ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Цель работы

7.1.1 Изучить устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

7.1.2 Выполнить разметку выводов обмотки статора.

7.1.3 Подключить двигатель в трехфазную сеть, изучить пуск двигателя при соединении обмоток статора звездой и треугольником, измерить пусковой ток и ток холостого хода двигателя.

7.1.4 Построить механические характеристики асинхронного двигателя при соединении обмотки статора звездой и треугольником.

7.2 Основные теоретические положения

Асинхронные машины – наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели.

Асинхронные трехфазные двигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода производственных машин на предприятиях пищевой промышленности. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким КПД этих электрических машин.

Большую роль в создании асинхронных двигателей сыграл русский ученый М.О. Доливо-Добровольский. В 1889 г. он впервые использовал трехфазный ток для получения вращающегося магнитного поля, применил обмотку ротора в виде беличьей клетки, предложил трехфазную обмотку ротора выведенную на контактные кольца, и использовал для пуска двигателя реостат, подключаемый к обмотке ротора через контактные кольца.

За время существования асинхронных двигателей в них совершенст-вовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология изготовления, однако принципиальные конструкторские решения, предложенные М.О. Доливо-Добровольским, остались неизменными.

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижной части - статора и подвижной - ротора.

Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, собранный из отштампованных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака с целью уменьшения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи. С внутренней поверхности сердечника статора сделаны пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка статора, выполненная из изолированного медного или алюминиевого провода.

На рисунке 7.1 представлено устройство статора асинхронного трехфазного электродвигателя, где 1 – клеммный щиток, 2 – станина, 3 – трехфазная обмотка, 4 – сердечник, 5 – лапа.

Рисунок 7.1 – Устройство статора асинхронного трехфазного двигателя

В зависимости от вида обмотки ротора различают два основных типа асинхронных двигателей – с короткозамкнутым ротором (рисунок 7.2,а) и с фазным ротором (с контактными кольцами), (рисунок 7.2,б).

Короткозамкнутый ротор состоит из сердечника в виде цилиндра с паза-ми, в пазы уложена обмотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни соединены между собой торцовыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку (беличье колесо). Для уменьшения потерь мощности сердечник ротора, так же, как и статора, собирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

кольца

обмотка

а) б)

Рисунок 7.2 – Устройство ротора асинхронного трехфазного двигателя

При подведении к трехфазной обмотке статора асинхронного двигателя трехфазного напряжения в ней возникает трехфазный переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле.

Частота вращения магнитного поля (синхронная частота вращения):

n₀ = , (7.1)

где ƒ₁– частота тока сети;

р – число пар магнитных полюсов двигателя.

Вращающееся магнитное поле, пересекая обмотку статора двигателя, индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, а в обмотке ротора – ЭДС взаимоиндукции. При замкнутой цепи ротора ЭДС создает ток ротора. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем (на основании закона Ампера) возникает сила, действующая на проводники ротора. Сила создает вращающий момент, который действует в ту же сторону, что и сила:

(7.2)

Под действием вращающего момента ротор приходит в движение и вращается в том же направлении, что и магнитное поле. Частота вращения ротора n₁ всегда меньше частоты вращения магнитного поля и называется асинхронной частотой.

Отставание частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля называется скольжением:

S = 100% (7.3)

Частота вращения ротора и скольжение асинхронного двигателя непостоянны, они зависят от нагрузки. Для большинства современных типов асинхронных электродвигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке составляет 2- 6%.

Критическое скольжение – это скольжение, при котором асинхронный двигатель развивает максимальный вращающий момент:

S_кр = S_н (λ + ), (7.4)

где λ _-– коэффициент перегрузок;

S_н – скольжение при номинальной нагрузке.

Частота вращения ротора двигателя выражается через скольжение:

(7.5)

Критическая частота вращения ротора двигателя:

(7.6

Значение номинального тока двигателя рассчитывается по формуле:

(7.7)

Момент, развиваемый двигателем при номинальной нагрузке, называется номинальным:

(7.8)

Момент, характеризующий перегрузочную способность двигателя, назы-вается максимальным или критическим.

В начальный момент пуска частота вращения ротора равна нулю (n₁=0), скольжение равно единице (S=1), момент, который он при этом развивает двигатель, называется начальным или пусковым.

Пусковые свойства двигателя оцениваются в первую очередь величиной пускового момента и пускового тока. Пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи – по возможности малыми.

Практически используются следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск), понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске, подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Наиболее простым и распространенным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности является прямой пуск. Однако при таком пуске в обмотке ротора наводится большая ЭДС и двигатель потребляет большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный. За короткое время пуска большой пусковой ток не успевает вызвать заметного повышения температуры двигателя, но при частых пусках такую возможность следует учитывать.

