Принцип действия асинхронного двигателя с фазным ротором

Исследование асинхронного двигателя с фазным ротором

Цель работы: ознакомиться с конструкцией асинхронного двигателя с фазным ротором. Изучить пуск, регулирование частоты вращения изменением скольжения, реверсирование. Снять пусковую диаграмму, рабочие, механические и регулировочную характеристики двигателя.

Общие сведения

Асинхронный двигатель с фазным ротором (двигатель с контактными кольцами), принципиальная схема которого приведена на рис.1, состоит из двух частей: неподвижной части ― статора и вращающейся ― ротора.

Статор (рис.2) представляет собой станину (корпус) (1), выполненную из чугунного литья в виде цилиндрической отливки с лапами для крепления на фундаменте. Внутрь станины запрессован пакет (2), представляющий собой пустотелый цилиндр, набранный из отдельных, покрытых специальным изолирующим лаком, тонких листов электротехнической стали с выштампованными вдоль внутренней поверхности пазами (3).

В пазах уложена трехфазная обмотка статора, состоящая из трех одинаковых фазовых обмоток , повернутых друг относительно друга вдоль окружности пакета статора на 120 электрических градусов. Начало обмотки и концы выведены на щиток машины.

Наличие шести выводов дает возможность соединять обмотки статора или по схеме «звезда» или по схеме «треугольник». К клеммам подключается питающая двигатель трехфазная сеть. К торцам станины крепятся подшипниковые щиты, в центре которых расположены шариковые подшипники вала ротора.

Рис. 1

Ротор (рис. 3) представляет собой напрессованный на вал цилиндр (пакет ротора) (1), набранный из отдельных, покрытых специальным изолирующим лаком, тонких листов электротехнической стали с выштампованными вдоль наружной поверхности пазами (2). В пазах уложена трехфазная обмотка ротора выполненная по типу статорной обмотки и соединенная по схеме «звезда».

Начало фаз обмотки , , выведены внутри пустотелого вала и присоединены к контактным кольцам (3). На кольцах наложены медно-графитные щетки (4) ,соединенные с клеммами , , на щитке ротора.

Рис. 2

Рис. 4

Клеммы , , служат для присоединения к обмотке ротора трехфазного пускорегулировочного реостата (рис. 4), который состоит из трех, разделенных на секции, одинаковых активных сопротивлений , соединенных по схеме «звезда». Величину можно уменьшить ступенями ( , , , , = 0), замыкая контакты , , , последовательным переводом рукоятки (маховичка) реостата из положения в положения 3, 2, 1, = 0.

Принцип действия асинхронного двигателя с фазным ротором

Ток, идущий по обмоткам статора под действием приложенного к зажимам трехфазного напряжения, создает внутри статора вращающийся магнитный поток « ». Частота вращения этого потока относительно статора определяется формулой:

,

где − частота питающей трехфазной сети, Гц,

р − число пар полюсов обмотки статора,

− частота вращения магнитного потока, об/мин.

Направление вращения потока определяется порядком чередования фаз статора. Изменение порядка чередования фаз реверсирует магнитный поток. Чтобы изменить порядок чередования фаз, достаточно поменять местами любые два из трех проводов, соединяющих статор с сетью. Величина вращающегося магнитного потока , являющегося суммой трех синусоидальных магнитных потоков фазных обмоток статора, не изменяется во времени и определяется формулой:

= 3/2 ,

где ─ амплитуда синусоидального изменяющегося магнитного потока фазной обмотки статора.

Величина прямо пропорциональна приложенному к зажимам статора напряжению и при U = const также постоянна. При вращении магнитный поток своими силовыми линиями пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них трехфазную ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута (с одной стороны ─ общей точкой соединенных в звезду фазных обмоток ротора, с другой ─ общей точкой соединенных в звезду сопротивлений реостата ), то по ней пойдет трехфазный ток ротора , который создает вращающийся поток ротора .

