Исследование асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (120

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 621.313.33 ББК 31.291-01

P67

Рецензент Е.Н. Баранов

Ролдугин Л.В.

P67 Исследование асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором : метод. указания / Л.В. Ролдугин, А.Б. Красовский. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 20, [4] с. : ил.

В методических указаниях представлена лабораторная работа, в процессе которой проводится исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; экспериментально определяются основные технические данные двигателя; рассмотрены устройство, принцип действия, характеристики двигателя.

Для студентов факультетов МТ, СМ, Э, РК.

УДК 621.313.33 ББК 31.291-01

c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Цель работы — экспериментальное ознакомление со схемой включения, способами пуска и изменения направления вращения, основными свойствами и характеристиками, определение основных технических данных асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели широко применяют в промышленности благодаря простоте их конструкции, высокой надежности и меньшей стоимости по сравнению с другими типами двигателей. В зависимости от конструкции обмотки ротора различают двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Наиболее простыми по устройству и надежными в эксплуатации являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка, электрическая схема которой приведена на рис. 1, содержит асинхронный двигатель АД, электромагнитный тормоз ЭТ, пускатель магнитный ПM, кнопки ПУСК, СТОП и SA, измерительные приборы, выключатель S1, измеритель момента, измерительные трансформаторы тока TA1 и ТА2, резисторы rд, управляемый выпрямитель VD1, перемычки ПП1 — ПП4, выключатели AB1, AB5, АВ8.

Для пуска и останова двигателя используют пускатель магнитный ПМ, включение и выключение катушки которого осуществляют кнопками ПУСК и СТОП.

Поскольку с помощью используемого в лабораторной установке амперметра А1 нельзя измерить силу тока меньшую, чем 2 А, в схеме имеется дополнительный амперметр A2 с меньшими, чем у амперметра А1, пределами измерения. Для получения показаний амперметра А2 необходимо нажать кнопку SA. Выключатель

3

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1. Электрическая схема лабораторной установки

S1 предотвращает возможность пуска двигателя, когда в его цепь включены амперметр А1 и обмотки тока ваттметра W (через трансформаторы тока TA1 и ТА2). В противном случае указанные приборы могут выйти из строя.

С помощью выключателя S1 также может быть заблокирован пуск двигателя при включенном электромагнитном тормозе ЭТ, что повышает надежность лабораторной установки.

Перед пуском двигателя выключатель S1 должен находиться в положении ВКЛЮЧЕНО, а во время эксперимента — в положении ВЫКЛЮЧЕНО.

4

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Электромагнитный тормоз (ЭТ) служит для создания момента нагрузки на валу двигателя. Значение момента нагрузки можно изменить регулятором R1 управляемого выпрямителя. Перед

пуском двигателя регулятор R1 необходимо установить в положение, соответствующее нулевому напряжению на выходе выпрямителя, т. е. повернуть его до упора против хода часовой стрелки.

Измеритель момента, создаваемого электромагнитным тормозом ЭТ, состоит из датчика индуктивного ДИ, преобразователя П, прибора для изменения момента Нм и механизма передачи изменения положения индуктора тормоза к датчику.

Перемычками ПП1 — ПП4 измерительные приборы A2 и V 1 включаются в цепь двигателя. Резисторы rд служат для ограничения тока в обмотке статора при соединении ее звездой. На лабораторном стенде установлен также цифровой тахометр, с помощью которого измеряют частоту вращения ротора двигателя.

Большая´ часть электрической цепи лабораторной установки смонтирована. На рис. 1 смонтированная часть схемы обведена штрихпунктирной линией.

2. ЗАДАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Изучить электрическую схему установки (см. рис. 1), определить назначение всех ее элементов, найти эти элементы на лабораторном стенде (см. разд. 1).

Задание 2. Для указанного на рис. 1 напряжения лабораторной трехфазной сети и номинального напряжения двигателя установить способ соединения обмотки статора — треугольником ( ) или звездой ( ) — и выполнить это соединение (см. разд. 4.1).

Указания. Чтобы получить соединение обмотки статора треугольником, необходимо, например, соединить начало первой фазы с концом второй, начало второй — с концом третьей и т. д. Соединение звездой получают, если начала всех фаз (либо их концы) объединить в один узел. На клеммном щитке двигателя начала фаз обозначены С1, С2, С3, а соответствующие им концы — С4, С5, С6.

