Контрольные вопросы

1. Как подразделяются ДПТ по способу включения ОВ ?

2. Как осуществить изменение направления вращения ДПТ ?

3. Как осуществляется регулирование угловой частоты вращения якоря у ДПТ ?

4. Каково назначение пускового и регулировочного реостатов ?

5. Из каких условий выбирается величина пускового сопротивления при пуске ДПТ ?

6. Какие режимы работы существуют у ДПТ ?

7. Сравните механические характеристики ДПТ с параллельной, последовательной и со смешанной ОВ в двигательном режиме работы.

8. В чем отличие естественной и искусственных механических характеристик ДПТ ?

9. Как изменятся механические характеристики ДПТ при введении добавочного сопротивления в цепь обмотки якоря ?

10. Как изменятся механические характеристики ДПТ при введении дополнительного сопротивления в цепь обмотки возбуждения ?

Лабораторная работа № 3 исследование характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить устройство, принцип работы АД с короткозамкнутым ротором; исследовать механические характеристики АД в различных рабочих режимах.

ПРОГРАММА РАБОТЫ.

1. Изучить устройство и принцип действия асинхронных электродвига­телей с короткозамкнутым и фазным роторами.

2. Исследовать экспериментальные механические характеристики АД с короткозамкнутым ротором в различных рабочих режимах.

3. Рассчитать и построить механическую характеристику АД с коротко­замкнутым ротором по его паспортным данным.

Основные теоретические положения.

Асинхронные электродвигатели (АД) по количеству и суммарной установленной мощности занимают первое место среди других типов двигателей в промышленности и сельском хозяйстве. Они получили наибольшее распространение, так как имеют простую конструкцию, малую стоимость, удобны и надежны в эксплуатации. В сельском хозяйстве в основном используются трехфазные АД либо с короткозамкнутым, либо с фазным ротором. Схема включения АД с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 3.1.

Принцип работы АД следующий. На три его обмотки статора – рис.3.1 (AN, BN, CN), сдвинутые в про­странстве на 120⁰, подается сину­соидальное трехфазное напряжение переменного тока (А, В, С), сдвинутое во времени также на 120⁰. В результа­те возникает вращающееся магнитное поле. Угловая скорость вращения этого поля называется синхронной скоростью АД, она обозначается – ωо. Это поле, пересекая ротор АД, находящийся внутри статора, наводит в нем электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС в роторе возникают токи, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем статора. В результате этого взаимодействия возникает вращающий момент АД, под действием которого ротор вращается с угловой скоростью - ω. Наведение в роторе АД ЭДС и появление вращающего момента двигателя возможно только при наличии разности между угловыми скоростями вращения магнитного поля статора и ротора, т.е. их несинхронного вращения. Поэтому такие электродвигатели называются асинхронными. Меру не синхронности для АД принято оценивать в относительных единицах, и она называется скольжением

. (3.1)

АД изготавливаются двух типов: с фазным и короткозамкнутым ротором. У АД с фазным ротором на роторе, как и на статоре, имеется трехфазная обмотка, соединенная в электрическую схему «звезда», свободные концы которой подключены к трем контактным кольцам. К этим кольцам через металлографитовые щетки подключается трехфазный реостат. Тем самым замыкают каждую фазу обмотки ротора через активное сопротивление реостата. В сельском хозяйстве АД с фазным ротором применяются: для облегчения условий пуска электроприводов (они используются при мощности не менее 20…30 кВт); в стендах для обкатки двигателей внутреннего сгорания; в ремонтных мастерских и других случаях. АД с короткозамкнутым ротором имеют не явно выраженную обмотку на роторе. Она выполнена в виде металлических стержней (чаще всего из сплавов алюминия), которые постоянно замкнуты в лобовых частях ротора при помощи короткозамыкающих колец. Иначе эта обмотка называется «беличьей клеткой». В электрическом отношении «беличья клетка» образует многофазную обмотку, соединенную по схеме «звезда» и замкнутую накоротко. Число фаз такой обмотки равно количеству стержней. Более 98% электродвигателей, используемых в сельском хозяйстве, это АД с короткозамкнутым ротором.

Рис. 3.2. Характеристики АД. Рис. 3.3. Режимы работы АД.

Механическая характеристика (ω = f(M)) АД с короткозамкнутым ротором в двигательном режиме работы приведена на рис. 3.2. Механическая характеристика АД называется естественной («ЕМХ»), если она получена при номинальном напряжении на обмотках статора, номинальной частоте тока в сети и отсутствии дополнительных сопротивлений в цепи ротора. Остальные характеристики АД являются искусственными. На рис. 3.3 приведены «емх» АД с короткозамкнутым ротором для различных режимов его работы.

Механическая характеристика АД описывается при помощи формулы Клосса. Ее можно также построить по пяти характерным точкам – рис. 3.2 на основе каталожных данных двигателя:

Рн – номинальная паспортная мощность, Вт;

nн – номинальная частота вращения, об/мин;

р – число пар полюсов обмотки статора;

–кратность пускового момента;

–кратность минимального момента;

–кратность максимального момента.

