ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО

ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИй УНИВЕРСИТЕТ

^.

^{Кафедра «Электротехника»}

^{дисциплина “Электрические машины ” для направления 140600}

^{«Электротехника, электромеханика и электротехнологии»}

^{Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 4}

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

^{Ижевск 2008}

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Изучить устройство, принцип действия и назначения реверсивного магнитного пускателя.

3. Испытать асинхронный двигатель в режиме холостого хода.

4. Испытать асинхронный двигатель в режиме нагрузки с помощью электромагнитного тормоза. Экспериментально снять механическую характеристику n(М), зависимость механического момента на валу двигателя от скольжения n(s), рабочие характеристики асинхронного двигателя n(P²),

s (P²), M (P²), cos φ¹(P²), η (P²), Р¹( Р²), I¹(Р²)

5. Выполнить теоретическое задание.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Асинхронной машиной переменного тока называется такая машина, скорость вращения которой при заданной частоте зависит от нагрузки. Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть - ротором. Сердечники статора и ротора собираются из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным лаком. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется также первичной обмоткой. По способу исполнения ротора асинхронные машины делятся на:

1. с фазным;

2. с короткозамкнутым.

В первом случае на роторе имеется обмотка, выполненная по типу трехфазной обмотки на статоре. Обмотки роторов обычно соединяются в звезду, а концы выводятся наружу через контактные кольца и щетки на пусковой реостат. Во втором случае асинхронные машины, в основном, выполняются в следующих моди­фикациях: с беличьей клеткой на роторе; глубокопазные; с двойкой беличьей клеткой на роторе или двухклеточные. Все эти виды машин отличаются друг от друга пусковыми свой­ствами.

Работа асинхронной машины в режиме двигателя заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое ин­дуктирует в обмотке ротора ЗДС. Если цепь ротора замкнута, то по ней будет протекать ток и в двигателе образуется общий магнитный поток статора и ротора. В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы и вращающийся электромагнитный момент.

Асинхронная машина является универсальным преобразователем. При определенных условиях он может работать в качестве двигателя, генератора, электромагнитного тормоза, индукционного регулятора, фазорегулятора и преобразователя частоты. Рассмотрим основные характеристики асинхронной машины, работающей в режиме двигателя.

Трехфазный асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, которую используют для привода рабочих машин.

Частота вращения магнитного поля статора асинхронной машины при неизменной частоте сети:

об/мин , (1)

где – частота сети, к которой подключена асинхронная машина;

р – число пар полюсов асинхронной машины;

При холостом ходе частота вращения становится почти равной частоте вращения магнитного поля , но не достигнет ее, так как при электромагнитное воздействие межу статором и ротором отсутствует. Асинхронная машина работает в двигательном режиме в пределах изменения частоты вращения от в момент пуска до . Величина , равная , носит название скольжения асинхронной машины. В режиме двигателя скольжение изменяется в пределах от = + I до ≈ 0.

Количественная оценка режима нагрузки асинхронного двигателя осуществляется с помощью рабочих характеристик, под которыми понимают зависимости , n, M, η и cos¹, при U¹ = const и

f = const от полезной мощности Р².

Типичные рабочие характеристики асинхронного двигателя приведены на рис.1.

Рис.1

Зависимость или называется скоростной характеристикой. При холостом ходе, когда скорость вращения , т.е. близка к синхронной (скольжение близко к нулю).

С увеличением нагрузки скорость вращения уменьшается, скольжение растет соответственно соотношению . Для обеспечения достаточно высокого КПД это отношение ограничивается узкими пределами.

Обычно при скольжение = 0.02 …0.05 соответственно зависимость представляет собой слабо наклоненную к оси абсцисс кривую. Так как скорость вращения ротора АД в рабочем диапазоне нагрузок изменяется незначительно, то зависимость М(Р²), называемая моментной характеристикой, оказывается близкой к линейной.

Магнитная цепь двигателя имеет воздушный зазор, поэтому ток статора имеет сравнительно большую реактивную составляющую. Коэффициент мощности асинхронного двигателя всегда меньше единицы. Наибольшее его значение соответствует номинальной нагрузке. При малых нагрузках cos убывает, достигая при холостом ходе значение 0,15 ÷ 0,2. Недогруженный асинхронный двигатель имеет низкий коэффициент мощности, что является существенным его недостатком. Объясняется это тем, что реактивная составляющая тока статора почти не зависит от нагрузки. При перегрузках также снижается вследствие увеличения частоты тока и индуктивного сопротивления ротора.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя имеет максимальное значение при номинальной или близкой к ней нагрузке^.При этом он достаточно высок. У мощных двигателей его максимум достигает 0,9 ÷ 0,97; у двигателей небольших мощностей обычные величины 0,7 ÷ 0,8. При нагрузках = (0,25 ÷ 1,25) изменений КПД незначительно. Это означает, что в широком диапазоне нагрузки двигатель работает экономично с КПД, близким к максимальному.

На рис.2 представлена зависимость вращающего момента двигателя в функции от скольжения.

Для приближенного анализа можно пренебречь падением напряжения в статоре и считать ЭДС статора – напряжение сети. Формулу момента можно получить, что

(2)

Преобразуем , (3)

где .

