Исследование асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (120.

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

4.2.Технические данные асинхронных двигателей

Всправочной литературе для асинхронных двигателей c короткозамкнутым ротором обычно указаны следующие технические

данные: номинальные напряжение Uн, мощность Pн, частота вращения nн, ток обмотки статора Iн, КПД ηн и коэффициент мощности cos ϕн, перегрузочная способность Mк/Mн, кратность пускового момента Mп/Mн, кратность пускового тока Iп/Iн. При работе

вноминальном режиме двигатель, как правило, имеет наилучшие удельные показатели (мощность на единицу массы или объема) и обеспечивает наиболее эффективное преобразование энергии.

Номинальная мощность — это мощность двигателя, которую он развивает при номинальной частоте вращения и номинальном

моменте на валу. Под номинальным током Iн понимают линейный ток при работе двигателя с напряжением Uн и мощностью Pн. Если указаны значения номинального напряжения (например, 380/220 В), обычно даны и два значения номинального тока (например, 5,1/8,7 А). Значение номинального фазного тока при различных напряжениях и соответствующих способах соединения обмотки статора остается неизменным. Номинальные значения момента

итока являются для асинхронного двигателя максимальными длительно допустимыми значениями, поскольку при этом двигатель нагревается до максимально допустимой температуры. Перегрев двигателя недопустим, поскольку ведет к разрушению изоляции

обмоток и, как следствие, к нарушению его работоспособности.

Значения nн, ηн и cos ϕн соответствуют работе двигателя с напряжением Uн и мощностью Pн.

Вобщем случае

где Р2 — мощность на валу двигателя, Вт; М — момент, Н ∙ м; n — частота вращения ротора, мин−1; ω = πn/30 — угловая скорость вращения ротора, рад/с.

Потребляемая двигателем из сети мощность P1, выходная мощность P2, а также величины cos ϕ, U, I связаны соотношениями

√

P1 = 3UI cos ϕ; (5)

12

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

По соотношениям (4)—(6) можно вычислить соответствующие значения величин, представленных в табл. 1. Очевидно, что эти соотношения справедливы также и для номинального режима работы двигателя.

Значения Mк/Mн, Mп/Mн и Iп/Iн, указываемые в справочной литературе, определяют при номинальном напряжении Uн двигателя. Под пусковым током Iп понимают значение линейного тока при n = 0.

4.3. Энергетические показатели асинхронных двигателей

Важнейшими энергетическими показателями асинхронных двигателей являются их КПД η и коэффициент мощности cos ϕ. Чем больше значения η и cos ϕ, тем экономичнее двигатель, так как он потребляет из cети меньшие активную Р1 и полную S1 мощности, а также меньший ток I при данной мощности на валу двигателя Р2.

В общем виде зависимости η(P2) и cos ϕ(P2) имеют вид:

Здесь Pc — потери мощности в магнитопроводах статора и ротора, а также механические потери (мало зависят от нагрузки);

Pобм = 3I12r1 + 3I22r2 — потери активной мощности в обмотках статора и ротора, зависящие от нагрузки на валу; r1 и r2 — ак-

тивные сопротивления обмоток статора и ротора соответственно; Q1 — реактивная мощность (мало зависит от нагрузки).

Из выражений (7) и (8) ясно, что η(P2) и cos ϕ(P2) представляют собой достаточно сложные зависимости, поскольку при изменении мощности P2 весьма существенно изменяются потери

Робм. Примерный вид зависимостей η(P2) и cos ϕ(P2) приведен на рис. 3.

13

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

Рис. 3. Зависимости КПД η и коэффициента мощности cos ϕ от мощности на валу P2

4.4. Механическая и электромеханическая характеристики

Механическая характеристика, представляющая собой зависимость частоты вращения ротора двигателя от развиваемого им момента n(M), имеет большое практическое значение.