1 точка: ω1 = ωо = =,М1 = 0.

2 точка: ω2 = ωн = =0,105 nн, М2 = Мн = .

3 точка: ω3 = ωк, ωк = ωо (1 - sк), sк = sн  (μк +,

М3 = Мк = μк  Мн.

4 точка: ω4 = ωmin = ωо / 7, М4 = Мmin = μm  Мн.

5 точка: ω5 = 0, М5 = Мп = μп  Мн.

Механическая характеристика АД требуется при выборе мощности двигателя для конкретной рабочей машины, для расчета времени пуска и торможения электропривода, для расчета поведения двигателя при переменном графике нагрузки рабочей машины и определения рабочей температуры электродвигателя.

Эксплуатационные показатели АД зависят от степени загрузки двигателя и величины напряжения на обмотках статора. Устойчивой зоной (рис. 3.2) работы является участок ωо … ωк, а значение критического момента Мк – характеризует перегрузочную способность двигателя. При угловой скорости вращения ротора, соответствующей участку ω < ωк, АД переходит в неустойчивую зону работы и «опрокидывается», т.е. происходит его остановка. Значения моментов Мп и Мmin характеризуют пусковые свойства АД. Пренебрегая насыщением электродвигателя, считают, что развиваемый им вращающий момент пропорционален квадрату напряжения, т.е.

, (3.2)

где Мн – момент АД при номинальном напряжении Uн; Мх – момент двигателя при напряжении Ux.

«ЕМХ» для АД при различных режимах работы приведены на рис. 3.3, где 1 – двигательный режим; 2 – режим генераторного торможения; 3 – режим тормозного спуска; 4 – режим торможения противовключением; 5 – режим динамического торможения. Основным режимом работы АД является двигательный режим.

В режиме генераторного торможения АД отдает активную электрическую энергию в сеть, этот режим используется на стендах при горячей обкатке двигателей внутреннего сгорания, в ветро и гидроэнергетических установках малой мощности.

Режим тормозного спуска в основном применяется на подъемных кранах, где установлены АД с фазным ротором, причем устойчивой зоной работы в нем также является условие ω > ωк (его соблюдение обеспечивается введением дополнительных сопротивлений в цепь ротора).

Режим торможения противовключением осуществляется путем изменения направления вращения магнитного поля статора, он широко применяется в металло и деревообрабатывающих станках.

Режим динамического торможения осуществляется при отключении обмоток статора АД от питающей сети и подачей на них постоянного тока или включения между ними конденсаторов. Этот режим применяется для остановки электроприводов, имеющих большие моменты инерции, для точной позиционированной остановки оборудования, в системах дозированной выдачи кормов.

Для исследования механических характеристик АД в различных режимах работы применяется специальный нагрузочный стенд, схема которого приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема нагрузочного стенда.

Нагрузочный стенд состоит из следующего оборудования: М1 – испытуемого АД с короткозамкнутым ротором; М2 – приводного АД; М3 – ДПТ с параллельной ОВ – LM1, имеющего постоянный магнитный поток по цепи возбуждения и работающего в режиме двигателя; М4 – ДПТ с параллельной ОВ – LM2, имеющего переменный магнитный поток по цепи возбуждения и работающего в режиме генератора; BR – тахогенератора с показывающим прибором Pn; РА1 и РА2 – амперметров; PI – электрического счетчика активной энергии; Т – трансформатора в цепи питания обмоток статора испытуемого двигателя М1, подающего пониженное напряжение для избежания перегрева обмоток двигателя; R1 и R2 – регулировочных потенциометров; QF1…QF4 – автоматических выключателей.

Напряжение питания на двигатели М1 и М2 подается от трехфазной сети переменного тока, а на обмотки возбуждения двигателей М3 и М4 от сети постоянного тока. Изменяя величину и направление потока возбуждения в обмотке LM2 двигателя М4 с помощью потенциометра R2, можно в широких пределах регулировать напряжение на якоре М4 – от + Umax до – Umax. Поскольку величина тока в обмотке возбуждения LM1 двигателя М3 равна номинальному значению (устанавливается по прибору РА1), то величина тока в его якорной цепи (показания прибора РА2) прямо пропорциональна моменту на валу, т.е. моменту испытуемого двигателя. Значение коэффициента пропорциональности определяют либо опытным, либо расчетным путем. Электрический счетчик PI позволяет точно зафиксировать момент перехода двигателя М1 из режима генераторного торможения в двигательный режим работы и наоборот.

При снятии механических характеристик АД на нагрузочном стенде (рис. 3.4) необходимо учитывать потери, возникающие в его механических и электрических цепях. Для учета момента потерь необходимо экспериментально исследовать зависимость Мпот = f(ω). Затем исследуют экспериментальную зависимость Мэлм = f(ω) и, выполнив их графическое сложение, в результате получают искомую механическую характеристику АД – Мдв = f(ω). Эти построения приведены на рис. 3.5 и они выполняются графически согласно выражению

Мдв = Мэлм + Мпот (3.3)