Краткие теоретические сведения. Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель

Целью работы является изучение работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и снятие его механической и рабочей характеристик.

Краткие теоретические сведения

Простота конструкции, надежность в работе, экономичность и невысокая стоимость являются основными причинами широкого использования асинхронных двигателей в промышленности.

Частота вращения магнитного поля статора n ₁ определяется по формуле

n ₁ = , об/мин (1)

где f ₁ - частота сети, Гц;

р - число пар полюсов.

Разность в частотах вращения ротора n ₂ и поля статора n ₁ выражают скольжением

s = (2)

Скольжение возрастает с увеличением нагрузки на валу двигателя. У современных двигателей в зависимости от серии и назначения скольжение при номинальной нагрузке составляет 2…8%. При холостом ходе скольжение составляет всего 0,1…0,3%.

Если считать скольжение при номинальной нагрузке s _н равным 5%, то можно указать частоты вращения ротора асинхронных двигателей при питании от сети с f = 50 Гц.

Таблица 1.

Асинхронные двигатели малой и средней мощности, благодаря возможности соединения обмоток статора по схеме Y/Δ или Δ/ Y, могут работать при питании от двух соответствующих напряжений 380/220 В.

На заводском щитке двигателя это обозначается как

Y/Δ, 380/220 В.

Простейшим способом пуска в ход двигателя с короткозамкнутым ротором и номинальной мощностью до 100 кВт является непосредственное включение обмотки статора в трехфазную цепь.

Частота вращения ротора двигателя может быть выражена формулой

n ₁ = (1– s ₁), об/мин. (3)

Электрическая мощность Р ₁, потребляемая асинхронным двигателем от сети, расходуется на полезную мощность Р ₂ на валу и потери мощности на нагрев обмоток статора и ротора Δ Р _э1 и Δ Р _э2, потери в магнитопроводе статора и в стали ротора от вихревых токов и на гистерезис Δ Р _ст и на потери от трения в подшипниках Δ Р _тр.

Таким образом,баланс мощности в двигателе выразится так

Р ₁ = Р ₂ + Δ Р _тр + Δ Р _э + Δ Р _ст, Вт. (4)

Активная мощность двигателя, потребляемая из сети, вычисляется по формуле

Р ₁ = 3 Р _1ф, Вт, (5)

где Р _1ф = U _1ф ∙ I ₁ – мощность одной фазы, измеренная ваттметром, Вт.

Механическая мощность, развиваемая на валу двигателя, Р _мех складывается из полезной мощности на валу Р ₂ и потерь на трение Р _тр

Р _мех = Р ₂ + Р _тр, Вт. (6)

Механическая мощность может быть определена по формуле

Р _мех = 0,105 М ∙ n ₂, Вт, (7)

где М – вращающий момент, Нм;

n ₂ – частота вращения ротора, об\мин.

Магнитные потери в магнитопроводе статора, т.е. потери в стали Δ Р _ст, практически не изменяются при увеличении нагрузки на валу Р ₂ и называются постоянными.

С другой стороны, потери на нагрев обмоток статора и ротора, т.е. потери в меди Δ Р _э зависят от нагрузки и называются переменными.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя η определяется как отношение полезной мощности на валу Р ₂ к потребляемой из сети Р ₁

η = = (8)

Полезная мощность двигателя на валу Р ₂ может быть определена по формуле

Р ₂ = М ∙ ω = М ∙ , Вт (9)

или Р ₂ = 0,105 М ∙ n ₂, Вт. (10)

Тогда

η = = = , (11)

где U _1ф, В; I _1ф, А; Cos φ_ф – напряжение, ток и коэффициент мощности фазы двигателя.

Р ₁ – потребляемая активная мощность двигателя.

Коэффициент мощности Cos φ_ф зависит от нагрузки на валу двигателя и определяется отношением активной мощности к полной мощности фазы статора двигателя

Cos φ_ф = = (12)

В лабораторной работе коэффициент мощности Cos φ измеряется непосредственно фазометром, а также может быть вычислен по показаниям ваттметра, вольтметра и амперметра, включенных в фазу двигателя (рис.1).

Основной характеристикой асинхронного двигателя, называемой механической, является зависимость n ₂ = f (M), т.е. зависимость частоты вращения ротора двигателя от вращающего момента (рис.1).

