короткозамкнутым ротором при питании от трехфазной электрической сети. Изучить вопросы пуска, регулирования угловой частоты вращения и динамического торможения АД с фазным ротором.

ПРОГРАММА РАБОТЫ.

1.Научиться: определять «начало» и «конец» обмоток статора АД, включать его в трехфазную электрическую сеть при соединении обмоток статора в «звезду» и «треугольник».

2.Изучить вопросы пуска и регулирования угловой частоты вращения АД с фазным ротором.

3.Ознакомиться с режимом динамического торможения для АД с короткозамкнутым и с фазным ротором.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Трехфазные АД, особенно с короткозамкнутым ротором, отличаются простотой устройства, высокой надежностью в эксплуатации и невысокой стоимостью по сравнению с другими современными типами двигателей. По количеству и суммарной установленной мощности они занимают первое место среди других типов электродвигателей, используемых как в промышленности, так и в сельском хозяйстве.

Трехфазный АД состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. Сердечники статора и ротора выполняются из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковой пленкой или (для двигателей малой мощности) слоем окалины, образующейся на поверхности листа. На внутренней поверхности цилиндра статора имеются пазы, идущие параллельно оси ротора. В пазах статора размещены три его обмотки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 120⁰ . Каждая из обмоток статора состоит из одинакового количества секций. В зависимости от размещения этих секций в пазах статора и схемы соединения их между собой АД имеет различное количество пар полюсов – «р», образуемое обмотками статора. Начало и конец каждой обмотки статора, т.е. каждой его фазы, выведены на клеммную колодку электродвигателя. Соединяя обмотки отдельных фаз статора на клеммной колодке определенным образом можно получить схему включения АД в «звезду» или в «треугольник». Ротор АД представляет собой собранное из листовой стали цилиндрическое тело, укрепленное на валу двигателя, в пазах которого расположены обмотки. В зависимости от конструкции и способа соединения обмоток ротора АД подразделяются на двигатели с фазным и с короткозамкнутым ротором. АД с фазным ротором имеют на роторе, как и на статоре, три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120⁰ и с тем же количеством пар полюсов. Обмотки ротора АД всегда имеют одну схему соединения – «звезда». Свободные концы обмоток ротора подключены к трем контактным кольцам, установленным на валу электродвигателя и вращающимся вместе с валом. К этим контактным кольцам через металлографические щетки подключают трехфазный реостат. Тем самым замыкают каждую фазу обмотки ротора через активное сопротивление реостата, т.е. вводят добавочные сопротивления в цепь ротора АД. Электродвигатели с короткозамкнутым ротором имеют обмотку ротора в виде «беличьей клетки». Она выполнена из медных или алюминиевых стрежней и постоянно замкнута в лобовых частях ротора при помощи короткозамыкающих колец. «Беличья клетка» образует многофазную обмотку ротора, соединенную «звездой» и замкнутую накоротко. Количество фаз такой обмотки равно количеству стержней на роторе.

Работа АД основывается на принципе электромагнитного взаимодействия между вращающимся электромагнитным полем, которое создается системой трехфазного переменного тока, подводимого из электрической сети к обмоткам статора, и токами в роторе, наводимыми этим полем при пересечении его обмоток. Угловая скорость вращения электромагнитного поля, называемая синхронной скоростью АД, определяется как

ωо = , рад/с (4.1)

nо = , об/мин (4.2)

где f – частота сети, Гц; р – количество пар полюсов обмоток статора.

В зависимости от количества пар полюсов АД имеют различную синхронную скорость вращения – nо. Ее наиболее распространенные значения при питании от сети частотой 50 Гц приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

р	1	2	3	4	5
nо, об/мин	3000	1500	1000	750	600
ωо, рад/c	314	157	105	78,5	63

Для обеспечения паспортной мощности АД требуется подключить его к электрической сети по схеме «треугольник» - ∆ или «звезда» - Y, которая обеспечивает подведение номинального напряжения к обмоткам статора. В настоящее время наиболее распространенными значениями напряжения сети являются 380 В и 220 В. В табл. 4.2 приведены схемы соединения обмоток статора АД при различных напряжениях сети. В табл. 4.3 приведены общепринятые обозначения начала и конца всех трех обмоток статора, подключаемых к клеммной колодке электродвигателя.

