эльмаш

2.3. Особенности работы однофазного асинхронного двигателя

Принцип действия и устройство однофазного двигателя. Однофазный двигатель питается от однофазной сети переменного тока. (рис. 2.16, а). В соответствии с этим он имеет на статоре однофазную обмотку, подключаемую к сети. Роторная обмотка однофазного двигателя обычно выполняется короткозамкнутой в виде беличьей клетки, как и у трехфазного короткозамкнутого двигателя. Обмотка статора расположена в пазах, занимающих примерно две трети окружности статора, которая соответствует паре полюсов. В результате распределение индукции в воздушном зазоре близко к синусоидальному.

При подключении обмотки статора к сети ток этой обмотки создает пульсирующий поток – изменяющийся во времени, неподвижный в прстранстве, а не вращающийся, как в трехфазном двигателе. Неподвижное пульсирующее поле может быть разложено на два вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой вращения с одинаковыми амплитудами, равными половине амплитуды пульсирующего потока.

Рис. 2.16. Однофазный асинхронный двигатель:

а – электрическая схема однофазного двигателя; б – схема трехфазного двигателя, эквивалентного однофазному

61

На основании сказанного однофазный двигатель эквивалентен трехфазному двигателю с двумя одинаковыми трехфазными обмотками, создающими вращающиеся в противоположные стороны магнитные поля (рис. 2.16, б).

Поле, направление вращения которого совпадает с направлением вращения ротора, называют прямым; поле обратного направления – обратным.

Электромагнитные моменты Mпр и Mобр, образуемые прямым и обратным полями, направлены в противоположные стороны, а результирующий момент равен M = Mпр – Mобр.

На рис. 2.17 приведена зависимость M = f (s) для однофазного двигателя.

Мобр

Рис. 2.17. Моментные характеристики однофазного двигателя

Из рисунка можно сделать следующие выводы:

а) при неподвижном роторе (n = 0, s = 1) эти поля создают одинаковые по величине, но разные по знаку моменты Mпр и Mобр. Поэтому пусковой момент M = M1 – M2 однофазного двигателя с одной обмоткой на статоре равен нулю и двигатель не может прийти во вращение;

б) если ротор принудительно приведен во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов – Mпр или Mобр – будет преобладать. Если при этом M > Mст, то двигатель дальше раскручиваться будет сам. Пуск завершится при определенной установившейся скорости вращения, при которой M = Mст.

Однофазные асинхронные двигатели с пусковой обмоткой. Как показано выше, однофазный асинхронный двигатель не создает пускового момента. Чтобы пусковой момент появился, необходимо во

62

нены активное сопротивление, индуктивность или емкость (рис. 2.18). Вращающееся магнитное поле обеспечивает появление пускового момента. Ротор начинает вращаться. При достижении частоты вращения, близкой к номинальной, пусковую обмотку В отключают. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы – однофазным.

При одинаковых габаритах номинальная мощность однофазного двигателя составляет не более 50–60 % номинальной мощности трехфазного двигателя. Это обусловлено тем, что обмотка статора однофазного двигателя занимает примерно две трети окружности статора и имеет обратное (тормозное) поле, которое уменьшает вращающий момент, увеличивает потери двигателя и вызывает его дополнительный нагрев.

Трехфазный двигатель будет работать в режиме однофазного двигателя, если произойдет обрыв одной фазы цепи статора (например, перегорание защитного плавкого предохранителя в одной фазе). Такой режим работы опасен для двигателя.

Действительно, полезная мощность двигателя в трехфазном режиме

P3 = 3U I3 η3 cos φ3

63

и в однофазном

P1 = U I1 η1 cos φ1 .

При переходе трехфазного двигателя в однофазный режим скорость вращения изменяется незначительно и поэтому P1 ≈ P3. Если бы η и сos φ не изменились, то ток в однофазном режиме I1 был бы в 3 раза больше тока в трехфазном режиме I3. В действительности η и cos φ уменьшаются и увеличение тока будет больше. Если у двигателя была большая нагрузка, то при переходе в однофазный режим ток будет значительно больше номинального, и если двигатель при этом не будет отключен, то в результате перегрева он выйдет из строя.

