5. Опрацювання дослідних даних

5.1. Враховуючи ціну поділок приладів визначте та запишіть у прографи табл.13.2 діючі значення виміряних електричних величин.

5.2. За дослідними даними табл.13.2 виконайте необхідні розрахунки і запишіть результати розрахунків у табл. 13.3.

Алгоритм проведення розрахунків наступний:

5.2.1. Обчисліть для кожного із дослідів:

- активну потужність, у Вт, яку споживає АД з мережі:

Таблиця13.2 - Дослідні дані випробовування асинхронного двигуна
Номер досліду	Uл		I1		Pф		Uг.н		Iз.н.г.		n = ns
	CU= В/под.		CІ= А/под.		CW= Вт/под.		CU= В/под.		CІ= А/под.
	под	В	под	А	под	Вт	под	В	под	А	об/хв
1
2
3
4
5
6
7
8

Таблиця 13.3 - Результати випробовування асинхронного двигуна
Номер досліду	P1	cos	s	n2	Pг.	г	г.	P2	дв	Мдв
	Вт		%	об/хв	Вт	%		Вт		Н м
1
2
3
4
5
6
7
8

; (13.12)

- коефіцієнт потужності АД:

; (13.13)

- частоту обертання n₁магнітного поля статора АД за формулою (13.1);

- ковзання ротора АД за формулою (13.4);

- частоту обертання ротора АД:

; (13.14)

- вихідну потужність генератора постійного струму, Вт:

, (13.15)

де U_н.г. – номінальна напруга на затискачах генератора, В; І_з.н.г. – струм кола зовнішнього навантаження, А;

- коефіцієнт завантаження генератора, %:

. (13.16)

5.2.2. Використавши графічну залежність_г(_г) - рис.13.10, знайдіть для визначених значень_гвідповідні їм значення_г .

5.2.3. Визначте корисну потужність двигуна, Вт:

, (13.17)

де _пер– ККД передачі, %. Для пальцевої муфти, що з’єднує вал генератора з валом двигуна можна прийняти_пер1.

5.2.4. Проведіть розрахунок ККД асинхронного двигуна.

Зверніть увагу, що перетворення електричної енергії, спожитої двигуном з мережі, у механічну завжди супроводжується певними втратами. Тому розрізняють потужність підведену до статорних обмоток –

(13.18)

і корисну потужність на валу двигуна –

, (13.19)

де – втрати потужності у двигуні.

Безпосередньо відношення потужності Р₂до Р₁називають коефіцієнтом корисної дії асинхронного двигуна:

. (13.20)

Наявні у двигуні втрати перетворюються в теплоту, що в кінці кінців викликає нагрівання машини.

Їх поділяють на основні та додаткові –

(13.21)

Основні - це магнітні Р_с(втрати в сталі), електричні Р_м(на нагрівання обмоток) та механічні Р_мех(від тертя у підшипниках і на вентиляцію) втрати. Отже можна записати: втрати потужності у

(13.22)

Зауважимо,що величина втрат Р_сє пропорційною квадрату напруги живлення статорних обмоток двигуна, а величина Р_мех– квадрату частоти обертання ротора (). Оскільки на практиці абсолютна більшість АД загального призначення працюють при номінальній напрузі живлення U_1ні з постійною частотою обертання, то можна вважати, що Р_с= const і Р_мехconst. Суму цих втрат у АД з точністю, достатньою для інженерних розрахунків, можна визначити дослідним шляхом. Для цього достатньо виміряти активну потужність Р₁₀, яку з мережі споживають статорні обмотки при роботі двигуна в режимі холостого ходу:

. (13.23)

Втрати Р_м– це втрати на нагрівання виготовлених з міді статорних Р_м1і виготовлених з міді або алюмінію роторних Р_м2обмоток двигуна. Вони залежать від діючих у обмотках струмів, відповідно I₁і I₂:

, (13.24)

де r₁та r₂– активний опір статорних і роторних обмоток відповідно.

Враховуючи, що навантаження двигуна з боку робочої машини може змінюватися і отже будуть змінюватися струми I₁і I₂, то величина Р_мє змінною. Зокрема електричні втрати в роторі прямо пропорційні ковзанню:

, (13.25)

де Р_ем– електромагнітна потужність асинхронного двигуна, Вт:

. (13.26)

Для визначення, втрат на нагрівання обмоток Р_мпроводять дослід короткого замикання, коли до статорних обмоток АД з загальмованим ротором підводять таку напругу U_кз<< U_1н, при якій струм у обмотках дорівнює номінальному. Виміряну за цих умов потужність Р_кзстаторних обмоток вважають такою, що витрачається на нагрівання статорних Р_м1і роторних Р_м2обмоток двигуна:

. (13.27)

Додаткові втрати Р_додузагальнюють в собі всі види втрат, викликані дією вищих гармонік МРС, пульсаціями магнітної індукції та іншими причинами, які важко врахувати. У відповідності до ДСТУ додаткові втрати АД приймають рівними 0,5 % від потужності Р₁, що підводиться до двигуна.

