Лабораторна робота № 2

ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЕЛЕКТРОДВИГУНА З К0Р0ТКОЗАМКНУТИМ РОТОРОМ

Мета роботи - ознайомитися з будовою трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором; навчитися здійснювати пуск і реверс асинхронного двигуна; досліджувати залежність швидкості обертання, ККД та коефіцієнта потужності двигуна від потужності навантаження на валу.

Основні теоретичні відомості

Трифазні асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором широко застосовуються в промисловості завдяки високій надійності й економічності, простоті та невисокій ціні.

Трифазний асинхронний двигун із короткозамкнутим ротором складається з нерухомого статора, в пазах якого розміщена обмотка, що підключається до мережі трифазного змінного струму, і ротора, котрий обертається і має обмотку у вигляді білячої клітки.

Початок і кінець кожної фази обмотки статора виведені назовні, що дозволяє з'єднати обмотку трикутником або зіркою, застосовувати один і той же двигун на дві різні напруги мережі, відношення яких дорівнює .

На щитку машини, як правило, вказуються дві напруги, наприклад 220/127 або 380/220 В. Більшій із них відповідає з'єднання обмотки статора в зірку, меншій - у трикутник.

Початок обмоток окремих фаз статора прийнято позначати символами С1, С2, С3, а кінці їх - відповідно С4, C5, C6.

Схеми з'єднання обмоток на щитку машини показані на рис.2.1.

При підключенні трифазної обмотки статора до трифазної мережі утворюється обертове магнітне поле, яке наводить у замкнутій обмотці ротора змінні струми. Взаємодія індукованих струмів ротора з магнітним полем, що обертається, приводить ротор в обертання в тому ж напрямку, в якому обертається поле.

Для зміни напрямку обертання вала двигуна достатньо змінити порядок чергування фаз, тобто поміняти місцями будь-які два дроти живлення.

де , - частота обертання відповідно ротора (вала) і поля статора, об/хв.

При номінальній потужності на валу працюючого двигуна ковзання невелике і складає 0, 02 - 0, 08.

Швидкість обертання магнітного поля статора пов'язана з частотою мережі f та кількістю пар полюсів машини р

.

Асинхронні двигуни випускаються з кількість пар полюсів р = 1, 2, 3, 4, 5, 6.

При частоті мережі f = 50 Гц швидкість обертання магнітного поля статора може мати значення n₀ = 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/хв.

Частота, індукована в обмотці ротора: .

При частоті мережі f = 50 Гц і номінальному ковзанні на валу s = 0, 02 - 0, 08 частота струму в обмотках ротора f₂ = 1 - 4 Гц.

Величина ЕРС, індукована в обмотці ротора, що обертається,

E_2S=4, 44 W₂ f Ф_m=E₂ s,

де W₂ - кількість витків обмотки ротора; Ф_m - амплітуда головного магнітного потоку; Е₂ - ЕРС нерухомого ротора. Повний опір обмотки ротора

,

де R₂, X₂ - відповідно активний і реактивний опір обмотки нерухомого ротора.

Струм обмотки ротора, що обертається,

.

З останнього виразу видно, що під час пуску двигуна (s = 1) струм ротора I₂ максимальний і в 5-8 разів перевищує номінальний струм двигуна, що є одним з істотних недоліків асинхронного двигуна.

Обертовий момент асинхронного двигуна

,

де c - постійна, залежить від конструкції двигуна; U - напруга обмоток статора.

З останнього виразу видно, що обертовий момент прямо пропорційний квадрату напруги живлення, що також є істотним недоліком асинхронного двигуна.

З урахуванням формули механічна характеристика асинхронного

двигуна з короткозамкнутим ротором, яка являє собою залежність швидкості обертання ротора від моменту на валу, показана на рис.2.2, де прийняті наступні позначення:

- швидкість обертання ротора двигуна відповідно без навантаження, при номінальному і максимально можливому навантаженні; - момент на валу двигуна відповідно номінальний, пусковий і максимальний.

Для асинхронних двигунів зазвичай

Під час роботи асинхронний двигун споживає не тільки активну потужність, що витрачається на покриття втрат в обмотках та магнітопроводі двигуна і створення обертового моменту, але й реактивну індуктивну енергію, яку запасає в магнітному полі машини.

Співвідношення між активною Р і реактивною Q потужностями характеризується коефіцієнтом потужності, котрий дорівнює косинусу кута зсуву фаз струму в обмотці статора щодо напруги

.

При зміні навантаження на валу двигуна реактивна потужність практично залишається постійною, отже, коефіцієнт потужності збільшується зі зростанням активної потужності двигуна (рис.2.3).

Зміну сosφ від навантаження можна прослідкувати за виміряними даними, розрахованими за формулою,

.

Для збільшення коефіцієнта потужності потрібно прагнути використовувати двигун у режимі, близькому до номінального, коли його сosφ найбільший.

Коефіцієнт потужності асинхронного двигуна можна збільшити штучно.

