МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Кафедра «Электромеханика и автомобильное электрооборудование»

Лабораторная работа №4

«Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

Выполнил:

студент 3-ЭТФ-101 В.Н. Безъязыков

Принял:

доцент., к.т.н Д.Г. Рандин

Самара 2024

Цель работы – овладение практическими навыками экспериментального определения рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и оценки потребительских свойств этого двигателя.

Программа работы

1. Изучить устройство и элементы конструкции двигателя.

2. Определить экспериментальным путем следующие характеристики двигателя: характеристики холостого хода, короткого замыкания, рабочие.

Паспортные данные испытуемого двигателя

Номинальная потребляемая активная мощность Р_1N = 98 Вт

Номинальная полезная механическая мощность P_2N = 35 Вт

Номинальное напряжение U_1N = 220 В

Номинальный ток обмотки статора I_1N = 0,35 А

Номинальный коэффициент мощности cos_N = 0,73

Номинальный коэффициент полезного действия  = 0,36

Число пар полюсов p = 2

Механические потери р_мех = 2 Вт

Магнитные потери р_мг = 2 Вт

Активное сопротивление фазы обмотки статора R₁= 23 Ом

1. Определение характеристик холостого хода I₁₀  f (U₁₀), P₁₀  f (U₁₀), cos₀  f (U₁₀) трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рис.1. Электрическая схема соединений для опыта холостого хода.

Таблица 1

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник пита­ния	201.2	⁓400 В/ 16 А
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот
M1	Машина переменного тока	102.1	100 Вт/⁓230 В/ 1500 мин
M2	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт / 220 В / 0,56 А (якорь) / 2×110 В / 0,25 А (возбуждение)
А2, А7	Трёхфазная трансформатор­ная группа	347.1	3x80 В•А; 230 В/242,235, 230,226,220, 133,127 В
А6	Трехполюсный выключа­тель	301.1	-400 В/10 А
А14	Линейный реактор	314.2	3x0,3 Гн/0,5 А
Р1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0...1000 В / 0...10 А / 0…20 МОм
Р2	Измеритель мощностей	507.2	15; 60; 150; 300; 600 В / 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
Р3	Указатель частоты вращения	506.2	-2000…0…2000 об/мин

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 1. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 1. Снятые опытные и расчетные данные, приведены в таблице 2.

Таблица 2

U1, В	230	220	210	200	120	64	40
I10, А	0,52	0,5	0,48	0,46	0,36	0,29	0,27
P10, Вт	16	15	15	15	9	8	6
Q10, вар	75	70	65	57	21	7	5,5
U10, В	132,79	127,02	121,24	115,47	69,28	36,95	23,09
P0, Вт	48	45	45	45	27	24	18
Q0, вар	225	210	195	171	63	21	16,5
cosϕ0	0,21	0,21	0,22	0,25	0,39	0,75	0,74

Затем, опираясь на данные таблицы 2, были построены графики характеристик холостого хода I₁₀  f (U₁₀), P₁₀  f (U₁₀), cos₀  f (U₁₀) трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рис.2. Зависимость I₁₀  f (U₁₀). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.3. Зависимость P₁₀  f (U₁₀). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.4. Зависимость cos₀  f (U₁₀). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: с увеличением напряжения холостого хода возрастает ток холостого хода, а также активная мощность, потому что возрастает магнитный поток. Вследствие этого увеличиваются магнитные потери в стали магнитопровода, что приводит к снижению коэффициента мощности. 

2. Определение характеристик короткого замыкания I_1K  f (U_1К ) , P_1K  f (U_1К ) , cos_K  f (U_1К ) при n = 0 трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рис.5. Электрическая схема соединений для опыта короткого замыкания.

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 5. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 1. Снятые опытные и расчетные данные, приведены в таблице 3.