Задание 3. Выполнить следующие действия: а) соединить обмотку статора двигателя с гнездами стенда, обозначенными соответствующими символами ( или ) (см. рис. 1);

5

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

б) перевести выключатель S1 и регулятор R1 в положения, соответствующие пуску двигателя (см. разд. 1).

Задание 4. Выяснить, какие переключения необходимо выполнить в цепи для изменения направления вращения ротора двигателя (см. разд. 4.1).

Задание 5. Отчитаться перед преподавателем в выполнении заданий 1 – 4, осуществить пуск двигателя. Затем, выключив двигатель (кнопкой СТОП и выключателем AB1), визуально определить направление вращения ротора при снижении его частоты вращения. Выполнив необходимые переключения в цепи для изменения направления вращения ротора, снова включить двигатель.

Задание 6. Определить характер изменения зависимостей частоты вращения n от момента M на валу; тока I статора, КПД η и коэффициента мощности cosϕ от выходной мощности Р2 при изменении момента от 0 до Мн. Для этого провести опыт нагрузки. Результаты опыта занести в табл. 1.

Примечание. PW — мощность, измеренная с помощью ваттметра; P1 = PW kт — мощность, потребляемая из сети; kт = 3 — коэффициент трансформации трансформаторов тока; P2 — выходная мощность.

Указания.

1.Опыт рекомендуется начинать со значения момента М1, при котором ток двигателя равен номинальному значению I = 8,7 A.

2.Выполнить также измерения при М ≈ 0,85М1; М ≈ 0,6М1;

М= 0. После выполнения эксперимента выключить двигатель (кнопкой СТОП) и выключатель АВ1.

Задание 7. Определить характер изменения тех же зависимостей (см. задание 6) в диапазоне изменения значений момента от номинального значения Мн до максимального (критического) значения Мк0. Для этого необходимо:

6

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

а) переключить обмотку статора со схемы соединения фаз треугольником на схему соединения звездой и соединить ее с гнездами стенда, обозначенными .

б) после пуска двигателя нагрузить его до значения момента, равного Мк0 (максимального значения момента при соединении звездой).

Указания.

1.Осторожно увеличивая момент нагрузки до значения Mк0 , следить за тем, чтобы значения тока не превысили 5,5. . . 6 А. При

таком токе двигатель начинает самопроизвольно останавливаться, что недопустимо. В этом случае регулятор R1 быстро вернуть в исходное положение, а затем повторить опыт.

2.Поскольку при значении момента, равном Мк0, режим работы

двигателя неустойчив и фиксация показаний приборов затруднительна, можно фиксировать результаты при моменте, близком к значению Мк0. После занесения в табл. 2 результатов измерения момент нагрузки установить минимальным.

3.Дополнительно провести измерения при значениях M ≈

≈0,85Mк0 , M ≈ 0,65Mк0 . После выполнения эксперимента выключить двигатель кнопкой СТОП.

Задание 8. Измерить близкое к пусковому значение момента Mп0 и соответствующее ему значение тока Iп0 . Для этого необходимо:

а) включить двигатель;

б) повернуть до упора по ходу часовой стрелки регуляторы R1; в) перевести переключатель S1 в положение ВЫКЛЮЧЕНО.

После паузы в 5 с (не более) измерить напряжение, ток, момент и частоту вращения. Затем незамедлительно перевести пере-

ключатель S1 в положение ВКЛЮЧЕНО, чтобы избежать перегрева двигателя.

7

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Результаты измерения записать в табл. 3. Выключить все источники напряжения на стенде.

Задание 9. Определить характер зависимости коэффициента полезного действия η, коэффициента мощности cos ϕ двигателя от развиваемой на валу мощности P2. Для этого по данным табл. 1 вычислить соответствующие значения коэффициентов полезного действия η и мощности cos ϕ и построить графики энергетических показателей двигателя η(P2) и cos ϕ(P2) в общей системе координат.

Задание 10. Определить характер зависимости частоты вращения ротора двигателя n от приложенного к валу момента нагрузки M и от потребляемого двигателем из сети тока I. Для этого по данным табл. 2 и 3 вычислить значения тока I и момента M при соединении фаз обмотки статора треугольником (см. разд. 4.5). Построить механическую n(M) и электромеханическую n(I) характеристики двигателя (по данным табл. 1 — 3) в общей системе координат.

