Описание лабораторного стенда

Омский государственный технический университет

Кафедра «Теоретической и общей электротехники»

Лабораторная работа № 9

Исследование трехфазного асинхронного двигателя

Омск 2015

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Исследование трехфазного асинхронного двигателя

Цель работы. Ознакомление с устройством, принципом действия, основными характеристиками асинхронного трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Основные понятия, устройство, принцип действия

и характеристики асинхронных двигателей (АД)

АД предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. В зависимости от назначения АД выполняются с трехфазной или двухфазной обмоткой статора. В технике наиболее распространены трехфазные АД.

Асинхронный трехфазный электродвигатель состоит из неподвижного статора (рис.1) и вращающегося ротора (рис. 2, рис. 3). Статор двигателя представляет собой полый цилиндр, собранный из отдельных тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга с целью уменьшения потерь мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. В пазах сердечника статора уложена трехфазная обмотка статора, выполненная из изолированного провода и состоящая из трех отдельных обмоток фаз, оси которых сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. Обмотки фаз соединяются между собой звездой или треугольником, в зависимости от значения подводимого напряжения.

Ротор АД изготовляют в двух исполнениях: короткозамкнутым (рис. 3) и фазным с контактными кольцами (рис. 2). Рис. 1

Короткозамкнутый ротор представляет собой ферромагнит­ный сердечник в виде цилиндра с пазами, в которые уложена об­мотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни соединяются между собой торцовыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку. В большинстве случаев клетка ротора отливается из алюминия или из сплава на его основе. Для уменьшения потерь мощности в магнитопроводе ротор, так же как и статор, собирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Рис. 2. Рис. 3.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, выполненную изолированным проводом, которая конструктивно мало чем отличается от обмотки статора двигателя и своими свободными концами подключается к трем контактным кольцам ротора. В большинстве случаев обмотка ротора соединяется в звезду. В процессе работы контактные кольца скользят по неподвижным щеткам и обеспечивают электрическое соединение обмотки вращающегося ротора с трехфазным неподвижным рео­статом (рис. 4).

Такое устройство позволяет изменять активное сопротивле­ние электрической цепи ротора АД в процессе его вращения, что необходимо для уменьшения значительного пускового тока, изменения пускового момента, а также для регулирования частоты вращения ротора во время работы двигателя. Рис. 4

При подаче к трехфазной обмотке статора АД трехфазного напряжения в каждой его фазе создается магнитный поток, изменяющийся во времени с частотой питающей сети. При этом магнитные потоки отдельных фаз оказываются сдвинутыми относительно друг друга на угол 120° как во времени, так и в пространстве.

Возникающий при этом результирующий магнитный поток оказывается вращающимся. В теоретической части курса электротехники показано, что значение результирующего магнитно­го потока неизменно во времени, при этом поток враща­ется в пространстве с угловой скоростью вращения, пропорциональной частоте подводимого напряжения.

Для изменения направления вращения ротора АД необходимо изменить направление вращения магнитного поля, т. е. изменить порядок чередования фаз обмотки статора переключением любых двух из трех проводов, питающих двигатель от трехфазной системы подводимого напряжения.

Результирующий магнитный поток при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как обмотка ротора АД имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком статора, создает электромагнитный момент двигателя. Под действием этого момента ротор вращается в сторону вращающегося магнитного потока двигателя, причем скорость его вращения n ₂ не может быть равной скорости вращения вращающегося магнитного поля п₁, поскольку при равенстве скоростей (n ₂ = n ₁) обмотка ротора не пересекается этим полем и в ней не будет наводиться ЭДС. При этом будет отсутствовать ток в обмотке ротора и электромагнитный момент двигателя станет равен нулю, следовательно, ротор замедлит свой ход до тех пор, пока в его обмотке не появится наведенная ЭДС и соответствующий ей ток, необходимый для поддержания момента вращения ротора при скорости n ₂ < n ₁.

Скорость вращения магнитного поля п₁ (синхронная скорость вращения) находится в строгой зависимости от частоты подводимого напряжения f ₁ и числа пар полюсов р двигателя: п₁ = 60 f ₁/ р.

Из этого следует, что при принятой в стране промышленной частоте питающего напряжения (f i = 50 Гц) наибольшее число оборотов магнитного поля оказывается равным 3000 об/мин при p = 1. При увеличении числа пар полюсов частота вращения маг­нитного поля уменьшается, а, следовательно, снижается и скорость вращения ротора n₂ двигателя. При p = 2, n₁ = 1500 об/мин и т. д.

