С короткозамкнутым ротором

Цель работы:

1. Изучить устройство и принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Ознакомиться со способом • маркировки выводов фаз обмотки статора.

3. Исследовать электродвигатель в режиме холостого хода и под нагрузкой и построить его характеристики.

4. Ознакомиться со способом искусственного улучшения коэффициента мощности установки с асинхронным электродвигателем.

8.1. Общие теоретические положения.

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым рото­ром широко используется в промышленности благодаря простоте конструк­ции, надежности и простоте в эксплуатации, высокому КПД и невысокой стоимости. Он служит для преобразования электрической энергии трех­фазного переменного тока в механическую, снимаемую с вала двигателя и используемую для привода в движение различных исполнительных меха­низмов. Электродвигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется в текстильных исполнительных механизмах, где требуются плавные пуск и .регулирование скорости, например для привода печатных машин, каландра сушильных барабанов, в пищевой промышленности - на сахарных заводах в приводах центрифуг, в некоторых прокатных станах, особенно когда они снабжены маховиком, в приводах с вентиляционным моментом, в крановых устройствах, в подъемниках различного вида.

Однако по сравнению с короткозамкнутым стоимость фазного двига­теля выше, устройство его сложнее, он имеет меньший КПД и cos φ. Поэтому в современной практике заметна тенденция отказа от двигате­лей с фазными роторами. Их применяют в тех случаях, когда короткозамкнутые не проходят по нагреву, не дают требуемых характеристик или не могут быть установлены по условиям работы трехфазной сети.

Трехфазный асинхронный электродвигатель состоит из двух основ­ных частей: неподвижной - статор - и вращающейся - ротор. Статор и ротор разделены воздушным зазором.

Статор (рис. 8.1) выполняется из следующих основных деталей:

1) корпуса (станины) с клеймом коробкой, рымболтом, лапами (или фланцем) и табличкой паспортных данных (рис. 8.2);

2) сердечника, который запрессовывается внутрь корпуса, собира­ется из отдельных тонких изолированных листов электротехнической ста­ли (рис. 8.3), с высечками по внутренней поверхности, которые в соб­ранном сердечнике образуют продольные канавки - пазы;

3) обмотки, состоящей из трех фазных катушек, оси которых сме­щены относительно друг друга на 120°. Каждая фазная катушка (сокра­щенно фаза) состоит из секций (рис. 8.4). Выводы каждой фазы сосредотачиваются в клемной коробке (6 выводов). Начало каждой фазы

Рис. 8.1 Рис. 8.2

Рис. 8.4 Рис. 8.3

принято обозначать CI, С2, СЗ, а их концы соответственно С4, С5, Сб. Между собой фазы могут быть соединены по схеме "звезда" или ''треугольник". Конкретный вид соединения обмотки статора зависит от системы напряжений сети и от напряжения на которое рассчитана фаза обмотки. , Напряжение фазы определяем по табличке двигателя. Например, в табличке двигателя имеется следующая запись: Δ/Y -220/380. Это означает, что фаза обмотки статора рассчитана на 220 В. Поэтому для подключении такого двигателя в сеть 380/220в обмотку статора следует соединять "звездой", а при подключении в сеть 220/127 В "треугольником”;

4) к статору двигателя относят также и два подшипниковых щита (крышки), которые закрывают его с двух сторон. В крышках имеются под­шипники, в которые вставляются концы вала ротора. Для двигателя с фазным ротором на одной из крышек крепится щеточный механизм с тремя медно-графитными щетками.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя бывает двух видов с ко­ротко замкнутой (рис. 8.5) и фазной обмоткой (рис. 8.6) и состоит из следующих деталей:

Рис 8.5

Рис.8.6

Рис. 8.7

Рис.8.8.

1) вала, концы которого закреплены в подшипниках кры­шек;

2) сердечника, выполненного так же, как сердечник статора, но пазы расположены по внешней поверхности (рис.8.7);

Рис. 8.5

3) обмотки, ко­торая может быть короткозамкнутой и фазной.