2.4. Лабораторная работа 4.

Сравнение рабочих характеристик асинхронного двигателя в трехфазном и однофазном режимах работы

Цель работы

Ознакомиться с конструкцией асинхронных двигателей. Изучить особенности электромагнитных процессов и принцип ра-

боты трехфазных и однофазных двигателей.

Экспериментально исследовать и сравнить рабочие характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в трехфазном и однофазном режимах работы.

Объект и средства исследования

Для испытаний используется трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Источник питания – сеть 380 В. Нагрузка на валу двигателя создается с помощью генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Электрическая схема для экспериментального исследования асинхронного двигателя в трехфазном и однофазном режимах работы приведена на рис. 2.19. Номинальные данные асинхронного двигателя и генератора постоянного тока приведены на панели стенда.

Для измерения тока, напряжения и активной мощности двигателя в цепь обмотки статора включается комплект приборов К-50 или К-505. Частота вращения ротора двигателя измеряется стробоскопическим методом.

64

Рабочее задание

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

–изучить принцип действия и конструкцию трехфазного асинхронного двигателя; изучить принцип действия однофазного двигателя, способы пуска его в ход;

–рассмотреть схемы включения трехфазного двигателя в однофазную сеть;

–изучить методику определения рабочих характеристик экспериментальным путем.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

–снять рабочие характеристики в трехфазном режиме двигателя; измерить напряжение, ток и мощность в фазах обмотки статора; определить коэффициент мощности и КПД, частоту вращения ротора при различных нагрузках на валу двигателя;

–запустить двигатель в однофазном режиме;

–снять рабочие характеристики в однофазном режиме двигателя.

При оформлении отчета следует:

–по опытным данным построить рабочие характеристики двигателя в трехфазном и однофазном режимах работы; сравнить эти характеристики;

–определить коэффициент использования трехфазного двигателя в однофазном режиме работы.

Методические рекомендации к выполнению рабочего задания

иобработке результатов эксперимента

1.Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, конструкцией испытуемого асинхронного двигателя, записать его номинальные данные и подобрать соответствующие измерительные приборы.

2.Собрать схему трехфазного асинхронного двигателя (АД) и нагрузочного генератора постоянного тока с независимым возбуждением (ГПТ) (рис. 2.11, б, с. 50).

3.Осуществить прямой пуск двигателя от сети. При пуске двигателя переключатель фаз измерительного комплекта К-50 или К-505 следует установить в нулевое положение, в котором приборы комплекта отключены.

Снять рабочие характеристики в трехфазном режиме работы двигателя. При снятии рабочих характеристик момент сопротивления (нагрузка) на валу двигателя изменяется путем изменения тока в цепи

65

якоря и цепи возбуждения нагрузочного генератора. Ступенчато изменяя сопротивление Rнагр в цепи якоря генератора и плавно изменяя ток возбуждения, нагрузить АД и установить 4–5 таких режимов нагрузки, чтобы ток обмотки статора двигателя возрос равномерными ступенями от величины I10, соответствующего режиму холостого хода до I1 = I1 ном – тока при номинальной нагрузке на валу двигателя.

Результаты измерения заносятся в табл. 1, результаты расчета − в табл. 2

Таблица 1

Опытные данные трехфазного режима работы двигателя

Для построения рабочих характеристик по экспериментальным данным необходимо рассчитать параметры двигателя, используя данные табл. 1 и расчетные формулы, приведенные ниже:

66

cosϕ1 = 3UP11íI1 ,

n = 60pf , s = ∆nn100 %, n2 = n – ∆n,

где ∆n – скорость вращения звезды на торце вала.

4.Собрать схему включения трехфазного асинхронного двигателя (АД) в однофазную сеть (рис. 2.19).

