3.4.2. Программа работы

3.4.2.1. Ознакомиться с лабораторной установкой.

3.4.2.2. Ознакомиться с некоторыми схемами переключения трехфазной обмотки статора асинхронного двигателя для работы в однофазном и конденсаторном режимах.

3.4.2.3. Ознакомиться с принципом действия однофазного и конденсаторного асинхронных двигателей, изучить способы их пуска.

3.4.2.4. Получить рабочие характеристики асинхронного двигателя в трехфазном, однофазном и конденсаторном режимах.

3.4.2.5. Провести анализ рабочих характеристик и сделать выводы.

3.4.3. Общие замечания

Бытовая электрическая сеть переменного тока чаще всего однофазная. Потребитель в этом случае использует приборы со встроенными в них однофазными или конденсаторными двигателями. Примерами таких приборов являются холодильники, кондиционеры, стиральные машины и др. В качестве однофазного двигателя с пусковой обмоткой или конденсаторного при необходимости может быть использован и трехфазный двигатель. В первом случае из двух его фаз образуется рабочая обмотка (главная), а из третьей – пусковая (вспомогательная) обмотка. В о втором случае третья фаза двигателя, подключенная через конденсатор к однофазной сети, во время работы не отключается. Такой режим работы называется конденсаторным.

При подключении трехфазной обмотки статора к сети симметричного трехфазного напряжения (на рис.3.4.1 выключатель SА1 замкнут, SА3 – разомкнут) в двигателе создается круговое вращающееся магнитное поле, и ротор развивает начальный пусковой момент.

Когда выключатели SА1 и SА3 разомкнуты, то включение обмотки статора на напряжение приводит к тому, что по ней протекает переменный однофазный ток и в двигателе создается пульсирующее магнитное поле. Пульсирующее поле можно представить в виде двух равных полей синхронно вращающихся в противоположных направлениях. При неподвижном роторе оба поля вызывают в его обмотке одинаковые по величине, но противоположные по знаку токи и, следовательно, противоположные по направлению электромагнитные моменты, которые взаимно уравновешиваются. При этом результирующий вращающий момент, действующий на неподвижный ротор, равен нулю. Прийти во вращение ротор не может.

Если теперь посторонним усилием ротор привести во вращение в какую-либо сторону, то он будет вращаться в этом направлении самостоятельно с некоторой частотой вращения n. При этом, поле, которое вращается в одном направлении с ротором, называется прямым, а поле, вращающееся в противоположном направлении - обратным.

Частота тока, индуцированного в обмотке ротора от прямого поля, определяется разностью частот вращения

, (3.4.1)

где - синхронная частота вращения поля, об/мин., –скольжение, - частота напряжения сети. Частота тока в обмотке ротора от обратного поля определяется суммой частот вращения

. (3.4.2)

Вращающиеся магнитные поля индуцируют в обмотке ротора ЭДС с частотой от прямого поля и с частотой . Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, то в ней появляются токи и указанных частот. Ток малой частоты и почти совпадает по фазе с ЭДС , а ток большой частоты, практически индуктивный, отстает от ЭДС на угол близкий к . Под влиянием реакции НС от этих токов произойдет изменение величин вращающихся в противоположные стороны НС и и создаваемых ими магнитных полей и . При этом амплитуда обратного поля уменьшится, а прямого соответственно возрастет. В результате векторного сложения двух вращающихся в противоположные стороны магнитных полей и с разными амплитудами в двигателе образуется результирующее вращающееся магнитное поле

Ф, вектор которого описывает в пространстве траекторию эллиптической формы.

Взаимодействие магнитного поля с токами ротора создает результирующий электромагнитный вращающий момент.

Электромагнитные моменты от прямого и обратного полей можно представить в виде

, (3.4.3)

, (3.4.4)

где - коэффициент пропорциональности; -угол сдвига между ЭДС и током ; - угол сдвига между ЭДС и током .

Так как при вращающемся роторе , и , то момент . Тогда результирующий электромагнитный момент однофазного двигателя при вращении ротора

. (3.4.5)

На рис.3.4.2 показаны зависимости , и М в зависимости от скольжения s. Зависимость М, расположенная выше оси абсцисс, соответствует одному направлению вращения ротора, а расположенная ниже оси абсцисс - обратному.

Рис.3.4.2. Момент однофазного асинхронного двигателя в зависимости от скольжения

Обе части этой зависимости равноценны. Ротор будет вращаться в том направлении, в котором он развернут первоначально внешней силой. При обоих направлениях вращения ротора результирующий момент М однофазного двигателя получается одинаковым по величине. При пуске двигателя, когда s=1, этот момент равен нулю.