Короткозамкнутая обмотка ротора может выполняться из медных стержней, уло­женных в пазы сер­дечника и замкнутых накоротко с двух сто­рон медными кольцами. Она напоминает "беличье колесо" (рис. 8.8). В современных асинхронных двигателях такая обмотка выпол­няется заливкой пазов сердечника ротора расплавленным алюминием, что существенно снижает стоимость ротора. Фазная обмотка выполняется точ­но так же, как и обмотка статора. Между собой фазы обмотки ротора со­единяют по схеме "звезда". Свободные выводы обмотки ротора подсоединяют к трем медным или стальным контактным кольцам, которые насажаны на вал и изолированы как от него, так и друг от друга. По кольцам скользят три неподвижных щетки, укрепленные на крышке. Контактные кольца через щетки могут быть соединены с трехфазным реостатом. Для охлаждения двигателя на его вал насаживают крыльчатку вентилятора. На рис. 8.9 приведен общий вид трехфазного асинхронного электродви­гателя с короткозамкнутым ротором, а на рис. 8.10 - с фазным.

Рис.8.9 Рис.8.10

Принцип действия

При подключении обмоток статора к сети трехфазного переменного тока по фазам обмотки начинают протекать токи, которые образуют в статоре вращающееся магнитное поле. Поле статора вращается в направ­лении порядка следования фаз со скоростью

(8.1)

где f - частота токов статора; р - число пар полюсов.

Эту скорость принято называть синхронной. Значения синхронных скоростей для f = 50 Гц приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Р	I				.....
Ηоб/мин					.....

Поле статора, вращаясь, пересекает обмотку статора и ротора и наводит в них ЭДС. Если обмотка ротора не замкнута через кольца и щетки, то ротор будет оставаться неподвижным, а асинхронный двига­тель - уподобляться трехфазному трансформатору, отличающемуся от обычного трансформатора только в конструктивном отношении (наличие зазора, распределенная обмотка на статоре и роторе и т.д.).

Коэффициент трансформации асинхронного двигателя

(8.2)

где Е1 и Е2 - ЭДС обмотки соответственно статора и ротора; К1 и К2 - обмоточные коэффициенты обмотки соответственно статора и рото­ра.

Если обмотку ротора замкнуть накоротко или через трехфазный реостат, то наведенная ЭДС создаст в ней ток. Ток обмотки ротора, вза­имодействуя с вращающимся магнитным полем статора, приведет ротор во вращение в том же направлении, в котором вращается поле статора. Скорость вращения ротора n₂ будет меньше синхронной. Разность между скоростью поля статора и скоростью ротора оценивается скольжением

(8.3)

Согласно (8.3), скольжение в режиме двигателя может меняться в пределах от единицы до нуля. При холостом ходе скольжения составляет доли процентов, при номинальной нагрузке - 2...8%. Из (8.3) нетрудно определить скорость вращения ротора

(8.4)

При номинальной нагрузке для P=2 n₂=1420 об/мин, а при р = 3, n₂=950 об/мин.

Блок-схема трехфазного асинхронного электродвигателя показана на рио« 8.11.

Рис. 8.11

В процессе работы электродвигателя часто возникает необходимость в изменении его направления вращения или так называемом реверсирова­нии. Для асинхронного электродвигателя эта задача решается весьма просто. Направление вращения магнитного поля статора определяется по­следовательностью фаз .трехфазной сети, питающей обмотки статора. Из­менение последовательности фаз меняет направление вращения магнитно­го поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора. Та­ким образом, для реверсирования асинхронного двигателя практически достаточно поменять местами два соединительных провода, связывающих двигатель с сетью.

Судить о рабочих свойствах асинхронного двигателя можно по его характеристикам:

1) зависимости момента от скольжения M=f(S);

2) механической характеристики n₂=f(M);

3) рабочим характеристикам, т.е. зависимостям S, n₂, M, I1, cos φ1, η полезной мощности на валу двигателя P₂.

Рассмотрим прежде всего характер зависимости M=f(S). С этой целью выведем уравнение момента и проанализируем его при раз­личных значениях S (в диапазоне от S = 0 до S = I).

Известно, что на проводник с током, находящийся а магнитном по­ле, действует сила fпр определяемая по формуле:

fпр = Bi₂l, (8.5)

где B - индукция магнитного поля под полюсом; i2 - ток в провод­нике обмотки ротора; l - длина проводника.

Если этот проводник расположить вдоль образующей цилиндрической поверхности ротора, то при наличии силы -fпр возникает момент

Mпр= B i₂ l * D/2(8.6)

где D - диаметр ротора.