Рис.1. Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Вращающий момент асинхронного двигателя определяют по формуле

М = , Нм (13)

где U _1ф – фазное напряжение обмотки статора, В;

n ₁ – синхронная частота вращения магнитного поля статора, об/мин;

s – скольжение;

р – число пар полюсов;

R ₁, R ₂^’, Х _к – параметры схемы замещения асинхронного двигателя, Ом (рис.2).

Рис.2. Схема замещения асинхронного двигателя.

Вращающий момент асинхронного двигателя в лабораторной работе измеряется по щкале электромагнитного тормоза, соединенного с валом двигателя, в г∙см (1 Нм = 9800 г∙см).

Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от величины подводимого к фазе статора напряжения в квадрате , скольжения s, частоты тока в статоре f ₁ и конструктивных параметров двигателя (числа пар полюсов, активного сопротивления обмоток двигателя и т.д.).

Меняя значение скольжения s при остальных постоянных в формуле вращающего момента можно получить различные значения моментов М _н, М _кр, М _п, показанных на естественной механической характеристике (рис.1).

Номинальный вращающий момент М _н может быть определен по формулам

М _н = 9,55 , Нм (14)

или

М _н = 9,55 , Нм (15)

В каталоге на асинхронные двигатели указаны паспортные данные: Р _2н, U _1н, s _н, n _2н, М _н, М _кр/ М _н, Сos φ_н и способ соединения обмоток статора.

Наиболее полно и наглядно свойства асинхронного двигателя выявляются с помощью рабочих характеристик.

К рабочим характеристикам относятся зависимость частоты вращения ротора n ₂, вращающего момента М, скольжения s тока фазы статора I _1ф, коэффициента мощности Сos φ и к.п.д. двигателя от полезной мощности на валу Р ₂ при U ₁ = Const и f ₁ = Const.

При повышении Р ₂ величина скольжения s увеличивается, т.к. при увеличении нагрузки на валу частота вращения ротора уменьшается (рис.3).

Рис.3. Зависисмость величины скольжения от полезной мощности на валу.

При холостом ходе, когда Р ₂ = 0, частота вращения ротора n ₂ может быть принята равной частоте вращения магнитного поля статора n ₁ и s = 0.

Так как Р ₂ ≈ Р _мех , а Р _мех = 0,105 М ∙ n ₂, то рабочая характеристика

n ₂ = f (Р ₂) подобна механической характеристике (рис.4).

Рис.4. Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Вращающий момент М на валу ротора можно считать состоящим из полезного момента, расходуемого на совершение полезной работы, и момента холостого хода М ₀, расходуемого на преодоление трения. Эта доля вращающего момента практически не зависит от нагрузки на валу Р ₂.

Таким образом, можно считать, что М ≈ . Если бы частота вращения ротора была постоянной, то рабочая характеристика была бы линейно возрастающей. В действительности же частота вращения ротора n ₂ уменьшается при увеличении Р ₂, в связи с этим характеристика М = f (Р ₂) нелинейна и вращающий момент М быстро нарастает с увеличением Р ₂ (рис.5).

Рис.5. Зависимость М = f (Р ₂)

Кривая I _1ф = f (Р ₂) подобна рабочей характеристике М = f (Р ₂) (рис.6).

Рис.5. Зависимость I _1ф = f (Р ₂)

Если не учитывать ток холостого хода двигателя, составляющий 7…8% от I _1ф, то ток в фазе статора пропорционален полезной мощности Р ₂ и увеличивается при ее повышении. При холостом ходе Р ₂ = 0 и I _1ф = I ₁₀ (рис. 5).

При холостом ходе двигателя коэффициент мощности Cos φ двигателя мал и обычно не превышает 0,2, но затем при увеличении нагрузки на валу Р ₂ он быстро растет и достигает максимума при мощности, близкой к номинальной (рис. 6). Это происходит потому, что при возрастании нагрузки активная мощность Р ₁, потребляемая из сети, увеличивается, а реактивная мощность Q ₁ почти не изменяется. Вследствие этого главный магнитный поток практически остается постоянным. При нагрузках больше номинальных Cos φ снижается в связи со значительным ростом реактивных мощностей, связанных с влиянием потоков рассеяния.