Таблица 3

U1, В	40	42	43	66
I1k, А	0,35	0,37	0,39	0,59
P1k, Вт	7	8	9	20
U1k, В	23,09	24,25	24,83	38,11
cosфk	0,11	0,12	0,14	0,31

Затем, опираясь на данные таблицы 2, были построены графики характеристик короткого замыкания I_1K  f (U_1К), P_1K  f (U_1К ) , cos_K  f (U_1К) при n = 0 трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рис.6. Зависимость I_1K  f (U_1К). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.7. Зависимость P_1K  f (U_1К ). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.8. Зависимость cos_K  f (U_1К). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: при увеличении напряжения короткого замыкания U_1K ток короткого замыкания I_1K, активная мощность при коротком замыкании P_1K и коэффициент мощности при коротком замыкании cosϕ_K также увеличиваются. Потери в стали во время опыта короткого замыкания очень малы, поскольку мал вращающийся магнитный поток. Поэтому мощность Р_1к , которая подводится к машине, почти вся идет на нагрев проводников обмотки статора и ротора.

3. Определение рабочих характеристик I₁  f (P₂), P₁  f (P₂), s  f (P₂),   f (P₂ ) , cos  f (P₂ ) , M₂  f (P₂ ) при U₁=U_1N,=220 В f₁  f_1N=50 Гц трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рис. 9. Электрическая схема соединений для определения рабочих характеристик.

Таблица 4

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник пита­ния	201.2	⁓400 В/ 16 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206.1	- 0...250 В / 3 А (якорь) / - 200 В /1 А (возбуждение)
G4	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт/220 В/ 0,56 А (якорь) / 2x110 В/0,25 А (возбуждение)
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот
M1	Машина переменного тока	102.1	100 Вт/⁓230 В/ 1500 мин
А2, А7	Трёхфазная трансформатор­ная группа	347.1	3x80 В•А; 230 В/242,235, 230,226,220, 133,127 В
А6	Трехполюсный выключа­тель	301.1	-400 В/10 А
A10	Активная нагрузка	306.1	220 В / 3x0…50 Вт
Р1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0...1000 В / 0...10 А / 0…20 МОм
Р2	Измеритель мощностей	507.2	15; 60; 150; 300; 600 В / 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
Р3	Указатель частоты вращения	506.2	-2000…0…2000 об/мин

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 9. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 4. Снятые опытные и расчетные данные, приведены в таблице 5.

Таблица 5

I1, А	0,5	0,52	0,54	0,56	0,58
P1ф, Вт	15	28	31	40	44
Q1ф, ВАр	70	68	71	68	70
n об/мин	1400	1340	1320	1300	1290
s о.е.	0,07	0,11	0,12	0,13	0,14
cosϕ	0,21	0,38	0,40	0,51	0,53
P1, Вт	45	84	93	120	132
P2, Вт	24,03	56,59	62,37	83,51	91,84
η о.е.	0,53	0,67	0,67	0,70	0,70
M2, Нм	0,16	0,40	0,45	0,61	0,68

Затем, опираясь на данные таблицы 2, были построены графики рабочих характеристик I₁  f (P₂), P₁  f (P₂), s  f (P₂),   f (P₂), cos  f (P₂), M₂  f (P₂) при U₁=U_1N=220 В f₁  f_1N=50 Гц трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рис.10. Зависимость P₁  f (P₂). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.11. Зависимость s  f (P₂). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.12. Зависимость   f (P₂). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.13. Зависимость M₂  f (P₂). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.14. Зависимость I₁  f (P₂). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.15. Зависимость cos  f (P₂). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: при изменении нагрузки двигателя происходит изменение как потребляемых из сети тока I₁ и мощности P₁, так и скольжения s, КПД  и cos. Нагрузкой для двигателя служит нагрузочный момент M₂, приложенный к его валу. При увеличении нагрузочного момента соответственно увеличивается электромагнитный момент, создаваемый двигателем.

