m315

Коэффициент мощности двигателя

На основании табл. 3.3.1 строят рабочие характеристики.

3.3.6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ ДОПУСКЕ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

3.3.6.1.В чем заключается отличие асинхронных двигателей с фазными роторами от двигателей с роторами короткозамкнутыми?

3.3.6.2.Объясните последовательность действий при пуске асинхронного двигателя с фазным ротором?

3.3.6.3.Для чего в цепь обмотки ротора двигателя включают добавочные активные сопротивления?

3.3.6.4.Как в данной лабораторной работе определяется частота тока в обмотке ротора?

3.3.6.5.Поясните определение рабочих характеристик двигателя по методу непосредственной нагрузки?

3.3.6.7.Как определяют скольжение ротора асинхронного двигате-

ля?

3.3.6.8.Поясните, как определяется полезная мощность двигателя?

3.3.7.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ ЗАЩИТЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

3.3.7.1Чему равна частота тока в обмотке ротора асинхронного двигателя в начальный момент пуска?

3.3.7.2.Почему потери холостого хода называют постоянными?

3.3.7.3.Что необходимо выполнить, чтобы двигатель, работающий

врежиме холостого хода, нагрузить?

3.3.7.4.Какие зависимости называют рабочими характеристиками асинхронного двигателя?

3.3.7.5.Какими способами можно получить рабочие характеристи-

ки?

3.3.7.6.Какими способами можно определить величину скольжения при нагрузке двигателя?

3.3.7.7.Поясните, какие потери в двигателе называют механическими и от чего они зависят?

3.3.7.8.От чего зависят потери в сердечниках магнитопровода асинхронного двигателя?

71

3.3.7.9.Объясните, почему и как меняется коэффициент мощности двигателя при изменении нагрузки на его валу?

3.3.7.10.Какую мощность в двигателе называют электромагнит-

ной?

3.3.7.11.Почему потери в сердечнике ротора двигателя при номинальной частоте вращения не учитываются?

3.3.7.12.При какой нагрузке двигатель имеет максимальный КПД?

3.3.7.13.Почему растет ток статорной обмотки при увеличении механической нагрузки на валу двигателя?

3.3.7.14.Укажите все возможные способы пуска в ход асинхронного двигателя с фазным ротором?

3.3.7.15.Укажите все возможные способы регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором?

3.3.7.16. Изобразите и поясните рабочую характеристику

I1 = f (P2) .

3.3.7.17. Изобразите и поясните рабочую характеристику

P1 = f (P2).

3.3.7.18. Изобразите и поясните рабочую характеристику n = f (P2).

3.3.7.19. Изобразите и поясните рабочую характеристику cosϕ = f (P2)

3.3.7.20. Изобразите и поясните рабочую характеристику

η= f (P2) .

3.3.7.21.Как определяются электрические потери в обмотке стато-

ра?

3.3.7.21. Как определяются электрические потери в обмотке рото-

ра?

3.3.7.22.Что означают приведенные потери в обмотке ротора?

3.3.7.23.Почему электрические потери называют переменными?

3.3.7.24.От чего зависят электрические потери?

3.3.7.25.Какие потери называют добавочными?

72

3.4.ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

СКОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ В ТРЕХФАЗНОМ,

ОДНОФАЗНОМ И КОНДЕНСАТОРНОМ РЕЖИМАХ

3.4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить схемы переключения трехфазной обмотки статора асинхронного двигателя для работы от однофазной сети; изучить способы пуска асинхронного двигателя при работе от однофазной сети; сравнить рабочие характеристики и энергетические показатели двигателя при работе в трехфазном, конденсаторном и однофазном режимах.

3.4.2.ПРОГРАММА РАБОТЫ

3.4.2.1.Ознакомиться с лабораторной установкой.

3.4.2.2.Ознакомиться с некоторыми схемами переключения трехфазной обмотки статора асинхронного двигателя для работы в однофазном и конденсаторном режимах.

3.4.2.3.Ознакомиться с принципом действия однофазного и конденсаторного асинхронных двигателей, изучить способы их пуска.

3.4.2.4.Получить рабочие характеристики асинхронного двигателя

втрехфазном, однофазном и конденсаторном режимах.

3.4.2.5.Провести анализ рабочих характеристик и сделать выводы.

3.4.3.ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Бытовая электрическая сеть переменного тока чаще всего однофазная. Потребитель в этом случае использует приборы со встроенными в них однофазными или конденсаторными двигателями. Примерами таких приборов являются холодильники, кондиционеры, стиральные машины и др. В качестве однофазного двигателя с пусковой обмоткой или конденсаторного при необходимости может быть использован и трехфазный двигатель. В первом случае из двух его фаз образуется рабочая обмотка (главная), а из третьей – пусковая (вспомогательная) обмотка. Во втором случае третья фаза двигателя, подключенная через конденсатор к однофазной сети, во время работы не отключается. Такой режим работы называется конденсаторным.

