Дослідження трифазної асинхронної машини

Мета:|ціль| дослідження трифазної асинхронної машини; зняття механічної і робочих характеристик асинхронної машини.

Теоретичні положення

Принцип дії асинхронної машини. Асинхронною машиною (АМ) називається електромеханічний перетворювач, в якому відбувається|походить| перетворення енергії при швидкостях обертання ротора, відмінних|інших| від швидкості обертання магнітного поля в повітряному зазорі машини [4–6].

Залежно від конструктивного виконання ротора асинхронні машини підрозділяються на машини з|із| короткозамкненою роторною обмоткою, з|із| фазною обмоткою ротора і з|із| масивним феромагнітним ротором.

Асинхронні машини можуть виконуватися у вигляді однофазних, двофазних і трифазних машин.

В однофазних машинах обмотка статора створює в повітряному зазорі нерухоме в просторі і пульсуюче в часі за синусоїдальним законом магнітне поле. З цієї причини асинхронні машини не мають пускового моменту, і для пуску їх необхідно застосовувати додаткові конструктивні засоби|кошти|.

У двофазних і трифазних асинхронних машинах обмотка статора створює в повітряному зазорі обертове магнітне поле. Умовами створення|створіння| обертового поля є|з'являються,являються| наявність просторового зсуву осей фаз обмоток при виготовленні обмоток і живлення|харчування| цих обмоток системою змінних струмів|токів| з|із| часовим зсувом фаз. В АМ| з|із| короткозамкненим або фазним ротором обертове магнітне поле наводить на провідниках роторної обмотки ЕРС|, під дією яких в роторній обмотці починає|розпочинає,зачинає| протікати змінний струм|тік|.

Взаємодія магнітного поля із|із| струмами|токами| ротора обумовлює| появу електромагнітних сил, рознесених від осі обертання і спрямованих у напрямі обертання магнітного поля. Під дією цих сил виникає електромагнітний момент, який примушує|заставляє| ротор обертатися у напрямі магнітного поля. Різниця швидкостей обертання магнітного поля і ротора оцінюється безрозмірною величиною ковзання ротора s = (₀ – )/₀, де ₀ – швидкість обертання магнітного поля, а  – швидкість обертання ротора. Частота змінних ЕРС| та струмів|токів| ротора визначається величиною| ковзання f₂ = f₁s, де f₁ і f₂ – частоти змінних струмів|токів| статорної і роторної обмоток АМ| відповідно.

Швидкість обертання магнітного поля в повітряному зазорі АМ| однозначно визначається частотою мережі живлення|сіті| і числом пар полюсів машини р_п: ₀ = (2 f₁) /р_{п |}.

Змінні струми|токи| роторної обмотки також створюють обертове магнітне поле, яке при позитивній величині ковзання ₀ >  обертається відносно ротора у напрямі обертання ротора. Якщо ж ковзання негативне|заперечне|  > ₀, то це поле обертається проти|супроти| напряму|направлення| обертання ротора. Швидкість обертання поля струмів|токів| ротора _п2 визначається співвідношенням

.

У свою чергу швидкість обертання ротора залежно від величини ковзання визначається як  = ₀(1– s).

Таким чином, результуюча величина швидкості обертання магнітного поля ротора в повітряному зазорі

_пр| =  + _п2 = ₀(1– s) + ₀s = ₀,

тобто обертові магнітні поля струмів|токів| статора і ротора в повітряному зазорі нерухомі одне відносно одного. Це є|з'являється,являється| умовою перетворення потужності в електромеханічному перетворювачі.

Залежно від величини і знаку ковзання режими роботи АМ| поділяються на режими двигуна, генератора і гальмування противключенням|. Під час роботи в режимі двигуна відбувається|походить| перетворення електричної потужності, споживаної з|із| мережі,|сіті| в механічну потужність на валу АМ|.

У цьому режимі роботи величина ковзання змінюється в діапазоні 0 < s  1,0, тобто швидкість обертання ротора змінюється від нуля (s = 1,0) до швидкості, близької до швидкості обертання поля ₀ (s  0). Електромагнітний момент спрямований у бік обертання ротора і є|з'являється,являється| причиною цього обертання.