С учетом того, что в установившемся режиме работы (при неизменной частоте вращения) электромагнитный момент двигателя M равен моменту сопротивления Мс, создаваемому на валу производственным механизмом, можно считать, что механическая характеристика показывает, как изменяется частота вращения двигателя при изменении нагрузки на валу. Обычно выбирают тот двигатель, механическая характеристика которого является наиболее подходящей для данного механизма.

Наряду с механической не менее важна и электромеханическая характеристика, которая представляет собой зависимость частоты вращения от линейного тока двигателя n(I).

Механическую и электромеханическую характеристики асинхронного двигателя называют естественными, если они получены при подключении его обмоток к источнику с номинальным напряжением U = UH и частотой f = fH . Естественные механическая и электромеханическая характеристики двигателя приведены на рис. 4.

14

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

Рис. 4. Естественные механическая n(M) и электромеханическая n(I) характеристики двигателя

где E2к и E2 = E2кs — ЭДС фазы обмотки ротора при неподвижном роторе (n = 0, s = 1) и при скольжении (s 6= 1) соответственно; r2 — активное сопротивление фазы обмотки ротора; x2к и x2 = x2кs — индуктивные сопротивления фазы обмотки ротора при неподвижном роторе (s = 1) и скольжении (s 6=1). Электромагнитный момент электродвигателя

где Φ — магнитный поток одного полюса двигателя; с — постоянный коэффициент.

Косинус угла сдвига фаз между ЭДС и током ротора

Если ротор двигателя имеет частоту вращения n = n0 (s = 0), то, как следует из (9) и (10), I2 = 0 и М = 0.

15

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

При значении n = n0 двигатель потребляет из трехфазной сети преимущественно реактивный ток I0, который создает вращающееся магнитное поле. Работу двигателя при n = n0 называют режимом идеального холостого хода. Как следует из (9), при уменьшении значения n (увеличении значения s) ток I2 возрастает, что приводит к увеличению тока I1, потребляемого из сети.

Ток холостого хода I0 при изменении момента на валу двигателя остается практически неизменным. Токи I2 и I1 достигают наибольших значений при n = 0 (s = 1). Эти значения называют пусковыми токами и обозначают обычно I2п и Iп.

Момент при частоте вращения nк (скольжении sк) является наибольшим моментом, который в состоянии развить двигатель; его называют максимальным (или критическим) и обозначают

Мmax либо Мк.

Момент при частоте вращения n = 0 (s = 1) называют пусковым и обозначают Mп.

4.5. Электромагнитный тормоз

Электромагнитный тормоз состоит из стального якоря П-образного сечения, закрепленного на валу двигателя, и индуктора (электромагнита), расположенного на неподвижной оси внутри якоря.

В якоре, вращающемся в магнитном поле электромагнита, индуцируются ЭДС и возникают вихревые токи, а также токи перемагничивания. Взаимодействие этих токов с магнитным полем электромагнита создает тормозной момент на валу. Уменьшая или увеличивая значение тока в катушке электромагнита, можно изменять значение тормозного момента.

4.6. Формулы для пересчета значений тока и момента двигателя при изменении схемы соединения обмоток

Если при работе двигателя момент, приложенный к его валу, превышает номинальный, то двигатель может перегреться и выйти из строя. Поэтому эксперимент разделен на два этапа. Результаты при моментах на валу, не превышающих номинальное значение, получают при номинальном (или близком к номинальному) напряжении на обмотке статора двигателя, а при значениях моментов,

16

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

больших номинального, — при пониженном напряжении. Фазное напряжение на обмотке статора можно понизить различными способами. В данной работе его понижают переключением обмотки статора с треугольника ( ) на звезду ( ) и включением в ее цепь резисторов rд (см. рис. 1).

Очевидно, что опытные данные, полученные при пониженном напряжении, необходимо пересчитать на номинальное напряжение. Это пояснено на рис. 5 и 6, где показаны электромеханические и механические характеристики при схемах соединения фазных обмоток статора треугольником ( ) или звездой ( ) с указани-

ем соответствующих индексов у характерных значений тока и момента.

