Лабораторная работа №2

Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

(2 часа)

2.1 Цель работы

Ознакомление с устройством, принципом действия и исследование свойств и характеристик асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором.

2.2 Теоретические сведения

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора (рис. 2.1).

С татор состоит из станины 1, в которой закреплён магнитопровод 2 (сердечник из изолированных друг от друга листов электротехнической стали) в виде цилиндра. По внутренней окружности сердечника вырезаны пазы, в которых укладывается обмотка 3 (на рис. 2.1 обмотка условно показана в виде трех катушечных групп). В зависимости от способа соединения обмоток различают двухполюсные и многополюсные машины.

Р отор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной. Наиболее распространена короткозамкнутая обмотка в виде «беличья клетка». Она состоит из проводящих стержней (медь, алюминий), соединённых по торцам медными или алюминиевыми кольцами.

К статорной обмотке подключается синусоидальное трёхфазное напряжение (рис.2.2). В каждой катушке будет создаваться магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции. Вектор результирующей магнитной индукции будет вращаться с угловой скоростью по часовой стрелке при чередовании фаз А, В, С. Если две фазы поменять местами, то направление вращения изменится на противоположное, т.е. произойдет реверс двигателя.

Частота вращения магнитного поля статора n₀, об/мин

, (2.1)

где - частота напряжения на статоре; - число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле наводит ЭДС в обмотках ротора, под действием которой в проводниках протекают токи. На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы. Эти силы создают электромагнитный вращающий момент, стремящийся повернуть ротор в направлении движения магнитного поля. Если этот момент превысит момент сопротивления на валу, то ротор будет вращаться с ускорением до тех пор, пока не наступит равновесие между вращающим и тормозным моментами. Машина перейдет в статический режим работы (n=const).

Вращающий момент в АД создается только при частоте вращения ротора меньшей синхронной скорости n_о. Эта разница характеризуется скольжением:

, (2.2)

где n – частота вращения ротора:

. (2.3)

Электромагнитный вращающий момент (АД), выраженный в скалярной форме, зависит от магнитного потока статора Ф_s и активной составляющей тока ротора I₂:

, (2.4)

где k_m – коэффициент, зависящий от конструкции двигателя;

j₂ – угол между векторами э.д.с. и тока ротора.

Важной характеристикой асинхронного двигателя является зависимость момента от скольжения М = f(s) (рис. 2.3)

, (2.5)

где s_к – критическое скольжение.

При некотором значении скольжения s_к момент принимает максимальное значение М_max

Механическая характеристика n(M) (рис. 2.3) строится по четырем точкам:

1. s = 0; n = n_o; M = 0; 2. M = M_н; n = n_н; s = s_н = (n_o – n_н) / n_o;

3. М = М_мах; n = n_к; n_к = n_o × (1 – s_к);

4. n = 0; s = 1; M = M_п – пусковой момент;

где l – перегрузочная способность двигателя, l = М_мах / М_н;

n_к – критическая частота вращения;

Величина максимального момента АД определяет максимальную кратковременную нагрузку на валу, которую он может преодолеть. Для короткозамкнутых АД общепромышленного исполнения перегрузочная способность l = 1,8…3.

Известно, что максимальный момент зависит от квадрата напряжения сети. В сетях промышленных предприятий напряжение может колебаться, например, при ударных нагрузках в приводах прокатных станов и др. Для учета возможного снижения напряжения сети наибольшая допустимая перегрузка принимается равной 0,85 × М_мах / М_н.

Номинальный к.п.д. двигателя это отношение номинальной мощности Р_н к мощности Р_1н, потребляемой из сети

Активная мощность, потребляемая двигателем из сети,

,

где U_л, I_л – линейные напряжение и ток; cosj₁ – коэффициент мощности.

Асинхронный двигатель во время работы кроме активной мощности Р_1н потребляет реактивную мощность Q₁, в основном необходимую для создания вращающегося магнитного поля. Коэффициент мощности при синусоидальном токе

,

где S – полная мощность.

Торможение асинхронного двигателя может осуществляться любым из трех способов.

Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть возможно при частоте вращения выше синхронной (n > n_o), например, при спуске груза подъемным краном. При этом скольжение s будет отрицательным и машина переходит в генераторный режим. При этом она преобразует кинетическую энергию спускающегося груза в электрическую энергию и отдает ее в сеть. В машине создается тормозной момент, ограничивающий скорость опускания груза.

В режиме динамического торможения статор двигателя отключают от сети переменного напряжения и к двум его фазам подключают постоянное напряжение. В статоре создается постоянное магнитное поле, которое индуцирует во вращающемся роторе переменные э.д.с. и ток. Взаимодействие этого тока с постоянным магнитным полем создает тормозной момент. Режим противовключения АД может быть получен переключением на ходу двух фаз на статоре, что ведет к изменению направления вращения магнитного поля. Ротор продолжает вращаться в прежнем направлении, поэтому в машине создается тормозной момент. Скольжение становится больше единицы s = (-w_o -w) / (w_o) = 1 + (w / w_o) и ток ротора превышает

ток короткого замыкания, поэтому в цепь статора включают ограничивающее сопротивление.