У генераторному режимі роботи  > ₀ (ковзання негативне|заперечний|) АМ| перетворює механічну потужність, що підводиться до валу зовнішнім двигуном, в активну електричну потужність, що віддається в електричну мережу|сіть|. У той же час АМ| споживає з|із| мережі|сіті| реактивну потужність, необхідну для створення|створіння| магнітного поля в ній. Електромагнітний момент АМ| в генераторному режимі роботи є|з'являється,являється| гальмівним|гальмовим| і спрямований проти|супроти| напряму|направлення| обертання ротора.

У режимі гальмування противключенням| ротор АМ| за рахунок джерела зовнішніх сил обертається проти|супроти| напряму|направлення| обертання магнітного поля, тобто до АМ| одночасно підводиться електрична потужність з|із| мережі|сіті| і механічна потужність до її валу. Обидві ці складові потужності розсіюються в АМ| у вигляді втрат ковзання, створюючи значний гальмівний|гальмовий| момент, направлений|спрямований| проти|супроти| напряму|направлення| обертання ротора. Ковзання ротора АМ| в цьому режимі щодо|відносно| магнітного поля більше одиниці s = (₀+ ) / ₀ > 1,0.

В процесі перетворення енергії в асинхронному| двигуні (АД) мають місце співвідношення між електромагнітною Р_ем, споживаною Р₁ і механічною Р_мех потужностями та втратами ковзання  р_к:

Р_ем = М_ем₀ =Р₁–  р_м1 –  р_ст1;

Р_мех = М_ем = Р_ем (1– s);

 р_к = Р_ем – Р_мех = Р_емs.

Основні співвідношення схеми заміщення АД. Рівняння рівноваги напруг|напружень| статорного контуру АД і рівняння балансу МРС| подібні відповідним рівнянням трансформатора. Рівняння рівноваги напруг|напружень| роторного контуру АД враховує вплив величини ковзання на величини ЕРС| і індуктивного опору розсіяння ротора. З врахуванням цієї обставини рівняння АД з|із| обертовим ротором має вид:

;

;

.

Після приведення параметрів ротора до кількості фаз і витків ста­торної обмотки, і до частоти струмів|токів| статора, рівняння АД матимуть вигляд|вид|

;

;

;

.

Рис. 12.1

Цим рівнянням відповідає Т-подібна схема заміщення (рис. 12.1). У цій схемі заміщення активний опір роторного контуру розділений на два опори r₂ і . Втрати енергії на опорі r₂ від струму|току| відповідають втратам в міді ротора (втратам ковзання), а втрати на опорі – механічній потужності на валу АД. Опір контуру намагнічування дорівнює Z₀ = r₀ + jx₀. Якщо знехтувати втратами в сталі статора АД, то Z₀ = jx₀.

Для спрощення розрахунку режимів роботи АД використовують Г-подібну схему заміщення з|із| винесеним на затискачі мережі|сіті| контуром намагнічування (рис. 12.2). В цьому випадку І₁=І₂ і , а момент АД визначається співвідношенням або .

Рис. 12.2

Залежність моменту АД від ковзання називається моментною| характеристикою.

Ковзання, при якому момент досягає максимального значення, називається кри­­тичним s_кр. Зна­чення ко­ефіцієнта с близько|поблизу| до одиниці, тому s_кр можна визначити за формулою

.

Величину максимального моменту АД визначають за формулою .

При збільшенні величини додаткового активного опору в колі фазного ротора величина критичного ковзання асинхронної машини буде збільшуватись (рис. 12.3), а величина максимального (критичного) моменту залишається незмінною [4–6].

Рис. 12.3

Величина пускового моменту машини також збільшується до тих пір, поки при деякій величині опору не досягне величини максимального моменту. Подальше збільшення величини опору в колі ротора буде призводити до зменшення величини пускового моменту.

Коефіцієнт корисної дії АМ| при роботи в режимах двигуна і генератора розраховують за співвідношеннями

.

Завдання

1. Зняти і побудувати механічну характеристику машини в рушійному і генераторному режимах =f(M).