Рис. 5. Электромеханические характеристики n(I) при соединении обмоток статора треугольником ( ) или звездой ( )

При выводе формул для пересчета значений тока и момента учитывают следующие соображения:

а) каждую фазу обмотки статора двигателя при данной частоте вращения можно рассматривать как некоторое эквивалентное полное сопротивление, значение которого не зависит от значения фазного напряжения;

17

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

Рис. 6. Механические характеристики n(M) при соединении обмоток статора треугольником ( ) или звездой ( )

б) при одной и той же частоте вращения ротора независимо от схемы соединения обмотки статора момент двигателя пропорционален квадрату фазного напряжения.

Таким образом, значения линейного тока и момента, измеренные при напряжении U0 (см. табл. 2 и 3), можно пересчитать на напряжение U (см. табл. 1) по формулам

где I и I0, М и М 0 — значения тока и момента при напряжениях U и U0 соответственно.

18

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

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каково назначение элементов схемы, представленной на

рис. 1?

2.В чем состоит принцип действия асинхронного двигателя?

3.Какие частоты вращения может иметь магнитное поле асинхронных двигателей? По какой формуле они определяются?

4.Почему частота вращения ротора n обычно меньше частоты вращения магнитного поля n0?

5.Какая существует связь между скольжением и частотами вращения ротора и магнитного поля? Каковы в среднем значения скольжения и частоты вращения ротора асинхронного двигателя при номинальной нагрузке?

6.В чем состоит принцип действия электромагнитного тормо-

за?

7.Как выбирают способ соединения между собой фаз обмотки статора? Какой способ соединения выбран при проведении лабораторной работы и почему?

8.Какова последовательность проведения опыта нагрузки? С какой целью переключают обмотку статора со схемы соединения треугольником на схему соединения звездой при проведении опыта?

9.Как выглядят механическая и электромеханическая характеристики двигателя? Покажите на них пусковой, критический и номинальный моменты и соответствующие им токи.

10.Как выглядят зависимости энергетических показателей двигателя η(P2) и cos ϕ(P2)? Почему выгодно иметь более высокие энергетические показатели?

11.Какие номинальные данные асинхронных двигателей указаны в справочной литературе? Какое значение выходной мощности понимают под номинальной мощностью двигателя и как его определяют?

12.Какими формулами связаны между собой номинальные данные двигателя с номинальным моментом и мощностью, потребляемой из сети при номинальной нагрузке?

13.Как выражается перегрузочная способность, кратности пускового момента и тока? Каковы их значения, полученные экспериментально?

19

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

14.Изменением каких величин определяется характер полученной зависимости η(P2)? Приведите соответствующую формулу.

15.Изменением каких величин определяется характер полученной зависимости cosϕ(P2)? Приведите соответствующую формулу.

16.По каким формулам вычисляют значения величин, представленные в табл. 1?

17.По каким формулам рассчитывают перегрузочную способность, кратности пускового момента и тока, указываемые в справочной литературе?

18.По каким формулам определяют номинальные данные двигателя, которые обычно указывают в справочной литературе?

19.Как определяют значения пускового момента и тока двига-

теля?

20.Равно ли полученное опытным путем значение частоты вращения ротора при моменте M = 0 значению частоты вращения магнитного поля двигателя?

21.Как устроен асинхронный двигатель и каково назначение всех его частей?

22.Опытным путем получена характеристика 1 (рис. 7). Что необходимо сделать, чтобы получить характеристику 2?

Рис. 7. Механические характеристики n(M)

20

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

Рис. 8. Электромеханические характеристики n(I1)

23. Режим работы двигателя соответствует точке а характеристики n(I1) (рис. 8). Что необходимо сделать, чтобы двигатель работал в режиме, соответствующем точке b?