Чтобы ротор привести во вращение, необходимо в начале пуска (при s=1) в двигателе создать вращающееся магнитное поле. Известно, что вращающееся магнитное поле создают многофазные обмотки при протекании по ним токов сдвинутых по фазе. Поэтому на время пуска однофазный двигатель превращают в простейший многофазный, а именно, в двухфазный. Такой двигатель имеет две обмотки, магнитные оси которых сдвинуты по расточке статора, как правило, на половину полюсного деления (90⁰эл.) Одна из этих обмоток называется рабочей – другая пусковой.

При применении трехфазного двигателя в однофазном режиме в качестве рабочей обмотки используют последовательное соединение двух фаз, например, U и V, а оставшуюся фазу W как пусковую обмотку. При этом не важно, как соединены последовательно фазы U и V, в неполную звезду или открытый треугольник, их эквивалентная магнитная ось всегда сдвинута по отношению к оси фазы W на 90⁰эл. Изменение соединения фаз U и V в неполную звезду на соединение в открытый треугольник связано лишь с изменением направления вращения. На рис.3.4.3 показана одна из возможных схем включения трехфазного двигателя для работы в однофазном режиме. Для обеспечения сдвига фаз между токами рабочей и пусковой обмоток в цепь пусковой обмотки включают фазосдвигающий элемент (ФСЭ) Z_П.

В качестве ФСЭ используются резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. Лучшие пусковые свойства двигателя получают при использовании конденсаторов в качестве фазосдвигающих элементов, т.к. только в этом случае можно осуществить сдвиг токов в обмотках на 90 и при условии равенства амплитуд намагничивающих сил рабочей и пусковой обмоток создать круговое вращающееся магнитное поле. В этом случае обратное поле отсутствует и, следовательно, тормозного момента нет. Если выше названные условия не выполняются, то система двух обмоток, магнитные оси которых пространственно сдвинуты на 90⁰эл., будет создавать эллиптическое вращающееся магнитное поле. После окончания процесса пуска двигателя пусковую обмотку отключают, и дальнейшая работа происходит только с одной рабочей обмоткой, т.е. в однофазном режиме.

Улучшить пусковые и рабочие характеристики двигателя можно, если пусковую обмотку с включенными в ее цепь конденсаторами оставить подключенной к сети на все время работы, т.е. перевести его в конденсаторный режим. В этом случае можно подбором емкости конденсаторов создать в двигателе круговое или почти круговое вращающееся магнитное поле, как на время пуска, так и в рабочем режиме под нагрузкой. Необходимо отметить, что круговое поле создается только при определенной нагрузке двигателя для заданного значения емкости конденсатора. При другой нагрузке скольжение и соответственно индуктивные параметры двигателя изменятся и, если не изменить емкость конденсатора, работа двигателя ухудшится. Обычно для получения кругового поля подобранные конденсаторы включают параллельно. При пуске работают все конденсаторы, а по мере разгона двигателя в процессе пуска или переходе к меньшей нагрузке емкость батареи конденсаторов уменьшают ступенями.

Подключение обмотки статора двигателя на трехфазное и однофазное питание осуществляется выключателем SА1 (рис.3.4.1). Переключатель SA4 позволяет переключать обмотку напряжения ваттметра PW либо на фазное напряжение (положение «3ф») при работе в трехфазном режиме, либо на линейное напряжение сети (положение «1ф») при работе в однофазном или конденсаторном режимах. Следует обратить внимание на то, что при работе в трехфазном режиме ваттметром измеряется фазная мощность. Выключатели SA2 и SA3 необходимы для перевода двигателя в конденсаторный режим или осуществления пуска двигателя в однофазном режиме путем включения в цепь обмотки статора рабочего Cw и пускового Cs конденсаторов.

Нагрузкой для двигателя во всех режимах является генератор G постоянного тока параллельного возбуждения, работающий на нерегулируемое сопротивление нагрузки R. Плавное регулирование мощности, выделяемой на сопротивлении R, осуществляется изменением тока возбуждения генератора с помощью сопротивления R_F. Ток и напряжение на сопротивлении нагрузки R измеряется приборами РА2 и РV2. Для осуществления режима холостого хода служит выключатель SА5, размыкающий цепь нагрузки R.

Контроль частоты вращения n испытуемого двигателя проводится с помощью магнитоэлектрического тахогенератора TG.