Лабораторна установка та її електрична схема

Основним елементом лабораторної установки є електричний трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.

Зауважимо, що електричний двигун ЕД – це динамічна електрична машина (ЕМ), що перетворює електричну енергію у механічну і його використовують для електроприводу робочих органів. Взагалі їх поділяють на двигуни постійного та змінного струмів, а останні – на синхронні та асинхронні. Широкого застосовуються зокрема асинхронні двигуни (АД) - однофазні (у побуті, схеми автоматизації тощо) та, особливо, трифазні (у промислових умовах): двигуни з короткозамкненою обмоткою ротора АД КЗР (рис.13.1) і двигуни з фазною обмоткою ротора АД ФР (інакше АД з контактними кільцями). 90-95 % від загальної кількості електричних машин на підприємствах харчової промисловості - це АД з КЗР.

Звичайно їх використовують в електроприводах, де не потрібно суворо дотримуватись фіксованої частоти обертання робочого органу. У порівнянні з іншими видами електродвигунів АД простіші за конструкцією, мають менші габарити, легші, надійніші у експлуатації, мають задовільні робочі характеристики, найбільш дешеві. Їх потужність становить від 60 Вт до 400 кВт для низьковольтної мережі (до 660 В) і сягає 1000 кВт при застосування напруги 6000 або 10000 В.

Як будь –яка динамічна ЕМ, двигун має дві основні частини: нерухому – статора, і рухому - ротор.

Усі двигуни змінного струму мають подібні конструкції статорів (рис.13.2) - це станина 1, в якій через магнітоізолюючу прокладку закріплено осердя 2 з трьома статорними обмотками 3.

Станина - це циліндрична оболонка з ребрами на зовнішній поверхні (для покращення відводу теплоти) та лапами для закріплення до фундаменту. Станину потужних АД відливають із чавуну або сталі разом з лапами. Для малопотужних двигунів її звичайно виготовляють із сплаву алюмінію, а лапи до станини прикріпляють болтами.

Осердя статора АД також має форму циліндричної оболонки. Оскільки воно є магнітопроводом, то для зменшення вихрових струмів, що виникають у ньому під дією обертового магнітного поля статора, осердя набирають з окремих штампованих листів електротехнічної сталі товщиною (0, 35...0, 5)мм, які електроізольовані один від одного окалиною або лаком. У потужних двигунів осердя до станини закріплюють через прокладку із немагнітного матеріалу (у більшості випадків це прошарок повітря), у малопотужних – безпосередньо запресовують у станину.

На внутрішній поверхні осердя є повздовжні пази, в які укладають три абсолютно однакові статорні мідні обмотки, зсунуті у просторі одна по відношенню до другої на 120°. Залежно від техніки виконання статорних обмоток при приєднанні їх до мережі в осерді статора може бути створено 1, 2, 3 і більше пар (p) магнітних полюсів. При цьому, візуально визначити їх не можна, тому АД є машиною з неявно вираженими полюсами.Для ізоляції витків статорних обмоток використовують електротехнічні лаки або спеціальні епоксидні компаунди, що здатні витримувати робочу температуру не менше 150 С°.

Початки і кінці статорних обмоток (всього 6 штук) виведені на клемну панель, що розташована у коробці виводів, і позначені: початки – С ₁, С ₂, С ₃, кінці, відповідно – С ₄, С ₅, С ₆.(за старими стандартами) або початки – V, U, W, і кінці відповідно – X, Y, Z (сучасне позначення). Звичайно трифазні АД призначенні для вмикання у трифазну мережу на дві різні напруги, відмінні між собою у Ö 3 раз, наприклад, 220/380 В. Отже, якщо в мережі лінійна напруга 380 В, то обмотку статора необхідно з’єднати у зірку, а якщо 220 В – то у трикутник.

Виводи обмоток розташовують на контактній панелі в певному порядку (рис. 13.3, а) таким чином, щоб з’єднання обмоток було зручно виконувати з допомогою неізольованих стальних (дешевше) перемичок (без перехрещення останніх) у зірку або трикутник. Так, для з’єднання у зірку на щитку між затискачами обмоток потрібно поставити дві горизонтальні перемички (рис. 13.3, б), а для з’єднання у трикутник – три вертикальні перемички (рис. 13.3, в).

Є двигуни, у яких кінці статорних обмоток з’єднані у зірку чи трикутник в середині статора, а на клемну панель виведені тільки початки обмоток. У цьому випадку затискачі обмоток позначені буквами А, В, С і двигун вмикають у мережу тільки на одну напругу.

