el_mash_12
.pdf
А |
|
N |
|
|
UZ1 |
Тахометр |
Т |
|
||
|
|
V |
|
||
|
_ |
|
|
||
+ |
0 |
|
250 |
||
|
|||||
pV1 |
|
|
|
UZ2 |
|
V |
3 |
|
|
||
|
|
|
|||
ОВ1 |
|
+ |
|
_ |
|
|
2 |
|
|||
I |
|
|
|||
7 |
ЭМТ |
|
|
||
|
|
|
|
||
pА1 А |
Я |
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
ОВ2 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
Рис. 5.5 Электрическая схема экспериментальной установки:
ЭМТ – электромагнитный тормоз; Я – якорь двигателя постоянного тока; ОВ1, ОВ2 – обмотки возбуждения ДПТ; Т – автотрансформатор со встроенным вольтметром;
UZ1, UZ2– мостовые выпрямители
3.3.4.Пустить в ход двигатель, при этом нагрузочное устройство должно быть отключено (так как двигатель маломощный (до 100 Вт), он может работать в режиме холостого хода).
3.3.5.Получить экспериментальные данные для построения естественной механической и рабочих характеристик двигателя. Для этого с помощью ЭМТ увеличивать нагрузку, плавно повышая напряжение с помощью автотрансформатора. Постепенно нагружая
двигатель, |
доводят |
ток |
якоря |
до |
Iя = 1,25Iян . |
Сделать |
(5-6) |
||||
измерений. Результаты измерений занести в табл. 5.1. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
|
|
Измерено |
|
|
|
|
Вычислено |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ U |
I |
M 2 |
n |
P1 |
P2 |
Dря |
Dрв |
Dрщ |
(Dрмг+Dрмех) |
η |
|
|
В |
А |
Н×м об/мин |
Вт |
Вт |
Вт |
Вт |
Вт |
Вт |
% |
|
60
3.3.6. Получить экспериментальные данные для построения искусственной механической характеристики. Для этого ввести в
цепь якоря двигателя добавочное сопротивление (по указанию преподавателя) и повторить пункт 3.3.5.
4. Контрольные вопросы
4.1.Какие основные физические законы лежат в основе принципа действия электрических машин постоянного тока?
4.2.Как создается вращающий момент в ДПТ?
4.3.Возможна ли работа двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в режиме генератора с отдачей энергии в сеть?
4.4.Назовите режимы работы двигателя постоянного тока.
4.5.Как классифицируются двигатели постоянного тока по способу возбуждения?
4.6.Как осуществить реверсирование ДПТ?
4.7.Перечислите способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
4.8.Какие существуют потери мощности в двигателе, как определяются и от чего зависят?
4.9.Двигатель параллельного возбуждения имеет следующие
паспортные данные : Uн = 220 В, Iн = 55 А, nн = 1500 об/мин, Iвн = 5А, Rя = 0,02 Ом. Найти частоту вращения двигателя, если напряжение
его питания уменьшается до U1 = 180 В, при этом поддерживаются неизменными токи в цепи возбуждения и тормозной момент.
61
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
1. Цель и задачи работы
Цель: изучение конструкции, принципа действия, экспериментальное исследование характеристик трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Задачи: в результате выполнения работы студенты должны:
-знать принцип работы, паспортные и технические характеристики, конструктивные особенности трехфазных асинхронных двигателей;
-уметь составлять и читать электротехнические схемы, проверять техническое состояние электротехнического оборудования, а также производить измерения электрических величин;
-иметь навыки включения асинхронных двигателей, управления ими и контроля их эффективной и безопасной работы.
2. Краткие теоретические сведения
2.1. Принцип действия асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель (АД) является электрической машиной переменного тока, осуществляющей преобразование электрической энергии в механическую посредством вращающегося магнитного поля.
Обмотки статора АД соединяют между собой в "звезду" ( 
) или "треугольник"( ) и подключают к трехфазной сети. В рабочем зазоре двигателя образуется магнитное поле, вращающееся вокруг оси статора с постоянной частотой вращения n1, величина которой определяется частотой сети f и числом пар полюсов вращающегося магнитного поля p
n = |
60 f |
. |
(6.1) |
|
|||
1 |
p |
|
|
|
|
||
62
При вращении магнитного поля, создаваемого током обмотки статора и называемого основным, с частотой вращения n1 в проводниках обмотки ротора будет индуктироваться ЭДС Е2, под действием которой в короткозамкнутых проводниках обмотки ротора возникает ток I2 .
