Лабораторна робота №3

Конструкція, основні характеристики і випробування асинхронного двигуна

Мета роботи: вивчити конструкцію, основні характеристики і роботу асинхронного двигуна (АД), набути практичних навиків у визначенні його технічного стану і проведення випробування.

Програма роботи:

1. Вивчити методичні вказівки до роботи.

2. Ознайомитись з установкою для випробувань АД.

3. Записати з паспортної таблички дані АД.

4. Записати призначення основних частин АД та матеріали з яких вони будуються.

5. Зробити необхідні випробування АД.

6. Скласти звіт про виконану роботу згідно додатку, а по результатах випробувань зробити висновок про технічний стан АД.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

1.1. Принцип дії трифазного асинхронного двигуна.

Схема нерухомої частини АД, яку називають статором, подана на рис.1.1. В корпусі статора розміщується осердя статора АД, яке збирається з ізольованих лаком листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 чи 0,5 мм. В пази статора вкладається трифазна обмотка, що складається з трьох однакових однофазних обмоток.

Фазні обмотки (фази) складаються з витків мідного або алюмінієвого дроту, які з'єднуються між собою в "зірку" (умовне позначення Y) або трикутник (Δ). Початки обмоток окремих фаз статора позначають символами С1, С2, СЗ, а кінці відповідно С4, С5, С6. Обмотка кожної фази складаються з котушок, які уявляють собою один або декілька послідовно з'єднаних витків. Виток складають два активні провідника з'єднані послідовно. На рис. 1.1. кожна фазна обмотка (котушка) показана одним витком. Початки С1, С2, СЗ фазних обмоток (витків) відповідними клемами приєднуються до провідників мережі, а кінці С4, С5, С6 з'єднанні в загальну точку. Отримана, таким чином, схема обмотки з'єднана в "зірку". Прямолінійні частини витків, які вкладаються в пази, називаються активними частинами. Частини витків, що виходять за границю осердя, називаються лобовими частинами.

Фазні обмотки являються двохполюсними, оскільки пазові частини витків кожної фази розміщені по діаметру статора, і таким чином утворюють одну пору полюсів.

Як видно з рис.1.1 осі фаз трифазної обмотки зсунуті в просторі одна відносно одної на 360/m = 360/3 = 120° (m – число фаз). При вмиканні обмотки, що зображена на рис. 1.1, до трифазної мережі напруги, в її фазах протікають змінні струми І_А, І_В, І_С, які зсунуті у часі на 120° електричних градусів і змінюються по синусоїдному закону з частотою мережі f = 50 Гц. Вказані струми утворюють у фазних обмотках намагнічуючі сили (ампер-витки) F_A = I_AW, F_В = I_ВW, F_C = I_CW (W – число витків фазних обмоток). Намагнічуючи сили завдяки феромагнітному осердю статора, утворюють великі магнітні індукції В_А, В_В, В_С, і магнітні потоки Ф_А, Ф_В, Ф_С. Останні змінюються за синусоїдним законом зі зсувом у часі на одну третю періоду (120°) змінної напруги мережі, в наслідок чого максимум магнітних потоків перетинають фазні обмотки по черзі, наприклад, в наступній послідовності: фазу А, фазу В, фазу С. В наслідок максимуми магнітного потоку обертаються по колу статора. Таким чином, не зважаючи на те, що магнітне поле кожної фази є пульсуюче з частотою f = 50 Гц, результуюче магнітне поле статора АД обертається з частотою:

, (1.1)

де р – число пар полюсів.

Витки обмоток С1-С4, С2-С5, СЗ-С6, що зображені на рис.1.1, утворюють одну пару полюсів. Звідси частота обертання магнітного поля такої обмотки:

об/хв

Рис. 1.1. Електромагнітна схема статора асинхронного двигуна

Частота n_о називається синхронною частотою обертання магнітного поля АД. Оскільки кількість пар полюсів у різних двигунів може бути від 1 до 6 (р = 1; 2; 3; ...6), то синхронна частота обертання магнітного поля АД може мати відповідні значення: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/хв.

Циліндричний ротор АД збирають з ізольованих штампованих листів електротехнічної сталі. В пазах ротора розміщується неізольовані провідники постійно замкненої обмотки. Ротори з таким типом обмоток називають короткозамкнутими. Короткозамкнені ротори мають два конструктивних виконання: з обмоткою з вставних мідних стержнів (рис. 1.2а) і з литою обмоткою (рис. 1.2б). В першому виконанні стержні з'єднують один з іншим мідними замикаючими кільцями. Якщо умовно відкинути стальне осердя ротора, то обмотка стає схожою на клітку, тому такий тип обмотки називають "білячою кліткою" (рис. 1.2а).

Найбільше розповсюдження одержали двигуни, обмотка ротора яких виготовляється шляхом заливки пазів алюмінієм або його сплавами. Одночасно з стержнями обмотки відливаються і короткозамикаючі кільця з вентиляційними лопатками (рис. 1.2б). Таку будову мають майже усі сучасні АД потужністю від 1 до 300...400 кВт. Виготовлення обмотки методом заливки пазів алюмінієм дешевше, більш технологічне і потребує менше затрат робочого часу, ніж виготовлення обмоток з вставних стержнів.

