Лабораторная работа № 8 Исследование асинхронного электродвигателя с фазным ротором
Цель работы – изучение конструкции асинхронного двигателя с фазным ротором, экспериментальное получение рабочих характеристик двигателя, анализ экспериментальных рабочих характеристик, анализ работы двигателя с использованием виртуального осциллографа.
1. Теоретические пояснения
Двигатель с фазным ротором
Конструкция и работа электродвигателя с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором аналогичны.
В асинхронных электродвигателях большой мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы.
В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка (см. рис. 8.1) с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов. Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).
На рис. 8.2 показан асинхронный двигатель с контактными кольцами в разобранном виде.
Рис. 8.1. Схема подключения реостатов к фазному ротору.
Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.
Рис. 8.2. Асинхронный двигатель с контактными кольцами в разобранном виде. а — статор; 6 — ротор; в — подшипниковые щиты; г — вентилятор; д — отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха; ж — контактные кольца, з—щеткодержатели и щетки.
Пуск в ход асинхронных двигателей
Вопросы, связанные с пуском в ход электрических двигателей, имеют большое практическое значение. При их разрешении приходится считаться с условиями работы сети, к которой приключается двигатель, и с требованиями, которые предъявляются к электроприводу. Под электроприводом понимается устройство, состоящее из электродвигателя вместе с относящейся к нему аппаратурой и предназначенное для приведения во вращение рабочей машины (какого-либо станка, насоса, вентилятора, экскаватора, прокатного стана, конвейера и др.).
Для оценки пусковых свойств электродвигателя установлены следующие основные показатели:
начальный пусковой ток IНАЧ или его кратность Iнач/Iн;
начальный пусковой момент Мнач или его кратность Мнач/Мн.
Кроме того, в ряде случаев имеет значение продолжительность разбега двигателя вместе с приводимым им во вращение механизмом и иногда плавность разбега.
Пуск двигателей с контактными кольцами
Короткозамкнутые двигатели иногда пускаются для ограничения пускового тока при пониженном напряжении. Для этой цели в цепь статора на время пуска включают активное сопротивление, реактор или автотрансформатор.
Применяется также пуск при переключении обмотки статора со звезды на треугольник, если при данном напряжении сети она должна быть соединена в треугольник.
Двигатели с контактными кольцами пускаются в ход при помощи реостата, включаемого в роторную цепь и называемого пусковым. Схема приведена на рис. 8.3.
Двигатель с контактными кольцами, пускаемый в ход при помощи пускового реостата, обладает хорошими пусковыми характеристиками. Пусковой ток имеет относительно небольшое значение и, следовательно, подключение двигателя к электрической сети, особенно маломощной, не будет вызывать резких изменений режима ее работы.
Рис. 8.3. Схема пуска в ход трехфазного асинхронного двигателя с контактными
кольцами (Rd – пусковой реостат; РМ – рабочая машина).
На рис. 8.4 показано изменение вращающего момента при выключении ступеней пускового реостата за время разбега двигателя. Таким образом, изменяя активное сопротивления обмотки ротора, можно менять положение максимума кривой M(s). При увеличении сопротивления Rd, максимум кривой сдвигается в сторону больших значений скольжения, при этом вся кривая сдвигается вправо.
Рис. 8.4. Кривые М = f(s) при различных сопротивлениях роторной цепи.
Пусковые реостаты изготовляются из проволоки или ленты, обычно намотанной в виде спирали на фарфоровые столбики. Для проволоки или ленты берут металл повышенного удельного сопротивления (нихром и др.), обладающий высокой износоустойчивостью. Такие реостаты имеют воздушное охлаждение, если они предназначаются для частых пусков в ход, или масляное охлаждение. В последнем случае спирали помещаются в баке с маслом. Переключение ступеней реостата, присоединенных к контактам, помещенным на доске из изоляционного материала, производится при помощи ручки, скользящей по контактам.
