Лабораторная работа 14

ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с конструкцией асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, его пуском в ход; изучить методику определения скольжения; снять рабочие характеристики двигателя.

14.1. Основные положения теории

Наиболее широкое применение в качестве привода в современных электротехнических установках имеет асинхронная машина (АМ) переменного тока, она является обратимой и используется как преобразователь электрической энергии в механическую и наоборот, а также в качестве преобразователя частоты. Наибольшее применение АМ находит в режиме асинхронного двигателя (АД). Основными элементами АМ являются статор и ротор. Обмотка статора выполняется трех-, двух- и однофазной – в зависимости от типа машины.

Частота вращения поля статора (синхронная) , где– частота питающего напряжения;– число пар полюсов машины.

При = 50 Гц получается ряд синхронных частот вращения (табл. 22).

Соотношение между числом пар полюсов и

синхронной частотой вращения поля

	1	2	3	4	5
, об/мин	3000	1500	1000	750	600

Принцип действия АД заключается в следующем: при включении об-мотки статора АД в трехфазную сеть создается вращающееся магнитное поле, индуктирующее в обмотке ротора ЭДС, под ее действием в замкнутом контуре обмотки ротора протекает ток, который, взаимодействуя с тем же магнитным полем, создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение вслед за вращением поля.

Ротор не может достигнуть синхронной частоты вращения, так как в этом случае отсутствовало бы пересечение обмотки ротора с линиями поля, исчезли бы ЭДС, ток ротора и электромагнитный момент. Частота вращения ротора определяется по формуле: , она всегда меньше синхронной частоты. ЭДС в обмотке вращающегося ротораотносится к ЭДС неподвижного:

, (48)

отсюда и, где– частота ЭДС и тока в роторе.

Величина называется скольжением ротора относительно вращающе-гося поля и характеризует степень отставания ротора от вращающегося поля статора. Скольжение   АД   может  меняться  в пределах от 0 до 1 (100 %).   Прирежим называется идеальным холостым ходом машины, при= 1 – ре-жимом короткого замыкания. Испытательный режим короткого замыкания может быть получен при подаче пониженного напряжения на статорную обмотку при заторможенном роторе.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным. Для двигателя нормального исполнения мощностью от 1 до 1000 кВт номинальное скольжение равно 0,02 – 0,07. В паспорте двигателя указываются номинальная частота вращения ротора (она дает возможность определить синхронную частоту вращения, номинальное скольжение и число полюсов обмотки статора), номинальное напряжение и способ соединения обмоток статора. Этими данными необходимо воспользоваться при сборке схемы двигателя.

АМ работает в режиме двигателя при скольжении . Реже исполь-зуется генераторный режим (скольжение изменяется в пределах от 0 до –∞). Третий возможный режим АМ – электромагнитный тормоз (скольжение изменяется от 1 до +∞). Двигательный режим АМ является основным.

АД конструктивно выполняются в двух вариантах: с короткозамкнутым и фазным ротором. В трехфазном АД обмотки статора соединяются по схеме звезды или треугольника в зависимости от напряжения питающей сети (см. лабораторную работу 12).

Электромагнитный момент АД создается взаимодействием тока в об-мотке ротора с вращающимся магнитным полем , где–постоянная машины;– магнитный поток;– ток ротора;– угол между ЭДС обмотки ротораи. Момент пропорционален электромагнитной мощности и, в конечном итоге, может быть рассчитан по следующей формуле:

(49)

где – число фаз обмотки статора;– напряжение сети, В;– соот-ветственно активное сопротивление статора и приведенное сопротивление ротора, Ом;– реактивное сопротивления статора и ротора, Ом.

Зависимость называется механической характеристикой двигателя и имеет вид, приведенный на рис. 39.

Рис. 39. Механическая характеристика АМ

На механической характеристике (см. рис. 39) можно указать соответствующие определенному режиму двигателя точки: 0 – идеальный холостой ход двигателя, достигается при вращении ротора вспомогательным двигателем с частотой вращения ; С – номинальный режим; А – соот-ветствует критическому моменту (моменту опрокидывания) двигателя. При этом скольжениеназывается критическим, а двигатель развивает мак-симальный момент. Незначительное увеличение нагрузки на валу двигателя выше критической приводит к переходу по характеристике в точку В. Точка В – режим пуска двигателя при, т. е. режим короткого замыкания.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью, она определяется по формуле: .

Анализ механической характеристики показывает, что устойчивая работа АД возможна при скольжении .

Электромагнитный момент двигателя пропорционален квадрату приложенного к статору напряжения , и поэтому весьма существенно зависит от его изменений. В то же время величина критического скольжения не зависит от напряжения. Анализ характеристикдля различных значений напряжения (рис. 40) показывает, что снижение напряжения сети сопровождается изменением не только момента, но и частоты вращения ротора, так как изменяется и величина скольжения. При заметном уменьшении напряжения(до 30 %) момент двигателя уменьшается более чем вдвое. Это приводит к тому, что двигатель не в состоянии работать при номинальной нагрузке на валу и останавливается.

Свойства АД характеризуются его рабочими характеристиками   (рис.  41)прии, которые могут быть получены расчетным и опытным путем. В лабораторных условиях рабочие характеристики снимаются на установке, где двигатель нагружают с помощью нагрузочного генератора постоянного тока. Для двигателей средней и большой мощности рабочие характеристики можно построить по круговой диаграмме.

Рис. 41. Рабочие характеристика АД

При снятии рабочих характеристик необходимо измерить частоту вращения ротора по одному из методов:

с использованием тахометра;

с применением тахогенераторов;

измерением скольжения .

Последний способ позволяет с высокой точностью определить по формуле:.

Для определения скольжения существуют различные способы.

Стробоскопический метод, примененный в данной работе, заключается в том, что в ходе эксперимента измеряется разница значений частоты вращения: . На валу двигателя укрепляется диск, разделенный на одинаковые темные и светлые секторы. При этом число темных секторов должно быть равно числу полюсов. Если этот вращающийся диск осветить неоновой лампой, получающей питание от той же сети переменного тока, что и двигатель, то будет наблюдаться вращение диска с частотой, равной отставанию ротора от магнитного поля статора. Причина такого явления объясняется тем, что газосветная лампа мерцает с частотой сети, вспыхивая каждый раз при пе-реходе напряжения через максимум, т. е. 100 раз в секунду. Если двигатель че-тырехполюсный, то частота вращения поля статораоб/мин.

За промежуток времени t, равный 1/100 с, вектор поля статора поворачивается на угол (оборота). Если бы ротор вращался с частотой вращения, то в период вспышки лампы темные секторы замещались бы один другим и мнимое изображение казалось бы неподвижным. Однако ротор не успевает за 1/100 с повернуться на 1/4 оборота. Таким образом, будет казаться, что изображение секторов вращается в обратную сторону с частотой вращения. Подсчитав за некоторый промежуток времени число оборотов какого-либо сектора, можно определить скольжение и частоту вращения ротора двигателя