Лабораторная работа № 13. Электрические машины.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13
ИССЛЕДОВАНИЕ РИЖИМОВ ПУСКА, РЕВЕРСА И ХОЛОСТОГО ХОДА ТРЁХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить устройство и принцип работы трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
2. Исследовать пусковые свойства двигателя при прямом пуске и при пуске с пониженным напряжением.
3. Освоить методику реверсов асинхронного двигателя.
4. Провести анализ эксплуатационных параметров двигателя в режиме холостого хода.
Основные теоретические положения
В народном хозяйстве в настоящее время около 60 % всей электроэнергии потребляется асинхронными двигателями (АД), получившими большое распространение в качестве приводных двигателей различных производственных механизмов.
АД предназначен для преобразования электрической энергии, подводимой к статорной обмотке, в механическую энергию вращения ротора.
Трёхфазный АД состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора (рис.1). Магнитопровод статора (1) представляет собой полый ферромагнитный цилиндр с продольными пазами на внутренней поверхности, набранный из отдельных тонких листов электротехнической стали. В пазах статора уложена трёхфазная обмотка, состоящая из трёх фазных одинаковых катушек, оси которых сдвинуты в пространстве по отношению друг к другу на 120º.
Начала и концы обмоток выведены на корпус машины и присоединены к зажимам, обозначенным: С1, С2, С3 – начала обмоток; С4, С5, С6 – концы обмоток. Это позволяет соединять обмотки статора как по схеме «звезда» (рис. 2, а), так и по схеме «треугольник» (рис. 2, б).
Магнитопровод статора крепится в корпусе машины, состоящем из станины и подшипниковых щитков.
Ротор АД (2) выполнен в виде цилиндра из тонких листов электротехнической стали. На внешней поверхности короткозамкнутого ротора имеются продольные пазы, в которых размещена обмотка ротора, представляющая собой алюминиевые или медные стержни, замкнутые по торцам кольцами. Такая конструкция обмотки называется «беличьим колесом»из-за внешней схожести конструкции, состоящей из медных или алюминиевых стержней, которые замкнуты с торцов двумя кольцами. Ротор закреплен на валу машины, который вращается в шариковых или роликовых подшипниках.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис. 2 Схемы соединения обмоток статора: а) «звезда»; б) «треугольник» | |
В основе принципа работы асинхронного двигателя лежит закон электромагнитной индукции, т.е. физическое взаимодействие магнитного поля статора с током, наведённым этим полем в обмотке ротора.
При подключении АД к трёхфазной сети в его обмотках будет протекать синусоидальный ток, фазы которого сдвинуты относительно друг друга на 1/3 периода.
Это обстоятельства в совокупности с указанным ранее расположением обмоток (смещение в пространстве на 120о/р) приводит к образованию в магнитопроводе статора вращающееся магнитного поля.
Вращающееся магнитное поле статора с магнитным потоком Ф, пересекая силовыми линиями проводники обмоток статора и неподвижного ротора, в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в них ЭДC, действующие значения которых соответственно равны:
;
.
Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, под действием наведенной ЭДC E2 в ней возникнет электрический ток
,
где Z2– полное сопротивление обмоток ротора.
Согласно закону Ампера, на проводник с током, помещённый в однородное магнитное поле, действует сила, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля. Эта сила создаёт вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться в том же направлении что и магнитное поле статора.
Соединив ротор с валом технологической машины (насос, вентилятор и т.п.), он будет способен выполнять механическую работу. Таким образом, в электродвигателе происходит превращение электрической энергии в механическую.
Магнитное поле статора вращается в пространстве с частотой
,
об/мин.
где f1– частота переменного тока, Гц;
p– число пар полюсов обмотки статора.
Промышленная частота переменного тока равна 50 периодам в 1 секунду (50 Гц). Следовательно, частота вращения вала электродвигателя зависит от числа пар полюсов (например, если p = 1, 2, 3, 4 и т.д., то на основании приведенной формулы n1 = 3000, 1500, 750, 600 об/мин и т.д.).
При этом частота вращения ротора n2 будет всегда несколько меньше частоты вращения магнитного поля статора n1, поскольку в случае их равенства для обмотки ротора перестанет действовать закон электромагнитной индукции. Отставание ротора от магнитного поля статора характеризуется параметром S, называемым скольжением
,
.
Поскольку ротор незначительно отстаёт от магнитного поля, значение S при номинальной нагрузке составляет обычно несколько процентов, а в режиме холостого кода – доли процента.
При вращении ротора частота и действующее значение ЭДС в обмотке ротора изменятся и будут определяться выражениями:
;
,
где
– обмоточный коэффициент.
В момент подачи напряжения на статорную обмотку n1 = 0, S = 1 и ЭДС Е2S будет максимальной. Это приведет к появлению большого тока I2, в обмотке ротора, что в свою очередь вызовет увеличение тока обмотки статора I1 для компенсации размагничивающего действия тока I2. Величина пускового тока Iпуск обычно в 5-7 раз превышает номинальное значение I1ном. Это обстоятельство вызывает кратковременную (на время разгона двигателя) перегрузку сети, что может неблагоприятно сказаться на работе других потребителей. уменьшение пускового тока может быть осуществлено временным снижением напряжения на статорной обмотке на время разгона двигателя. Этого можно добиться, например, с помощью регулируемого источника питания или путём изменения схемы подключения обмоток на время пуска (при пуске обмотки соединяются «звездой» с последующим переключением после разгона на «треугольник»).
При отсутствии механической нагрузки на валу АД в статорной обмотке течет ток холостого хода I1х , который может достигать 25...50 % от I1ном, что значительно больше, чем ток холостого хода в трансформаторе. Это объясняется наличием воздушного зазора между статором и ротором, что существенно увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода и, следовательно, требует большего значения намагничивающей силы IW для создания магнитного потока Ф. В режиме холостого хода АД потребляет из сети активную мощность
,
которая расходуется на магнитные и механические потери, поскольку электрические потери будут пренебрежимо малыми.
Для изменения направления вращения ротора (реверса) достаточно изменить направление вращения магнитного поля. Это достигается изменением порядка следования фаз трёхфазного напряжения, для чего необходимо поменять местами две любые фазы в схеме подключения двигателя к сети.