Суть способу полягає в штучній компенсації реактивної індуктивної потужності двигуна ємністю конденсаторної батареї. Для цього до зажимів двигуна підключається батарея конденсаторів, з'єднаних зазвичай трикутником. Тоді загальна реактивна потужність

,

де Q_ДВ - індуктивна реактивна потужність двигуна; Q_С - ємнісна реактивна потужність батареї конденсаторів. Зміну кута φ можна прослідкувати по векторній діаграмі, зображеній на рис.2.4, де показані струми однієї фази двигуна І_ДВ, конденсатора І_С і сумарний І.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка являє собою трифазний асинхронний двигун, з валом якого жорстко сполучений якір тахогенератора (ТГ), диск електромагнітного гальма (ЕМГ) і пульт управління з вимірювальними приладами. Електрична схема установки зображена на рис.2.5.

Перемикач П₁ служить для подачі трифазної напруги живлення двигуна, перемикач П₂ - для подачі постійної напруги обмотки електромагнітного гальма. Перемикачем П₃ здійснюється реверс двигуна зміною фаз живлення обмоток. Перемикач П₄ використовують для підключення паралельно обмоткам статора двигуна батареї конденсаторів.

Прилади W, V і А вимірюють відповідно споживану активну потужність, лінійні напругу і струм двигуна. Амперметр А_С служить для вимірювання лінійного струму І_С конденсаторної батареї.

Прилад n є вольтметром, підключеним до вихідних клем тахогенератора, шкала якого проградуйована в обертах за хвилину.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись із будовою лабораторної установки. Записати паспортні дані досліджуваного двигуна (n_н, Р_н, U, І, соsφ) і за ними визначити частоту обертання магнітного поля n₀, кількість пар полюсів р, величину номінального моменту на валу М_ном , споживану активну потужність Р₁. Результати записати в табл.2.1.

Таблиця 2.1

2. Провести пуск асинхронного двигуна. Для цього, не вмикаючи електромагнітне гальмо і батарею конденсаторів (перемикачі П₂ та П₄ відключені, а перемикач П₁ установлений у положення " Вправо"), перемикачем П₁ подати трифазну напругу на обмотки двигуна. Виміряти (орієнтовно) величину пускового струму І_пуск і напрям обертання двигуна. Вимкнути установку. Результати вимірювань в усталеному режимі записати в табл.2.1. Обчислити кратність пускового струму: І_пуск/І_ном.

3. Провести реверс двигуна. Для цього перемикач П₃ установити в положення " Вліво", змінивши тим самим живлення двох фаз двигуна. Перемикачем П₁ подати напругу живлення. Відмітити напрям обертання.

4. Провести випробування двигуна в робочому режимі, для чого, не включаючи конденсаторної батареї, запустити двигун і перемикачем П₂ включити електромагнітне гальмо. Поступово збільшуючи струм в обмотках гальма, реостатом R послідовно встановити декілька значень гальмівного моменту на валу двигуна (орієнтовно M₁=0, 2 M_НОМ; M₂=0, 4 M_НОМ; M₃=0, 6 M_НОМ; M₄=0, 8 M_НОМ; від нульового до номінального). Показання приладів для кожного значення гальмівного моменту занести в табл.2.1.

5. Провести випробування двигуна в робочому режимі з підключеною компенсуючою конденсаторною батареєю, для чого встановити (за вказівкою викладача) один із раніше виміряних режимів і перемикачем П₄ підключити конденсаторну батарею. Записати значення струму І_С. Показання приладів занести в табл.2.1. Порівняти значення споживаного струму і сosφ при одному і тому ж навантаженні на валу з конденсаторною батареєю і без неї. Відключити двигун.

Обробка результатів вимірювань

1. Обчислити параметри, наведені в табл.2.1,

де n - швидкість обертання ротора, об/хв; n₀ - швидкість обертання поля, об/хв; f - частота мережі 50 Гц; р - кількість пар полюсів двигуна; Р₁ - активна потужність, споживана двигуном із мережі, Вт; Р₂ - активна потужність на валу двигуна, Вт; М - момент на валу двигуна, Н∙ м; І - лінійний струм двигуна, А; U - лінійна напруга двигуна, В.

2. За даними табл.2.1 побудувати (в масштабі) графіки залежностей: η =f(Р₂), cos₁=f(Р₂).

3. Побудувати (в масштабі) для однієї фази векторну діаграму напруги і струмів фази з конденсаторною батареєю та без неї. Зробити висновок.

Контрольні запитання

1. Який електродвигун називається асинхронним?

2. Будова та принцип дії асинхронного двигуна.

3. За якою формулою розраховується швидкість обертання магнітного поля ротора?

4. Що таке ковзання?

5. Як змінюється частота струму в обмотці ротора при збільшенні ковзання, якщо частота струму в обмотці статора постійна?

6. Як змінити напрям обертання ротора двигуна?

7. Як змінюється реактивний опір ротора при переході від холостого ходу до номінального навантаження на валу?

8. Для чого ротор і статор набираються з окремих ізольованих одна від одної пластин?

9. Як змінюються струм двигуна і коефіцієнт потужності при збільшенні навантаження?