Указания к работе

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Испытание асинхронного короткозамкнутого двигателя

Цель работы:

Изучить устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя.

Указания к работе

Используя рекомендованную литературу, ознакомьтесь с принципом работы, конструкцией и назначением основных частей трехфазного асинхронного короткозамкнутого двигателя. Обратите внимание на выполнение обмотки статора, создающей вращающееся магнитное поле. Уясните физические процессы, происходящие в короткозамкнутом обмотке ротора. Обратите внимание на особенности пуска асинхронного двигателя и на его рабочие свойства.

Благодаря простоте конструкции, удобству эксплуатации и надежности асинхронный двигатель стал самым распространенным двигателем в промышленности.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей:

а) неподвижного статора;

б) вращающегося ротора.

Сердечник статора и ротора, разделенные небольшим воздушным зазором (0, 3¸ 1, 0 мм), составляют магнитную цепь машины. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники статора и ротора набираются из штампованных листов (рис. 1) электротехнической стали толщиной 0, 5 мм, изолированных друг от друга слоем лака или окалины.

В пазы, расположенные на внутренней поверхности статора, укладывается трехфазная обмотка из изолированного медного провода. Каждая фаза обмотки занимает 1/3 пазов статора. Таким образом все три фазы А, В, С обмотки статора смещены в пространстве под углом 120^° одна относительно другой (рис. 2). Обмотка соединяется по схеме “звезда” или “треугольник”.

При питании такой системы обмоток трехфазным переменным током в статоре создается вращающееся магнитное поле.

По устройству обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на два типа:

Рис. 1. Разрез сердечников статора и ротора 1. Пластина статора. 4. Паз ротора. 2. Паз статора. 5. Отверстие для насадки на вала 3. Пластина статора. 6. Воздушный зазор.

а) двигатели с короткозамкнутым ротором;

б) двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами).

Обмотка к. з. ротора выполняется из медных или алюминиевых стержней, запрессованных в пазы ротора. По торцам стержни привариваются к кольцам из того же материала. В целом обмотка образует приводящую металлическую клетку, напоминающую “беличье колесо” (рис. 3).

В настоящее время у всех двигателей мощность до 100 кВт “беличье колесо” делается из алюминия путем заливки под давлением в пазы ротора.

Одновременно со стержнями ротора отливаются боковые кольца и крыльчатка вентилятора.

Обмотка фазного ротора выполняется по типу трехфазной обмотки статора из изолированного медного провода и соединяется, как правило, в “звезду”.

Три свободных конца обмотки подключаются к трем латунным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. С помощью неподвижных щеток, наложенных на контактные кольца, в цепь ротора можно включить пусковой или регулировочный резистор.

Рис. 2. Расположение фаз обмоток в сердечнике статора

Принцип работы асинхронного двигателя не зависит от конструктивных особенностей ротора.

При включении статорной обмотки в трехфазную сеть создается вращающееся магнитное поле с неизменной амплитудой Ф_m.

Скорость вращения поля (синхронная скорость) n₀ определяется частотой тока сети f₁ и числом пар полюсов р обмотки статора:

. (1)

При стандартной частоте f₁ = 50 Гц синхронная частота n₀ может принимать следующие значения:

3000 об/мин (если р = 1);

1500 об/мин (если р = 2);

1000 об/мин (если р = 3) и т.д.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотке ротора ЭДС Е₂:

,

(2)

где w₂ - число витков фазы роторной обмотки;

k₂ - обмоточный коэффициент, учитывающий распределение обмотки по окружности ротора (обычно k₂ = 0, 92¸ 0, 95);

f₂ - частота ЭДС ротора;

Ф_m - магнитный поток на полюс.

Поскольку обмотка ротора замкнута, по ней течет ток I₂. Согласно закону Ампера, ток ротора будет взаимодействовать с вращающимся магнитным полем статора. Возникает вращающийся момент, под действием которого ротор начнет вращаться в сторону вращения магнитного поля. Скорость ротора n всегда несколько меньше скорости поля статора n₀. Отношение разности скоростей n₀ и n к синхронной скорости n₀ называется скольжением:

.

(3)

Рис. 3. Обмотка ротора типа “беличье колесо”

Скольжение S_H, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, составляет 0, 02¸ 0, 08.

Момент, развиваемый двигателем, определяется следующим выражением:

,

(4)

где С - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя;

y₂ - угол сдвига между ЭДС Е₂ и током ротора i₂.

Магнитный поток Ф_m пропорционален напряжению сети U₁ и при различных режимах работы двигателя практические не изменяется. Следовательно, величина момента определяется только активной составляющей тока ротора . Ток ротора I₂ и зависят от скольжения двигателя:

,	(5)
,	(6)

где r₂ - активное сопротивление фазы ротора;

x_2S - индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора

(при частоте f₂).

С увеличением скольжения S от 0 (идеальный холостой ход) до 1 (пусковой режим) ток ротора увеличивается, а уменьшается, поэтому зависимость момента от скольжения имеет сложную форму. Эта зависимость M = F(S) называется механической характеристикой (рис. 4).

Рис. 4. Характеристика момент-скольжение

На практике чаще используют другой вид механической характеристики (рис. 5): зависимость скорости вращения двигателя от момента на валу n = F(M). Пересчет механической характеристики из одного вида в другой производится на основании выражения n = n₀(1 - S).

Участок “ав” (рис. 5) определяет зону устойчивой работы двигателя. На любой точке этого участка двигатель может работать с установившейся скоростью.

На неустойчивой части “вг” механической характеристики сожет происходить только разгон двигателя. Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя l_m (лямбда-м):

.

(6)

Обычно l_m = 1, 8¸ 2, 8.

Рис. 5. Механическая характеристика

Эксплуатационные свой­ства асинхронного двигателя определяются его рабочими характеристиками. Рабочими характеристиками называют зависимости скорости n, тока статора I₁, момента М, потребляемой мощности Р₁, коэффициента полезного действия h%, коэффициента мощности и скольжения S от полезной мощности Р₂ на валу двигателя (рис. 6).

Пуск двигателя. Наиболее простым и распространенным способом пуска асинхронных двигателей является прямое включение в сеть. Однако такое включение сопровождается значительным броском тока, превышающим в 4-7 раз номинальный тока двигателя. Толчок тока обусловлен тем, что при пуске неподвижные проводники роторной обмотки пересекаются вращающимся магнитным полем с максимальной скоростью и ЭДС ротора будет наибольшей.

Реверсирование двигателя. Изменение направления вращения ротора (реверс) асинхронного двигателя осуществляется сменой порядка следования фаз. Для этого необходимо поменять два любых провода на зажимах статорной обмотки.

Рис. 6. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Достоинства асинхронных к.з. двигателей:

- исключительная простота устройства и, как следствие этого, низкая стоимость;

- простота и удобство эксплуатации, обусловленные отсутствием трущихся токоведущих частей;

- жесткость рабочего участка механической характеристики;

- простота пуска двигателей небольшой мощности.

Недостатки:

* сложность и неэкономичность регулирования скорости;

* малый пусковой момент;

* чувствительность к колебаниям напряжения в сети;

* низкий коэффициент мощности, особенно при малых нагрузках двигателя.