7 Лабораторная работа № 7. Испытание трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Тема: асинхронные машины.

Цель работы:

Ознакомление с конструкцией и экспериментальное определение параметров и характеристик асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором.

Краткие теоретические сведения

К асинхронным относятся машины переменного тока, частота вращения ротора n₂ которых при постоянной частоте переменного тока источника f меняется с изменением нагрузки и отличается от синхронной, т.е. от частоты вращения магнитного поля статора n₁ (n₂ n₁). Отсюда и название «асинхронный» - неодновременный. Асинхронные машины, как и все электрические машины, обладают свойством обратимости, т.е. могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Асинхронные двигатели имеют значительные преимущества по своим свойствам, характеристикам и эксплуатационным данным перед двигателями других типов. Такие двигатели могут быть однофазными, двухфазными и трехфазными; наибольшее распространение имеют трехфазные двигатели.

Т рехфазный асинхронный двигатель (рис. 7.1) состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора 1 и вращающегося ротора 2. Назначение статора – создавать вращающееся магнитное поле машины с помощью трехфазной обмотки, питаемой трехфазной системой токов. Назначение ротора – преобразовывать электрическую энергию в механическую вращательного движения с помощью индуцированной э.д.с. и токов в его обмотке. Статор асинхронного двигателя состоит из корпуса – станины, стального сердечника и трехфазной обмотки. Корпус двигателя отливается из чугуна или стали, а при малых мощностях машины – и из сплава алюминия. Между корпусом и сердечником имеется воздушное пространство для охлаждения двигателя во время работы. Сердечник статора является частью магнитопровода машины. Изготовляется в виде полого цилиндра, набранного из тонких листов электротехнической стали (толщиной 0.35 или 0.5 мм, изолированных друг от друга лаком). На внутренней поверхности сердечника есть продольные пазы, симметрично расположенные по окружности для размещения и закрепления в них трехфазной обмотки.

Трехфазная обмотка статора асинхронной машины служит для создания в ней магнитного поля. Она размещается в пазах сердечника статора. Концы этих обмоток выводятся на щиток. Обмотка статора может соединяться звездой или треугольником.

Ротор асинхронного двигателя состоит из вала, стального сердечника – магнитопровода и обмотки. Сердечник ротора, как и сердечник статора, представляет собой полый цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали с пазами, в которые укладывается обмотка. Обмотка ротора может быть выполнена короткозамкнутой или фазной. В зависимости от этого асинхронные машины делятся на два вида: с короткозамкнутой обмоткой ротора и с фазной обмоткой ротора.

Короткозамкнутый ротор имеет обмотку типа «беличьей клетки» из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора и с торцов замыкаются накоротко кольцами из того же материала. Для двигателей мощности до 100 кВт такая обмотка изготавливается путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием, при этом одновременно формируются замыкающие кольца и вентиляционные крылатки.

Фазный ротор отличается от короткозамкнутого тем, что его обмотка выполнена по типу обмотки статора, соединена обычно звездой, начала выведены и соединены с контактными кольцами. Три кольца укреплены на валу ротора, изолированы друг от друга и от корпуса и вращаются вместе с валом. Кольца надежно касаются неподвижных щеток, которые соединяются с реостатом для улучшения условий пуска или регулирования частоты вращения.

Принцип действия асинхронного двигателя заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть трехфазного переменного тока возникает вращающееся магнитное поле статора Ф, вращающееся с частотой n₁ , определяемую формулой:

, об/мин,

где f₁ – частота переменного тока, проходящего по обмотке статора;

р – число пар полюсов обмотки статора.

Магнитный поток Ф, пересекая провода обмотки ротора индуцирует в них э.д.с., а так как обмотка ротора замкнута накоротко, или на резисторы, то эти э.д.с. создают в ней индукционные токи. Взаимодействие вращающегося магнитного поля двигателя с токами ротора по закону Ампера создает электромеханические силы, действующие на проводники обмотки ротора (направление которых определяют по правилу «левой руки»). Совокупность сил создает на роторе вращающий электромагнитный момент двигателя М, который приводит во вращение ротор с частотой п₂ в направлении, совпадающим с направлением вращения поля обмотки статора. То есть магнитное поле как бы увлекает за собой ротор. При этом частоты вращения поля и ротора двигателя не могут быть одинаковыми: частота вращения ротора п₂ всегда меньше синхронной частоты вращения потока п₁. Действительно, если их частоты вращения одинаковы, то магнитное поле машины не будет пересекать обмотку ротора, в ней не будет индуцироваться токи и вращающий момент двигателя исчезнет. Следовательно, для асинхронных двигателей всегда обязательно неравенство частот вращения: п₂<п₁. Разницу между значениями синхронной частоты вращения п₁ и частоты вращения ротора п₂ обычно представляют в относительных единицах к синхронной частоте и называют скольжением асинхронной машины:

