Практическое занятие 5. Асинхронные двигатели. Изучение устройства и паспортных данных асинхронного двигателя. Пуск и реверсирование асинхронного двигателя.
Ц е л ь р а б о т ы: изучить устройство и принцип действия асинхронных двигателей, уметь расшифровать их паспортные данные, выбирать схему соединения обмоток статора и включать в сеть, производить пуск и реверсирование двигателей.
Задание к самостоятельной работе.
Изучить типы, устройство и принцип действия асинхронных двигателей /3, с.417-428/, /7, с.5-10/;
Изучить принцип образования вращающегося магнитного поля статора /3, с.421-426/, /7, с.3-5/;
По данному методическому указанию изучить структуру условных обозначений и паспортных данных двигателя;
Изучить способы пуска и реверсирования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором /3, с.451-456/, /7, с.10, с.13-14/.
Вычертить в отчете выбранную (рис.10.8) принципиальную схему. Пользуясь ею, на монтажной схеме (рис.10.10) определить расположение перемычек на клеммном щитке двигателя;
Начертить принципиальные схемы реверсирования двигателя путем переключения двух подводящих проводов (рис.10.10) и через реверсивный переключатель (рис.10.11.а).
Общие сведения.
2.1. Асинхронные двигатели - самые распространенные в промышленности и сельском хозяйстве.
Асинхронный двигатель является наиболее простым по устройству, надежным в эксплуатации, экономичным типом электрических двигателей. Он состоит из: статора - неподвижной части и ротора - вращающейся части. Общий вид двигателя показан на рис.10.1.
Статор представляет собой чугунный, алюминиевый или стальной корпус, в котором закреплен магнитопровод. Магнитопровод набирается из колец, штампованных из листовой электротехнической стали толщиной 0,3-0,5 мм, изолированных друг от друга. В пазы магнитопровода закладываются три фазные обмотки из медного или алюминиевого провода, смещенные относительно друг друга на 120о. Каждая обмотка может состоять из одной или нескольких катушек, соединенных последовательно или параллельно. Начала и концы фазных обмоток присоединяются к клеммам на щитке двигателя (рис.10.2).
Рис.10.1. Общий вид асинхронного двигателя: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - подшипниковые щиты.
Рис.10.2. Обозначение выводов клемм на щитке двигателя.
В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на два типа: с короткозамкнутой обмоткой и с фазной обмоткой (с контактными кольцами).
Наиболее часто применяется короткозамкнутый ротор. Он представляет собой цилиндрический магнитопровод, насаженный на вал. В пазах магнитопровода размещаются алюминиевые (в двигателях мощностью до 100 кВт) или медные стержни, концы которых соединяют короткозамкнутыми кольцами на торцах ротора. В двигателях с улучшенными пусковыми свойствами применяют роторы (рис.10.3): а) с глубоким пазом, обмотка которого состоит из прямоугольных стержней малой ширины и большой высоты; б) короткозамкнутой обмоткой, выполненной в виде двойной клетки (внешняя обмотка из латуни или бронзы обладает большим активным сопротивлением, а внутренняя - из меди с малым активным сопротивлением).
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов, что и обмотка статора. Фазы обмотки ротора обычно соединяют в звезду и подводят к трем расположенным на валу изолированным контактным кольцам. С помощью контактных колец в цепь обмотки ротора подключают пусковой реостат.
Рис. 10.3. Виды роторов, применяемых в двигателях с улучшенными пусковыми свойствами: а) с глубоким пазом; б) с двойной клеткой.
Ротор двигателя помещается внутри статора с небольшим зазором и центрируется в нем с помощью подшипниковых щитов.
При включении двигателя в трехфазную электрическую сеть токи, протекая по обмоткам статора, возбуждают вращающееся магнитное поле с частотой вращения
мин-1
где: - частота тока статора, Гц;
р - число пар полюсов.
Силовые линии вращающегося магнитного поля (рис.10.4) пересекают обмотку ротора и, согласно закону электромагнитной индукции, индуцируют в ней ЭДС, пропорциональную скорости пересечения силовых линий. Под действием индуктированной ЭДС в короткозамкнутой обмотке ротора возникают токи. На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуктированный ток, то есть пересечение обмотки ротора силовыми линиями вращающегося магнитного поля. Возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения магнитного поля статора.
Ротор вращается всегда со скоростью меньшей скорости вращения магнитного поля статора, то есть асинхронно. Так как при достижении ротором частоты вращения магнитного поля статора, обмотка оказалась бы неподвижной относительно магнитных силовых линий и исчезли бы индуктированные токи в обмотке ротора и вращающий момент.
Величина, характеризующая степень отставания ротора от вращающегося магнитного поля статора, называется скольжением и определяется по формуле:
где: n1 - частота вращения магнитного поля статора;
n2 - частота вращения ротора.
Рис.10.4. Асинхронный электромагнитный механизм:
1 – аналог обмотки статора; 2 – аналог обмотки ротора.
