Лабораторная работа № 9. Испытание трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Цель работы: Экспериментальный пуск в ход трехфазного асинхронного двигателя, снятие и определение характеристик холостого хода, снятие и определение характеристик короткого замыкания, регистрация и отображение режимных параметров на компьютере.

Перечень аппаратуры:

Таблица 1

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник питания	201.2	~ 400 В / 16 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206.1	 0…250 В / 3 А (якорь) /  200 В / 1А (возбуждение)
G4	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт / 220 В / 0,56 А (якорь) / 2×110 В / 0,25 А (возбуждение)
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот
М1	Машина переменного тока	102.1	100 Вт / ~ 230 В / 1500 мин
А2	Трёхфазная трансформаторная группа	347.1	380 ВА; 230 В/242,235, 230, 226, 220, 133, 127 В
А4	Коннектор	330	8 аналог. диф. входов; 2 аналог. выходов; 8 цифр. входов / выходов
А5	Персональный компьютер	550	IBM совместимый, Windows 9*, монитор, мышь, клавиатура, плата сбора информации PCI-6023E (PCI-6024E)
А6, А8	Трехполюсный выключатель	301.1	~ 400 В / 10 А
А10	Активная нагрузка	306.1	220 В / 30…50 Вт;
А12	Блок датчиков тока и напряжения	402.3	3 датчика напряжения ±100; 1000 В / ±5 В; 3 датчика тока ±1; 5 А / ±5 В
А14	Линейный реактор	314.2	3  0,3 Гн / 0,5 А
Р3	Указатель частоты вращения	506.2	-2000…0…2000 мин1

Краткая теория Принцип работы и устройство трёхфазной асинхронной машины

Принцип работы асинхронных двигателей осно­ван на опыте Араго. Если под горизонтально подве­шенным на нити диском из проводящего немагнит­ного материала (например, из меди) поместить вра­щающийся подковообразный магнит, то диск начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Это явление объясняется следующим образом. Вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитом, индуцирует в диске замкнутые вихревые токи. Эти вихревые токи, в соответствии с законом Ампера, вза­имодействуют с вращающимся магнитным полем, благодаря чему создается вращающий момент. Диск начинает вращаться в ту же сторону, что и поле, при­чем по мере увеличения скорости диска, скорость диска относительно поля уменьшается, что приводит к уменьшению величины индукционных токов в дис­ке и вращающего момента. Диск начинает приоста­навливаться и скорость диска относительно поля уве­личивается, что приводит к увеличению величины ин­дукционных токов в диске и вращающего момента. В конце концов, установится равновесие, при котором диск будет вращаться с некоторой постоянной ско­ростью, которая меньше скорости вращения магнит­ного поля, т.е. вращение диска будет асинхронным.

Вот это явление асинхронного вращения диска из проводящего немагнитного материала во вращаю­щемся магнитном поле и положено в основу устрой­ства асинхронных двигателей.

Основные части машины: неподвижная называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 9.1. показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3).

Рис. 9.1

Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия. В простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг отно­сительно друга на 120". В этом случае создается двух­полюсное вращающееся магнитное поле. Для созда­ния четырехполюсного вращающегося магнитного поля необходимо число секций обмотки увеличить до 6 и т.д. Начала и концы обмоток статора трехфаз­ного асинхронного двигателя выводятся на щиток корпуса (рис. 9.2 а), закреплённый на станине

Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами с₁, с₂, с₃, концы – с₄, с₅, с₆.

Обмотка статора может быть соединена по схеме на звезду (рис. 9.2 б) или треугольник (рис. 9.2 в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 380/220, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 380В по схеме звезда или в сеть с Uл =220В – по схеме треугольник. Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

Рис. 9.2

Сердечник ротора (рис. 9.3 б) набирается, из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая уложена в виде "бе­личьего колеса" (рис. 9.3 а).

Рис. 9.3

Здесь каждая пара диа­метрально противоположных стержней с соединитель­ными кольцами представляет собой рамку, т.е. ко­роткозамкнутыи виток. Поэтому такой ротор назы­вается короткозамкнутым и фазная, в пазы укладывается обмотка, к которой через контактные кольца и щетки подводится трехфазное напряже­ние. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

Создание вращающегося магнитного поля

Если три катушки, расположенные по окружнос­ти под углом 120° друг относительно друга, вклю­чить в трехфазную сеть переменного тока, а в центре этой окружности поместить магнитную стрелку на оси, то стрелка придет во вращение. Следовательно, эти три катушки создают вращающееся магнитное поле.

Необходимым условием получения вращающегося магнитного поля является:

1. наличие не менее двух обмоток;

2. токи в обмотках должны отличаться по фазе;

3. оси обмоток должны быть смещены в пространстве.

Рис. 9.4

Скорость вра­щения магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов.

(об/мин) 9.1

где ƒ — частота переменного тока в Гц, а коэффици­ент 60 появился из-за того, что п₁ принято измерять в оборотах в минуту.

Рис. 9.5 Электромагнитные состояния трехфазной обмотки статора

Поскольку число пар полюсов может быть толь­ко целым, то скорость вращения магнитного поля может принимать не произвольные, а только опреде­ленные значения; сте­пень отставания ротора от магнитного поля, выражен­ная в процентах, называется скольжением s (9.2).

9.2

Скольжение асинхронного двигателя при номи­нальной нагрузке обычно составляет 3-7 %. При увеличении нагрузки скольжение увеличивается, и двигатель может остановиться.

Вращающий момент М асинхронного двигателя создается благодаря взаимодействию магнитного по­тока поля статора Ф с индуцированным в обмотке ротора током I₂, поэтому величина его пропорцио­нальна произведению I₂Ф. Двигатель будет работать устойчиво с постоян­ной скоростью ротора при равновесии моментов, т.е. тогда, когда вращающий момент М_вр равен тормоз­ному моменту на валу двигателя M _mop:

М_вр = M _mop 9.3

Любой нагрузке машины соответствует опре­деленное число оборотов ротора п₂ и определенное скольжение S.

Обратите внимание, что частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и её нагрузки.

При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω₀, которая определяется соотношением:

(рад/сек) 9.4

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f(M). Эту характеристику (рис. 9.6) можно получить, используя зависимость M = f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Так как S = (n₀ - n) / n₀, отсюда n = n₀(1 - S). Напомним, что n₀ = (60 f) / p – частота вращения магнитного поля.

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 – неустойчивой работе.

Рис. 9.6

Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n₀. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты М_н и n_н. Точка 3 соответствует критическому моменту М_кр и критической частоте вращения n_кр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя М_пуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1: n₀ = (60 f) / p, где: р – число пар полюсов машины; f – частота сети.

Точка 2 с координатами n_н и М_н. Номинальная частота вращения n_н задается в паспорте. Номинальный момент рассчитывается по формуле:

9.5

здесь: Р_н – номинальная мощность (мощность на валу).

Точка 3 с координатами М_кр n_кр. Критический момент рассчитывается по формуле М_кр = М_н λ. Перегрузочная способность λ задается в паспорте двигателя n_кр = n₀ (1 - S_кр), , S_н = (n₀ - n_н) / n₀ – номинальное скольжение.

Точка 4 имеет координаты n=0 и М=М_пуск. Пусковой момент вычисляют по формуле М_пуск = М_н λ_пуск,

где: λ_пуск – кратность пускового момента задается в паспорте.

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1–3) мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из достоинств этих двигателей.