ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ ПУСКА В ХОД И РЕВЕРСИРОВАНИЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

4.1 Цель работы

4.1.1 Изучить устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

4.1.2 Выполнить разметку выводов обмотки статора.

4.1.3 Подключить двигатель в трехфазную сеть, изучить пуск двигателя при соединении обмоток статора звездой и треугольником, измерить пусковой ток и ток холостого хода двигателя, произвести реверсирование двигателя.

4.1.4 Построить механические характеристики асинхронного двигателя при соединении обмотки статора звездой и треугольником.

4.2 Основные теоретические положения

Асинхронные машины – наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую энергию.

В настоящее время асинхронные трехфазные электродвигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода производственных машин на предприятиях пищевой промышленности. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким КПД этих электрических машин.

Большую роль в создании асинхронных двигателей сыграл русский ученый М.О. Доливо-Добровольский. В 1889 г. он впервые использовал трехфазный ток для получения вращающегося магнитного поля, применил обмотку ротора в виде беличьей клетки, предложил трехфазную обмотку ротора выведенную на контактные кольца, и использовал для пуска двигателя реостат, подключаемый к обмотке ротора через контактные кольца.

За время существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология изготовления, однако принципиальные конструкторские решения, предложенные М.О. Доливо-Добровольским, в основном остались неизменными.

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижной части - статора и подвижной - ротора.

Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, собранный из отштампованных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака с целью уменьшения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи. С внутренней поверхности сердечника статора сделаны пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка статора, выполненная из изолированного медного или алюминиевого провода.

В зависимости от вида обмотки ротора различают два основных типа асинхронных двигателей - короткозамкнутые и с контактными кольцами или с фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор состоит из сердечника в виде цилиндра с пазами, в пазы уложена обмотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни соединены между собой торцовыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку (беличье колесо). Для уменьшения потерь мощности сердечник ротора, также как и статора, собирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Обмотка ротора фазного двигателя выполнена по такому же принципу, что и обмотка статора.

При подаче к трехфазной обмотке статора асинхронного двигателя трехфазного напряжения в ней возникает трехфазный переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота вращения) находится в строгой зависимости от частоты ƒ₁ подводимого напряжения и числа пар полюсов p двигателя:

n₀ = (49)

Вращающееся магнитное поле, пересекая обмотку статора двигателя, индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, а в обмотке ротора – ЭДС взаимоиндукции. При замкнутой цепи ротора ЭДС создает ток ротора. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем (на основании закона Ампера) возникает сила, действующая на проводники ротора. Сила создает вращающий момент, который действует в ту же сторону, что и сила.

Под действием момента ротор приходит в движение и вращается в том же направлении, что и магнитное поле. Частота вращения ротора n₁ всегда меньше частоты вращения магнитного поля и называется асинхронной частотой.

Одним из важнейших показателей, характеризующих работу асинхронного двигателя, является скольжение ротора, под которым понимается отношение:

S = 100% (50)

Частота вращения ротора и скольжение асинхронного двигателя непостоянны, они зависят от нагрузки. Для большинства современных типов асинхронных электродвигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке составляет 2- 6%, а при работе в режиме холостого хода, т.е. когда электродвигатель работает без нагрузки на валу, - доли процента. В начальный момент пуска частота вращения ротора равна нулю (n₁=0), скольжение равно единице (S=1), с разгоном двигателя n₁ увеличивается, а S уменьшается. Критическое скольжение – это скольжение, при котором асинхронный двигатель развивает максимальный вращающий момент:

S_кр = S_н (К_max + ), (51)

где К_max – коэффициент, определяющий перегрузочную способность двигателя;

S_н - скольжение при номинальной нагрузке.

Частота вращения ротора двигателя выражается через скольжение:

n₁ = n₀ (1-S) (52)

Двигатель начинает работать со скольжения равного единице. Момент, который он при этом развивает, называется начальным или пусковым. Пусковые свойства двигателя оцениваются в первую очередь величиной пускового момента и пускового тока. При оценке пусковых свойств следует учитывать также количество и стоимость необходимой пусковой аппаратуры, иногда важны время и плавность разгона.

Наиболее простым и распространенным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором является прямой пуск непосредственным включением в сеть на полное напряжение. Однако при таком пуске в обмотке ротора наводится большая ЭДС и двигатель потребляет большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный. За короткое время пуска большой пусковой ток не успевает вызвать заметного повышения температуры двигателя, но при частых пусках такую возможность следует учитывать.

Более существенным является влияние пускового тока на напряжение сети. Вследствие падения напряжения в питающей сети, вызываемого броском пускового тока двигателя в момент включения, снижается напряжение. Это отрицательно сказывается на других приемниках, работающих от данной сети, и на пусковых свойствах включаемого двигателя, поскольку его момент, в том числе и пусковой, пропорционален квадрату напряжения сети. В этом основной недостаток прямого пуска. Снижение напряжения тем больше, чем выше пусковой ток, т.е. чем больше мощность пускаемого двигателя. Если мощность двигателя составляет более 20-25% мощности питающей сети, то снижение напряжения, вызываемое пусковым током, может оказаться уже недопустимым. Необходимо заметить, что современные сети достаточно мощные и в большинстве случаев допускают прямой пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Если прямой пуск недопустим, то для снижения пускового тока применяется пуск на пониженном напряжении. Пусковой ток пропорционален напряжению сети. Снижение напряжения двигателя на время пуска снижает пусковой ток. Для снижения напряжения применяют автотрансформаторы или реакторы (реактивные сопротивления). Чаще используют автотрансформатор, и тогда пуск называется автотрансформаторным.

Если обмотка статора в данной сети соединена треугольником, то для снижения пускового тока применяют пуск переключением со звезды на треугольник. Двигатель включается в сеть по схеме звезда и после разгона переключается на схему треугольник. Это также пуск на пониженном напряжении, т.к. за счет изменения схемы во время пуска снижается напряжение на обмотке статора. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением со звезды на треугольник дает трехкратное уменьшение пускового тока, но одновременно в три раза уменьшаются пусковой и максимальный моменты, т.к. напряжение, подаваемое на фазу двигателя, при пуске уменьшается в раз. При этом мощность, потребляемая двигателем из сети, уменьшается в 3 раза.

Пуск асинхронного двигателя переключением со звезды на треугольник может применяться в том случае, когда при пуске нагрузка двигателя не превышает 40% номинальной. При большей нагрузке двигатель не придет во вращение.