Экспериментальные данные при снятии механической характеристики nf(м) двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

(I_{в дв}=250 мA const, I_{в г}=250 мA, U=200 B const)

№ п/п	Iа, мA	n, об/мин	Uг, В	Iг, A
1 (хол. ход).
2.
3.
4.

Таблица 4.7

Экспериментальные данные при снятии механической характеристики nf(м) двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

(I_{в дв}=210 мA const, I_{в г}=250 мA, U=200 B const)

№ п/п	Iа, мA	n, об/мин	Uг, В	Iг, A
1 (хол. ход).
2.
3.
4.

Таблица 4.8

Экспериментальные данные при снятии механической характеристики nf(м) двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

(I_{в дв}=170 мA const, I_{в г}=250 мA, U=200 B const)

№ п/п	Iа, мA	n, об/мин	Uг, В	Iг, A
1 (хол. ход).
2.
3.
4.

8. Сравнить характеристики, построенные по п.п. 3…8 и сделать выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите устройство и принцип работы двигателя постоянного тока.

2. Приведите классификацию двигателей постоянного тока по способу возбуждения.

3. Какую роль выполняет щеточно-коллекторный узел в двигателе постоянного тока?

4. Напишите выражения для ЭДС якоря и электромагнитного момента двигателя постоянного тока.

5. Напишите уравнение электрического равновесия цепи якоря двигателя?

6. Выведите уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

6. Составьте уравнение баланса мощностей двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

?7. Что характеризует электромагнитная мощность двигателя постоянного тока?

8. Как рассчитать мощность, потребляемую от источника питания двигателем постоянного тока с параллельным возбуждением?

?9. Как рассчитать потребляемый ток двигателя?

?10. Почему двигатели постоянного тока имеют большой пусковой ток и как его можно ограничить?

?11. Как определить пусковой ток двигателя при прямом пуске?

?12. Каким образом можно ограничить пусковой ток двигателя?

13. Что называется механической характеристикой двигателя?

?14. Что представляет собой естественная характеристика и каково её аналитическое выражение?

15. Какими способами можно регулировать частоту вращения двигателей постоянного тока параллельного возбуждения? Какой из них является наиболее неэкономичным?

16. Как снимаются механические характеристики двигателя посточянного тока?

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Цель работы

1. Ознакомиться с устройством и принципом действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Изучить работу и способы пуска двигателя с короткозамкнутым ротором.

3. Снять и построить рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Основные теоретические положения

Асинхронные двигатели являются наиболее распространенными, особенно в нерегулируемых электроприводах небольшой мощности. Они просты по устройству, дешевы, надежны в эксплуатации, экономичны и удобны в обслуживании.

Асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора 1 и расположенного соосно внутри вращающегося ротора 2. Между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью ротора имеется воздушный зазор.

Рис.5.1. Устройство асинхронного двигателя

Корпус (станина) статора 3 выполняется из чугуна, стали или алюминиевого сплава. Внутри него укрепляется сердечник статора, а по торцам – подшипниковые щиты 4, 5, несущие ротор. В двигателях закрытого исполнения корпус оребрен и обдувается с помощью вентилятора 7 и кожуха 8.

Сердечники статора и ротора выполняют из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга с целью уменьшения вихревых токов и связанных с ними потерь.

Сердечник статора имеет форму полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которые укладывается трехфазная обмотка статора. Выводы обмотки размещают в коробке выводов 6. Начала фазных обмоток статора обозначаются U1, V1, W1, а концы – U2, V2, W2. На двигателях старых серий использовалась другая маркировка выводов: начала – С1, С2, С3, концы – С4, С5, С6.

Фазы обмотки статора могут соединяться в звезду (Y) или треугольник (). На табличке двигателя указавается способ соединения фазных обмоток в зависимости от линейного напряжения U_ном источника питания, например, «Y/Δ» и «380/220 В». Это означает, что при U_ном380 В трехфазная обмотка статора двигателя должна соединяться по схеме «звезда», а при U_ном220 В – по схеме «треугольник». При обеих схемах соединения фазное напряжение обмотки одинаково: U_ф220 В.

