Лаба№2

Лабораторная работа №2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО АСИНХРОННОГО

МИКРОДВИГАТЕЛЯ С ПОЛЫМ РОТОРОМ

Цель работы: Изучение принципа действия и свойств асинхронных двигателей.

Теоретическое введение

Электрические машины – устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую (электрические двигатели) или механическую энергию в электрическую (электрические генераторы). Они обратимы без конструктивных изменений. Существует много видов этих машин различного назначения, отличающихся конструктивно и принципом действия.

Наиболее распространённый среди двигателей является асинхронный двигатель.

Принцип работы асинхронного двигателя.

Рис. 4. Упрощенная схема трёхфазного асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из статора (неподвижная часть) и ротора (подвижная часть), закреплённого на валу. В статоре заложена 3-х фазная обмотка, состоящая из 3-х обмоток сдвинутых друг относительно друга по окружности статора на . В роторе заложена накоротко замкнутая обмотка, которая также может быть трёхфазной.

К обмоткам статора подводится 3-х фазная ЭДС, вызывающая 3-х фазный ток в обмотках, образующих вращающийся магнитный поток постоянной величины. При вращении магнитный поток пересекает витки обмоток ротора, благодаря чему в обмотках ротора возникает ток . Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током обмотки ротора образует силу , где - магнитная индукция, - ток в проводнике обмотки ротора, - длина проводника. Направление силы определяется по правилу левой руки. Сила создаёт вращающий момент , вследствие чего ротор вращается в ту же сторону, что и магнитный поток статора. Магнитный поток вращается с угловой скоростью ω₁, ротор с угловой скоростьюω₂ < ω₁, т.е. вращение магнитного потока и ротора несинхронное (асинхронное). Если бы скорости были одинаковые, то не было бы пересечения магнитным потоком проводников обмотки ротора, не возникал бы ток в проводнике ротора, на ротор не действовала бы сила . Скорости ω₁и ω₂ отличаются незначительно.

Вращающееся магнитное поле образуется благодаря сдвигу обмоток статора по его окружности на и сдвигу по фазе на питающих их напряжений.

Каждая обмотка создаёт пульсирующий магнитный поток направленный перпендикулярно к плоскости расположения обмотки. Так как токи обмоток статора изменяются по синусоидальному закону

магнитные потоки тоже синусоидальные и в фазе с токами

Рис. 5. Асинхронный электродвигатель трехфазного тока

М.О. Доливо-Добровольского

Асинхронный двигатель с полым ротором

Двигатели с полым немагнитным ротором являются в настоящее время весьма распространенными исполнительными двигателями переменного тока. Они применяются в различных схемах автоматических устройств. Мощность двигателей с полым немагнитным ротором от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт. Двигатели рассчитываются как для промышленной частоты (50 Гц), так и для повышенных частот (200, 400, 500 Гц). Частота вращения двигателей (синхронная) колеблется от 1500 до 30 000 об/мин.

Конструктивное устройство одного из двигателей с полым немагнитным ротором представлено на рис. 18.5. Внешний статор 4 такого двигателя ничем не отличается от статора обычного асинхронного двигателя. Он набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. В пазах статора располагаются обмотки 6 управления и возбуждения, сдвинутые в пространстве на 90°. Эти обмотки либо изолированы друг от друга, либо соединены по мостиковой схеме.

Мостиковая схема представляет собой замкнутую обмотку с отпайками через 90°. Она помогает достаточно просто осуществить точный пространственный сдвиг обмоток, способствует лучшему распределению токов и потерь в них. К недостаткам схемы следует отнести, во-первых, электрическую связь цепей возбуждения и управления, во-вторых, большое число параллельных ветвей (2а) и отпаек-концов при большом числе пар полюсов (2а = 2р) и, в-третьих, постоянство коэффициента трансформации k = w_p/w_r

Внутренний статор 5 набирается из листов электротехнической стали на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов. Он служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного (рабочего) магнитного потока, проходящего через воздушный зазор. Полый ротор двигателя 2 изготовляется в виде тонкостенного цилиндра из немагнитного материала, чаще из сплавов алюминия. Своим дном ротор жестко укрепляется на оси 7, которая свободно вращается в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах 3. Толщина стенок ротора зависит от мощности двигателя и колеблется в пределах от 0,1 до 1 мм. Вследствие весьма малой массы ротор обладает незначительным моментом инерции, что является очень ценным свойством двигателя с полым немагнитным ротором, способствующим его широкому распространению. Между стенками ротора и статорами имеются воздушные зазоры, которые обычно составляют 0,15...0,25 мм.

Двигатели мощностью менее 3 Вт изготовляются несколько иначе. Их обмотки возбуждения и управления размещаются в пазах внутреннего статора, и тогда внешний статор не имеет пазов и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. При такой конструкции весьма облегчается процесс укладки обмоток в пазы при малых диаметрах расточки статора и несколько повышается вращающий момент, но диаметр ротора для увеличения обмоточного пространства на внутреннем статоре приходится несколько увеличить, что обусловливает некоторое увеличение момента инерции ротора. Для устранения этого недостатка иногда используется третья конструктивная форма двигателя: одна из обмоток размещается на внутреннем, а другая - на наружном статоре.

Характерной особенностью двигателей с полым немагнитным ротором является большой магнитный промежуток δ на пути потока между наружным и внутренним статорами, который состоит из двух зазоров: δ₁ - между внешним статором и ротором и δ₂ - между внутренним статором. Кроме того, ротор, будучи немагнитным, тоже является воздушным зазором Δ. Таким образом, общий размер немагнитного воздушного промежутка между внешним и внутренним статорами δ = δ₁+ δ₂ + Δ составляет 0,4... 1,5 мм.