Таблица 4.2.

Схема соединения	Напряжение сети
	220 В	380 В
220/127	Y	---
380/220	∆	Y
660/380	---	∆

Таблица 4.3.

Обмотка статора	Обозначение
	Начало	Конец
1-я фаза	С1	С4
2-я фаза	С2	С5
3-я фаза	С3	С6

На электрических схемах для указания начала любой обмотки ис

пользуют условное обозначение в виде точки, устанавливаемой рядом с графическим обозначением обмотки. Схема подключения обмоток статора АД к его клеммной колодке приведена на рис.4.1 а), схема соединения перемычек на клеммной колодке при включении обмоток «звездой» показана на рис.4.1 б), а «треугольником» - рис. 4.1 в).

Рис. 4.1. Схемы подключения обмоток статора АД:

а) – к клеммной колодке; б) – соединением «звезда»;

в) – соединением «треугольник».

Для соединения АД по схеме «звезда» (Y) – рис.4.1б) все концы обмоток статора – С4, С5, С6 (или все их начала – С1, С2, С3) объединяют при помощи перемычек вместе, а к свободным началам обмоток – С1, С2, С3 (или к их концам – С4, С5, С6) подводят напряжение трехфазной сети переменного тока – фазы А, В, С. Для соединения АД по схеме «треугольник» (∆) – рис.4.1в) обмотки статора соединяются при помощи перемычек вместе попарно – С1 и С6, С2 и С4, С3 и С5, а к местам их соединения подводят напряжение сети – фазы А, В, С. В обоих случаях все обмотки статора АД будут соединены согласовано и при подаче на них напряжения питания внутри него образуется вращающееся электромагнитное поле, создающее вращающий момент на валу двигателя.

Если в процессе эксплуатации или после ремонта АД произойдет разрушение клеммной колодки и будет отсутствовать маркировка начала – конца обмоток статора, то для правильного его подключения к электрической сети требуется определить сами обмотки и найти их начала. В противном случае обмотки статора АД могут быть подключены к сети неправильно и в результате вместо вращающегося электромагнитного поля будет получено пульсирующее поле, двигатель в этом случае не сможет развить паспортные значения момента и угловой скорости на валу. Определение выводов обмоток и нахождение их начала можно выполнить на постоянном и переменном токе различными методами.

В процессе эксплуатации электродвигателей требуется периодически проводить проверку сопротивления изоляции их обмоток относительно корпуса. Также прежде чем приступить к определению выводов обмоток статора требуется проверить сопротивление изоляции каждого вывода всех обмоток относительно корпуса двигателя. Сопротивление изоляции электроаппаратов проверяют при помощи мегомметра. Мегомметр имеет две клеммы для подключения исследуемого объекта, это клемма – Л, для подключения линии, и клемма – З, для подключения «земли». Для проведения измерений при нагрузке, подключенной к клеммам Л и З, требуется вращать рукоятку мегомметра, приводящую в работу внутренний генератор прибора. Отсчет значения сопротивления проводится по шкале мегомметра. Для электродвигателей с рабочим напряжением до 1000 В сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса и сопротивление изоляции между обмотками должно быть не менее 500 кОм, а сопротивление изоляции обмоток ротора – не менее 200 кОм при температуре 10…30 ⁰С.

При помощи мегомметра можно определить выводы, принадлежащие каждой обмотке. В этом случае при проведении измерений прибор покажет нулевое значение сопротивления цепи, т.е. «короткое», только для тех двух выводов, которые принадлежат одной и той же обмотке. Но определить начало – конец обмотки при помощи мегомметра нельзя.