Розглянемо механізм одержання електромагнітного моменту АД. Нехай обмотка статора АД, ротор якого не рухомий, підключається до трифазної мережі змінної напруги. Обертове магнітне поле статора через повітряний проміжок потрапляє в ротор і перетинає провідники обмотки, в зв'язку з чим в кожній обмотці наводиться електрорушійна сила (ЕРС) Е₂, частота якої дорівнює частоті мережі. Під дією ЕРС в замкненій обмотці ротора, завдяки особливо великій різниці в частоті обертання обертового поля відносно нерухомого ротора, виникає досить велика, так звана пускова сила струму І_п = (5...7) I_н.

Рис. 1.2 Короткозамкнуті ротори:

а) зварна "біляча клітка"

1 – стержень; 2 – кільце.

б) лита алюмінієва обмотка

1 – стержень; 2 – паз;

3 – кільце; 4 – осердя ротора;

5 – лопатка для обдуву і охолодження ротора.

Взаємодія магнітного поля статора Ф з магнітним потоком, що створений струмом ротора І₂, приводить до виникання електромагнітної сили і обертового моменту, що прикладається до ротора.

М ~ Ф·І₂· соs φ₂, Нм; (1.2)

де φ – кут зсуву по фазі між Е₂ і І₁.

Останній починає рухатися в напрямку обертання магнітного поля статора. Якщо обертаючий електромагнітний момент М більший, ніж момент опору М_с на валу двигуна, то частота обертання ротора АД почне зростати і досягне деякого сталого значення n, яке завжди менше від частоти магнітного поля статора. При однакових частотах обертання магнітного поля статора (n₀) і осердя ротора (n) обмотка останнього не перетинається обертовим магнітним полем обмотки статора і в ній не наводиться ЕPC, внаслідок чого АД не розвиває обертового моменту.

Важливим параметром, який використовують для оцінки різноманітних режимів АД, являється відношення:

, (1.3)

де S–ковзання ротора АД;

n₀ – значення обертів обертового магнітного поля;

n – значення обертів ротора АД.

Вираз (1.3) вказує на відносну швидкість руху ротора в магнітному полі статора і має назву ковзання асинхронного двигуна. В режимі холостого ходу двигун не знає протидіючих моментів (М_с = 0), а частота обертання ротора наближається до частоти обертання магнітного поля, тобто S ≈ 0.

Якщо ротор двигуна нерухомий (n = 0, a S = 1), то протидіючий момент М_с суттєво перевищує обертовий електромагнітний момент М і двигун знаходиться в режимі короткого замикання, значення струму в якому досягає значення (3...7) І_ном.

Ковзання, яке відповідає номінальному навантаженню двигуна, називається номінальним ковзанням і становить 0,06 – 0,1 (6 – 10%) для АД потужністю від 1 до 100 кВт, причому двигунам меншої потужності відповідає більше ковзання. При такому ковзанні двигун працює стало і розвиває номінальний електромагнітний момент М_н.

Для сталої роботи АД при змінному протидіючому моменту необхідно, щоб номінальний електромагнітний момент був меншим, ніж його максимально можливе значення (М_н < М_мах). В цьому випадку АД буде працювати стійко не тільки при номінальному навантаженні, але буде здатний витримувати деякі перевантаження, тобто мати перевантажувальну здатність, яка вимірюються відношенням максимального моменту М_мах до номінального. Для АД загального застосування:

(1.4)

В теорії електричних машин вирази електромагнітного моменту і струму АД мають наступні вигляди:

, А (1.5)

, A (1.6)

де m₁,р – відповідно число фаз і полюсів статорної обмотки;

U₁(B),f₁(Гц) – напруга і частота мережі живлення;

S – ковзання;

r₁,х₁– активний і індуктивний опір фазних обмоток статора, Ом;

r₂,х₂– активний і індуктивний опори короткозамкнутої обмотки ротора, приведені до обмотки статора, Ом.

Для АД, що знаходиться в експлуатації, такі параметри якm₁, Р₁, r₁,x₁,r₂,x₂, також ковзання S при номінальному моменті опору і частоті f₁ мережі, можна рахувати величинами сталими. В зв'язку з цим обертаючий момент, буде пропорційним квадрату підведеної до двигуна напруги:

М ~ U²,[Н·м] (1.7)

Отже АД дуже чутливий до різного роду змін напруги у мережі живлення. Так, наприклад, при зменшенні напруги на 10% обертаючий електромагнітний момент зменшується вже на 19% (так як нове значення напруги буде дорівнювати 0,9U₁, a нове значення обертаючого моменту відносно номінального буде дорівнювати 0,81М).

З виразу (1.6) видно, що зі зменшенням напруги U₁, пусковий струм також зменшиться, що позитивно впливає на пускові властивості двигуна. Але одночасно викликає, як було вже показано, зменшення пускового моменту.

Одночасне зменшення пускового струму І_п і збільшення електромагнітного моменту досягається шляхом збільшення активного опору кола ротора r₂.