Конструктивно ротор з короткозамкненою обмоткою - це стальний вал, на якому розташоване набране з окремих штампованих листів електротехнічної сталі циліндричне осердя. У повздовжніх пазах на його зовнішній поверхні розміщені стержні (фази роторної обмотки), які по торцям замкнені (у електричному відношенні) коротко кільцями. Конструктивно, стержні і замикаючі їх два кільця утворюють так зване “біляче колесо» (рис. 13.4, а).

Раніше обмотку КЗР виготовляли з мідних стержнів. У сучасних двигунів її відливають з алюмінію прямо у роторі, а на бокових кільцях одночасно ще й відливають лопаті вентилятора (див.рис.13.4, б). Оскільки питомий опір алюмінію значно менший ніж сталі і індуковані у обмотці струми в основному замикаються по стержнях та кільцях, то роторну обмотку від осердя не ізолюють.

Вал ротора спочатку вставляють у один з підшипникових щитів, розміщують в середині статора у другому підшипниковому щиті, які в свою чергу прикріпляють до торців станини. При цьому між внутрішньою поверхнею осердя статора і ротором утворюється звичайно невеликий повітряний зазор (у АД потужністю до 5 кВт він становить (0, 1...0, 3) мм).

Принцип дії двигуна ґрунтується на використанні явища електромагнітної індукції.

Зверніть увагу, що з’єднавши три статорних обмотки, які, нагадаємо, абсолютно ідентичні одна одній за кількістю витків, опором і т. ін. та зсунуті між собою у просторі на 120°, у зірку або трикутник, одержимо нерухому симетричну трифазну систему обмоток статора. При підключенні до джерела трифазної симетричної системи синусоїдних ЕРС у обмотках статора будуть діяти однакові за величиною струми, які утворюють змінні магнітні поля. В результаті додавання трьох змінних полів, зсунутих у просторі на 120° і за фазою на 1/3 періоду, одержимо кругове обертове магнітне поле статора. Це поле має постійну амплітуду і рівномірно обертається з частотою:

, (13.1)

де f ₁ – частота струму у статорній обмотці, р – кількість пар полюсів машини.

Поле статора, яке обертається, перетинає обмотки ротора (рис.13.5) і наводить в них ЕРС. Оскільки обмотки ротора замкнені, то в них індукуються струми І₂, внаслідок взаємодії яких з полем статора утворюються електромагнітні сили F _ем. Як видно з рис. 13.5 (тут з метою спрощення статорна обмотка показана у вигляді трьох витків), сили F _ем, намагаються повернути ротор у напрямку обертання поля статора. Напрямок дії сил F _ем визначається за правилом “лівої руки”, а напрямок обертання ротора взагалі визначається порядком чергування фаз підключення симетричної трифазної обмотки статора до джерела трифазної ЕРС.

Сукупність сил F _ем, прикладених до фаз роторної обмотки, створює на роторі обертальний електромагнітний момент:

, (13.2)

який і приводить ротор у руху. Тут с – коефіцієнт, величина якого визначається конструктивними особливостями машини; Ф₁ – магнітний потік полюса поля статора, яке обертається; І₂– струм ротора; j₂ – кут зсуву фаз між струмом і ЕРС роторної обмотки.

По мірі збільшення частоти обертання ротора відносна частота обертання магнітного поля статора і ротора зменшується. Разом з нею зменшується індукований струм ротора і, відповідно, обертальний момент. Таке триває до тих пір, поки обертальний момент не буде дорівнювати гальмуючому моменту на валу ротора, викликаного тертям у механічній системі двигуна в режимі холостого ходу або корисною роботою при роботі двигуна з навантаженням.

Зверніть увагу, що частота обертання ротора, яка установлюється, завжди є меншою за частоту обертання магнітного поля статора. Тільки за такою умовою обертове магнітне поле статора перетинає роторну обмотку, де наводиться ЕРС та підтримуються струми, необхідні для існування обертового моменту ротора. Іншими словами, в даному двигуні, поле статора і ротор повинні обертатися асинхронно, тобто з різними швидкостями відносно статора (від грецького a + syn + chronjs – не + разом + час – неодночасно).