Асинхронные трехфазные электродвигатели имеют шесть выводов обмотки статора (три начала и три конца обмоток фаз). Начала обмоток каждой из трех фаз маркируются С₁, С₂, С₃, а концы соответственно С₄, С₅, С₆.

Подобная конструкция обмоток статора дает возможность соединять обмотки фаз двигателя, как по схеме треугольника, так и по схеме звезда. Благодаря этому каждый трехфазный электродвигатель можно использовать при двух различных по значению напряжениях питающей сети (линейном и фазном), .

Одним из важнейших показателей, характеризующих работу АД, является скольжение ротора, под кото­рым понимается отношение

s = (n₁ – n₂)/ n₁,

где n ₂ — скорость вращения ротора электродвигателя, об/мин;

п₁ = 60 f ₁/ р — синхронная скорость вращения электромагнитного поля.

Для большинства современных типов АД скольжение ротора при номинальной нагрузке составляет 2...6 %, а при работе в режиме холостого хода, т. е. когда электродвигатель работает без нагрузки на валу — доли процента.

При вращении ротора со скоростью вращения поля его скольжение оказывается равным нулю (s = 0). При скорости вращения ротора равной нулю, т. е. при неподвижном роторе, скольжение ротора равно единице (s = 1).

Разность скоростей вращения n₁ – n₂ = s n₁ представляет собой частоту скольжения, т. е. частоту вращения поля статора двигателя относительно его ротора. Нетрудно видеть, что от частоты скольжения, а также от значения магнитного потока Ф, характеризующего вращающееся магнитное поле, зависит и значение ЭДС Е₂, наводимой в обмотке ротора, а следовательно, ток ротора I₂, его частота f_2S и скорость вращения n_2S:

При увеличении нагрузки на валу электродвигателя, обусловленной возрастанием момента сопротивления, скорость вращения ротора уменьшается, а скольжение его возрастает. Это вызывает увеличение ЭДС ротора Е_2S, а, следовательно, токов ротора и статора АД. При этом мощность P₁, потребляемая из сети, также возрастает.

При неподвижном роторе вращающееся магнитное поле в обмотках статора и ротора АД будет наводить переменные ЭДС, действующие значения которых можно определить по формулам, аналогичным формулам, полученным для ЭДС трансформатора:

Е₁ = 4,44 k ₁ f ₁ w ₁Ф _m, E ₂ = 4,44 k ₂ f ₁ w ₂Ф _m,

где Е ₁ — фазное значение ЭДС, наводимой в обмотке статора; Е ₂ — фазное значение ЭДС, наводимой в обмотке ротора при не­подвижном его состоянии (s = 1; n ₂ = 0);

w ₁, w ₂ — число витков в фазе статора и ротора; Ф _m — амплитудное значение магнитного потока фазы АД; k ₁, k ₂ — обмоточные коэффициенты статора и ротора АД.

В отличие от трансформатора, вследствие конструктивных особенностей АД, вращающийся магнитный поток не будет одновременно сцеплен со всеми витками обмоток статора и ротора, что учитывается обмоточными коэффициентами k ₁ и k ₂, меньшими единицы (у трансформатора k ₁ ≈ k ₂ ≈ 1).

При вращении ротора АД в процессе ра­боты в нем наводится переменная ЭДС E _2S с частотой скольжения f _2S значение которой можно найти путем замены в выражении для Е ₂ частоты f ₂ = sf ₁ на f _2S:

E _2S = 4,44 k ₂ w ₂ f _2SФ _m = sE ₂.

Отсюда следует, что ЭДС вращающегося ротора находят по ЭДС неподвижного ротора, умножая ее значение на скольжение, соответствующее данной частоте вращения ротора электродвигателя.

При работе АД под действием ЭДС Е _2S, возникающей во вращающемся роторе, в цепи обмотки ротора возникает ток I _2s, который в соответствии с законом Ома для данной цепи можно найти, исходя из выражения

,

где Z _{2 S}, — полное сопротивление фазы ротора; R ₂ — активное сопротивление фазы ротора; Х _2S — индуктивное сопротивление фазы ротора на частоте f _2S.

С учетом того, что Е _2S = sE ₂ и X _2S = 2πf_2SL₂ = sX ₂, L₂ – индуктивность рассеяния обмотки ротора, получаем вы­ражение для тока ротора при вращении в другом виде:

. (1)

Из формулы видно, что ток ротора при вращении можно определить через ЭДС Е ₂ неподвижного ротора. Сопротивление Х _2, входящее в выражение для тока ротора, соответствует частоте f i и является постоянным, а активное сопротивление электрической цепи ротора при этом зависит от скольжения и находят его как отношение

(Действительно: )

С учетом выражения для тока (1) схема замещения вращающегося ротора АД может быть приведена к схеме замещения неподвижного ротора, представленной на рис. 5.