При пуске в ход n2 = 0, s = 1. В режиме холостого хода ротор достигает скорости, близкой к скорости вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя скорость вращения ротора уменьшается, ЭДС и токи в обмотке ротора возрастают, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя.
Основным недостатком асинхронного двигателя является большой пусковой ток, который превышает номинальный в 5-8 раз (Iп=5…8 Iн). При пуске двигателя скорость пересечения силовыми магнитными линиями обмотки ротора наибольшая, индуктированный в этот момент ток - максимальный. Соответственно возрастанию тока ротора растет и ток, потребляемый обмотками статора из сети.
У двигателей с фазным ротором пусковой ток уменьшают с помощью пускового реостата, включаемого последовательно в цепь обмотки ротора на момент запуска, что значительно повышает пусковой момент. По мере увеличения частоты вращения двигателя, сопротивление реостата уменьшают. При достижении номинальной частоты вращения реостат отключают, обмотки замыкают накоротко и ротор работает в режиме короткозамкнутого.
Для снижения пускового тока применяют двигатели с улучшенными пусковыми свойствами (рис.10.3). При пуске (частота тока в роторе равна частоте сети) ток в роторе с двойной клеткой преимущественно протекает по верхней клетке, обладающей большим активным сопротивлением и меньшей индуктивностью. По мере разгона ротора частота тока в нем уменьшается, уменьшается и влияние индуктивного сопротивления. Большая часть тока уже проходит по нижней клетке. У ротора с глубоким пазом при пуске работает только верхняя часть сечения обмотки, а при номинальном режиме все сечение. Благодаря этому двигатель с улучшенными пусковыми свойствами развивает повышенный пусковой момент при пониженном пусковом токе.
Изучая конструкцию двигателя, обратите внимание на то, что проводники обмотки статора изолированы очень тонким слоем лака или эмали. При перегреве проводников, а также попадании влаги, химически активных веществ, токопроводящей пыли или посторонних предметов внутрь двигателя изоляция разрушается. Поэтому конструктивное исполнение двигателя должно выбираться в зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды.
В сухих, непыльных помещениях без выделения химически активных веществ применяют двигатели защищенного исполнения (типа 4АН, исполнение 1Р23). Корпус их в нижней части имеет вентиляционные отверстия. Во влажных, сырых, пыльных и пожароопасных помещениях используют двигатели закрытого обдуваемого исполнения. Их корпус не имеет вентиляционных отверстий и обдувается снаружи вентилятором (типа 4А, АО2, исполнение 1Р44). В особо сырых помещениях с химически активной средой устанавливают двигатели сельскохозяйственного назначения (типа 4А...С, Д...С, АО2...СХ). Это закрытые обдуваемые двигатели с более тщательным уплотнением корпуса и химовлагоморозостойкой изоляцией обмоток.
2.2. На корпусе каждого двигателя крепится паспорт, на котором указан тип двигателя, его конструктивное исполнение, основные электрические и механические характеристики при номинальном режиме.
На рис. 10.5 приведен для примера паспорт трехфазного асинхронного двигателя.
Рис. 10.5. Паспорт трехфазного асинхронного двигателя.
Расшифровать тип двигателя можно пользуясь приведенной на рис.10.6 структурой условных обозначений двигателя.
Рис. 10.6. Структура условных обозначений двигателей.
2.3. Перед пуском асинхронного двигателя в ход необходимо проверить соответствие схемы соединения обмоток статора напряжению сети. Напряжение питания указывается в паспорте двигателя. Каждая обмотка статора рассчитана на наименьшее напряжение, указанное в паспорте двигателя. Т.к. указаны два рабочих напряжения, то при линейном напряжении сети, равном большему из них, обмотки статора двигателя должны быть соединены в звезду, а меньшему - в треугольник (рис.10.7;10.8).
Рис. 10.7. Расположение перемычек на клеммном щитке при соединении обмоток статора: а - звездой; б - треугольником.
Выводы фаз статора, не имеющего клеммного щитка, снабжаются металлическими клеммами, на которых выштампованы обозначения (С1, С2 и т.д.).
Рис.10.8. Принципиальная схема соединения обмоток статора:
а - звездой; б - треугольником
Автоматический выключатель QF позволяет вручную включать или выключать двигатель, а также предохраняет его от коротких замыканий и перегрузок.
2.4. Иногда процесс производства требует, чтобы двигатель, применяемый в качестве привода какого-либо механизма, вращался в противоположную сторону. Для изменения направления вращения двигателя (реверсирования) необходимо поменять местами выводы двух питающих фаз. Магнитное поле статора будет вращаться в противоположную сторону, увлекая за собой ротор (рис.10.9). Для частого реверсирования применяется пакетный переключатель (рис.10.11) или реверсивный магнитный пускатель.
Рис.10.9. Схема реверсирования трехфазного асинхронного двигателя:
а - прямое вращение; б - обратное вращение.