Поскольку ротор асинхронного двигателя состоит не из одного, а из N проводников, распределенных по его окружности, то можно говорить о некотором среднем моменте Мд, возникающем из-за воздействия вращающегося магнитного поля на ток всех проводников ротора:

(8.7)

где α - пространственный угол окружности ротора.

Чтобы перейти от (8.7) в интегральной форме к практическим удоб­ным расчетным соотношениям, учтем, что магнитная индукция от провод­ника к проводнику и ток в проводниках меняется синусоидально, т.е.

(8.8)

(8.9)

где Bm ,I_2m, - амплитудные значения соответственно магнитной ин­дукции и тока ротора; ψ₂ - угол сдвига фаз между ЭДС и током рото­ра.

Примем также во внимание, что

(8.10)

(8.11)

(8.12)

(8.13)

где ф - магнитный поток одного полюса; В_ср - среднее значение магнитной индукций под полюсом; τ - полюсное деление; P - число пар полюсов; C =const ; m₂ - число фаз обмотки ротора; W₂ - ко­личество витков фазы обмотки ротора.

После подстановки (8.8)-(8.13) и (8.6) в (8.7) и несложных математических преобразований получим

(8.14)

где I₂- действующее значение тока ротора.

Отдельные составляющие уравнения (8.14) определяются соотношениями

(8.15)

(8.16)

(8.17)

где E₁ – ЭДС фазы обмотки статора; W₁- количество витков фазы обмотки статора, R₂ и Х_{2 -} соответственно активное и индуктивное сопротивление обмотки ротора.

Используя эти соотношения, получим из (8.14) следующее выражение для вращающегося момента:

(8.18)

где

Если задаваться различными значениями S , то, пользуясь (8.18), можно определить соответствующие ему значения момента и по­строить график зависимости M = f (S) , характер которой показан на рис. 8.12.

На этом графике можно отметить значения четырех характерных то­чек - моментов:

1) начального пускового M_n,при S=I;

2) максимального M_max соответствующего критическому скольжению S_K;

3) M = 0, которое соответствует величине S=0 (режим иде­ального холостого хода двигателя);

4) номинального M_H, соответствующее номинальному скольже­нию S_H (в этом режиме двигатель развивает номинальную мощность Р_2H).

Отношение максимального момента к номинальному определяет перегрузочную способность двигателя. Обычно эта величина равна 2...3 и приведена в каталогах.

Используя (8.18) и (8.4), можно построить механическую характеристику асинхронного двигателя n_H=f(M), общий вид которого показан на рис.8.13. Механическая характеристи­ка позволяет установить, с какой скоростью будет вращаться ротор двигателя при заданном моменте на его валу.

Рис. 8.13

Из анализа механической характеристики следует, что скорость асинхронного двигателя при увеличении момента на валу от нуля до максимального изменяется незначительно. Поэтому, в указанных пределах изменения момента механическая характеристика считается жесткой. При повышении нагрузки свыше максимальной двигатель входит в область неустой­чивого режима работы и останавливается.

Наряду с рассмотренными зависимостями наглядно иллюстрируют ме­ханические свойства двигателя его рабочие характеристики (рис. 8.14). Они получены при номинальном напряжении сети и дополнительном сопро­тивлении в цепи ротора R_P=0 и называются естественными.

При работе двигателя в обычных условиях с практически достаточ­ной точностью можно считать, что U₁ ≈ Е₁. Это позволяет сделать вы­вод, что вращающий момент [см. (8.I8)] асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети. Поэтому даже незначительное из­менение напряжения сети вызывает существенное изменение момента двига­теля. Например, при снижении напряжения на 10% момент уменьшается на 19%. Если выражение (8.18) продифференциро­вать по скольжению и приравнять к нулю, опре­делим скольжение, при котором вращающий мо­мент максимален. Это скольжение называется критическим:

(8.19)

Критическое сколь­жение с увеличением активно­го сопротивления растет, мак­симальный момент не изменяется. Это видно из формулы максимального момента, которую мы получаем из (8.18), подставляя вместо S значение S_K из (8.19):

Рис 8.14

(8.20)

Важным показателем трехфазного асинхронного электродвигателя является его коэффициент мощности

(8.21)

или (8.22)

где I_1a - активная составляющая тока I₁.