Более существенным является влияние пускового тока на напряжение сети. При прямом пуске асинхронных двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения. Это отрицательно сказывается на других приемниках, работающих от данной сети, и на пусковых свойствах включаемого двигателя, поскольку его момент, в том числе и пусковой, пропорционален квадрату напряжения сети. В этом основной недостаток прямого пуска. Снижение напряжения тем больше, чем выше пусковой ток, т.е. чем больше мощность пускаемого двигателя. Если мощность двигателя составляет более 20-25% мощности питающей сети, то снижение напряжения, вызываемое пусковым током, может оказаться уже недопустимым. В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении.

Пусковой ток пропорционален напряжению сети. Снижение напряжения двигателя на время пуска снижает пусковой ток. Для снижения напряжения применяют реакторы (реактивные сопротивления), чаще используют понижа-ющий автотрансформатор, и тогда пуск называется автотрансформаторным.

Если обмотка статора в данной сети соединена треугольником, то для снижения пускового тока применяют пуск переключением со звезды на треугольник. Двигатель включается в сеть по схеме звезда и после разгона переключается на схему треугольник. Это также пуск на пониженном напряжении, т.к. за счет изменения схемы во время пуска снижается напряжение на обмотке статора. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением со звезды на треугольник дает трехкратное уменьшение пускового тока, но одновременно в три раза уменьшаются пусковой и максимальный моменты, т.к. напряжение, подаваемое на фазу двигателя, при пуске уменьшается в раз. При этом мощность, потребляемая двигателем из сети, уменьшается в 3 раза.

Пуск асинхронного двигателя переключением со звезды на треугольник может применяться в том случае, когда при пуске нагрузка двигателя не превышает 40% номинальной. При большей нагрузке двигатель не придет во вращение.

Задание по работе

7.3.1 Изучить устройство и ознакомиться с паспортными данными трех-фазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

7.3.2 Выполнить разметку фаз обмотки статора двигателя.

7.3.3 Подключить двигатель в трехфазную сеть, осуществить пуск дви-гателя при соединении обмоток статора по схеме звезда с последующим переключением на схему треугольник.

7.3.4 Измерить пусковой ток и ток холостого хода двигателя.

7.3.5 Рассчитать и построить механические характеристики трехфазного асинхронного двигателя при соединении обмотки статора звездой и треу-гольником.

7.3.6 Рассчитать мощность потребляемую асинхронным двигателем при соединении обмотки статора звездой и треугольником.

7.3.7 Составить краткие выводы по работе.

7.4 Объект и средства исследования

На лабораторном стенде установлен трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4АА63А2У2, мощностью 0,37 кВт.

Двигатель питается от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220 В. Напряжение на стенд подается с помощью автомати-ческого выключателя QF, при этом загорается сигнальная лампа HL1.

Выводы фаз обмотки статора двигателя расположены на панели стенда. Маркировка выводов производится с помощью лампового пробника HL2 и вольтметра. Ток фазы обмотки статора двигателя измеряется амперметром.

7.5 Подготовка к выполнению работы

7.5.1 Пользуясь литературными источниками, указанными в списке лите-ратуры, конспектом лекций, изучить раздел «Асинхронные двигатели» дисцип-лины «Электротехника, автоматика и ТСА».

7.5.2 Изучить схемы соединения фаз обмотки статора двигателя звездой и треугольником.

7.5.3 Записать паспортные данные исследуемого электродвигателя, фор-мулы для расчета номинального, критического скольжения, номинального, пускового, критического моментов асинхронного двигателя.

7.5.4 Начертить электрические схемы соединения фаз обмотки статора двигателя звездой и треугольником и таблицу для занесения результатов испытания двигателя.

7.6 Методические указания по выполнению работы и обработке результатов эксперимента

7.6.1 Определить фазы двигателя. Определение фаз производится лампо-вым пробником HL2, который запитан от сети переменного тока напряжением 220 В. Выводы лампового пробника поочередно подводят к любым двум зажимам выводов фаз обмотки статора, если лампа HL2 загорится, присоединенные выводы относятся к одной и той же фазе, а если этого не произойдет, то к разным фазам.

7.6.2 Произвести разметку выводов обмотки статора, т.е. определить на-чала и концы фаз обмотки. Фазы обмотки статора имеют следующую маркировку: начало первой фазы обозначается – С₁ конец – С₄, начало второй фазы – С₂ конец – С₅, начало третьей фазы – С₃ конец – С₆. Для определения начала и конца фаз обмотки статора один вывод первой фазы считаем ее началом С₁, а второй - концом С₄. Далее предполагаемый конец первой фазы С₄ соединяем с предполагаемым началом второй фазы С₂, к началу первой фа-

зы С₁ и концу второй фазы С₅ подключаем вывода лампового пробника HL2, к третьей фазе подключаем вольтметр. Если предполагаемые нами конец первой фазы и начало второй фазы в действительности оказались ими, то лампа HL2 загорится и вольтметр, подключенный к третьей фазе, покажет напряжение в ней, в противном случае показание вольтметра будет равно нулю. Аналогично необходимо поступить для определения начала и конца третьей фазы, подключив вольтметр к первой.