При подключении трехфазной обмотки статора к сети симметричного трехфазного напряжения (на рис.3.4.1 выключатель SА1 замкнут, SА3 – разомкнут) в двигателе создается круговое вращающееся магнитное поле, и ротор развивает начальный пусковой момент.

73

Когда выключатели SА1 и SА3 разомкнуты, то включение обмотки статора на напряжение приводит к тому, что по ней протекает переменный однофазный ток и в двигателе создается пульсирующее магнитное поле. Пульсирующее поле можно представить в виде двух равных полей синхронно вращающихся в противоположных направлениях. При неподвижном роторе оба поля вызывают в его обмотке одинаковые по величине, но противоположные по знаку токи и, следовательно, противоположные по направлению электромагнитные моменты, которые взаимно уравновешиваются. При этом результирующий вращающий момент, действующий на неподвижный ротор, равен нулю. Прийти во вращение ротор не может.

Если теперь посторонним усилием ротор привести во вращение в какую-либо сторону, то он будет вращаться в этом направлении самостоятельно с некоторой частотой вращения n. При этом, поле, которое вращается в одном направлении с ротором, называется прямым, а поле, вращающееся в противоположном направлении - обратным.

Частота тока, индуцированного в обмотке ротора от прямого поля, определяется разностью частот вращения

fобр = f1(2 − s). Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, то в ней появляются токи Iпр и Iобр указанных частот. Ток Iпр малой частоты и почти совпадает по фазе с ЭДС Eпр, а ток Iобр большой частоты, практически индуктивный, отстает от ЭДС Eобр на угол близкий к

π / 2 . Под влиянием реакции НС от этих токов произойдет изменение величин вращающихся в противоположные стороны НС Fпр и Fобр и

создаваемых ими магнитных полей Фпр и Фобр . При этом амплитуда

обратного поля уменьшится, а прямого соответственно возрастет. В результате векторного сложения двух вращающихся в противоположные стороны магнитных полей Фпр и Фобр с разными амплитудами в двига-

теле образуется результирующее вращающееся магнитное поле

74

Ф, вектор которого описывает в пространстве траекторию эллиптической формы.

Взаимодействие магнитного поля с токами ротора создает результирующий электромагнитный вращающий момент.

Электромагнитные моменты от прямого и обратного полей можно представить в виде

где К - коэффициент пропорциональности; ψ пр -угол сдвига между ЭДС Εпр и током Iпр; ψ обр - угол сдвига между ЭДС Εобр и током

Iобр.

Так как при вращающемся роторе ψ пр ≈ 0 , ψ обр ≈ π / 2 и cosψ пр > cosψ обр , то момент Μпр > Μобр. Тогда результирующий электромагнитный момент однофазного двигателя при вращении ротора

На рис.3.4.2 показаны зависимости Μпр , Μобр и М в зависимости

от скольжения s. Зависимость М, расположенная выше оси абсцисс, соответствует одному направлению вращения ротора, а расположенная ниже оси абсцисс - обратному.

Рис.3.4.2. Момент однофазного асинхронного двигателя в зависимости от скольжения

76

Обе части этой зависимости равноценны. Ротор будет вращаться в том направлении, в котором он развернут первоначально внешней силой. При обоих направлениях вращения ротора результирующий момент М однофазного двигателя получается одинаковым по величине. При пуске двигателя, когда s=1, этот момент равен нулю.

Чтобы ротор привести во вращение, необходимо в начале пуска (при s=1) в двигателе создать вращающееся магнитное поле. Известно, что вращающееся магнитное поле создают многофазные обмотки при протекании по ним токов сдвинутых по фазе. Поэтому на время пуска однофазный двигатель превращают в простейший многофазный, а именно, в двухфазный. Такой двигатель имеет две обмотки, магнитные оси которых сдвинуты по расточке статора, как правило, на половину полюсного деления (900эл.) Одна из этих обмоток называется рабочей – другая пусковой.

При применении трехфазного двигателя в однофазном режиме в качестве рабочей обмотки используют последовательное соединение двух фаз, например, U и V, а оставшуюся фазу W как пусковую обмотку. При этом не важно, как соединены последовательно фазы U и V, в неполную звезду или открытый треугольник, их эквивалентная магнитная ось всегда сдвинута по отношению к оси фазы W на 900эл. Изменение соединения фаз U и V в неполную звезду на соединение в открытый треугольник связано лишь с изменением направления вращения. На рис.3.4.3 показана одна из возможных схем включения трехфазного двигателя для работы в однофазном режиме. Для обеспечения сдвига фаз между токами рабочей и пусковой обмоток в цепь пусковой обмотки включают фазосдвигающий элемент (ФСЭ) ZП.

Вкачестве ФСЭ используются резисторы, катушки индуктивности

иконденсаторы. Лучшие пусковые свойства двигателя получают при использовании конденсаторов в качестве фазосдвигающих элементов, т.к. только в этом случае можно осуществить сдвиг токов в обмотках на

900 и при условии равенства амплитуд намагничивающих сил рабочей и пусковой обмоток создать круговое вращающееся магнитное поле. В этом случае обратное поле отсутствует и, следовательно, тормозного момента нет. Если выше названные условия не выполняются, то система двух обмоток, магнитные оси которых пространственно сдвинуты на 900эл., будет создавать эллиптическое вращающееся магнитное поле. После окончания процесса пуска двигателя пусковую обмотку отключают, и дальнейшая работа происходит только с одной рабочей обмоткой, т.е. в однофазном режиме.