Рис.5.

При построении схемы замещения АД, параметры схемы замещения ротора, подобно тому, как это было сделано для вторичной обмотки трансформатора, приводят к числу витков и ЭДС обмотки статора электродвигателя. В результате полная схема замещения АД имеет вид, показанный на рис. 6, приведенные параметры схемы замещения ротора определяются следующим образом:

Рис. 6.

Представление о распределении потока энергии, потребляемой АД из сети, дает энергетическая диаграмма рис. 7, на которой дана полная структура потерь мощности, возникающих при работе в асинхронном электродвигателе:

Рис. 7.

— активная мощность, подводимая к электродвигателю из сети; U ₁ — фазное напряжение статора;

— электрические потери мощности в активном сопротивлении обмотки (потери в меди) статора; где m ₁ — число фаз обмотки статора; I ₁ — ток фазы статора;

— потери мощности в магнитопроводе статора, равные сумме потерь мощностей на гистерезис и вихревые токи (потери в стали статора);

— электромагнитная мощность, передаваемая ротору вращающимся магнитным полем;

— потери мощности в магнитопроводе ротора, равные сумме потерь мощностей на гистерезис и вихревые токи в роторе (потери в стали ротора);

– электр. потери мощности на активном сопротивлении обмотки ротора;

Р _м — суммарная механическая мощность, развиваемая АД;

Р_мех —механические потери мощности в двигателе (потери мощности, возникаемые от трения в подшипниках и трения ротора о воздух);

Р ₂ = Р _м = Р_мех — полезная механическая мощность на валу двигателя, кВт.

Электромагнитный момент, развиваемый АД, можно получить, исходя из его электромагнитной мощности:

,

откуда электромагнитный момент

,

где постоянная .

Из формулы видно, что электромагнитный момент АД пропорционален произведению вращающегося магнитного потока Ф_m на ток ротора и косинус угла сдвига по фазе между током ротора I ₂ и его ЭДС Е ₂.

Электромагнитную мощность, передаваемую в ротор, можно определить следующим образом (исходя из эквивалентной схемы замещения рис. 6)

.

Часть этой мощности представляет собой потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике ротора, часть – электрические потери в обмотке ротора. (Оставшаяся часть поглощается в сопротивлении эквивалентной схемы замещения рис. 6). Потери на гистерезис и вихревые токи в роторе малы из-за низкой частоты скольжения магнитного поля статора относительно ротора. Поэтому их можно не учитывать. Тогда суммарную механическую мощность, развиваемую двигателем, можно определить следующим образом:

. (2)

Мощность Р _м является результатом преобразования электрической энергии в механическую.

Если учесть, что , тогда используя (2), а также учитывая, что частота вращения ротора двигателя: , получим

. (3)

Величину пускового момента получаем из (3) после подстановки в него s = 1 (ротор при пуске не вращается, т.е. s = 1):

. (4)

Приведенный ток ротора можно выразить через параметры схемы замещения АД (см. рис.6). Если пренебречь током I ₀ в связи с тем, что он мал по сравнению с током , т.е. принять его равным нулю, то можно записать

, (5)

где .

С учетом выражения (5) получаем формулу для момента АД:

. (6)

Из формулы видно, что момент АД пропорционален квадрату подводимого напряжения и зависит от скольжения S. Причем имеется такое скольжение ротора, при котором электродвигатель развивает наибольший (критический) момент М_КР. Максимальное (критическое) скольжение S _КР ротора, соответствующее критическому моменту АД, можно найти, взяв производную момента по скольжению (пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора R ₁ вследствие его относительной малости) и приравняв ее нулю. Тогда получим .

Подставив S _к в (6) (с учетом того, что R ₁ 0), получаем выражение для критического момента АД: . (7)

Зависимость момента АД от скольжения ротора M(s), построенная согласно (7), имеет вид, представленный на рис. 8, а. Эта зависимость фактически является механической характеристикой АД.

Анализ показывает, что в интервале скольжений от 0 S S _КР механическая характеристика будет устойчивой, так как dM/ds > 0, т. е. при возрастании момента нагрузки на валу происходит возрастание момента, развиваемого АД. В то же время в интервале скольжении от S = S _КР до S = 1 механическая характеристика АД оказывается неустойчивой, так как dM/ds < 0.