2. Зняти і побудувати робочі характеристики машини в рушійному режимі (, М, І₁, , cos)=f(Р₂).

3. Зняти механічні характеристики трифазної асинхронної машини з фазним ротором при зміні величини додаткового активного опору в колі ротора від 0 до 5R_s.

4. Побудувати механічні характеристики  = f(M) при всіх значеннях величини додаткового активного опору в роторному колі.

5. Зробити висновки по роботі та отриманим результатам.

Вихідні дані

Параметри асинхронної машини для виконання роботи задаються викладачем, або вибираються із табл. 12.1 і розраховуються, користуючись паспортними даними.

; ; ; М_н – номінальний момент двигуна.

Таблиця 12.1

Тип двигуна	Рн, кВт	nн, об/хв	н, %	cos	Ін, А	iп	mп	mmax	J10–2, кгм2
RA71B2	0,55	2850	74	0,84	1,8	6,5	2,3	2,4	0,05
RA80A2	0,75	2820	74	0,83	2	5,3	2,5	2,7	0,08
RA80B2	1,1	2800	77	0,86	2	5,2	2,6	2,8	0,12
RA80A4	0,55	1400	71	0,8	1	5	2,3	2,8	0,18
RA80B4	0,75	1400	74	0,8	2	5	2,5	2,8	0,23
RA90S2	1,5	2835	79	0,87	3	6,5	2,8	3	0,10
RA90L2	2,2	2820	82	0,87	4	6,5	2,9	3,4	0,15
RA100LA4	2,2	1420	79	0,82	5	6	2,2	2,6	0,48
RA100LB4	3	1420	81	0,81	7	6,2	2,2	2,6	0,58
RA112M2	4	2895	84	0,87	9	6,8	2,2	3,3	0,82
RA112M4	4	1430	85,5	0,84	9	6,5	2,2	2,9	1,03
RA132SA4	5,5	2880	89	0,89	11	6,5	2,4	3	1,55
RA132SB2	7,5	2890	89	0,89	15	7	2,5	3,2	1,85

Хід виконання роботи

1. Зібрати розрахункову модель трифазної асинхронної машини з короткозамкненим ротором (рис. 12.4). Параметри моделі наведено на рис. 12.5. У блоках розрахунку діючого значення струму (RMS) та потужностей необхідно задати частоту 50 Гц.

3.2. Зняття механічної характеристики машини в рушійному і генераторному режимах проводиться при зміні моменту навантаження від –2,5 до +2,5 номінального значення. Для кожного значення моменту навантаження здійснюється моделювання. Результати досліджень заносити в табл. 12.2.

Рис. 12.4

Рис. 12.5

Таблиця 12.2

М, Нм	 рад/с

3. Зняття робочих характеристик машини в рушійному режимі проводиться моделюванням при зміні моменту навантаження від 0 до 2,5 номінального значення. Результати досліджень заносити в табл. 12.3.

Таблиця 12.3

М, Нм	Вимірювання					Обчислення
	Р1, Вт	Q1, ВАр	U1, В	I1, А	, рад/с	φ, град.	cos φ	Р2, Вт	η, %	s, %

Обчислення проводяться за формулами:

, , .

4. В параметрах асинхронної машини (рис.12.5) змінити тип ротора (замість Sqirrel-cage встановити Wound).

5. Зняти механічні характеристики асинхронної машини з фазним ротром в рушійному режимі при зміні моменту навантаження від 0 до 2,4 номінального і зміні опору в колі ротора від R_s до 5R_s, де R_s – активний опір статора. Результати досліджень заносити в табл. 12.2.

6. За даними таблиць побудувати механічні характеристики машин і на окремому графіку – робочі характеристики.

7. Зробити висновки по роботі.

Контрольні питання

1. Що таке ковзання?

2. Які є режими роботи асинхронної машини?

3. Як залежить момент асинхронної машини від величини напруги живлення?

4. Що таке моментна характеристика асинхронної машини і які точки її характеризують?

5. Як впливає величина додаткового активного опору в колі ротора асинхронної машини на вигляд механічних характеристик?

Лабораторна робота 13