77

Рис. 3.4.3. Схема включения обмотки трёхфазного двигателя для работы в однофазном режиме

Улучшить пусковые и рабочие характеристики двигателя можно, если пусковую обмотку с включенными в ее цепь конденсаторами оставить подключенной к сети на все время работы, т.е. перевести его в конденсаторный режим. В этом случае можно подбором емкости конденсаторов создать в двигателе круговое или почти круговое вращающееся магнитное поле, как на время пуска, так и в рабочем режиме под нагрузкой. Необходимо отметить, что круговое поле создается только при определенной нагрузке двигателя для заданного значения емкости конденсатора. При другой нагрузке скольжение и соответственно индуктивные параметры двигателя изменятся и, если не изменить емкость конденсатора, работа двигателя ухудшится. Обычно для получения кругового поля подобранные конденсаторы включают параллельно. При пуске работают все конденсаторы, а по мере разгона двигателя в процессе пуска или переходе к меньшей нагрузке емкость батареи конденсаторов уменьшают ступенями.

Подключение обмотки статора двигателя на трехфазное и однофазное питание осуществляется выключателем SА1 (рис.3.4.1). Переключатель SA4 позволяет переключать обмотку напряжения ваттметра PW либо на фазное напряжение (положение «3ф») при работе в трехфазном режиме, либо на линейное напряжение сети (положение «1ф») при работе в однофазном или конденсаторном режимах. Следует обратить

78

внимание на то, что при работе в трехфазном режиме ваттметром измеряется фазная мощность. Выключатели SA2 и SA3 необходимы для перевода двигателя в конденсаторный режим или осуществления пуска двигателя в однофазном режиме путем включения в цепь обмотки статора рабочего Cw и пускового Cs конденсаторов.

Нагрузкой для двигателя во всех режимах является генератор G постоянного тока параллельного возбуждения, работающий на нерегулируемое сопротивление нагрузки R. Плавное регулирование мощности, выделяемой на сопротивлении R, осуществляется изменением тока возбуждения генератора с помощью сопротивления RF. Ток и напряжение на сопротивлении нагрузки R измеряется приборами РА2 и РV2. Для осуществления режима холостого хода служит выключатель SА5, размыкающий цепь нагрузки R.

Контроль частоты вращения n испытуемого двигателя проводится с помощью магнитоэлектрического тахогенератора TG.

3.4.4. ТРЕХФАЗНЫЙ РЕЖИМ ДВИГАТЕЛЯ

Для испытания в трехфазном режиме по схеме рис.3.4.1. перед подключением его к сети необходимо:

•замкнуть выключатель SА1;

•разомкнуть выключатель SА3;

•разомкнуть выключатель SА5;

•переключатель SA4 установить в положение «3ф», соответствую-

щее трехфазному режиму.

Пуск двигателя производится с помощью выключателя Q.

После пуска необходимо максимально уменьшить ток возбуждения нагрузочного генератора с помощью регулирования сопротивления RF так, чтобы вольтметр РV2 показывал напряжение близкое к нулю.

Определение рабочих характеристик производится методом непосредственной нагрузки. Опыт необходимо начинать с режима холостого хода. Затем замыкают выключатель SА5 и плавно нагружают двигатель с помощью нагрузочного генератора так, чтобы частота вращения двигателя от одного измерения до другого изменялась не более чем на 10 ÷15 об/мин. Результаты измерений и вычислений записывают в табл.3.4.1, на основании которых строят рабочие характеристики.

Полезная мощность двигателя

79

где IГ - ток нагрузочного генератора, А; U Г - напряжение нагрузочно-

•в однофазном и конденсаторном режимах

3.4.5.ОДНОФАЗНЫЙ РЕЖИМ ДВИГАТЕЛЯ

Для испытания трехфазного двигателя в однофазном режиме в схеме рис.3.4.1 необходимо сделать следующие переключения при снятом напряжении:

•разомкнуть выключатель SА1;

•разомкнуть выключатели SА2 и SА3;

•разомкнуть выключатель SА5;

•переключатель SА4 установить в положение «1ф», соответствующее однофазному режиму.

Пуск двигателя производится на холостом ходу. После разгона

двигателя, конденсаторы CS и CW должны быть отключены, т.е. выключатели SА2 и SА3 разомкнуты. Затем уменьшить ток возбуждения нагрузочного генератора на холостом ходу насколько это возможно. Определение рабочих характеристик двигателя производится так же, как и для трехфазного режима. При увеличении нагрузки необходимо следить, чтобы не произошла остановка двигателя из-за перегрузки. Результаты измерений и вычислений записывают в табл. 3.4.1.

80