Если учесть, что между скольжением ротора и частотой вращения ротора АД существует прямая взаимосвязь, то, выразив скольжение через частоту вращения ротора, представляем зависимость частоты вращения АД от момента в виде кривой n ₂ (М), также называемой механической характеристикой АД (рис. 8, б).

а) б)

Рис. 8 (а, б). Механические характеристики АД с короткозамкнутым ротором

С увеличением нагрузки двигателя, вызываемой возрастанием момента сопротивления исполнительного механизма, частота вращения (число оборотов) ротора уменьшается, а его скольжение при этом возрастает, вызывая увеличение ЭДС E ₂ в обмотках ротора, а, следовательно, возрастание токов ротора и статора. При неизменном магнитном потоке двигателя это приводит к увеличению момента, развиваемого двигателем. Таким образом, с увеличением нагрузки на валу равновесие между моментом, развиваемым двигателем, и моментом сопротивления наступает при снижении частоты вращения ротора. При включении АД в питающую сеть в обмотке статора протекает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. В момент пуска частота вращения ротора электродвигателя равна нулю, поэтому в обмотке ротора наводится ЭДС большой величины. При этом токи ротора и статора в несколько раз превосходят номинальные значения, поскольку они увеличиваются пропорционально с увеличением скольжения ротора, т. е. с уменьшением его частоты вращения (рис. 9).

Пусковой ток АД с короткозамкнутым ротором I _1пуск в 5... 10 раз превышает номинальный I _1ном (M _пуск = 1,1...1,8 М _ном). Так как этот ток протекает по обмоткам электродвигателя кратковременно, только в процессе пуска, он не опасен для двигателя в тепловом отношении, если пуски двигателя не очень часты. Поэтому пуск АД с короткозамкнутым ротором, как правило, проводится прямым включением в сеть, на полное напряжение. Однако большой пусковой ток крупных электродвигателей опасен не только для самого двигателя, он может вызвать значительное снижение напряжения, особенно в маломощных питающих сетях, что отрицательно сказывается на работе других потребителей электроэнергии, подключенных к той же сети. В этих случаях возникает необходимость ограничивать пусковой ток АД при включении их в питающую сеть.

Снижение напряжения на обмотках АД при пуске может быть достигнуто различными способами: а) пуском с использованием автотрансформатора или ин­дукционного регулятора; б) пуском с переключением обмотки статора со звезды на треугольник; в) пуском с включением дополнительного сопротивления в обмотку статора двигателя. Однако при снижении напряжения при пуске пусковой момент АД резко снижается, так как он пропорционален квадрату питающего напряжения . Поэтому указанные способы пуска, как правило, применяются для приводных двигателей тех механизмов, для пуска которых не требуется большой пуско­вой момент (при пуске двигателя вхолостую или двигателя венти­лятора и других механизмов).

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором пускают в ход с помощью пускового реостата, включенного последовательно с обмоткой ротора (см. рис. 4). В начальный момент пусковое активное сопротивление реостата вводится в цепь двигателя полностью. С увеличением оборотов частота вращения вращающегося магнитного поля по отношению к ротору уменьшается. Соответственно уменьшаются ЭДС и ток ротора. Поэтому с увеличением частоты вращения двигателя можно постепенно уменьшать значение пускового сопротивления в цепи обмотки ротора, не опасаясь того, что ток двигателя возрастет до значений, опасных для него. При полностью выведенном сопротивлении пускового реостата пуск двигателя заканчивается.

Такой способ позволяет обеспечить необходимый для пуска пусковой момент двигателя. Значение пускового момента зависит от значения активного сопротивления в цепи ротора и может быть доведено до критического момента М_КР двигателя.

Механические характеристики трехфазных асинхронных двигателей с фазным ротором изображены на рис.10. Кривые 1 соответствуют двигательному режиму, пересечение этих кривых с осью абсцисс при неподвижном роторе (ω = 0) - пусковому моменту М_П двигателя, пере­гиб кривой - максимальному вра­щающему моменту. Частота вра­щения ω_КР ротора двигателя, со­ответствующая максимальному вра­щающему моменту двигателя М_мах, позволяет определить критическое скольжение S_КР.

Рис.9. Механические характеристики АД Рис.10. Механические характеристики АД

с короткозамкнутым ротором с фазным ротором

Механическая характеристика асинхронного двигателя (рис.10, кривая r_p=0) имеет два участка. Участок от ω₀ до ω_КР соответствует устой­чивому режиму работы. На этой части характеристики двигатель может работать в режимах от холостого хода до максимальной нагрузки. Второй участок характеристики – от ω_КР до ω = 0 – является неустойчивым режимом работы, при котором осуществляется либо запуск, либо остановка двигателя. При моменте больше номинального происходит перегрузка.