Вращающееся магнитное поле взаимодействует с током I2 в обмотке ротора, на проводники которой действует сила, определяемая по закону Ампера. В результате на валу асинхронного двигателя возникает электромагнитный вращающий момент, и ротор начинает вращаться с отличной от n1 частотой вращения n2 в направлении вращения основного магнитного поля. Частота вращения ротора n2 асинхронной машины отличается от частоты вращения основного магнитного поля n1 (в двигательном режиме всегда меньше), поэтому двигатель называется асинхронным.
Отставание ротора от основного магнитного поля оценивается скольжением s, выраженным в относительных единицах или в процентах,
s = |
n1 − n2 |
|
или s = |
n1 − n2 |
×100% . |
(6.2) |
n1 |
|
|||||
|
|
n1 |
|
|||
Величина скольжения |
характеризует механическую |
нагрузку |
||||
АД. В режиме двигателя скольжение изменяется от (0,1¸0,5)% на холостом ходу до 100 % при пуске (ротор неподвижен). При номинальной нагрузке скольжение АД составляет (3 ¸ 7) %.
Асинхронные двигатели, как и все электрические машины, обладают свойством саморегулирования. Оно заключается в том, что при изменении противодействующего момента, создаваемого рабочим механизмом, автоматически изменяется вращающий момент машины и восстанавливается нарушенное равновесие моментов на валу (независимо от причины его нарушения). Установившийся режим с постоянной скоростью возможен только при равенстве моментов на валу - электромагнитного вращающего момента М и противодействующего момента Мпр (суммарного нагрузочного момента и сил трения). Если внезапно увеличится противодействующий момент, то ротор начнет тормозиться. Частота вращения ротора n2 будет падать, а скорость скольжения основного магнитного поля относительно вращающегося ротора ns = n1 − n2 - возрастать. При увеличении скорости скольжения неизбежно
63
увеличится ЭДС E2 и активные составляющие тока I2a в проводниках ротора. В свою очередь, увеличение тока ротора определяет увеличение электромагнитных сил и момента, действующих на ротор. С ростом вращающего момента отрицательное ускорение ротора будет стремиться к нулю и наступит повторное равновесие моментов: скорость ротора установится на новом, более низком уровне.
2.2. Механическая характеристика АД
Для асинхронного двигателя важнейшей характеристикой является зависимость n2 = f (M ) . Она связывает две механические величины: частоту вращения ротора n2 и вращающий момент М (рис. 6.1) и называется механической характеристикой асинхронного двигателя.
n |
|
|
Эта характеристика |
может |
быть |
||||||
n0 |
|
|
получена опытным путем или построена |
||||||||
nн |
|
|
по паспортным данным АД. |
|
|
|
|
||||
nкр |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
В паспорте АД приводятся следующие |
|||||||||
|
|
|
параметры: тип двигателя; Рн |
– |
|||||||
|
|
|
номинальная |
(полезная |
|
механическая) |
|||||
|
|
M |
мощность, |
Вт; |
Uн |
– |
номинальное |
||||
0 Mн |
Mп Mmax |
напряжение |
для |
различных |
способов |
||||||
Рис. 6.1 |
включения обмоток статора, |
В; |
nн |
– |
|||||||
номинальная |
частота вращения, |
об/мин |
|||||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
(или номинальное скольжение sн), ηн – |
но- |
|
||||||
минальный КПД, сos |
ϕн – номинальный коэффициент мощности и |
||||||||||
другие. |
В |
каталогах |
дополнительно указываются |
α = Iп / Iн |
- |
||||||
кратность |
пускового |
тока, β = Мп / Мн |
- кратность |
пускового |
|||||||
момента и λ = Мmax / Мн - перегрузочная способность.
Зависимость электромагнитного момента М от напряжения U1 , скольжения s, частоты питающей сети f и параметров машины определяется в виде
64
|
|
|
|
|
|
3U 2 |
|
|
|
|
|
|
R¢ |
|
|||
|
M = |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
× |
2 |
, |
(6.3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
R2¢ |
|
|
|
2 |
|
s |
|
||||
|
|
W |
|
R |
+ |
|
|
+ X |
|
|
|
|
|
||||
|
0 |
|
|
|
к |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
1 |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где р – |
число пар полюсов вращающегося магнитного поля; |
|
|||||||||||||||
М – |
момент на валу АД, Нм; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
E0 – |
угловая скорость вращения поля статора, об/с; |
|
|||||||||||||||
f1 – |
частота питающей сети, Гц; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
U1 - напряжение сети, В; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
s – скольжение; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
R1 – |
активное сопротивление фазы обмотки статора, Ом; |
|
|||||||||||||||
R′ – активное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к
2
числу витков неподвижного ротора, Ом;
Xк – сумма индуктивных сопротивлений фазы обмотки статора и фазы обмотки ротора, приведенных к числу витков неподвижного ротора, Ом.
