Лабораторна робота № 3

ВИПРОБУВАННЯ ТРИФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГУНА З КОРОТКОЗАМКНУТИМ РОТОРОМ В ОДНОФАЗНОМУ РЕЖИМІ

Мета роботи - ознайомитися з роботою трифазного асинхронного двигуна при живленні його від однофазної мережі та зі схемами його ввімкнення; навчитися експериментально підбирати ємність фазозсувного конденсатора і порівнювати основні характеристики асинхронного двигуна в три- й однофазному режимах.

Основні теоретичні відомості

Однофазні асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором застосовуються в тих галузях народного господарства, де не можна застосувати трифазний змінний струм або доцільно використати однофазний. Як правило, це невеликі верстати, електроінструмент, побутові прилади, вентилятори, насоси тощо або двигуни транспортних засобів у шахтах.

Однофазні асинхронні двигуни мають дещо гірші енергетичні параметри й застосовуються в установках малої (сотні ват) і середньої (десятки кіловат) потужності.

За конструктивними особливостями однофазні асинхронні двигуни поділяються на однофазні двигуни з додатковою пусковою обмоткою, котра підключається тільки на час пуску (рис.3.1, а); однофазні двигуни з двома робочими обмотками, одна з яких підключається через фазозсувний конденсатор постійно (вони називаються також конденсаторними (рис.3.1, б)); трифазні двигуни, фазні обмотки яких за різними схемами підключені до однофазного ланцюга (рис.3.1, в, г).

При живленні двигуна від однофазного змінного струму статорні обмотки створюють не обертовий, а пульсуючий магнітний потік

Ф=Ф_m sin ω t.

Вісь цього потоку нерухома в просторі й визначається взаємним розташуванням обмоток статора. Пульсуючий потік еквівалентний двом однаковим потокам постійної величини, які обертаються в різні боки з однією і тією ж швидкістю n₀. Кожний із них дорівнює половині амплітуди пульсуючого потоку

Ф₁=Ф₂=1/2Ф_m.

У цьому легко переконатися, розглянувши діаграми потоків для різних моментів часу (рис.3.2).

При нерухомому роторі обидва потоки індукують в його обмотці однакові струми і створюють рівні, але протилежно направлені моменти. Унаслідок цього ротор залишається нерухомим. Рівність двох моментів порушується, якщо привести ротор в обертання в будь-якому напрямку. В цих умовах обертовий момент, створюваний прямим полем, тобто полем, напрямок обертання якого співпадає з обертанням ротора, стає значно більшим за момент, що розвивається зворотним полем.

Пояснюється це тим, що пряме Ф₁ і зворотне Ф₂ поля індукують у витках ротора, що обертається, струми різної частоти, причому частота струму f₁, індукованого прямим полем, у десятки разів менше за частоту струму f₂, індукованого зворотним полем.

Дійсно, якщо ковзання прямого поля

,

то ковзання зворотного поля

,

де n_о - швидкість обертання магнітного поля, n - швидкість обертання ротора.

Відомо, що частота струму, індукованого у витках ротора, який обертається, дорівнює добутку частоти струму мережі на ковзання

f_s=f ∙ S.

Отже, при f = 50 Гц і S = 0, 05 частоти струмів, індукованих у витках ротора прямим і зворотним полями, будуть

f₁ = f ∙ S₁= 50∙ 0, 05 = 2, 5 Гц; f₂ =f ∙ S₂ = 50 ∙ (2-0, 05)=100 Гц.

У цих умовах індуктивний опір ротора для струмів зворотного поля багатократно зростає і стає переважаючим.

Проте при зростанні навантаження на валу двигуна ковзання S ₁ збільшується, а ковзання S ₂ зменшується, що приводить до зростання гальмівного (викликаного зворотним полем) моменту, унаслідок чого робота однофазного двигуна менш стійка, ніж трифазного. Реальні однофазні двигуни мають додаткову пускову обмотку (ПО) (див. рис.3.1.а), розміщену в пазах статора так, що її потік просторово зсунутий на 90° щодо потоку головної робочої обмотки (Р0) статора.

Якщо послідовно з ПО ввімкнути фазозсувний конденсаторС_пуск, то сумарний потік, утворений двома пульсуючими потоками, зсунутими і в просторі, і в часі на 90⁰, стає таким, що обертається аналогічно магнітному потоку трифазного двигуна.

Для зменшення розмірів пускової обмотки її часто розраховують на короткочасне ввімкнення і використовують тільки для пуску, а досягнувши робочої швидкості ротора, її вимикають (рис.3.1, а). Промисловість випускає також однофазні двигуни, додаткова обмотка яких розрахована на тривалий період (рис.3.1.б). Такі двигуни, що отримали назву конденсаторних, володіють великим максимальним моментом, більш стійкі до перевантажень, мають кращий ККД і соsφ.

У трифазного асинхронного двигуна, котрий працює в однофазному режимі, магнітне поле, що обертається, отримується за рахунок просторового зсуву обмоток статора і тимчасового зсуву фаз струмів, які проходять через ці обмотки. Тимчасовий зсув фаз струмів найбільш просто й економічно одержати ввімкненням послідовно з однією з котушок фазозсувного конденсатора, хоча необхідний зсув можна отримати й увімкненням активного або індуктивного опору.