, [о.е.]

или

.

При этом, во время пуска двигателя (п=0) скольжение . При идеальном холостом ходе скольжение . Для номинальной нагрузки . С увеличением момента нагрузки в рабочем диапазоне оно увеличивается (частота ротора уменьшается), но незначительно. Из формулы для определения скольжения найдем частоту вращения асинхронного двигателя:

, об/мин.

Мощность, подводимая к двигателю

Вт,

где , - линейное и фазное напряжение, В,

, - линейный и фазный ток, А,

cos₁- угол между напряжением сети U и потребляемым током I, град.

Полезная мощность на валу электродвигателя при выполнении опытов на лабораторной установке может быть определена из зависимости

Вт,

г де U₂ - напряжение нагрузочного генератора постоянного тока (ГПТ), B,

I₂ - ток нагрузки ГПТ, А,

₂ - кпд ГПТ, определяемый по рис. 7.2.

КПД АД определяется по формуле

, о.е.

Момент на валу АД

, Hм

Механическая характеристика АД представляет собой зависимость n₂ = f(M) при U_Л = const; f = const.

Рабочими характеристиками называются зависимости

n₂ = f₁(P₂); s = f₂(P₂); M = f₃(P₂); I_Л = f₄(P₂);

cos₁ = f₅(P₂);  = f₆(P₂) при U_Л = const, f = const.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из испытуемого АД и механически связанного с ним генератора постоянного тока, нагруженного на ламповый реостат, а также измерительных приборов и коммутационной аппаратуры, собранных по схеме, изображенной на лицевой панели установки.

На схеме (рис. 7.4):

РА1 – амперметр – измеряет фазный ток АД (прибор МЭ системы);

РА2 - амперметр – измеряет ток ГПТ (прибор МЭ системы);

РА3 - амперметр – измеряет ток возбуждения ГПТ (прибор МЭ системы);

РV1 – вольтметр – измеряет фазное напряжение АД (прибор МЭ системы);

РV2 – вольтметр – измеряет напряжение ТГ – частоту вращения АД (прибор МЭ системы);

РV3 – вольтметр – измеряет напряжение ГПТ (прибор МЭ системы);

РW – ваттметр – измеряет активную мощность АД (прибор ЭД системы).

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте установку к испытаниям, для чего отключите ламповый реостат и разомкните цепь возбуждения ГПТ.

2. Запустите АД и запишите показания приборов в табл. 7.1.

3. Замкните цепь обмотки возбуждения ГПТ и, нагружая АД поочередным включением ламп, запишите показания приборов в табл. 7.1.

Таблица 7.1 - Показания приборов

Режим работы

Измерения

Вычислить

UЛ

IЛ

P1

U2

I2

n2

S

P2

cos1

1

2

М

Режим Х.Х.

Нагрузка

Нагрузка

Задания для студентов

1. Установите расчетом число пар полюсов p испытуемого двигателя.

2. Рассчитайте для всех проведенных опытов и запишите в таблицу значения s, P₂, cos₁, , M.

3. Постройте механическую характеристику АД n₂ = f(M ).

Содержание отчета

В отчете должны быть представлены название, цель работы, схема электрическая принципиальная лабораторной установки, таблица с результатами измерений и расчетов, графики, выводы.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные элементы конструкции АД.

2. Объясните принцип действия АД.

3. Почему у АД с короткозамкнутым ротором пусковой ток велик, а пусковой момент мал?

4. Пуск АД с фазным ротором

5. Пуск АД с короткозамкнутым ротором.

6. Расскажите о способах регулирования частоты вращения АД.

Литература: [1], [2], [3] [4].