Выводы обмоток можно также определить при помощи вольтметра или сигнальной лампочки на постоянном или переменном токе, выполнив проверку электрической цепи согласно схемам, приведенным на рис.4.2.

Рис. 4.2. Схемы определения выводов обмоток электродвигателя: а) – при помощи вольтметра; б) – при помощи сигнальной лампочки.

Для определения выводов обмоток двигателя при помощи вольтметра собирают электрическую схему согласно рис. 4.2а. Провод, идущий от сети, подсоединяют к одному из шести выводов обмоток статора. Проводом, идущим от вольтметра – PV, поочередно прикасаются к остальным выводам. Только в одном случае вольтметр покажет напряжение, равное напряжению сети, - следовательно, эти выводы принадлежат одной обмотке, а в остальных случаях его показания будут равны нулю.

Считая найденную обмотку первой и произвольно присвоив ее выводам значения С1 и С4, переходят аналогично к поиску оставшихся двух обмоток. Для определения выводов обмоток двигателя при помощи сигнальной лампочки собирают электрическую схему согласно рис. 4.2б). Поиск обмоток выполняется аналогично предыдущей схеме – в момент свечения сигнальной лампочки HL фиксируют выводы, принадлежащие одной обмотке.

Зная принадлежность выводов всех обмоток, следует перейти к определению их начала и конца. Для АД небольшой мощности (до 5 кВт) разрешается применять метод подбора, так называемый монтёрский метод. Суть этого метода заключается в том что, определив принадлежность выводов для каждой из трех обмоток статора, собирают схему соединения «звезда». Электродвигатель включают в сеть и наблюдают за его работой. Если электродвигатель работает нормально (без вибраций и развивает номинальную угловую скорость), то это означает, что в общую точку 0 попали все «концы» или «начала», т.е. его обмотки соединены согласованно. Если электродвигатель не развивает номинальной угловой скорости и его работа сопровождается рокотом – это означает, что одна из фаз оказалась «перевернутой», т.е. одна из обмоток статора включена несогласованно с другими двумя обмотками.

Следующим шагом надо поменять местами «начало» – «конец» первой обмотки и опять включить электродвигатель в сеть. Если вновь окажется несогласованное включение обмоток, то, отключив двигатель от сети, надо восстановить первоначальное положение «начало» – «конец» первой обмотки. Затем меняют местами «начало» – «конец» второй обмотки и включают электродвигатель в сеть. При необходимости эту операцию повторяют с третьей обмоткой электродвигателя.

Универсальным для всех мощностей электродвигателей является метод трансформации. Правильность обозначения «начало» – «конец» каждой обмотки проверяют следующим образом. Две произвольные обмотки статора включают последовательно на пониженное напряжение сети переменного тока, а к третьей обмотке подключают вольтметр или лампочку накаливания – рис. 4.3.

Если две обмотки, подсоединенные последовательно, включены согласованно - рис.4.3а, то вольтметр, подключенный к третьей свободной обмотке, не покажет напряжения.

Если две обмотки включены несогласованно – рис.4.3б, то вольтметр покажет наличие напряжения на третьей обмотке. Далее опыт повторяют аналогично рассмотренному, поменяв местами между собой третью и любую из двух первых обмоток.

Наиболее распространенными в промышленности и сельском хозяйстве АД являются двигатели, рассчитанные на напряжение сети 380 / 220 В и со схемой соединения обмоток статора «звезда» - рис. 4.1б).

Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором – ω = f(M) и его электромеханическая характеристика – ω = f(I) в двигательном режиме работы приведены на рис. 4.4а, где ωо – угловая скорость вращения электромагнитного поля; ωк – критическая угловая скорость, соответствующая максимальному моменту двигателя – Мк; Мп – пусковой момент двигателя; Iп – пусковой ток в обмотке статора.

Для АД с фазным ротором аналогичные характеристики приведены на рис. 4.4б, где «ЕМХ» - естественные характеристики построены при добавочном сопротивлении в цепи ротора Rр = 0, а для искусственных характеристик - R2 > R1.