После остановки двигателя напряжение отключают.

2.3 Оборудование для проведения исследований

В лабораторной работе используются следующие модули:

- модуль питания стенда (МПС); - модуль питания (МП);

- силовой модуль (СМ); - модуль тиристорного преобразователя (ТП);

- модуль измерителя мощности (МИМ); - модуль ввода/вывода (МВВ);

- модуль измерительный (МИ).

Силовой модуль состоит из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором М1, машины постоянного тока М2 и импульсного датчика частоты вращения М3. Для проведения работы на компьютере загрузить ПО Labdrive и выбрать соответствующую работу.

Паспортные данные асинхронной машины: тип АИР63В4У3, Р_н=370 Вт, U_н=380/220 B, n_н=1320 об/мин, I_н=1,37 А, η_н=0,68, cos φ=0,7, активное сопротивление фазы статора

R_с=19 Ом при 27^оС, механические потери ΔР_мех=11 Вт.

2.4 Порядок проведения работы и указания по технике безопасности

Перед проведением работы необходимо привести модули в исходное состояние:

- переключатель «Сеть» ТП перевести в нижнее положение, SA2 - в положение «Момент», SA3 - в положение «Руч», SA4 - в положение «НМ», SA6 - в нижнее положение;

Схема для исследования асинхронной машины представлена на рис. 2.4.

Между агрегатами М1 и М2 показана механическая связь. Выходы датчиков тока и напряжения, а также выход ПЧН подключаются к входам А1, А2, АЗ модуля ввода/вывода.

В качестве нагрузочной машины выступает машина постоянного тока М2, подключенная к тиристорному преобразователю (ТП). Ток машины М2 измеряется по индикатору ТП. Перед началом работы ТП перевести в режим регулирования момента (SA2).

Исследование асинхронной машины проводится в следующей последовательности:

- включить автоматические выключатели QF1, QF2;

- подать питание на ТП включением кнопки «Сеть»;

- подать разрешение на работу ТП (SA6) и, выбрать направление задания момента (переключатель SA5 модуля ТП);

- изменением потенциометра RРl задавать момент нагрузки. Если частота вращения АД увеличивается, следует поменять направление момента нагрузки (реверсировать двигатель М2);

- снять несколько точек двигательного режима, поменять направление момента (переключатель SA5 ТП), снять несколько точек генераторного режима. При проведении опыта следить за током якоря ДПТ, I_я <1,5 А.

Результаты эксперимента записать в таблицу 2.1.

Таблица2.1– Исследование характеристик асинхронной машины

№ п/п	Uл,В	Iс, А	P1,Вт	n, об/мин	Cos φ	Вычислено
						S, В∙A	Рв, Вт	Мв,Нм	η	Примеч.
1										Прямое вращение двигатель
2
3
4
1									-	Генератор
2									-
3									-
4									-
1									-	Обратное вращение двигатель
2									-
3									-
4									-

- RP1 установить в min. положение, кнопкой «сеть» выключить ТП и снять разрешение на работу тумблером SA6, выключить автоматические выключатели QF1, QF2.

- на модуле питания МП поменять местами две фазы;

- включить автоматические выключатели QF1, QF2,

- подать питание на ТП включением кнопки «Сеть»;

- подать разрешение на работу ТП (SA6) и, выбрать направление задания момента (переключатель SA5 модуля ТП);

- изменением потенциометра RРl задавать момент нагрузки. Если частота вращения увеличивается, следует поменять направление момента нагрузки;

- снять несколько точек двигательного режима. При проведении опыта следить за током якоря ДПТ. Он не должен превышать 1,5А;

- все выключатели установить в исходное состояние.

2.5 Обработка результатов

Полная мощность, потребляемая из сети, S = ·U_л ×I_c, В·А

коэффициент мощности cosφ = P₁ /S

где Р₁ - активная мощность, потребляемая из сети, Вт.

Полезная мощность на валу двигателя, Р_в =Р_с - ΔР_элст – ΔР_пост., Вт,

где ΔР_элст - электрические потери в цепи статора, ΔР_элст = 3I²_сR_c, Вт;

R_c - сопротивление фазы обмотки статора, R_c = 19 Ом;

ΔР_пост. -постоянные потери в двигателе, ΔР_пост= 67 Вт.

Момент на валу двигателя, М_В = 9,55Р_в /n, Н×м.

Коэффициент полезного действия в двигательном режиме η= Р_в/P₁.

2.6 Требования к отчету по работе

Отчет выполняется на листах формата А4. В отчете должны быть титульный лист, название работы, цель, краткие теоретические сведения, оборудование, схема лабораторной установки, порядок проведения работы, таблица и графики.

По результатам измерений построить графики зависимости для прямого и обратного вращений АД.

На графике построить естественную механическую характеристику двигателя. Графики вычерчивать по линейке карандашом с выделением экспериментальных точек.