Потоки и вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. Общий магнитный поток, сцепленный и с обмоткой статора, и с обмоткой ротора, наводит в них электродвижущие силы. В этом аналогия асинхронного двигателя с трансформатором.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком Ф возникают действующие на проводники обмотки ротора механические силы, создающие вращающий электромагнитный момент М. Если вращающий момент М больше статического тормозного момента на валу , то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с частотой вращения < . Относительную разность частот вращения поля и ротора называют скольжением.

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение будет

.

При пуске двигателя = 0, а s = 1. Если бы ротор вращался синхронно с полем статора ( = ), то скольжение было бы равно нулю (s = 0). При магнитное поле статора неподвижно относительно ротора и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому М = 0. Следовательно, такой частоты вращения двигатель достичь не может, отсюда и название ─ асинхронный (неодновременный).

Энергетическая диаграмма

Преобразование энергии в асинхронном двигателе, также как и в других электрических машинах, сопровождается ее потерями. Эти потери, которые можно разделить на три вида: электрические, магнитные и механические, и весь процесс преобразования мощности наглядно представлен на энергетической диаграмме (рис. 5).

Мощность, подводимая к двигателю из сети:

⋅ ⋅ cos , Вт,

где – напряжение, приложенное к фазе обмотки статора, В;

– ток в фазе обмотки статора, А;

cos – коэффициент мощности двигателя.

Рис. 5

Электрическая энергия, подводимая к статору, частью теряется в статоре на потери от вихревых токов и гистерезиса в стали ( ) и на потери в проводниках обмотки ( )

⋅ , Вт,

где – активное сопротивление фазы обмотки статора;

– число фаз обмотки статора (для трехфазного двигателя = 3).

Оставшаяся часть мощности при помощи магнитного потока передается на ротор и поэтому называется электромагнитной мощностью ( )

― ( + ), Вт.

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора, она пропорциональна скольжению

.

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность двигателя, называемую полной механической мощностью

= ― .

Механическая мощность на валу двигателя , Вт, меньше полной механической мощности на величину механических и добавочных потерь.

Коэффициент полезного действия двигателя

⋅ 100%.

Характеристика двигателя

Как и всякий другой электродвигатель, асинхронный двигатель с фазным ротором оценивается по совокупности пусковых, рабочих и регулировочных характеристик. Пуск двигателя и его разгон до минимальной частоты вращения можно проследить по изменению механических характеристик и пусковых токов в зависимости от величины добавочного активного сопротивления , введенного в цепь ротора.

Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения от вращающего момента на валу при постоянном активном сопротивлении в цепи ротора, т.е.

= f (M) при = const.

Семейство механических характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором приведено на рис. 6.

Рис. 6

Вид механической характеристики определяет поведение электропривода

в переходных режимах пуска, торможения, изменения частоты вращения, что существенно отражается на производительности механизма, а также на его надежности в условиях эксплуатации. Механические характеристики двигателя при введенном в цепь ротора активном сопротивлении называются искусственными; каждому значению соответствует своя искусственная механическая характеристика. Механическая характеристика при отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора ( = 0) называется естественной. Естественная и искусственные механические характеристики пересекаются в общей точке оси ординат – частоты вращения , вращающегося магнитного поля статора. Работа двигателя на естественной механической характеристике наиболее экономична. Естественная механическая характеристика является самой жесткой, т.е. при изменении нагрузки частота вращения двигателя изменяется незначительно. Но при работе на естественной механической характеристике двигатель имеет малый пусковой момент = (0,7 ÷ 1,8) и большой пусковой ток

= (5,5 ÷ 7,0)

Активное сопротивление , вводимое в цепь ротора, уменьшает ток в момент пуска и одновременно увеличивает пусковой момент, т.е. улучшает пусковые характеристики двигателя. Поэтому пуск асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется на искусственных механических характеристиках (участки ab, cd, ef, gh пусковой диаграммы).

Переход с одной искусственной характеристики на другую происходит после выведения очередной секции сопротивления.

Точка «k» диаграммы соответствует началу работы двигателя на естественной механической характеристике.

Сопротивление , вводимое в каждую фазу обмотки ротора перед пуском, подбирается таким, чтобы пусковой момент был равен критическому моменту, т.е. = .