Найпоширеніші схеми ввімкнення трифазних асинхронних двигунів із номінальною напругою 220/380 В у однофазний ланцюг із конденсатором показані на рис.3.3.

Необхідну ємність фазозсувного конденсатора, розраховану на номінальну швидкість обертання ротора, тобто на номінальне навантаження, орієнтовно можна визначити для схеми, зображеної на рис. 3.3, б, мкФ

,

де P₁ - споживана потужність двигуна, Вт; fo - частота мережі, fo = 50 Гц; U - напруга однофазного ланцюга, В.

Для схеми, зображеної на рис.3.3, а, значення фазозсувної ємності в разів менше за значення, обчислене за наведеною раніше формулою.

При використанні трифазного двигуна як однофазного без фазозсувної місткості можливо одержати близько 0, 5 номінальної потужності трифазного двигуна. Підключення фазозсувної ємності за схемами рис.3.3 дозволяє навантажувати його при роботі в однофазному режимі до величини, що дорівнює 70-80% його паспортної потужності.

η, cos φ

Величина фазозсувного конденсатора значно залежить від швидкості обертання ротора. Тому для двигунів, котрі працюють із великими пусковими навантаженнями, на час пуску підключають додатково пусковий конденсатор, величина якого в 3-5 разів перевищує робочий

.

На рис.3.4 показаний зразковий вигляд робочих характеристик трифазного асинхронного двигуна, що працює в три- й однофазному режимах.

Опис установки

Лабораторна установка (рис.3.5) включає трифазний асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором, фазні обмотки Wав, Wвс і Wca якого з’єднані трикутником. З валом двигуна жорстко з'єднаний диск електромагнітного гальма, обмотка W_Г котрого підключається до джерела постійного струму перемикачем П₄. Струм обмотки електромагнітного гальма, отже, гальмівний момент, регулюється за допомогою реостата R.

Споживані двигуном активна потужність, лінійний струм і лінійна напруга вимірюються ватметром W, амперметром А і вольтметром V відповідно.

Перемикач П₂ служить для зміни трифазного режиму роботи двигуна на однофазний.

Перемикачі П_3-1, П_3-2, П_3-3 використовуються для зміни значення величини фазозсувної ємності ступенями по 10 мкФ.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з елементами установки і вимірювальними приладами. Записати паспортні дані двигуна: P_ном, η, cosφ, n_ном, Розрахувати по них значення М_ном і Р_{1ном .}, враховуючи залежності та .

2. Зняти робочі характеристики двигуна в трифазному режимі. Для цього запустити двигун на холостому ходу (перемикач П₄ вимкнений) і показання приладів при М = 0 занести в табл.3.1.

Таблиця 3.1

Включити живлення електромагнітного гальма (перемикач П₄) і, змінюючи струм обмотки електромагнітного гальма реостатом R, по черзі встановити за шкалою гальма задані значення гальмівного моменту. Показання приладів занести в табл.3.1. Зупинити двигун.

3. Визначити оптимальну величину фазозсувної ємності при роботі двигуна в однофазному режимі. Для цього перемикач П₂ установити в положення " І-фазний", а перемикачами П_3-1, П_3-2, П_3-3 установити фазозсувну ємність, мкФ

.

Запустити двигун і встановити гальмівний момент, що дорівнює (0, 7-0, 8)М_ном. Перемикачами П_3-1, П_3-2, П_3-3 ступенями по 10 мкФ спочатку зменшити значення фазозсувної ємності конденсатора, а потім збільшити. Провести по 2-3 вимірювання в бік зменшення і збільшення.

Показання приладів для кожного значення конденсатора занести в табл.3.2.

Таблиця 3.2

За результатами вимірювань визначити найекономічніше значення ємності С_опт з умов Р₁ = P_min; I= I_min.

4. Зняти робочі характеристики двигуна в однофазному режимі. Для цього встановити значення фазозсувної ємності С_опт, визначене за дослідом 3. По черзі встановити ті ж, що і в досліді 2, значення гальмівного моменту.

Показання приладів для кожного значення моменту занести в табл.3.1.

Вимкнути двигун.

Обробка результатів вимірювань

1. Визначити величини, наведені в табл.3.1

.

Для трифазного режиму роботи

сosφ = ,

для однофазного

сosφ = ,

де Р₂ - корисна потужність на валу двигуна, Вт; М - момент на валу двигуна, Н∙ м; (U - лінійна напруга мережі, В; І - лінійний струм, споживаний двигуном, А; η - ККД двигуна; cosφ - коефіцієнт потужності двигуна.

2. За результатами обчислень побудувати робочі характеристики двигуна в три- й однофазному режимах.

3. Дати порівняльну оцінку роботи трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором у три - й однофазному режимах.

Контрольні запитання

1. Назвіть основні різновиди однофазних асинхронних двигунів.

2. Назвіть галузі застосування однофазних двигунів.

3. Чому при обриві однієї фази трифазний двигун може продовжувати працювати?

4. Розкрийте роль конденсатора, який уключається послідовно в одну з обмоток двигуна.

5. Які умови необхідні для отримання поля однофазного двигуна, що обертається?

6. Як розрахувати ємність пускового та робочого конденсатора при з’єднанні фаз „трикутником” та „зіркою”?

7. Намалюйте схеми включення трифазних асинхронних двигунів у однофазний ланцюг.