В пазы, выполненные на наружной поверхности сердечника ротора, уложена обмотка ротора. Она может выполняться двух типов: короткозамкнутая и фазная.

Рис.5.2. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

Короткозамкнутая обмотка напоминает «беличью клетку» и состоит из ряда медных или алюминиевых стержней, соединенных по торцам короткозамыкающими кольцами (рис. 5.2).

Обмотка фазного ротора в целом аналогична обмотке статора и обычно соединяется в звезду. Концы обмотки присоединены к расположенным на валу трем контактным кольцам, которые изолируются друг от друга и от вала ротора. К контактным кольцам прилегают щетки. С помощью этого узла к цепи фазного ротора могут подключаться различные внешние устройства, например, пусковой реостат. Изменением величины сопротивления реостата при пуске двигателя можно оптимизировать этот процесс: увеличить пусковой момент, уменьшить пусковой ток и др.

Образование вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной обмотки. В асинхронном двигателе обмотка статора возбуждает первичное круговое вращающееся магнитное поле. Для его создания необходимо выполнение следующих условий:

1. Обмотка должна состоять из трех частей (фаз).

2. Магнитные оси фаз, должны быть повернуты относительно друг друга по окружности зазора на 120 электрических градусов («электрическими» в теории асинхронных и синхронных машин называют угловые единицы, отсчитываемые в долях периода магнитного поля: 1 период равен 360 электрических градусов).

3. Фазы обмотки должны быть запитаны симметричным трехфазным током.

Периодическое пространственное распространение колебаний какой-либо физической величины обычно называют волновым. Если пространственное положение максимумов колебательного процесса остается неизменным, волна называется пульсирующей (стоячей). Таковыми в асинхронном двигателе являются волны индукции магнитного поля отдельных фаз. Наложение этих полей при выполнении условий (1…3) приводит к возникновению в зазоре между статором и ротором, так называемой, круговой вращающейся волны магнитной индукции, которая описывается выражением:

B(t,)B_uB_vB_w1,5B_mcos(₁tp)

где ₁2f₁ – угловая частота тока обмотки, p – число пар полюсов магнитного поля.

Предположим, что вместе с волной с равной скоростью движется некоторая материальная точка. В месте нахождения этой точки фаза волнового процесса будет оставаться неизменной: ₁tpconst. Производную по времени от угловой координаты этой точки называется угловой частотой вращения волны, ₁ [рад/сек]: ₁d/dt₁/p. Она связана с частотой вращения n₁ (в оборотах в секунду) известным соотношением:

₁2n₁. (5.1)

Частота вращения n₁ волны поля называется «синхронной». Она прямо пропорциональна частоте тока в обмотке и обратно пропорциональна числу пар полюсов:

n₁f₁/p.

Для промышленной частоты f50 Гц частота вращения поля при небольших числах полюсов представлена в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Значения синхронной частоты вращения при числах полюсов 2p8.

2р	2	4	6	8
n1, об/мин	3000	1500	1000	750

Принцип действия асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, которые наводятся этим полем в проводниках обмотки ротора.

Рис.5.3. Принцип действия асинхронного двигателя

При подключении трехфазного асинхронного двигателя к сети под действием приложенного напряжения по обмотке статора протекает трехфазный ток, создающий вращающееся вокруг ротора магнитное поле. При пересечении линиями вращающегося магнитного поля проводников обмотки ротора индуцируется ЭДС e_2s, которая вызывает в замкнутой обмотке ротора ток_. Обмотка ротора обладает активным сопротивлением r₂, и поэтому ток в ней всегда имеет совпадающую по фазе с индуктируемой ЭДС активную составляющую i_2а (рис. 5.3). Направление ЭДС и тока можно определить по известному «правилу правой руки».