Как известно, максимальный момент имеет место при критическом скольжении , которое определяется формулой:

,

где – активное сопротивление фазы обмотки ротора, Ом;

– индуктивное сопротивление фазы обмотки неподвижного ротора, Ом.

Для получения максимального пускового момента должно быть выполнено условие

= 1

Число ступеней сопротивления выбирают в соответствии с требованиями плавности пуска.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором представляют собой зависимости частоты вращения n, вращающего момента M, потребляемого тока , коэффициента мощности сos , КПД η от мощности на валу при = const и f₁ = const, т.е.

, М, , сos , η = f (

По рабочим характеристикам судят об основных свойствах двигателя. В частности, по ним может быть построена механическая характеристика

n = f (М). Рабочие характеристики двигателей малой мощности можно снять методом непосредственной нагрузки с помощью электромагнитного тормоза. Для двигателей средней и большой мощности рабочие характеристики определяют посредством круговой диаграммы. Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя приведен на рис. 7.

Рис. 7

Регулировочная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором = f( ) представляет зависимость частоты вращения двигателя при постоянном моменте нагрузки на валу от величины активного сопротивления. Введением в цепь ротора двигателя сопротивления можно регулировать и частоту вращения в сторону уменьшения от номинальной. Диапазон регулирования будет тем шире, чем сильнее нагружен двигатель. Регулирование частоты вращения осуществляется за счет перевода двигателя на работу с естественной характеристики на более мягкие искусственные характеристики. Данный способ регулирования частоты вращения не экономичен, т.к. велики потери энергии в сопротивлении . На рис. 6 показан диапазон возможного регулирования частоты вращения при номинальной нагрузке.

Электромагнитный тормоз

Нагрузка исследуемого асинхронного двигателя осуществляется посредством электромагнитного тормоза ЭТ (рис. 8), состоящего из магнитной системы и стального диска. В магнитную систему входят магнитопровод и обмотка ОВТ (обмотка возбуждения тормоза). Диск находится на одном валу с электродвигателем и приводится последним во вращении.

Принцип действия тормоза основан на создании тормозящего момента от взаимодействия вихревых токов стального диска с магнитным потоком обмотки ОВТ, возбужденным постоянным током.

Магнитная система может поворачиваться относительно вала диска, причем угол ее поворота зависит от момента нагрузки на двигатель. Шкала тормоза, отградуированная в единицах вращающего момента, позволяет производить отсчет нагрузки электродвигателя в Н. м.

Рис. 8

Порядок выполнения работы

ВНИМАНИЕ!

При выполнении работы соблюдайте правила техники безопасности, изложенные в инструкции на рабочем месте!

НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ СХЕМУ, НЕ ПРОВЕРЕННУЮ РУКОВОДИТЕЛЕМ ЗАНЯТИЙ!!!

1. Ознакомиться с оборудованием и приборами установки для исследования двигателя.

НАЙТИ:

а) Клеммный щиток асинхронного двигателя с фазным ротором типа МКА-13, ознакомиться с расположением зажимов обмотки статора: и зажимов обмотки ротора , , .

б) электромагнитный тормоз «ЭТ», находящийся на одном валу с двигателем, и реостат тормоза .

в) трехфазный пускорегулирующий реостат ;

г) измерительные приборы: амперметр, вольтметр, ваттметр;

д) датчик и индикатор электротахометра;

е) клеммы А, В, С на лабораторном щите и автомат А4;

ж) клеммы (+), (―) 110 В на лабораторном щите и автомат А2.

2. Ознакомиться с технической характеристикой двигателя по паспорту.

В отчете указать основные данные (тип, мощность, напряжение, ток, частота, частота вращения ротора, КПД, коэффициент мощности, Э.Д.С. и ток ротора).

3.Ознакомиться с электротахометром.

Индикатор электротахометра имеет две стрелки: меньшая стрелка показывает целые тысячи оборотов в минуту, большая стрелка ― сотни оборотов.

4. Собрать схему для исследования двигателя (рис. 8).