Графики зависимости момента М, мощности P ₁, коэффициента мощности cosφ₁, КПД η, скольжения ротора s и тока статора I ₁, от полезной мощности, т. е. мощности на валу двигателя Р ₂ (рис.11), являются рабочими характеристиками АД.

Характер зависимости коэффициента мощности АД от мощности на валу, определяется выражением .

Значение коэффициента мощности для АД средней мощности при номинальной нагрузке составляет 0,83...0,89. С уменьшением нагрузки на валу двигателя коэффициент мощности снижается и доходит до значений 0,2...0,3 при холостом ходе. В этом режиме полезная мощность на валу равна нулю, однако при этом двигатель потребляет определенное количество электрической энергии из сети, поэтому коэффициент мощности не равен нулю. С увеличением нагрузки сверх номинальной наблюдается некоторое снижение значения коэффициента мощности за счет увеличения падения напряжения на индуктивной составляющей сопротивления обмотки статора АД. Характер изменения коэффициента мощности от нагрузки АД имеет примерно такой же вид и изменяется по тем же причинам, что и у трансформатора.

Рис. 11. Рабочие характеристики АД с короткозамкнутым ротором

Зависимость КПД АД от нагрузки η (Р ₂) определяется отношением

η = Р ₂ /P ₁ = Р ₂ /(Р ₂ + P _Σ),

где Р ₁ — активная мощность, потребляемая двигателем из питающей сети;

P _Σ =Р _м + Р _э1 + Р_{э 2} + P _мех — суммарные потери мощности в двигателе;

Р _м – суммарные потери мощности в магнитопроводе;

Р _э1 – электрические потери мощности в обмотках статора;

Р_{э 2} – электрические потери мощности в обмотке ротора;

P _мех – суммарные механические потери.

Существенный недостаток АД с короткозамкнутым ротором – сложное регулирование скорости вращения ротора, которое может быть достигнуто за счет изменения напряжения на зажимах двигателя. Однако при снижении напряжения критический момент АД понижается с уменьшением жесткости механической характеристики, а скольжение ротора двигателя при том же моменте нагрузки возрастает. Поэтому регулирование скорости вращения ротора АД при этом способе возможно только в незначительном диапазоне, который ограничивается критическим моментом.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

В состав лабораторного стенда входят:

· Механическая система, состоящая из АД и генератора, связанных между собой приводным ремнем.

Номинальные и паспортные параметры двигателя

Тип электродвигателя..................................................... 4А80А2У3

Номинальное напряжение (U _1ном), В............................... 3х220/380

Номинальная мощность (P _2ном), кВт.............................. 1,5 кВт

Номинальный ток (I _1ном), А............................................. 5,88/3,4 А

Номинальная частота напряжения питания (f _1ном), Гц... 50

Номинальная частота вращения ротора (n _2ном), об/мин 2840

Номинальный КПД (η _ном), %.......................................... 79

Номинальный коэффициент мощности (cosφ_1ном).......... 0,84

Перегрузочная способность (l = M_max/M_H)................... 2,6

Кратность пускового тока (K_I = I_ПУСК/I_H)...................... 6,5

Параметры схемы замещения этого двигателя при работе в номинальном режиме: Ом, Ом, Ом, Ом, Ом, Ом (эквивалентные параметры АД приведены в [1]).

В качестве нагрузки АД использован автомобильный генератор тока типа 3212.3771000, генерирующий трехфазную систему ЭДС, оснащенный трехфазным выпрямителем и стабилизатором выходного напряжения выпрямителя.

Паспортные данные генератора

Тип генератора................................................................ 3212.3771000

Назначение – для питания бортовой сети автомобилей Газ-3110, 3102 и др.

Номинальная мощность.................................................. 1258 Вт

Направление вращения со стороны шкива.................... правое

Выпрямленный ток не менее........................................... 90А

Номинальное напряжение............................................... 14 В

Обороты n _рн≤................................................................... 2130 об/мин

Минимальная частота вращения ротора генератора, при которой выходное напряжение достигает номинального равного 14 В для данного типа генератора установки………………………………………………………1400 об/мин

В качестве нагрузки системы асинхронный двигатель – генератор – выпрямитель использована спираль реостата из константановой полосы с низкоомным сопротивлением, температура нагрева которой при длительном протекании постоянного тока 50 А составляет около сотни градусов С.