На проводники обмотки ротора, по которым протекает активная составляющая тока i_2а, со стороны магнитного поля действуют электромагнитные силы F_эм, направленные в сторону вращения поля (направление действия сил можно определить, используя известное «правило левой руки»). Они создают вращающий электромагнитный момент М_эм, под действием которого ротор начинает разворачиваться в сторону вращения поля и ускоряется до тех пор, пока вращающий момент не станет равным моменту сопротивления на валу двигателя: М_эмМ_сопр.

В установившемся двигательном режиме частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения поля (n₂n₁), вследствие чего двигатель называется «асинхронным».

Разность частот вращения поля и ротора называется частотой «скольжения»:

n_sn₁–n₂.

Значение n_s выраженное в относительных единицах, называют «скольжением»:

sn_s/n₁(n₁–n₂)/n₁. (5.2)

Частота вращения ротора, выраженная из уравнения (5.2) через скольжение, может быть рассчитана по формуле:

n₂n₁(1–s). (5.3)

Так как наведение ЭДС в обмотке ротора обусловлено относительной частотой вращения поля и ротора, величина этой ЭДС, а также ее частота прямо пропорциональны скольжению: E_2s=E₂s, f₂=f₁s (E₂ – величина ЭДС при неподвижном роторе).

В соответствии с принципом действия асинхронного двигателя в установившемся режиме большему вращающему моменту на валу должно соответствовать большее скольжение, так как это приводит к возрастанию силы тока в роторе вследствие увеличения индуктируемой ЭДС.

Зависимость электромагнитного момента двигателя от скольжения называется механической характеристикой. В графическом виде эта зависимость изображена на рис. 5.4.

В установившемся режиме двигатель может работать в диапазоне скольжений 0ss_к. Скольжение, при котором развивается номинальный момент М_н обычно не превышает нескольких процентов (s_н0,02…0,09).

При скольжении s_к, называемым критическим, двигатель развивает максимальный вращающий момент М_max, который определяет перегрузочную способность двигателя. При подаче на обмотку статора напряжения питающей сети, когда ротор неподвижен (s1), асинхронный двигатель развивает начальный пусковой момент М_пус.

Рис.5.4. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Точки механической характеристики, соответствующие номинальному, максимальному и пусковому моментам являются важными эксплуатационными параметрами и могут быть определены по паспортным данным. Величину номинального момента можно рассчитать по номинальным значениям мощности на валу P₂ [Вт] и частоты вращения n₂ [об/мин]:

. (5.4)

Максимальный и пусковой момент задаются в относительных величинах: кратность максимального момента m_кМ_max/М_н (m_к2,2…3), кратность пускового момента m_пМ_пус/М_н (m_п1,2…2,2).

При работе асинхронной машины в режиме двигателя 0n₂n₁ (0s1) и электромагнитный момент М является вращающим. Если в подключенном к питающей сети асинхронном двигателе с помощью постороннего первичного двигателя привести ротор во вращение с частотой n₂n₁ (s0), то он будет работать в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть. При этом на ротор действует тормозной электромагниный момент М, который компенсируется вращающим моментом первичного двигателя.

Если ротор асинхронного двигателя с помощью постороннего двигателя вращать в сторону, противоположную вращению поля, т.е. n₂0 (s1), то асинхронная машина будет работать в режиме электромагнитного тормоза. При этом, электрическая энергия, потреблемая из сети и механическая энергия первичного двигателя расходуются на нагрев асинхронного двигателя.

Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности чаще всего производится методом прямого подключения к питающей сети. При таком способе пусковые токи в 5…7 раз превышают номинальное значение. Они могут вызвать недопустимое снижение напряжения в сети, что отрицательно влияет на работу других электроприемников электроэнергии, получающих питание от этой же сети.

Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором применяют различные способы: снижают на период пуска с помощью автотрансформатора подводимое напряжение, подключают двигатель к сети через реактор, переключают соединение фазных обмоток статора с треугольника на звезду. Переключение соединения с треугольника на звезду возможно только у двигателей, нормально работающих при соединении треугольником. При этом пусковой ток, а также пусковой момент снижаются в три раза.