5. Записать основные технические данные измерительных приборов в таблицу 1.

Таблица 1

Наименование прибора	Предел измерений	Класс точности	Система прибора	Заводской №	Примечание
Амперметр Ваттметр Вольтметр Амперметр

6. Подготовить двигатель к пуску:

6.1. Рукоятку реостата тормоза поставить в положение «откл».

6.2. Движок реостата поставить в положение .

7. Дать схему на проверку руководителю занятий.

8. После проверки схемы руководителем и ПОЛУЧЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ НА ВКЛЮЧЕНИЕ включить автомат А2 и реостатом установить ток = 0,7 А.

9. Снять данные для построения пусковой диаграммы.

9.1. Включить автомат А4.

9.2. Замерить бросок линейного тока в момент перевода рукояти из положения «откл» в положение , т.е. при = 0.

9.3. Дождавшись установившейся работы двигателя на данной ступени (стрелка тахометра перестает перемещаться), замерить максимальное значение частоты вращения и соответствующее ему минимальное значение линейного тока . Результат занести в первую строку таблицы 2 (1-я ступень).

9.4. Выполнить подобные замеры для остальных пусковых ступеней (при переходе рукоятки реостата из положения « » в положение 3, из 3 в положение 2 и т.д.). Данные измерений занести в таблицу 2.

Минимальное значение частоты вращения данной ступени равно максимальному ее значению на предыдущей ступени, т.е. переход двигателя с одной характеристики на другую происходит при n = const.

10. Выключить двигатель в последовательности:

10.1. Перевести движок в положение « » и отключить автомат А2.

10.2. Перевести рукоятку реостата в положение «откл.»

10.3. Отключить автомат А4.

11. Показать данные таблицы 2 преподавателю.

12. Пустить двигатель в ход.

Пуск двигателя производится в последовательности:

12.1. Включить автомат А4 на щите.

12.2. Плавно, неторопливо перевести рукоятку реостата из положения «откл.» в положение « = 0».

13. Исследовать работу двигателя на естественной механической характеристике (при = 0).

13.1. Заполнить первую строку таблицы 3 данными режима холостого хода двигателя.

13.2. Убедившись, что движок находится в положении « », включить А2.

13.3. Устанавливая реостатом указанные в таблице 3 значения тормозящего момента на валу двигателя, заполнить остальные строки таблицы.

14. Исследовать работу двигателя на искусственной механической характеристике, соответствующей сопротивлению .

14.1. Не останавливая двигатель, перевести движок в положение « » и отключить А2.

14.2. Перевести рукоятку реостата в положение « ».

14.3. Заполнить первую строку таблицы 4 данными режима холостого хода.

15. Выключите двигатель в последовательности, указанной в п.10.

16. Исследовать способ регулирования частоты вращения изменением скольжения s (введением в цепь ротора активного сопротивления ).

16.1. Пустить двигатель в ход в последовательности, указанной в п.12.

16.2. Убедившись, что движок находится в положении « », включить А2.

16.3. Установить тормозящий момент на валу двигателя М = 5 Нм.

16.4. Заполнить первую строку таблицы 5.

16.5. Переводя последовательно рукоятку реостата в положение 1, 2, 3, и поддерживая постоянный момент на валу М = 5 Нм, заполнить остальные строки таблицы 5.

17. Выключить двигатель в последовательности, указанной в п.10.

18. Показать преподавателю данные проведенных исследований.

Таблица 2

№ № п/п	Положение рукоятки реостата	Пусковые ступени	Измерено
об/мин	А	об/мин	А
	= 0	1-я ступень 2-я ступень 3-я ступень 4-я ступень Естеств. хар-ка

Таблица 3.

№ № п/п	Измерено	Подсчитано	Примечание
M					=		η	s	cos
Н.м.	об/мин.	А	В	Вт	Вт	Вт	%	―	―
	1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Таблица 4.

№ № п/п	Измерено	Подсчитано	Примечание
M					=		η	s	cos
Н.м.	об/мин.	А	В	Вт	Вт	Вт	%	―	―
	0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Таблица 5