Оскільки (залежно від техніки виконання статорних обмоток) поле статора може мати будь-яке ціле число пар полюсів р, то частота обертання цього поля при частоті мережі живлення 50Гц відповідно буде:

Дані стосовно частоти обертання поля статора називають рядом синхронних швидкостей, а окреме значення n₁ – синхронною частотою. Різницю між частотами обертання магнітного поля статора n ₁ і ротора n ₂називають частотою ковзання:

, (13.3)

а її відношення до частоти обертання магнітного поля статора – ковзанням:

. (13.4)

З цього рівняння випливає, що в момент пуску двигуна, коли n ₂ = 0, ковзання має максимальне значення – s _п = 1. Далі, по мірі розгону ротора s зменшується. Для двигунів загального призначення номінальне ковзання s _н складає близько 0, 05.

Зауважимо, що при визначенні частоти обертання ротора АД за допомогою, наприклад, тахометра часового типу, коли частота обертання ротора близька до частоти обертання магнітного поля статора, вноситься велика похибка в обчислення ковзання за (13.4). Тут доцільно використати стробоскопічний метод, який дає змогу безпосередньо вимірювати частоту ковзання n_s.

Для цього на валу двигуна закріплюють диск, поділений на однакові білі та чорні сектори (або ставлять мітки на лопатях вентилятора). Кількість однаково пофарбованих секторів має дорівнювати кількості полюсів машини (2р). Під час роботи двигуна ці сектори освітлюються безінерційною неоновою лампою (стробоскоп), яка живиться струмом тієї самої частоти, що й обмотка статора машини.

Якби ротор обертався із синхронною частотою, то кожний новий спалах лампи освітлював би сектор диска в одному і тому самому положенні, оскільки синхронна частота кратна кількості спалахів за 1 с, і диск здавався б нерухомим. Неонова лампа спалахує в момент, коли напруга досягає максимуму, тобто двічі за період. Оскільки ротор двигуна обертається з асинхронною частотою, внаслідок стробоскопічного ефекту буде спостерігатися повільне обертання диска з числом обертів n_s за хвилину в напрямі, протилежному обертанню ротора.

Зверніть увагу, що для асинхронного двигуна можна виділити наступні характерні етапи роботи: пуск, робота в режимі холостого ходу, з недовантаженням, з номінальними параметрами та перевантаженням і, на кінець, гальмування. В кожен з цих періодів у статорі та роторі відбуваються характерні фізичні процеси.

Так фізичні процеси, що відбуваються у загальмованому роторі, такі ж як і у трифазному трансформаторі. Різниця тут полягає лише у тому, що у магнітній системі двигуна (на відміну від трансформатора) є повітряний прошарок (зазор між статором і ротором), наявність якого призводить до збільшення струму холостого ходу, який може сягати до 30% від номінального струму статорних обмоток.

Дещо інакше проходять фізичні процеси у двигуні, ротор якого обертається. Тут усі електричні параметри ротора (за виключенням величини активного опору r ₂ його обмотки) залежать від величини ковзання s. Наприклад, ЕРС Е _{2 s} , індуктивний опір x_{L 2 s} фази, струм I ₂ і cosj₂ обмотки ротора у цьому разі відповідно будуть:

; (13.5)

; (13.6)

; (13.7)

, (13.8)

де f ₁ та f ₂ – частота струму, відповідно, в обмотці статора і обмотці ротора; W ₂ – кількість витків обмотки ротора; Ф₁ – магнітний потік одного полюсу поля статора; E ₂ – ЕРС обмотки нерухомого ротора; L ₂ та x_{L 2} – відповідно, індуктивність та індуктивний опір обмотки нерухомого ротора.

Якісний характер залежностей електричних параметрів кола ротора, якій обертається, від ковзання показаний на рис. 13.6.

Частота струму (ЕРС), наведеного в обмотці ротора, є пропорційною частоті обертання магнітного поля статора і також залежить від ковзання:

. (13.9)

Для АД загального призначення f ₂ звичайно невелика і при частоті струму у статорних обмотках f ₁ = 50Гц не перебільшує кількох Гц.

Струм І₂ створює магнітне поле ротора, яке з частотою n ₂обертається разом з ротором, а також з частотою f ₂ навколо ротора. Враховуючи, що частота обертання поля навколо ротора становить –

, (13.10)

його повна частота обертання буде:

, (13.11)

Таким чином, в АД діють дві намагнічуючі сили – статора і ротора, які, незалежно від частоти обертання ротора, обертаються синхронно і утворюють єдине результуюче магнітне поле машини.