Задание 11. По результатам измерений, занесенных в табл. 1 — 3, определить технические данные двигателя (приводимые обычно в справочной литературе): номинальные значения мощности Pн, частоты вращения nн, тока Iн, КПД ηн, момента Mн, скольжения sн, коэффициента мощности cos ϕн, перегрузочную способность Mк/Mн, пусковой Mп и критический Mк моменты, пусковой ток Iп при номинальном напряжении, кратность пускового момента Mп/Mн, кратность пускового тока Iп/Iн, и число пар полюсов p вращающегося магнитного поля. Результаты расчетов занести в табл. 4.

8

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3. ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ

Отчет должен содержать электрическую схему лабораторной установки и все материалы в соответствии с разд. 2.

4.ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

4.1.Устройство и принцип действия двигателя

Устройство асинхронного двигателя в упрощенном виде показано на рис. 2. В корпусе 1 двигателя закреплен магнитопровод 2 статора. Для снижения потерь мощности в магнитопроводе статора его изготавливают из изолированных между собой листов электротехнической стали. В пазах магнитопровода уложена выполненная из изолированного провода трехфазная обмотка 3. В зависимости от напряжения сети (например, 220 или 380 В) обмотку соединяют либо треугольником ( ), либо звездой ( ). В любом случае фазное напряжение на обмотке должно быть одним и тем же.

На валу 6 двигателя закреплен магнитопровод ротора 4, в пазах которого размещена обмотка 5. Магнитопровод ротора также выполнен из изолированных между собой стальных листов. Обмотка ротора исследуемого в лабораторной работе двигателя выполнена из неизолированных металлических проводников, которые с торцевых сторон соединены между собой (замкнуты накоротко) металлическими кольцами.

При включении обмотки статора в трехфазную сеть магнитодвижущая сила обмотки возбуждает вращающееся в пространстве с частотой n0 магнитное поле Φ (cм. рис. 2). Этим полем в обмотке ротора индуцируется ЭДC, под действием которой в ней возникает

9

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 2. Устройство асинхронного двигателя

ток. Благодаря взаимодействию тока ротора с вращающимся полем на ротор действует электромагнитный момент, направление которого совпадает c направлением вращения поля. В этом легко убедиться, если применить правила правой и левой рук. Если при частоте вращения ротора n = 0 момент сопротивления приводимого в движение механизма, соединенного с валом двигателя, меньше электромагнитного момента двигателя, ротор начинает вращаться в направлении вращения поля. Изменить направление вращения ротора можно путем изменения направления вращения магнитного поля Φ. Для этого необходимо поменять чередование подключения любых двух фаз статора к источнику питания, т. е. поменять местами любые два провода, которыми двигатель соединен с источником напряжения.

Частота вращения магнитного поля n0 зависит от устройства обмотки статора и частоты сети. Если изготовить обмотки с различным количеством секций на фазу, то можно создавать двигатели с двумя (см. рис. 1), тремя и большим´ числом пар полюсов

10

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

вращающегося магнитного поля и соответственно с различными частотами вращения.

Частота вращения поля

где f — частота сети; p — число пар полюсов вращающегося магнитного поля. Из соотношения (1) следует, что при f = 50 Гц частота вращения поля имеет значения, представленные в табл. 5.

При работе двигателя частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n0, хотя значение первой весьма близко к значению второй. Это объясняется принципом работы двигателя. При n = n0 вращающееся магнитное поле не будет пересекать обмотку ротора. Вследствие этого в ней не будет наводиться ЭДС, не возникнет ток и не будет создаваться электромагнитный момент. Даже при работе двигателя вхолостую (при отсутствии нагрузки на валу) значение n будет меньше значения n0 вследствие некоторого тормозного момента, создаваемого в двигателе трением.

Относительное значение разности между частотами вращения поля n0 и ротора n оценивают скольжением

Зная значения s и n0, можно определить частоту вращения ротора:

При увеличении n от 0 до n0 скольжение s уменьшается от 1 до 0. Номинальные значения скольжения sн и частоты вращения ротора nн зависят от мощности двигателей, и в среднем они составляют sн = 0,08 и nн = 0,92n0.

Так как частота вращения ротора n при номинальной нагрузке близка к n0, то, зная nн, можно определить частоту вращения n0 и число пар полюсов р.

11