Отже, у загальному випадку коефіцієнт корисної дії АД може бути розрахований за формулою:

. (13.28)

На практиці ж користуються формулою, подібною до тієї, що застосовується для розрахунку ККД трансформатора –

, (13.29)

де Р_1н – номінальна активна потужність АД;= Р₁/Р_1н- коефіцієнт завантаження АД, як відношення фактичної потужності до номінальної.

В залежності від потужності АД його номінальний коефіцієнт корисної дії _нзвичайно дорівнює (70...90) %. Причому двигуни більшої потужностіР_1нмають, як правило, кращий номінальний ККД, ніж двигуни малої потужності. Враховуючи, що АД на виробництві переважно працюють при певному недовантаженні, то двигуни проектують таким чином, щоб ККД мав максимальне значення при0,75. Графічно вигляд залежності() показаний на рис. 13.11.

Тут же відмітимо, що залежність  від корисної потужності на валу двигуна Р₂ є однією з важливих робочих характеристик АД. Якісно вона має такий же вигляд як  = f().

У даній лабораторній роботі ККД дослідного АД визначаємо як відношення потужності Р₂, розрахованої за формулою (13.16), до потужності Р₁, обчисленої за формулою (13.11). Результати розрахунків заносимо в табл.13.3.

5.2.5. Визначте момент на валу двигуна М_дв.

Зверніть увагу,що в результаті взаємодії магнітного поля ротора, яке створюється струмом₂обмотки ротора, із обертовим магнітним полем статора виникає обертальний електромагнітний моментМ_емдвигуна, який у загальному випадку визначають за формулою (13.2).

Як відомо, величина магнітного потоку є пропорційною напрузі струму, який створює цей потік. Таке справедливо і для АД, тобто, Ф₁U₁. Оскільки₂cos₂E_2sФ₁U₁, то звідси випливає дуже важливий для АД висновок – обертальний момент є пропорційним квадрату напруги, підведеної до статорних обмоток двигуна:

. (13.30)

Підставивши у (13.2) вирази (13.7) та (13.8), одержимо аналітичний вираз залежності М_ем = f(s) –

, (13.31)

графічний вид якої називають механічною характеристикою АД (рис.13.12).

Зверніть увагу, що оскільки вона відображає фізичні процеси, які відбуваються в АД, то її добре використовувати для аналізу експлуатаційних можливостей двигуна.

Так, в момент пуску двигуна, ковзання має максимальне значення s_п = 1, внаслідок чогоE_2s,₂,x_L2максимальні, а₂90.

Максимальному струму ротора ₂відповідає максимальне – пускове, значення струму_1п, який статорні обмотки двигуна споживають від трифазного джерела напруги. Оскільки в момент пуску_1п= (5…8)_1н, то в цей період відбувається значне виділення теплоти в статорних обмотках, яке може призвести до їх пошкодження. Звідси випливає, що пуск АД доцільніше здійснювати при відсутності навантаження на валу двигуна, тобто в режимі холостого ходу.

Не дивлячись на те, що АД має великий пусковий струм, пусковий електромагнітний момент М_пу двигуна відносно малий. Це пояснюється тим, що cos₂0. Звідси також випливає, що АД краще запускати в режимі холостого ходу. При цьому гальмівний момент двигуна значно менший ніж пусковий і номінальнийМ_н, тому ротор швидко починає набирати оберти.

Зі збільшенням обертів n₂ротора, тобто при зменшенні ковзання, зменшуютьсяE_2s, ₂, x_L2, але збільшується cos₂двигуна. Це призводить до збільшення електромагнітного моменту до максимального значенняМ_max. Наявність екстремуму у кривійМ_ем(s) означає, що гальмівний момент на валу АД можна збільшувати тільки до певної межі, далі якої двигун зупиниться.

Значення ковзання, яке відповідає М_max, називають критичнимs_кр, в зв’язку з чим і максимальний обертальний момент АД також інколи називають критичним. Відмітимо, щоМ_ем =М_max, коли₂= 45, аx_L2 = r₂.

