А. А. Бояркин, и.Н. Зянчурина, в. З. Комков

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

2007

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт»

А. А. Бояркин, и.Н. Зянчурина, в.З. Комков электротехнические устройства

Учебное пособие по лабораторному практикуму

Харьков «хаи» 2007

УДК 621.311. 6

УДК 621.313

Электротехнические устройства / А. А. Бояркин, И. Н. Зянчурина, В. З. Комков. – Учеб. пособие по лаб. практикуму. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун‑т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. – 49 с.

Описаны лабораторные работы по исследованию электрических машин, схем выпрямления, сглаживающих фильтров, стабилизаторов напряжения, преобразователей тока. Изложены краткие сведения по оборудованию лаборатории.

По каждой из лабораторных работ представлены краткие теоретические сведения, дана методика их выполнения и приведены вопросы для самостоятельной работы студентов.

Ил. 31. Табл. 15. Библиогр.: 5  назв.

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. А. Г. Сосков,

канд. техн. наук, доц. Ю.Ф. Свергун

 Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», 2007 г.

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЁХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Цель работы

Изучить конструкцию, принцип действия и основные рабочие характеристики асинхронного двигателя. Опытным путем определить ряд рабочих характеристик двигателя. Получить навыки в исследовании режимов работы двигателя.

Краткие теоретические и практические сведения

Т рехфазный асинхронный электродвигатель – наиболее простой по конструкции бесконтактный двигатель, применяющийся в основном в приводах с нерегулируемой скоростью вращения (привод подкачивающих насосов, вентиляторов, двигатели систем кондиционирования).

К онструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис. 3.1, схемное изображение – на рис. 3.2. В корпусе асинхронного двигателя 1 расположен шихтованный сердечник статора 2. На внутренней поверхности сердечника расположены пазы с трехфазной статорной обмоткой 3, на наружной поверхности шихтованного сердечника ротора 4 – пазы с короткозамкнутой обмоткой ротора 5. Вал ротора 6 вращается в подшипниках, закрепленных в торцевых щитах корпуса статора.

Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней 1 в пазах ротора, соединенных по торцам кольцами 2 из того же материала, что и стержни (рис. 3.3).

При подключении статорной обмотки двигателя к трехфазной сети создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется частотой питающей сети и числом пар полюсов обмотки p:

[об/мин]; [ ]. (3.1)

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники статорной и роторной обмоток и наводит в них соответственно ЭДС и . В статорной обмотке ЭДС направлена против питающего напряжения . В стержнях роторной обмотки под действием ЭДС начинают протекать токи. Взаимодействие токов роторной обмотки с вращающимся магнитным полем приводит к созданию вращающего электромагнитного момента . Рис. 3.4 иллюстрирует создание электро­магнитного момента в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором. Электромагнитные силы , действуя на проводники ротора по закону Ампера, приводят к созданию вращающего электромагнитного момента . ЭДС в роторной обмотке и ток наводятся только при пересечении вращающимся полем стержней роторной обмотки, когда . Если , т.е. частота вращения ротора достигает частоты вращения поля, то , и электромагнитный момент . Отставание вращения ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется величиной скольжения

(3.2)

Очевидно, при неподвижном роторе S = 1, а при S = 0. Обычно для номинального режима работы величина скольжения S составляет 0,02…0,05, т.е. частота вращения ротора незначительно меньше частоты вращения поля. Из выражения (3.2) частота вращения ротора

(3.3)

От величины скольжения зависят ЭДС, ток в роторе и величина электромагнитного момента. При неподвижном роторе в его обмотке индуктируется ЭДС:

(3.4)

где – число витков одной фазы роторной обмотки; – обмоточный коэффициент: – амплитуда вращающегося магнитного потока; – частота питающей сети, равная частоте ЭДС в роторе при .

По мере разгона ротора относительная частота вращения , с которой поле пересекает роторную обмотку, снижается, поэтому уменьшается и частота ЭДС в обмотке ротора :

(3.5)

Таким образом, частота ЭДС в обмотке ротора прямо пропорциональна скольжению. Тогда выражение для ЭДС запишется следующим образом:

(3.6)

З ависимость ЭДС в роторе от частоты вращения ротора иллюстрирует график (рис. 3.5). Ток в роторной обмотке определяется в соответствии с законом Ома для короткозамкнутой цепи ротора, обладающей активным и индуктивным сопротивлениями. При этом учитывается, что индуктивное сопротивление рассеяния роторной обмотки зависит от скольжения, определяющего частоту токов в роторе:

(3.7)

C увеличением скольжения ток роторной обмотки возрастает, хотя это возрастание сдерживается увеличением индуктивного сопротивления рассеяния ротора: .

Более детальное рассмотрение вопроса создания вращающего электромагнитного момента показывает, что

, (3.8)

где k – коэффициент пропорциональности;

– косинус угла между ЭДС и током роторной обмотки.

Очевидно, что с ростом скольжения величина уменьшается. Таким образом, в формуле момента (3.8) с ростом скольжения величина тока растет, уменьшается, а магнитный поток остается практически постоянным. Поэтому зависимость для асинхронного двигателя имеет характерный максимум (рис. 3.6). При скольжении двигатель развивает пусковой момент , который в общем случае может быть меньше номинального . Перегру зочную способность двигателя характеризует максимальный момент , который достигается при критическом скольжении .

При скольжениях работа двигателя будет устойчивой, так как любое увеличение, например, момента сопротивления, приведет к уменьшению скорости вращения ротора, увеличению скольжения и автоматическому увеличению вращающегося момента двигателя. При эти условия не выполняются, и эта часть характеристики соответствует неустойчивой работе двигателя.

Механическая характеристика (рис. 3.7) асинхронного двигателя ввиду линейной связи частоты вращения со скольжением получается путем построения зависимости .

Зависимость имеет максимум момента, пусковой момент при относительно невелик.

Для двигателей средней и большой мощности величина полезного момента на валу намного меньше величины электромагнитного момента. Номинальное значение полезного момента определяется по формуле

[Н∙м]. (3.9)

При подборе асинхронных двигателей обязательна проверка по величине пускового момента; при этом должно также выполняться условие

, (3.10)

где – момент сопротивления нагрузки на валу двигателя, – коэффициент кратности пускового момента.

Основные уравнения для обмоток и намагничивающих сил асинхронного двигателя аналогичны уравнениям трансформатора, так как электромагнитные процессы в них весьма близки по характеру, особенно при . Поэтому по аналогии с трансформатором для обмоток асинхронного двигателя записывают следующие уравнения:

а) для статорной

; (3.11)

б) для роторной

. (3.12)

Уравнение для намагничивающих сил статорной и роторной обмоток преобразуется в уравнение токов:

. (3.13)

Выражение (3.13) показывает, что ток статорной обмотки является функцией роторного тока и возрастает вместе с увеличением при увеличении скольжения.