Изменение направления вращения (реверс) асинхронных двигателей выполняют путем изменения направления вращения поля. Для этого переключают на обратное чередование фаз напряжения, подводимого к двигателю (меняют местами подключение к выводам обмотки статора любых двух питающих фаз из трех).

Рабочие характеристики асинхронного двигателя (рис.5.5) дают наиболее полное представление об его эксплуатационных свойствах. Они представляют зависимость частоты вращения ротора (n₂), скольжения (s), коэффициента мощности (cosφ), КПД (η), потребляемого из сети тока (I₁) и вращающего момента (М₂) от мощности P₂ на валу двигателя. Характеристики снимаются при номинальном питающем напряжении U_1н и частоте f_1н. На рис.5.5 зависимости величин, имеющих размерность, приведены в относительных единицах (помечены «»).

Рис.5.5. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При увеличении скольжение s растет, а частота вращения ротора n₂ в соответствии с выражением (5.3) снижается. Однако эти изменения незначительны (s_н3…7%) и поэтому характеристика n₂f(P₂) короткозамкнутого асинхронного двигателя является достаточно жесткой.

Зависимость от нагрузки потребляемого из сети тока I₁f(P₂) аналогична соответствующей зависимости для полной мощности S₁, так как , где P₁ и Q₁ – активная и реактивная мощности двигателя. При холостом ходе потребяемый ток I_00,2…0,4, что на порядок превышает соответствующее значение для трансформатора и обусловлено наличием в магниитной цепи двигателя воздушного зазора. В дальнейшем с ростом мощности нагрузки увеличивается активная составляющая тока I_1a и потребляемый ток возрастает.

Характер зависимости cosf(P₂) связан с изменением соотношения между активной и полной мощностью с ростом нагрузки, так как . В режиме холостого хода низкое значение коэффициента мощности (cos₀0,15…0,20), обусловлено тем, что Q₀>>P₀. С ростом мощности P₂ растет потребляемая мощность Р₁Р₂+P (P – суммарные потери мощности) и cos₁ увеличивается, достигая максимального значения при нагрузке, близкой к номинальной (Р_20,9…1,0). При дальнейшем увеличении нагрузки полная мощность растет быстрее активной из-за пропорциональной квадрату тока части реактивной мощности, обусловленной магнитным полем рассеяния, и cos уменьшается.

Характер зависимости ηf(P₂) связан с изменением при нагрузке соотношения между полезной и потреблямой из сети активной мощностью (ηP₂/P₁). Для объяснения сложного характера этой зависимости необходимо проанализировать структуру потерь в двигателе. Суммарные потери мощности разделяют на постоянные P_пост и переменные P_пер: PP_пост+P_пер. К постоянным относят мало зависящие от нагрузки магнитные и механические потери, к переменным – электрические потери в обмотках, пропорциональные квадрату тока.

В режиме холостого хода η0, так как P₂0. В области относительно небольших нагрузок полезная мощность растет быстрее потребляемой и КПД возрастает, достигая максимального значения при P_постP_пер. Асинхронные двигатели проектируют таким образом, чтобы это соответствовало наиболее вероятной нагрузке при эксплуатации (Р_20,75…0,9). При дальнейшем увеличении P₂ потребляемая мощность P₁ растет быстрее из-за квадратично возрастающих электрических потерь в обмотках, и КПД двигателя снижается.

Величина КПД при номинальной нагрузке зависит от мощности и частоты вращения асинхронных двигателей и находится в диапазоне: для малой мощности (сотни ватт) – 0,55…0,75; средней мощности (киловатты – десятки киловатт) 0,75…0,93; большой мощности (сотни киловатт) – 0,93…0,95.

Зависимость вращающего момента М от мощности на валу двигателя P₂ можно объяснить, исходя из связывающего эти величины выражения (5.4). Если бы частота вращения при нагрузке оставалась постоянной, то характеристика М=f(P₂) являлась бы прямо пропорциональной зависимостью. Но так как n₂ с ростом нагрузки незначительно снижается, вращающий момент М на валу растет несколько быстрее мощности P₂.