7.6.3 На рабочей панели стенда «Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором» соединить фазы обмотки статора двигателя звездой, для этого концы фаз С₄, С₅, С₆ объединить в общую точку, а начала С₁, С₂, С₃ подключить к выводам питающей сети А₁, В₁, С₁. Электрическую цепь собрать по схеме (рисунок 7.3).

Осуществить пуск двигателя, нажав тумблер Вкл., расположенный на рабочей панели стенда. Измерить пусковой ток и ток холостого хода двигателя амперметром. После проведения измерений отключить электродвигатель от сети, нажав тумблер Вкл.

7.6.4 На рабочей панели стенда «Трехфазного асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором» соединить фазы обмотки статора двигателя треугольником, для этого попарно соединить концы и начала соседних фаз С₄ - С₂, С₅ - С₃, С₆ - С₁, а начала фаз С₁, С₂, С₃ подключить к выводам питающей сети А₁, В₁, С₁. Электрическую цепь собрать по схеме (рисунок 7.4).

Осуществить пуск двигателя, нажав тумблер Вкл., расположенный на рабочей панели стенда. Измерить пусковой ток и ток холостого хода двигателя амперметром. После проведения измерений отключить электродвигатель от сети, нажав тумблер Вкл. на панели стенда.

7.6.5 Результаты измерений занести в таблицу 7.1, рассчитать кратность пускового тока, мощность, потребляемую двигателем при соединении фаз обмотки статора звездой и треугольником.

Мощность рассчитывается по нижеследующим формулам:

Р_Δ = U_л I_лΔ cosj_{ф ,} (7.9)

Р_Y = U_л I_лY cosj_ф (7.10)

7.6.6 Рассчитать и построить на одной координатной плоскости механи-ческие характеристики асинхронного двигателя при соединении обмотки статора звездой и треугольником. При построении механических характеристик необходимо учитывать, что момент двигателя зависит от квадрата напряжения подаваемого на статор.

Таблица 7.1 – Результаты опытов при пуске трехфазного асинхронного

двигателя переключением со звезды на треугольник

Способ пуска	Измерения	Вычисления
IП, А	I0, А	IП/IН	I0/IН	Р, Вт
Соединение обмотки Y
Соединение обмотки

7.7 Отчетный материал

7.7.1 Электрические схемы пуска асинхронного двигателя при соеди-нении обмотки статора звездой, треугольником.

7.7.2 Паспортные данные исследуемого асинхронного двигателя.

7.7.3 Формулы для расчетов, таблица с результатами эксперимента.

7.7.4 Естественная и искусственная механические характеристики асин-хронного двигателя, построенные в единой системе координат.

7.7.5 Краткие выводы по проделанной работе.

7.8 Контрольные вопросы

7.8.1 Объяснить устройство и принцип действия трехфазного асинхрон-ного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

7.8.2 Чем определяется частота вращения магнитного поля статора, и почему ее называют синхронной?

7.8.3 Что такое скольжение? Как оно определяется?

7.8.4 Как изменяются скольжение и частота вращения ротора двигателя при изменении нагрузки на валу?

7.8.5 Перечислить способы пуска трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

7.8.6 Какими основными характеристиками оцениваются пусковые свойства двигателей?

7.8.7 Чем плох пуск двигателя прямым включением в сеть?

7.8.8 Как изменяется момент асинхронного двигателя с изменением напряжения подаваемого на статор?

7.8.9 Что такое механическая характеристика двигателя? Какой характе-ристикой обладает асинхронный двигатель?

Рисунок 7.3 – Принципиальная схема пуска трехфазного асинхронного

двигателя с короткозамкнутым ротором при включении фаз

обмотки статора звездой

Рисунок 7.4 – Принципиальная схема пуска трехфазного асинхронного

двигателя с короткозамкнутым ротором при включении фаз

обмотки статора треугольником

Список литературы

1 Борисов Ю.М. Электротехника: / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. – М: Энергоатомиздат, 1985. – 552 с.

2 Березкина Т.Ф. Задачник по общей электротехнике и основам электроники: / Н.Г. Гусев, В.В. Масленников. – М: Высшая школа,1991. – 284 с.

3 Пантюшин В.С. Сборник задач по электротехнике и основам электроники.– М.: Высшая школа, 1979. – 253 с.

4 Иванов А.А. Электротехника. Основные положения, примеры и задачи / А.А Иванов, А.Ф. Лукин, Г.И. Соловьев. – СПб: Лань, 2002. – 192с.

5 Скапцова Т.Р. Электротехника методические указания к практическим занятиям для студентов технологических специальностей. – Могилев: УО МГУП, 2006. – 50 с.

6 Скапцова Т.Р. Электрические машины. Электропривод. Электротехника методические указания к практическим занятиям для студентов технологических специальностей. – Могилев: УО МГУП, 2009. – 32 с.

7 СТП СМК 4.2.3 - 01-2011 Общие требования и правила оформления учебных текстовых документов/ Иванов А.В., Урбанчик Е.Н., – Могилев: [б. и.], 2011. – 47 с.