Потери мощности в роторе, выраженные через электрические потери, определяются как

(4)

Приравняем (3) и (4) и получим

(5)

Из схемы замещения асинхронного двигателя

, (6)

где

Подставив (6) в выражение (5) получим

(7)

В этой формуле единственной переменной является скольжение. Подставляя в (7) значения скольжения от 1 до нуля, построим зависимость, которая приведена на рис.2. Исследовав полученную зависимость на экстремум, т.е. взяв производную и приравняв её нулю, получим значения для двух экстремальных точек момента и скольжения:

, (8)

, (9)

причем знак “плюс” здесь относится к области скольжений >0, а знак “минус” – к области < 0

Максимальный момент и соответствующее ему скольжение, называются критическими.

Если разделить выражение (7) на (8) и выполнить несложные преобразования, то можно получить другую, более удобную форму записи для построения механической характеристики

, (10)

где .

В некоторых случаях используются приближенные формулы, позволяющие, с достаточной степенью точности, построить механические характеристики асинхронного двигателя. Если принять активное сопротивление ротора равным нулю, выражение (10), (8) и (9) примут соответственно вид

(11)

(12)

(13)

На рис.3 представлен график, связывающий между собой две механические величины – вращающий момент, развеваемый асинхронным двигателем, и скорость вращения. Эта механическая характеристика асинхронного двигателя.

Механическая характеристика является основной характеристикой любого электрического двигателя, определяющей его эксплуатационные возможности. Для каждого асинхронного двигателя может быть определен номинальный режим, т.е. режим длительной работы, при которой двигатель не перегревается сверх установленной температуры. Ему соответствует номинальный момент номинальное скольжение , номинальная частота вращения . Отношение максимального момента к номинальному

называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя.

Отношение пускового момента , развиваемого двигателем в неподвижном состоянии, т.е. при, к номинальному моменту

называется кратностью пускового момента.

Описание установки

Рис.4. Схема электрическая функциональная

Экспериментальные исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором проводиться на стенде

(рис .4,5), который содержит следующие оборудование: автоматический выключатель АП, реверсивный магнитный пускатель МП, асинхронный двигатель АД, управляемый выпрямитель УВ, электромагнитный тормоз ЭМТ и тахогенератор постоянного тока ТГ.

Питание стенда осуществляется от четырехпроводной сети трехфазного напряжения (U^Λ = 380 В, f = 50 Гц). Для защиты асинхронного двигателя АД от коротких замыканий и перегрузок в длительном режиме работы служит автоматический выключатель АП. Управление двигателем осуществляется с помощью реверсивного пускателя МП, который содержит кнопочную станцию (кнС – кнопка "Стоп", кнВ – кнопка "Вперед", кнН – кнопка "Назад"), а также контакторы для управления двигателем: В – в положении "Вперед", Н – в положении "Назад". Через силовые контакты В и Н одноименных контакторов трехфазное напряжение цепи подается на статорные обмотки АД.

Асинхронный двигатель нагружается с помощью электромагнитного тормоза ЭМТ. Напряжение на электромагнитный тормоз подается через силовой контакт В^ЭМТ контактора В одновременно с включением АД. Тепловое реле предохраняет ЭМТ от перегрузок потоку. Цепь питания ЭМТ содержит понижающий трансформатор Тр и управляемый выпрямитель УВ. Выходное напряжение с выпрямителя подается на обмотку электромагнитного

тормоза ЭМТ.

Рис.5. Схема принципиальная электрическая

Для измерения частоты вращения ротора используется тахогенератор постоянного тока ТГ. Напряжение тахогенератора линейно зависит от частоты вращения АД. Мостовая схема выпрямителя ВМ обеспечивает одностороннее отклонение стрелки вольтметра h, шкала которого градуирована в частоте вращения "n" об/мин.

Проведение эксперимента

1. Ознакомится с оборудованием и прибором экспериментальной установки. Занести технические характеристики приборов в таблицу 1.

2. Исследовать асинхронный двигатель в режиме холостого хода. Для этого необходимо:

• установить ручку регулятора управляемого выпрямителя "Рег. U^УВ" в нулевое положение и тумблер "S" – в положение "отключено";

• нажатием кнопки "Вперед" магнитного пускателя осуществить запуск двигателя;

записать результаты измерений линейного напряжения U¹ , линейного тока , потребляемый двигатель мощности Р¹ и частоты вращения по соответствующим приборам.

Данные измерений

• занести в таблицу 2.

нажатием кнопки "Стоп" магнитного пускателя остановить двигатель.

• 3. Исследовать асинхронный двигатель в режиме нагрузки. Для этого необходимо:

• нажатием кнопки "Вперед" магнитного пускателя осуществить запуск двигателя;

• установить тумблер "S" в положении "Вкл.";

• устанавливать тормозной момент М по шкале электромагнитного тормоза, проградуированной в Н^.м, плавно изменяя напряжение ЭМТ с помощью ручки регулятора "Рег. U^УВ";

• записать результаты измерений линейного напряжения U¹ линейного тока I¹, потребляемой двигателем мощности Р¹, частоты вращения мотора n и тормозного момента М в таблицу 3;

Таблица 1

№ п.п	Наимено- вание и тип прибора	Система	Класс точности	Род тока	Предел измере ния	Цена деле- ния
1. 2. 3.

Таблица 2