С ростом нагрузки активная составляющая тока растет, реактивная (намагничивающая) составляющая почти не меняется. Поэтому при холостом ходе двигателя его коэффициент мощности довольно низок - порядка 0,1...0,2. С увеличением нагрузки он быстро возрастает и достигает максимального значения (0,7...О,9) при нагрузке, близкой к номинальной.

Относительно низкий COS φ₁ установки с асинхронным двигателем можно повысить подключением на выводы обмотки статора батареи конденсаторов. Значение емкости, необходимой для подключения на одну фазу двигателя, определяют из условия равенства реактивной составляющей тока статора и тока через емкость по формуле:

С=P₁ (tg φ₁-tg φ)·10⁹/2π f₁ U₁ ² (8.23)

где Р₁ - активная мощность двигателя, кВт; φ₁ и φ - угол сдви­га фаз соответственно до компенсации и после нее.

В целях уменьшения габаритов конденсаторной батареи емкости включают по схеме "треугольник". При этом значение емкости каждой ветви уменьшается в 3 раза по сравнению с величиной, рассчитанной по (8.23).

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя определяется отношением мощности P₂ к подводимой P₁,

(8.24)

Разность между мощностями определяет суммарные потери в двига­теле. Их можно разделить на постоянные, практически не зависящие от нагрузки, и переменные, зависящие от нее. Постоянные потери - потери в стали и механические, переменные - потери на нагревание проводни­ков обмотки статора и ротора. Переменные потери - добавочные потери, которые возникают вследствие изменения при вращении ротора относи­тельного положения зубцов статора и ротора, что вызывает изменения магнитного сопротивления и пульсации потока. Одним из средств умень­шения этих потерь служит скос пазов ротора по отношению к пазам ста­тора.

Коэффициент полезного действия двигателя достигает максимально­го значения (65...95%), когда переменные потери равны постоянным. У большинства двигателей такой высокий КПД возникает при нагрузке, равной примерно 75% номинальной.

8.2 Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки пока­зана на рис. 8.17 и 8.18.

Рис. 8.17

Для создания на валу двигателя нагрузки заданной величины в ус­тановке используется тормоз Панасенкова (рис. 8.18). Его основная часть - четырехполюсной магнит, который может свободно перемещаться относительно своей оси. На конце вала электромагнита укреплены груз (известного веса) и указывающая стрелка. Между полюсными наконечни­ками электромагнитов свободно, без зацепления с полюсами вращается стальной диск, жестко укрепленный на валу исследуемого асинхронного двигателя. При вращении ротора этот диск пересекает магнитное поле электромагнита благодаря чему в диске наводятся вихревые токи..

Рис. 8.18

Взаимодействие вихревых токов диска с магнитным полем полюсов электромагнита создает для двигателя тормозной момент, уравновешиваемый грузом, Н*м:

M_T = 9,81 G l sin α (8.25)

где G - вес груза, кг; l - плечо действия груза, м; α - угол отклонения груза (указывающей стрелки).

При изменении тока в обмотке электромагнита посредством реостата R (ем. рис. 8.17) можно менять тормозной момент и нагрузку на валу двигателя.

Для определения скольжения и скорости вращения ротора двигателя в установке использовано специальное устройство на основе стробоско­пического метода.

Устройство имеет диск СД, насажанный на вал ротора двигателя и разделенный на шесть одинаковых белых и черных секторов в соответ­ствии с числом полюсов исследуемого двигателя. Диск освещается нео­новой лампочкой НЛ (см. рис. 8.17), которая питается от той же сети, что и обмотка статора двигателя (лампочка питается от стационарной проводки и загорается сразу после подачи напряжения на двигатель).

При вращении ротора и освещении диска СД неоновой лампочкой в результате стробоскопического эффекта наблюдается кажущееся медлен­ное вращение секторов со скоростью n₁ - n₂ против направления вра­щения ротора. Если определить кажущееся число оборотов диска Δnза время Δt , то можно найти

(8.26)

а затем значение скольжения по формуле (8.3) и скорость n₂ по формуле (8.4).