Рис. 4.4. Характеристики асинхронного двигателя

а) – с короткозамкнутым ротором; б) – с фазным ротором.

Как следует из рис. 4.4а на участке ωо...ωк величина тока в обмотке статора двигателя прямо пропорциональна величине момента на его валу. При ω < ωĸ величина тока в обмотке статора АД практически не зависит от его нагрузки и примерно равна значению пускового тока двигателя – Iп. Значение пускового тока АД составляет Iп = (5…7)Iн, причем меньшие величины относятся к двигателям мощностью до 4 кВт, а большие – к двигателям большей мощности. Наличие больших пусковых токов является одним из основных недостатков АД. Особенно это существенно при затяжных пусках и при включении двигателей большой мощности (более 20…30 кВт). АД с фазным ротором, как следует из рис. 4.4б, позволяют за счет введения сопротивлений в цепь ротора уменьшить значение ωк, что позволяет уменьшить значение пускового тока и увеличить величину пускового момента.

Принципиальная схема включения АД с фазным ротором приведена на рис. 4.5, где Q – рубильник; РА – амперметр; М – АД с фазным ротором; Rр – трехфазный пусковой реостат. В качестве пусковых реостатов применяют: металлические масляные реостаты (для двигателей мощностью до 4 кВт); водяные реостаты (для двигателей мощностью десятки кВт). Изменяя сопротивления в цепи ротора можно также регулировать угловую скорость вращения ротора (рис.4.4б). Однако для регулирования скорости вращения в рабочем режиме нельзя использовать пусковые реостаты, т.к. они рассчитаны только на кратковременный режим работы под нагрузкой. Для этих целей необходимо использовать реостаты, предназначенные для длительного режима работы.

Для оборудования, требующего быстрой остановки или позиционирования, применяется режим динамического торможения АД. При переводе АД в режим динамического торможения его обмотки статора отключаются от электрической сети. В этом случае в двигателе остается лишь незначительный магнитный поток от остаточного намагничивания в стали статора. В роторе, вращающемся под действием запасенной кинетической энергии, этот поток наводит ЭДС и в нем возникает ток. Однако, из-за их малости, взаимодействие тока ротора и остаточного магнитного потока статора не могут создать сколько-нибудь значительного тормозного момента.

Для получения эффективного тормозного момента необходимо увеличить значение магнитного потока статора. Это может быть достигнуто подачей постоянного тока в обмотки статора или подключением к ним конденсаторов. В первом случае будет иметь место режим динамического торможения с независимым возбуждением, во втором – с самовозбуждением. Наибольшее распространение ввиду их высокой эффективности получили схемы динамического торможения АД с независимым возбуждением. Механические характеристики АД в двигательном режиме работы (квадрант I) и в режиме динамического торможения с независимым возбуждением (квадрант II) при различных сопротивлениях в цепи ротора (Rp) приведены на рис. 4.6.

При динамическом торможении с независимым возбуждением все обмотки статора АД отключаются от сети трехфазного тока. Любая обмотка статора или две из них подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, протекающий по обмоткам статора, создает неподвижный в пространстве магнитный поток. При вращении ротора под действием сил инерции этот магнитный поток индуктирует в роторе ЭДС, вызывающую появление тока. В результате взаимодействия неподвижного магнитного потока с током ротора возникает тормозной момент. Для получения различных тормозных характеристик используются добавочные сопротивления, включаемые в цепь ротора. Таким образом, запасенная кинетическая энергия при двигательном режиме работы в режиме динамического торможения переходит в тепловую энергию, выделяемую в роторе и добавочных сопротивлениях. В итоге двигатель затормаживается до полной остановки – рис .4.6. На рис. 4.6 показаны механические характеристики АД в режиме динамического торможения для двигателя с короткозамкнутым ротором – кривая 1 и для двигателя с фазным ротором – кривые 2, 3 при различных значениях добавочных сопротивлений в цепи ротора (Rp).