Схема нагрузочного генератора с независимым возбуждением (ГПТ) остается такой же, что и при испытании двигателя в трехфазном режиме работы.

5.Осуществить пуск двигателя в однофазном режиме. При пуске ключ К замкнут, конденсатор включается в цепь ПО. В конце пуска ключ К разомкнут. При этом ПО отключается от сети и конденсатор разряжается на разрядное сопротивление R.

Рабочие характеристики в однофазном режиме снимаются так же, как и в трехфазном. Момент сопротивления (нагрузка) на валу двигателя изменяется путем изменения тока в цепи якоря и цепи возбуждения нагрузочного генератора. При увеличении нагрузки АД следует установить 3–4 таких режима, чтобы ток двигателя возрос равномер-

ными ступенями от величины I10, соответствующей режиму холостого хода, до максимальной, не превышающей 1,2 I1 ном.

Результаты измерения заносятся в табл. 3, результаты расчета −

втабл. 4.

67

68

Для построения рабочих характеристик по экспериментальным данным необходимо рассчитать параметры двигателя, используя данные табл. 2 и расчетные формулы, приведенные ниже:

n = 60pf , s = ∆nn100%, n2 = n – ∆n.

6. При оформлении отчета по лабораторной работе рабочие характеристики двигателя (I1; M2; cos φ) = f (P2) для трехфазного и однофазного режима построить в одних координатных осях, а зависи-

мости (P1; n; η ) = f (P2) – в других.

Необходимо объяснить характер построенных рабочих характеристик АД. Сравнить характеристики в трехфазном и однофазном режимах работы АД, а в конце отчета определить коэффициент использования трехфазного двигателя в однофазном режиме.

Контрольные вопросы

 1. Устройство и принцип действия трехфазных АД с фазным и короткозамкнутым ротором.

 2. Физические процессы в АД с однофазной обмоткой на статоре.

 3. Способы пуска в ход однофазных АД.

 4. Изобразить и объяснить моментную характеристику однофазного АД.

 5. Методика определения экспериментальных рабочих характеристик асинхронного двигателя.

 6. Теоретически объяснить расхождение рабочих характеристик АД в трехфазном и однофазном режимах.

 7. Объяснить, что такое КПД и коэффициент мощности трехфазного асинхронного двигателя. Как их определить по показаниям измерительных приборов?

 8. Почему в режимах малой нагрузки значение коэффициента мощности асинхронного двигателя невелико?

 9. Частота вращения основного магнитного потока. Значение ЭДС и частоты тока в роторе.

10.Условия создания кругового вращающегося магнитного поля трехфазной и двухфазной обмоткой статора.

69

3. Индукционный регулятор

3.1.Основные теоретические положения

3.1.1.Назначение индукционного регулятора

Индукционный регулятор ИР представляет собой, по существу, асинхронную машину с контактными кольцами и с заторможенным ротором. С помощью ИР изменяется

по величине и в небольших пределах по фазе трехфазное переменное напряжение, подаваемое на какой-либо потребитель, т. е. ИР – это автотрансформатор своеобразной конструкции. Если в автотрансформаторе регулируется величина напряжения изменением числа витков вторичной обмотки, то в ИР тот же эффект достигается изменением пространственного положения ротора.

3.1.2. Особенности конструкции индукционного регулятора

Принципиально конструкция ИР аналогична конструкции асинхронного двигателя с контактными кольцами, но имеет свои особенности.

Индукционный регулятор (рис. 3.1) состоит:

–из неподвижной части, к которой относятся корпус, подшипниковые щиты, сердечник статора, устройство для затормаживания и поворота ротора, например, червячная передача, щеточное устройство, вспомогательный асинхронный двигатель с вентилятором для охлаждения;

–поворачивающейся части, которая включает в себя сердечник ротора, обмотку ротора, вал, контактные кольца.

Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Воздушный зазор при мощности ИР 5–10 кВ А составляет 0,1–0,5 мм, т. е. для

70