При известном тормозном моменте М_Т и скорости вращения ротора n₂ можно определить полезную мощность на валу двигателя

P₂=M_T n₂ / 9550 (8.27)

Напряжение сети U_Ф, ток I₁ и мощность P₁ , потребляемые обмоткой статора, измеряются на установке измерительным комплектом К-50 (К-505). Этот прибор показывает значения измеряемых величин только для одной фазы в соответствии с положением переключателя фаз, расположенного на лицевой панели. Чтобы получить информацию о значе­ниях напряжения, тока и мощности в каждой фазе двигателя необходимо переключатель фаз ставить поочередно в положении "А", "В" и "С". Ак­тивная мощность, потребляемая двигателем, определяется как сумма по­казаний ваттметра во всех трех фазах, т.е.

а средний ток в,фазе статора

Установка укомплектована трехфазным асинхронным двигателем ТФ-16-6, применяемым в текстильной промышленности на чесальных маши­нах ЧМ-450. Двигатель ТФ-16-6 имеет следующие паспортные данные:

Мощномтьна валу

Линейное напряжение

Ток

Частота

Скорость вращения

КПД

Коэффициент мощности

На установке можно исследовать любые другие асинхронные двигатели.

8.3 Порядок проведения опытов

1. Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием исследу­емой установки и записать в протокол испытания их технические харак­теристики.

2. Ознакомиться с устройством и принципом действия асинхронного трехфазного короткозамкнутого электродвигателя.

3. Собрать схему для испытания асинхронного трехфазного короткозамкнутого электродвигателя согласно рис. 8.17.

4. Запустить электродвигатель и исследовать его работу в режиме холостого хода (тормоз Панасенкова отключен от сети). Записать показания всех измерительных приборов и по секундомеру определить время Δt за которое стробоскопический диск сделает Δn кажущихся оборотов. Результаты опыта внести в табл. 8.8.

5. Исследовать работу двигателя в режиме нагрузки [тормоз Панасенкова подключен к сети). Для этого, плавно увеличивая постоянный ток в катушках полюсов электромагнитного тормоза, добиваться отклонения стрелки по шкале через каждые 10 до 90° и при каждом новом положении записывать показания всех приборов, а по секундомеру определять время Δt, за которое стробоскопический диск сделает Δn кажущихся оборотов. Результаты опытов внести в табл. 8.2.

8.4 Обработка результатов опытов

1. Для всех проделанных опытов рассчитать линейное напряжение U₁ , ток I₁, мощность P₁, момент M , скольжение S , скорость ротора n₂ , мощность на валу P₂ , коэффициент мощности cos φ₁ , KПД η. Для последнего опыта рассчитать емкость С . Результаты расчетов записать в табл. 8.2.

2. По результатам расчетов построить в одной координатной системе рабочие характеристики электродвигателя:

M=f(P₂); S=f(P₂); n₂= f(P₂); cosφ₁= f(P₂); η= f(P₂);

в другой координатной системе - механическую характеристику n₂= f(M) в третьей - характеристику M=f(S).

3. Сравнить для номинального режима работы опытные и расчетные данные до и после компенсации угла сдвига фаз и сделать соответству­ющие выводы.

Таблица 8.2

Данные опытов

Результаты расчетов

UФ

IA

IB

IC

PA

PB

PC

Δn

Δt

α

U1

I1

P1

M=MT

n2

P2

η

Cos φ1

C

В

А

А

А

Вт

Вт

Вт

об

с

град

В

А

Вт

Н*м

Об/мин

кВт

%

мкФ

Примечание

8.5 Контрольные вопросы

1. Устройство статора и ротора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.

2. Как определить начало и конец каждой фазы обмотки статора при отсутствии заводской маркировки?

3. Как определить схему соединения фаз обмотки статора?

4. Принцип действия асинхронного трехфазного короткозамкнутого электродвигателя.

5. Как определить скольжение двигателя стробоскопическим мето­дом?

6. Принцип реверса двигателя.

7. По какой формуле рассчитать момент на валу двигателя мощность и cos φ₁ при любой нагрузке?

8. Зависимость момента вращения двигателя от скольжения.

9. Почему падает скорость двигателя с увеличением момента нагрузки на его валу?

10. Почему изменяется ток статора с изменением нагрузки двигате­ля?

11. Почему с увеличением нагрузки двигателя момент вращения,. скольжение и коэффициент мощности увеличиваются?

12. По какой формуле подсчитать емкость, необходимую для полной компенсации реактивной мощности двигателя при номинальной нагрузке?

13. Как изменяется КПД с увеличением нагрузки двигателя?

14. Преимущества и недостатки асинхронных трехфазных короткозамкнутых электродвигателей.