Рис.6. Зависимость Cos φ = f (Р ₂)

Анализируя зависимость η = f (Р ₂), можно видеть, что при изменении нагрузки на валу Р ₂ постоянные потери Δ Р _тр и Δ Р _ст практически не изменяются, а начальный момент увеличение потерь в активном сопротивлении обмоток Δ Р _э значительно меньше роста полезной мощности на валу. При Р ₂ = Р _2н постоянные потери Δ Р _тр и Δ Р _ст становятся равными переменным Δ Р _э, а доля потерь в энергетическом балансе уже становится соизмеримой с Р ₂. Вследствие этого к.п.д. начинает несколько уменьшаться (рис. 7).

Рис.7. Зависимость η = f (Р ₂)

План работы.

1. Ознакомиться с конструкцией асинхронного двигателя, типами измерительных приборов, устройством электромагнитного тормоза. В форму, предусмотренную отчетом по лабораторной работе, записать технические данные используемых приборов и электрооборудования.

2. Собрать электрическую схему (рис. 8) и предъявить ее для проверки преподавателю или лаборанту.

3. После проверки схемы поставить регулятор автотрансформатора (АТ) в положение «0» и включить выпрямитель.

4. Включить фототахометр и нажать кнопку «Пуск» на электрическом стенде.

5. При помощи автотрансформатора (АТ) изменить момент сопротивления электромагнитного тормоза в пределах 0…0,01 Нм (0,100.200,300,400,500,600,700,800,900,1000 г∙см).

6. Измерить по приборам следующие величины: напряжение на фазе двигателя U _1ф по вольтметру V, ток в фазе I _1ф по амперметру А1, потребляемую фазой двигателя активную мощность P _1ф по ваттметру W, частоту вращения ротора n по фототахометру.

Измерения произвести для 11 различных моментов сопротивления на валу двигателя.

Данные опытов внести в табл.2.

Таблица 2

7. По окончании измерений нажать кнопку «Стоп», обесточить схему и показать результаты преподавателю.

8. После получения разрешения преподавателя разобрать схему.

9. По измеренным данным вычислить вращающий момент на валу двигателя М, Нм; полезную мощность на валу P ₂, Вт; активную мощность, потребляемую двигателем P ₁, Вт; полную мощность, потребляемую двигателем S ₁; скольжение s; коэффициент мощности Cos φ и коэффициент полезного действия η.

10. По измеренным и вычисленным данным построить на миллиметровой бумаге характеристики двигателя:

а) механическую характеристику n ₂ = f (M);

б) рабочие характеристики s = f (Р ₂); n ₂ = f (Р ₂); M = f (Р ₂); I _1ф = f (Р ₂).

в) рабочую характеристику Cos φ = f (Р ₂), измеренную и вычисленную.

11. Материалы измерений и вычислений, полученные характеристики оформить в виде отчета по лабораторной работе.

Рис. 8. Электрическая схема исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

А1 – амперметр переменного тока на 1 А; А2 – амперметр постоянного тока на 1 А; W – ваттметр на 150 Вт; Ф – фазометр на 127 В 5 А в положении «приемник»; V – вольтметр переменного тока на 150 В; АТ – автотрансформатор; ЭТ – электромагнитный тормоз.

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип работы асинхронного двигателя.

2. Что такое скольжение (s _хх, s _пуск)?

3. Почему двигатель называется асинхронным?

4. Условие возникновения вращающегося магнитного поля.

5. Стандартные величины n ₁ (частота вращения магнитного

поля).

6. Режим холостого хода асинхронного двигателя.

7. Почему I _xx асинхронного двигателя больше чем I ₀ трансформатора.

8. Схема замещения асинхронного двигателя в режиме холостого хода.

9. Упрощенная схема замещения.

10.Почему I _пуск асинхронного двигателя в 6…8 раз больше I _н?

11.Механическая характеристика асинхронного двигателя n = f (M); n = f (s) (естественная и реостатная).

12.Формула Клосса.

13.Регулирование числа оборотов асинхронного двигателя.

14.Достоинства и недостатки каждого метода.

15.Типы роторов (короткозамкнутый и фазный).

16.Предназначение фазного ротора.

17.Метод ограничения I _пуск у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

18. Метод ограничения I _пуск у асинхронного двигателя с фазным ротором.

19.Энергетическая диаграмма. Потери мощности в асинхронном двигателе.

20.КПД асинхронного двигателя.

21.Достоинства и недостатки асинхронного двигателя.