13.4. Контрольные вопросы

1) Какие способы определения начала и конца обмотки статора существуют?

2) Какие способы пуска асинхронных двигателей существуют?

3) Куда расходуется потребляемая при пуске мощность?

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 [ 1, с. 29 – 32, с. 462 – 466; 2, с. 358 – 367, с. 533, с. 566 – 568.].

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).

Т а б л и ц а  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 ротора относится 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 %).   При режим 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 ротора и . 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 скольжение называется 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 характеристик для 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) при и , 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.

Р ис. 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 статора   об/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