Из-за большого немагнитного промежутка двигатели с полым немагнитным ротором имеют большой намагничивающий ток (0,8... 0,9)I_н и низкий коэффициент мощности cosφ. Большая сила намагничивающего тока приводит к большим электрическим потерям в обмотках двигателя и значительно снижает его КПД. С целью уменьшения электрических потерь двигатели с полым немагнитным ротором обычно конструируют так, чтобы до 70 % площади поперечного сечения статора у них занимали пазы с обмотками.

В отличие от всех остальных типов роторов, применяемых для асинхронных исполнительных двигателей переменного тока, полый немагнитный ротор при большом активном сопротивлении r_р обладает весьма незначительным индуктивным сопротивлением х_р = (0,05...0,1)r_р. Это его свойство способствует значительному повышению линейности механических и регулировочных характеристик двигателей.

Принцип действия двигателя с полым немагнитным ротором состоит в следующем: переменный ток, протекая по обмоткам статора, создает вращающее магнитное поле, которое, пересекая полый ротор, наводит в нем вихревые токи; в результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем двигателя возникает момент, который, действуя на ротор, увлекает его в сторону этого поля.

К положительным свойствам двигателей с полым немагнитным ротором следует отнести:

• малый момент инерции ротора, что в совокупности со значительным пусковым моментом обеспечивает быстродействие двигателя. Электромеханические постоянные времени Т_Mподавляющего большинства современных двигателей не превышают 60 мс;

• сравнительно хорошую линейность механических и регулировочных характеристик. У большинства двигателей нелинейность ц₀ 5 лежит в пределах от 0,05 до 0,15, что обеспечивает устойчивую работу двигателя почти при всех частотах вращения и кратность регулирования n_max/n_min= 100...200;

• высокую чувствительность - малый сигнал трогания, что обеспечивается малым моментом инерции ротора, малой его массой, большим пусковым моментом и отсутствием радиальных сил притяжения ротора к статору. Последнее объясняется тем, что ротор немагнитный;

• плавность и бесшумность хода, постоянство пускового момента в любом положении ротора, что определяется отсутствием пазов на роторе, а следовательно, зубцовых гармоник поля.

К недостаткам двигателей с полым немагнитным ротором относятся:

низкий КПД; у большинства двигателей даже в номинальном режиме η_н = 0,2...0,4 и значительно уменьшается при регулировании. Низкий КПД объясняется большими электрическими потерями в обмотке статора вследствие большого намагничивающего тока и полом роторе вследствие его большого активного сопротивления;

низкий коэффициент мощности (cosφ = 0,2...0,4) вследствие большого немагнитного промежутка между наружным и внутренним статорами;

большие габариты и масса, обусловленные первыми двумя недостатками. По габаритам и массе двигатель с полым немагнитным ротором больше силовых асинхронных двигателей и исполнительных двигателей постоянного тока той же номинальной мощности в 2- 4 раза.

Исследование АДПР:

Рабочие характеристики

Uв=Uвн=36В							Uу=Uун=30В
Эксперимент	n,об/мин	12132	11208	10320	9677	8665		6957	6273	4866	3158	173
	M, мН*м	0	0,025	0,05	0,075	0,1		0,136	0,15	0,175	0,2	0,228
Расчет	P2, Вт	0	0,029	0,054	0,076	0,091		0,099	0,098	0,089	0,066	0,004

Механические характеристики

Uв=Uвн=36В							Uу=Uун=30В
Uy	Uyn
0,2	6	n,об/мин	8181	7444	6421	5390		4262	3100	1825	201
		M, мН*м	0	0,006	0,012	0,018		0,024	0,03	0,036	0,042
0,4	12	n,об/мин	10726	9588	8482	7376		5892	4375	2593	73
		M, мН*м	0	0,013	0,026	0,039		0,052	0,055	0,077	0,089
0,6	18	n,об/мин	11542	10352	9411	8371		6885	4375	3,303	201
		M, мН*м	0	0,019	0,038	0,057		0,076	0,094	0,115	0,135
0,8	24	n,об/мин	11892	10636	9607	8387		7028	5500	3421	89
		M, мН*м	0	0,026	0,052	0,078		0,104	0,13	0,0156	0,182
30	30	n,об/мин	12233	11063	9827	8700		6958	5501	3366	177
		M, мН*м	0	0,033	0,066	0,099		0,136	0,165	0,198	0,228

Регулировочные характеристики

Uв=Uвн=36В
M, мН*м
0	Uy, B	0,51	4,72	8,93	13,14	17,35	21,56	25,77	30
	n,об/мин	24	6270	9783	10897	11393	11558	11771	12001
0,0458	Uy, B	6,41	9,78	13,15	16,52	19,89	23,26	26,63	30
	n,об/мин	23	4950	7229	8677	9399	10082	10296	10603
0,0916	Uy, B	12,31	14,84	17,35	19,88	22,41	24,94	27,47	30
	n,об/мин	21	3463	5284	6590	7342	8133	8408	8796
0,1374	Uy, B	18,21	19,89	21,57	23,25	24,93	26,61	28,29	30
	n,об/мин	19	2216	3594	4591	5390	5951	6539	6883
0,1832	Uy, B	24,11	24,95	25,79	26,63	27,47	28,31	29,15	30
	n,об/мин	17	1143	1936	2572	3134	3621	3997	4360
0,136	Uy, B	18,03	19,74	21,45	23,16	24,87	26,58	28,29	30
	n,об/мин	20	2249	3612	4585	5379	6049	6510	7075

Вывод: Сравнив полученные характеристики АДПР со справочными, можно увидеть, что они практически полностью совпадают. Численные значения находятся в тех же диапазонах, характер кривых совпадает.

Студент: Глущенко К.В. ИАФ V-2