Следует иметь в виду, что пусковые реостаты рассчитываются на кратковременную нагрузку, и поэтому их ступени нельзя оставлять на долгое время под током во избежание чрезмерного нагрева.
При пуске в ход двигателя с контактными кольцами нужно до включения рубильника или масляного выключателя убедиться в том, что весь реостат введен в цепь ротора. После включения надо пусковое сопротивление выводить постепенно, чтобы стрелка амперметра, который должен быть включен в цепь статора, не отклонялась дальше допустимого значения.
Регулирование скорости вращения
Асинхронные двигатели обычно применяются для электроприводов, которые работают с постоянной частотой вращения. Но иногда они применяются для регулируемых электроприводов. Рассмотрим возможные способы регулирования частоты вращения.
1) Для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором (с контактными кольцами) используется реостат в цепи ротора, имеющего обмотку, присоединенную к контактным кольцам.
Увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению скольжения и, следовательно, к уменьшению частоты вращения двигателя, что видно из кривых M = f(s) при различных Rd, представленных на рис. 8.4.
Регулирование здесь возможно в широких пределах, причем плавность регулирования, очевидно, зависит от числа ступеней реостата.
Указанный способ регулирования неэкономичен, так как он связан с непроизводительной затратой энергии в реостате.
При регулировании частоты вращения двигателя при помощи реостата в цепи ротора следует иметь в виду, что его механическая характеристика (рис. 8.5) может получиться резко падающей, недопустимой, например, для электропривода к токарному станку.
Рис. 8.5. Механические характеристики n2 = f (M) двигателя с контактными
кольцами при сопротивлении Rd = 0 и при Rd > 0.
2. Частоту вращения асинхронного двигателя можно регулировать также путем изменения напряжения U1 на зажимах статора. Однако такой способ регулирования при малом сопротивлении роторной цепи позволяет изменять частоту вращения лишь в небольших пределах
3. Достаточно эффективно регулирование частоты вращения осуществляется путем изменения частоты f1, тока, подводимого к двигателю. При этом изменяется частота вращения поля , а следовательно, и ротора. Такой способ регулирования требует наличия отдельного генератора переменного тока с регулируемой частотой.
4. На практике применяется также способ ступенчатого изменения частоты вращения путем изменения числа пар полюсов обмотки статора. Соответствующее переключение обмотки производится сравнительно просто, если нужно увеличить или уменьшить число пар полюсов вдвое. В этом случае каждая фаза обмотки статора делится на две одинаковые части, которые можно включать последовательно или параллельно.
При обмотке статора, переключаемой на различные числа пар полюсов, как правило, применяется короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой (см. лабораторную работу № 7).
Серийные двигатели с фазным ротором
Двигатели большой мощности (от 140 до 1 250 кВт) с фазным ротором (с контактными кольцами) объединены в серию ФАМСО (рис. 8.6). Они изготовляются для эксплуатации в угольной и нефтяной промышленности, для нужд электростанций и других областей. Эти двигатели имеют защищенную конструкцию с самовентиляцией, как и большинство асинхронных двигателей. Подвод воздуха здесь осуществляется через отверстия, расположенные в нижних частях подшипниковых щитов, выход воздуха — через боковые закрытые жалюзи отверстия с обеих сторон корпуса статора.
Рис. 8.6. Трехфазный асинхронный двигатель с контактными кольцами.
Выпускаются также двигатели серии АК — двигатели с контактными кольцами мощностью до 125 кВт (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Двигатель серии АК (справа виден кожух, закрывающий контактные кольца).
Рекомендуемая литература для самостоятельной работы
Касаткин А.С. Электротехника. Учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. – 7-е изд., стер. – М.: Высш., 2002.
Электротехника и электрооборудование строительных процессов: Учебник для вузов /А.В. Воробьев М.: Изд-во АСВ. 1995.
Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец. средних спец. Учеб. заведений. – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2000.