I. Программа работы

1. Ознакомление с конструкцией и паспортными данными трехфазного асинхронного двигателя.

2. Управление двигателем: пуск, изменение направления вращения, регулирование частоты вращения при заданной нагрузке.

3. Снятие характеристик n=f(I) двигателя с короткозамкнутым ротором и при различных сопротивлениях в цепи ротора.

4. Снятие механических характеристик n=f(M).

II. Общие сведения и описание установки

Асинхронные трехфазные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором наиболее распространены по сравнению с АД фазным ротором, так как, имея одинаковые рабочие свойства с двигателями с фазным ротором, проще, надежнее и имеют лучшие коэффициенты мощности и полезного действия. Однако они имеют худшие пусковые характеристики (большой пусковой ток) и ограниченные возможности регулирования частоты вращения. Поэтому в случаях, когда отсутствует преобразователь, но необходим управляемый пуск при питании от сети или регулирование частоты вращения путем изменения механической характеристики (двигатели малой мощности), применяются двигатели с фазным ротором.

Асинхронный двигатель типа 102.1 в режиме синхронный машины с фазным ротором состоит из неподвижной части (статора) и вращающейся (ротора). Статор представляет собой полый цилиндр из пакетов электротехнической стали, на внутренней поверхности которого имеются пазы для обмотки, параллельные оси цилиндра.

В пазах уложена в виде отдельных катушек (секций) трехфазная обмотка. Фазные обмотки смещены вдоль окружности статора на 120/pградусов (р – число пар полюсов). Начала(U1, V1, W1), концы(U2, V2, W2), и нулевой вывод (N) обмотки выведены на щиток машины и снабжены маркировкой (рис. 1.1). Обмотку статора можно легко включать звездойYили треугольником(изменяя расположение перемычек на щитке). Номинальное напряжение на фазе обмотки 127 В.

Рис. 1.1. Рис.1.2

Ротор выполняется в виде цилиндра из пакетов электротехнической стали с пазами. В пазах ротора укладывается фазная обмотка. Фазная обмотка выполняется аналогично статорной, соединяется звездой и начала фаз (Р₁, Р₂, Р₃) выводятся на контактные кольца. Через щетки, наложенные на контактные кольца, в цепь ротора может включаться пусковой пли регулировочный реостат.

В двигателях, изготовляемых в европейских странах начала статорных и роторных обмоток обозначаются соответственно как U₁, V₁, W₁иF₁, F₂, F₃.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока в машине возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется только числом пар полюсов pи частотой токаf₁и называется синхронной частотой вращения

. (1)

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них ЭДС Если роторная обмотка замкнута, то возникающий в ней ток I₂во взаимодействии с полем статора Ф создаст вращающий момент

, (2)

где с_М– конструктивный коэффициент;₂– сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора.

Для возникновения вращающего момента необходимо, чтобы ротор вращался с частотой, отличной от частоты вращения поля. Эта разница выражается в отношении ее к частоте вращения магнитного поля и называется скольжением

. (3)

ЭДС ротора, а следовательно токи ротора и статора, зависят от скольжения:

, (4)

, (5)

где Е₂– ЭДС неподвижного ротора;R₂,x2– активное и индуктивное сопротивления неподвижного ротора.

Ток статора

, (6)

где – ток неподвижного ротора, приведенный к напряжению статора, или нагрузочная составляющая тока статора.

Изменение нагрузки на валу двигателя приводит к изменению скольжения s, ЭДС ротора, токов ротора и статора и вращающего момента.

Частота вращения двигателя из формулы (3):

. (7)

Для нормальных двигателей номинальные значения скольжения s_н= 0,01…0,05, а следовательно, номинальная частота вращения близка к синхроннойn_н=(0,99…0,95)n₀.

Связь между вращающим моментом и скольжением определяется зависимостью

, (8)

где R₁,R₂’ – активные сопротивления фазы статорной и роторной (приведенной к напряжению статора) обмоток;x_к– индуктивное сопротивление короткого замыкания; U₁– фазное напряжение.

График уравнения (8) приведен на рис. 1.2. Рабочий участок характеристики определяется интервалом моментов 0≤М≤М_m. Из характеристики M=f(s) могут быть определены: критическое скольжениеs_крпри М=М_m, кратность максимального моментаk_m=M_m/M_н, называемая перегрузочной способностью, и кратность пускового момента k_п=M_п/M_н. Величины k_m, k_пприводятся в каталогах на асинхронные двигатели.

Рис. 1.2

По формуле момента в относительных единицах

, (9)

паспортным данным и k_mможно построить характеристикуM=f(s), вычислив предварительно

. (10)

Аналогичная характеристика, построенная в координатах n=f(M), называется механической характеристикой. Характеристика приR_p=0 (рис. 1.3) называется естественной.

Рис.1.3

Механическая характеристика может быть получена опытным путем увеличением нагрузки двигателя. Однако при этом нужно помнить, что в интервале скольжений s_н<s≤s_крток статора приближается к пусковомуI_п=(4…7)I_н, оставаясь таким при скольжениях, s_кр≤s≤l.

Свойства асинхронного двигателя определяются его рабочими характеристиками, т.е. зависимостью тока статора I₁, потребляемой мощности P₁, частоты вращенияnи скольженияs, момента М, коэффициента мощностиcos₁, коэффициента полезного действияот мощности на валуP₂при постоянных напряжении U₁, частотеf₁и замкнутом накоротко роторе. Примерный вид характеристик приведен на рис.1.4.

Рис. 1.4

Следует отметить зависимость I₁=f(P₂), по которой видно, что ток холостого хода асинхронных двигателей относительно велик (составляет (0,3…0,5)I_1н), что объясняется наличием воздушного зазора в магнитной цепи машины.

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором производится при помощи пускового реостата R_р, включаемого в цепь ротора. Реостат позволяет уменьшить пусковой ток и увеличить пусковой момент, а также обеспечить необходимую плавность пуска.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляется включением активного сопротивления R_рв цепь ротора. Включение сопротивления увеличивает критическое скольжение

,

или, пренебрегая активным сопротивлением статора R₁=0,

(11)

и не изменяет максимального момента, т.е. вызывает смещение механических характеристик (см. рис.1.3). Как видно из формулы (8), при постоянном моменте сопротивления M_с=constдолжно остаться неизменным соотношениеR^’₂/s=(R^’₂+R^’_р)/s^’=const. Следовательно, скольжение s^’при включении реостата увеличится пропорционально увеличению сопротивления:

. (12)

Недостаток реостатного регулирования частоты вращения – потери энергии в реостате, снижение КПД и увеличение наклона механических характеристик.

Для исследования нагрузка двигателя обычно осуществляется генератором постоянного тока с независимым возбуждением, нагружаемым на реостат R_н(рис. 1.5).

Рис. 1.5

Потребляемая асинхронным двигателем мощность

, (13)

где k_ТТ– коэффициент трансформации трансформаторов тока, через которые включен ваттметр; W – показания ваттметра в ваттах.

Полезная мощность вычисляется по приближенному значению КПД, которое определяется из предположения, что КПД одинаковых по мощности машин при одинаковой нагрузке примерно одинаков =_Г, тогда КПД агрегата

,

откуда

. (14)

Полезная мощность (на валу)

. (15)

Вращающий момент в Н м

, (16)

где – угловая частота вращения ротора;n– частота вращения, определяемая по вольтметру V_ТГ,n=U_ТГ С_Vтг, об/мин.

Частота тока в роторе

. (17)

Коэффициент мощности

. (18)