Из приведенной формулы (6.3) видно, что электромагнитный момент (М) АД при заданной частоте питающей сети и заданных параметрах АД пропорционален квадрату напряжения U1 :
М = СU |
2 . |
(6.4) |
1 |
|
|
При построении характеристики |
n2 = f (M ) |
по паспортным |
данным точки кривой определяются аналитически согласно зависимостям (6.5) – (6.7) ( скольжение в этом случае задается в относительных единицах и используется как промежуточная переменная):
|
n2 = n1(1 − s) ; |
(6.5) |
|||||||
|
M = |
2M max |
; |
|
(6.6) |
||||
|
|
|
|||||||
|
|
s |
+ |
sкр |
|
|
|||
|
|
sкр |
s |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
|
sкр = sн(l + |
|
l2 -1) , |
(6.7) |
|||||
где sкр – |
критическое скольжение, соответствующее Мmax; |
|
|||||||
sн – |
номинальное скольжение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Номинальный момент двигателя определяется из выражения номинальной мощности:
65
P |
= Ω |
2н |
M |
н |
= |
2πn2н |
M |
н |
= πn2 |
M |
н |
. |
(6.8) |
|
|||||||||||||
2н |
|
|
60 |
|
30 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Формула (6.6), полученная из зависимости (6.3), является приближенной и дает хорошее совпадение с реальной характеристикой в зоне устойчивой работы двигателя.
2.3. Рабочие характеристики АД
Рабочие характеристики (рис. 6.2) показывают зависимость эксплуатационных параметров машины от мощности на валу двигателя Р2; к этим параметрам относят ток I1, активную мощность Р1, КПД η, частоту вращения ротора n2 , коэффициент мощности двигателя cos φ и вращающий момент М.
Некоторые рабочие характеристики асинхронного двигателя изображены на рис. 6.2. По оси ординат отложены значения тока
статора I , потребляемой мощности P , скольжения s, коэффициента |
|
1 |
1 |
мощности и КПД, а по оси абсцисс – |
значения мощности Р2. |
s |
η, |
I1 |
Р1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosφ |
A |
кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
1,0 |
25 |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
|
|
0,04 |
0,8 |
20 |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,03 |
0,6 |
15 |
12 |
|
|
cosφ |
|
I1 |
|
Р1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
0,02 |
0,4 |
10 |
8 |
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,01 |
0,2 |
5 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р2 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 кВт |
|
|
|
|
|
Рис. 6.2 |
|
|
|
|
|
||
В режиме холостого хода, |
когда M ≈ 0, I1 = I10 . Значение тока |
||||||||||
I10 зависит от магнитного сопротивления магнитопровода и, в |
|||||||||||
первую очередь, от сопротивления воздушного зазора между |
|||||||||||
статором и ротором. Поэтому зазор делают небольшим, порядка |
|||||||||||
десятых долей миллиметра. Тем не менее, |
ток I10 = (0,2 − 0,5)Iн |
в |
|||||||||
зависимости от |
мощности двигателя, |
что |
на |
порядок больше |
по |
||||||
|
|
|
|
66 |
|
|
|
|
|
|
|
сравнению с относительным значением тока I10 трансформаторов. Ток I10 имеет активную составляющую, связанную с потерями в магнитопроводе и в обмотке статора.
По мере роста нагрузки на валу увеличивается ток статора, в основном его активная составляющая. Коэффициент мощности
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
cos φ1 = |
|
|
1 |
|
|
при холостом ходе |
определяется мощностью |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
P2 |
|
|
|||||||||||
|
|
+ Q2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
потерь в магнитопроводе: cos φ10 |
» |
|
Pмаг |
|
. |
||||||||
|
|
|
|
||||||||||
DP2 |
+ DQ2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
маг |
раб |
|
|
|
Обычно |
cos φ10 имеет значение 0,2 |
– 0,3, что указывает на |
|||||||||||
нежелательность длительной работы двигателя без нагрузки. При увеличении нагрузки возрастают активная составляющая тока I1a и cos φ1. Но при нагрузках, близких к номинальной, рост cos φ1 замедляется из-за увеличения реактивной мощности полей рассеяния. При номинальной нагрузке cos φ1 = 0,7 − 0,85 .