Звичайно керування двигуном зводиться до вмикання обмоток статора в мережу й вимикання його з мережі за допомогою нереверсивного магнітного пускача, який забезпечує одночасне приєднання до відповідних фаз мережі усіх трьох статорних обмоток, що дає можливість утворити умовно рівномірне обертове магнітне поле по периметру статора. Інакше, якщо хоч одна обмотка статора не буде ввімкнена у мережу, то пуск двигуна не відбудеться і ввімкнені обмотки почнуть швидко нагріватись і можуть перегоріти.

Розгорнута електрична схема такого керування (рис. 13. 7) містить силове трифазне коло, що дає струм на електродвигун з відповідним порядком чергування фаз; та однофазне коло керування з елементами, які забезпечують ввімкнення та функціонування двигуна, а також його вимкнення оператором або у випадку спрацювання захисної апаратури.

Щоб запустити електродвигун, треба після замикання повітряного автоматичного вимикача QF, натиснути на кнопку SВ1. Струм пройде через котушку контактора КМ1, яка притягне якір й замкне головні (силові) контакти КМ1.1 в колі статора двигуна. Одночасно в колі керування замкнеться блок-контакт КМ1.2, який блокує пускову кнопку SВ1 і її вже можна відпустити. Крім цього, блок-контакт КМ1.2 забезпечує нульовий захист двигуна. Якщо напруга мережі знизиться до 60 % або зовсім зникне, то контактор КМ автоматично вимкнеться і контакт КМ1.2 розімкнеться. Тому після появи напруги двигун самовільно не ввімкнеться. Для цього треба буде знову натиснути на кнопку SВ1.

У випадку перевантаження спрацюють контакти КК1.1 та КК1.2 теплових реле КК1 і КК2 відповідно. При цьому котушка КМ1 контактора знеструмиться, її контакти КМ1.1 і КМ1.2 розімкнуться, двигун зупиниться.

Щоб зупинити двигун, досить натиснути на кнопку SВ2. При цьому котушка КМ1 знеструмиться, її контакти КМ1.1 та КМ1.2 розімкнуться, а схема перейде в свій початковий стан. При цьому тривалість гальмування двигуна не контролюється і залежатиме в основному від початкової швидкості гальмування, інерційних сил та сил тертя в механізмах двигуна.

Захист силового кола від струмів короткого замикання здійснюється з допомогою триполюсного повітряним вимикачем (автомата) QF (з автоматичним поверненням у стан «Вимкнуто»), а кола керування – запобіжниками FU1 і FU2 з плавкими вставками на малий струм спрацювання.

Зверніть увагу у лабораторній установці використовуємо дещо спрощену електричну схему вмикання двигуна (рис.13.8), коли відсутні магнітний пускач та апаратура теплового захисту, а обмотки статора через повітряний вимикач або перемикач напряму вмикаються у трифазну мережу. Головне, щоб при цьому вимикачі S1 і S2 обов’язково були увімкнені, тобто не було обриву фази. Інакше двигун не запуститься.

Завантаження АД будемо проводити за рахунок зміни навантаження на ГПС з паралельним збудженням, що змонтований з ним на одній рамі і з’єднаний механічно за допомогою муфти. Навантаження генератора змінюють ступінчасто шляхом вмикання віток реостата EL1-EL3 з дотриманням номінальної напруги на затискачах генератора. Для регулювання цієї напруги використовують повзунковий реостат RR.

Для вимірювання струмів і активної потужності при роботі АД установка оснащена вимірювальним блоком у складі амперметра РА1 та ватметра РW, що вмикається в коло з допомогою штепсельної вилки ХР1-ХР2 через контактний блок S-XS (розетка - шунтуючий перемикач). Причому це вмикання слід проводити тільки після повного пуску двигуна у роботу. У протилежному випадку для під’єднання приладів слід використати трансформатор струму.

Затискачі обмоток ГПС (Я₁ і Я₂, Ш₁ і Ш₂), трифазного АД (С₁, - С₆), джерела напруги змінного струму (А, В і С) та реостата активного опору (ХТ1 і ХТ2) виведені на лицеву панель лабораторного столу, де також розміщені вимикач напруги (QF) та вимикачі активного навантаження (SA1-SA4).

Живлення здійснюється від мережі змінного струму промислової частоти 50 Гц та напругою 220 В. Для вмикання кола в мережу використовують автоматичний повітряний вимикач QF. Між собою елементи кола з’єднуються за допомогою провідників з наконечниками та перемичок (потовщені лінії).

Для визначення ковзання ротора використовуємо стробоскоп та секундомір. Рекомендований перелік приладів наведено у додатку 4.