При подальшому збільшенні обертів ротора до максимально можливих, а це оберти холостого ходу n₂₀, ковзання зменшується також до мінімально можливого значенняs₀, внаслідок чого різко зменшується₂, (див.рис.13.6) і, відповідно, швидко зменшується обертовий момент доМ₀. Електромагнітний момент також пропорційний електромагнітній потужності:

, (13.32)

де ₁– кутова синхронна швидкість обертання:

(13.33)

Підставивши у (13.32) значення електромагнітної потужності із (13.25), одержимо

, (13.34)

тобто електромагнітний момент АД пропорційний потужності електричних втрат у обмотці ротора.

Величина ковзання sі частота обертання роторуn₂зв’язані між собою через постійну (n₁= const) для конкретного двигуна величину

. (13.35)

При обертанні ротора з постійною частотою, в межах n₂₀<n₂<n_2кр, момент опору на валу двигуна складається з моменту холостого ходу та статичного моменту навантаження з боку робочої машини і дорівнюєМ_ем. Це дає підстави надати механічну характеристику АД у вигляді більш зручному для аналізу роботи електроприводу – у координатах: частота обертання ротораn₂від моменту на валу двигуна M(рис. 13.13).

З рис. 13.13 видно, що в режимі холостого ходу, коли момент опору на валу обумовлений втратами у двигуні (М = М₀), ротор обертається з максимальною частотоюn₂₀– максимально близькою до частоти обертання поля статора (синхронної частоти). Із збільшенням моменту опору до номінальногоМ_ні далі доМ_max, наприклад за рахунок гальмуючого моменту з боку робочої машини, частота обертання ротора зменшується до номінальної n_2ні далі до критичноїn_2кр. При подальшому збільшенні моменту опору (приМ > М_max)n₂швидко зменшується до нуля (двигун перекидається – сленг, томуМ_maxінколи називають критичним або перекидаючим моментом) і двигун потрапляє у пусковий режим, де, нагадаємо,_1п= (5...8)_1н. Якщо при цьому статорні обмотки не відключити від мережі живлення, то вони згорять.

Оскільки у разі зменшення моменту опору від М_maxдоМ₀маємо зворотне – частота обертання ротору збільшується доn₂₀, то цю частину характеристики між точками з координатами (М₀, n₂₀) та (М_кр,n_2кр) називають зоною стійкої роботи двигуна, або робочою ділянкою. Ділянку характеристики між точками з координатами (М_кр,n_2кр) та (М_п, 0) називають зоною нестійкої роботи двигуна.

В теорії електроприводу за величиною n₂=n₂₀ n_2нробочі ділянки двигунів поділяють на: абсолютно жорсткі (n₂= 0), жорсткі (n₂0,2n_2н – мала величина, яка не має суттєвого впливу на роботу електроприводу і керування ним) та м’які (n₂> 0,2n_2н – значна величина, яка має суттєвий вплив на роботу електроприводу і керування ним).

У АД з КЗР загального призначення n₂0,2n_2н, отже ці двигуни мають жорстку робочу ділянку механічної характеристики.

На практиці, робочу ділянку механічної характеристики АД розраховують за більш простою формулою Клосса:

, (13.36)

де M_kіs_k – поточні значення, відповідно, моменту на валу двигуна і ковзання;s_кр – критичне значення ковзання:

, (13.37)

тут А – допоміжний коефіцієнт, що визначають за формулою:

А = _п(_max  1)/(_max  _п). (13.38)

Для розрахунку характеристики у повному діапазоні частот обертання (0 n₂n₁) у формулу (13.36) вводять допоміжний коефіцієнт, який розраховують так:

. (13.39)

З урахуванням (13.37) уточнена формула Клосса має вигляд:

. (13.40)

Побудувати дану характеристики можна також використовуючи залежність:

, (13.41)

де Р₂– корисна потужність на валу двигуна, Вт;₂- кутова частота обертання ротора:

. (13.42)

Для кожного досліду обчисліть за (13.41) значення М_дві запишіть у відповідні прографи табл.13.3. Побудуйте механічну характеристику дослідного АД виду n₂= f(М_дв). Приклад побудови показаний на рис.13.14.

5.2.6. За даними табл.13.3 побудуйте у масштабі робочі характеристики асинхронного двигуна, у вигляді, як це показано на рис.13.15.

Зверніть увагу, що робочі характеристики АД – це графічні залежності частоти обертання n₂, ККД_дв, корисного моменту (моменту на валу двигуна) M₂, коефіцієнта потужності cos₁і струму статора І₁від корисної потужності Р₂при U₁= const і f₁= const.