Коэффициент мощности можно определить также согласно выражению:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|||
|
|
|
|
cos φ1 = |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
, |
|
(6.9) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
× I1U1л |
|
|||||||
где P = 3P |
|
|
3 |
|
|
|
||||||||||
- потребляемая мощность |
|
трехфазного асинхронного |
||||||||||||||
1 |
1ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
двигателя, Вт; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
I1л - значения линейного тока, А; |
|
|
|
|||||||||||||
U1л - значения линейного напряжения, В. |
|
|||||||||||||||
2.4. Потери мощности и КПД |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Полезная мощность на валу двигателя определяется по формуле |
||||||||||||||||
|
|
P = W |
|
M = |
2π n2 |
M = |
π |
n M , Вт, |
(6.10) |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
2 |
2 |
60 |
|
|
|
30 |
|
|
|
2 |
|
|||
где M - полезный момент на валу двигателя, Н×м; n2 - частота вращения ротора, об/мин. Коэффициент полезного действия
67
η = |
P |
= |
P |
2 |
|
|
1 |
|
(6.11) |
||||
P 2 |
P 2 +ΔP маг +ΔP эл +ΔP мех |
|||||
|
|
|
||||
при отсутствии нагрузки равен нулю, так как в режиме холостого хода сохраняются потери Рмаг. По мере увеличения мощности Р2 КПД повышается. При больших нагрузках рост η замедляется, затем КПД начинает уменьшаться, так как потери в обмотках пропорциональны квадрату токов, а зависимость токов от мощности Р2 близка к линейной.
Большинство двигателей имеют среднегодовую нагрузку ниже номинальной, так как они работают с переменным моментом на валу. Поэтому двигатели рассчитывают так, чтобы максимум КПД находился в пределах (0,7—0,8) Р2н.
2.4. Пуск двигателя
При "прямом" пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, когда статорные обмотки подсоединяются с помощью выключателя непосредственно к трехфазной сети, пусковой ток достигает Iп = (4 ÷ 7)Iн. Большой пусковой ток АД оказывает неблагоприятное воздействие на работу других потребителей электрической энергии сети. Существенное снижение пускового тока достигается при включении обмоток статора АД на пониженное напряжение. Например, при пуске фазы обмотки соединяют между собой в "звезду", а после разгона ротора двигателя до частоты вращения, близкой к номинальной, - в "треугольник", то есть на номинальное напряжение обмоток.
3. Экспериментальная часть
3.1.Рабочее задание
3.1.1.Ознакомиться с устройством, конструкцией и принципом действия исследуемого трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, записать его паспортные данные.
3.1.2.Провести испытание трёхфазного асинхронного двигателя
скороткозамкнутым ротором в режиме холостого хода и в нагрузочном режиме при соединении статорной обмотки двигателя «звездой» и «треугольником».
68
3.1.3. Пользуясь паспортными данными, построить естественную механическую характеристику исследуемого асинхронного двигателя n = f (M ) и характеристику "момент - скольжение" M = f (s) .
3.1.4.Получить экспериментальные данные и построить в одной системе координат соответствующие механические характеристики, а также механическую характеристику согласно паспортным данным исследуемого асинхронного двигателя.
3.1.5.Получить экспериментальные данные и построить рабочие характеристики исследуемого асинхронного двигателя в соответствии
с пунктом 2.3 при U1 = Uн и f = 50 Гц.
3.1.6.Сделать выводы по проделанной работе.
3.2.Описание установки
Исследуемая установка состоит из трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, нагрузочного устройства, тахометра и электроизмерительных приборов.
Начала С1, С2, С3 и концы С4, С5, С6 обмоток статора АД выведены на панель двигателя.
В качестве нагрузочного устройства в работе используется электромагнитный тормоз (ЭМТ) - моментометр - устройство, в котором тормозной момент создается взаимодействием вихревых токов во вращающемся диске с магнитным полем электромагнитов.
Основными частями электромагнитного тормоза являются алюминиевый диск, соединенный с валом исследуемого двигателя с помощью муфты, и система электромагнитов, укрепленных на кольце. К кольцу, которое может поворачиваться в направлении вращения диска, прикреплен маятник с грузами и стрелка. По углу отклонения маятника на шкале определяется величина момента. Нагрузка изменяется за счет изменения тока в обмотке электромагнитного тормоза.
Питание электромагнитного тормоза осуществляется от лабораторного автотрансформатора через двухполупериодный мостовой выпрямитель. Измерения тока и напряжения производятся приборами с пределами измерения 0 ÷ 500 мА и 0 ÷ 150 В, соответственно. Измерение мощности, потребляемой одной фазой,
69