При увеличении момента М ток ротора I₂ должен увеличиваться. Возрастание тока I₂ происходит за счет увеличения индуцируемой в обмотке ротора ЭДС вследствие увеличения s. Поэтому зависимость s= f (P₂) имеет возрастающий характер. При холостом ходе из-за наличия механических и магнитных потерь (момент М₀) ток I₂  0, следовательно, s  0

Так как фактически у асинхронного двигателя   const, то реальная характеристика M₂ = f (P₂) несколько отличается от линейной.

При увеличении I₂ будет возрастать ток статора I₁. При малых нагрузках скольжение, а следовательно, и индуктивное сопротивление ротора малы и ток ротора будет практически активным (₂  0), вследствие чего угол сдвига ₁ между током I₁ и напряжением U₁ будет уменьшаться с ростом нагрузки и cos –увеличиваться по сравнению с cos₀ .

Контрольные вопросы

2. Как изменить направление вращения асинхронного двигателя?

Для изменения вращения ротора, т.е. для реверсирования двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Это достигают переключением двух фаз, т.е. двух из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

4. Поясните ход графиков рабочей характеристики.

При холостом ходе, когда P₂= 0 и M₂ = 0, ток I₁ будет равен току холостого хода I₀. Как и у трансформатора, этот ток является в основном намагничивающим и создает основное магнитное поле. Однако из-за наличия воздушного зазора между статором и ротором относительное значение его больше, чем у трансформатора, и составляет 25-50% номинального тока статора.

Мощность , потребляемая двигателем из сети при холостом ходе, расходуется на потери внутри машины: механические потери, магнитные потери в статоре, электрические потери в обмотке статора от тока .

При увеличении момента М ток ротора должен увеличиваться. Возрастание тока происходит за счет увеличения индуцируемой в обмотке ротора ЭДС s = вследствие снижения угловой скорости  (увеличения s). Поэтому зависимость  = f ( ) имеет падающий характер. Однако у большинства асинхронных двигателей изменение частоты вращения при нагрузке незначительно, и характеристика  = f ( ) является достаточно жесткой. Скольжение s с ростом будет возрастать. При холостом ходе из-за наличия механических и магнитных потерь (момент ) ток 0, следовательно,    1 и s0.

При  = const зависимость представляла бы прямую, идущую из начала координат. Так как фактически у асинхронного двигателя const, то реальная характеристика несколько отличается от линейной.

При увеличении будет возрастать ток статора . При малых нагрузках скольжение, а следовательно, и индуктивное сопротивление ротора = малы и ток ротора будет практически активным угол сдвига между током и напряжением (рис. 1.11) будет уменьшаться с ростом нагрузки и cos -увеличиваться по сравнению с cos .

При больших нагрузках скольжение и частота индуцируемой в роторе ЭДС возрастают, что приводит к увеличению индуктивного со противления обмотки ротора. Вследствие этого реактивная составляющая тока ротора и соответственно тока статора увеличиваются, a начинает уменьшаться (штриховые линии на рис. 1.11). Под водимая мощность изменяется пропорционально произведению cos.

Зависимость   достигает максимального значения при нагрузке, когда постоянные и переменные потери в двигателе будут равны.

6. Поясните ход характеристик холостого хода двигателя.

В этом режиме на валу двигателя нет нагрузки, и скольжение составляет s = (n1 - n1) / n1 = 0. Ротор вращается с частотой, близкой к синхронной частоте n1, и скольжение очень мало отличается от нуля.

10. Как определить электрические потери в короткозамкнутой обмотке ротора?

Электрические потери в короткозамкнутой обмотке ротора можно определить по отклонению электрического счётчика, на обмотки которого подаётся разность между выпрямленным первичным напряжением и напряжением тахогенератора, вращаемого двигателем. Также электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению

– электрические потери в обмотке ротора, Вт;

- потребляемая активная электрическая мощность,

-электрические потери в обмотке статора,

-магнитные потери.