Лабораторная работа №7. «Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором»

Цель работы.

• 1. Приобрести практические навыки в выполнении опытов по снятию данных и построению механических характеристик трёхфазного асинхронного электродвигателя с фазным ротором при различных режимах его работы.
• 2. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о механических характеристиках асинхронного электродвигателя (АД).

Теоретическая часть.

Общие сведения

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не кратна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки возбуждения. Асинхронные машины — наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. Асинхронные двигатели получили в промышленности весьма широкое применение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей. Асинхронный двигатель прост и надёжен в эксплуатации, так как не имеет коллектора. Асинхронные двигатели дешевле и значительно легче двигателей постоянного тока.

Конструкция. Как и любая электромеханическая машина, асинхронная машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором. Ее активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. Обмотка статора представляет собой трехфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трехфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока возбуждения из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Асинхронные двигатели с таким ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить легкость в изготовлении, малый момент инерции и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трехфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединенную по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щеток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.

В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Общие сведения о режимах работы АД.

Принцип работы. При питании обмотки статора трехфазным током (в общем случае — многофазным током) создается вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой сети [Гц] соотношением:

.

где — число пар полюсов ротора.

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки якоря и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке якоря начинает течь ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы, их суммарное усилие образует электромагнитный крутящий момент, увлекающий ротор за магнитным полем.

Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках и инерцией ротора. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки якоря станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство: .

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

.

Очевидно, что при двигательном режиме .

Рис. 39. Механическая характеристика асинхронной машины

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s=-…+? (рис. 39), но не при s=0, так как в этом случае проводники обмотки ротора неподвижны относительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольжений различают несколько режимов работы асинхронных машин (рис. 39): генераторный режим при s<0, двигательный при 0трансформаторный при s=1 и тормозной при s>1.

В генераторном режиме ротор машины вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой.

В двигательном — направления вращения поля статора и ротора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: = (1 — s).

В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг друга. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой трансформатор и отличается от него расположением первичной и вторичной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе.

В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля статора и машина создает момент, противоположный моменту, действующему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количество — в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме — кратковременно.

Рис. 40. Зависимость тока и момента асинхронного двигателя от скольжения

Для оценки механической характеристики АД моменты, развиваемые двигателем при различных скольжениях, обычно выражают в относительных единицах, указывая кратность по отношению к номинальному моменту: М*=M/Мном. Зависимость М*=f (s) асинхронного двигателя (рис. 40) имеет несколько характерных точек, соответствующих пусковому М*, минимальному М*min, максимальному М*max и номинальному М*ном моментам.

Пусковой момент М* характеризует начальный момент, развиваемый двигателем непосредственно при включении его в сеть при неподвижном роторе (s — 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 40). Обычно М*min на 10…15% меньше М*. Большинство двигателей проектируют так, чтобы их М*min был больше М*ном, так как они могут достигнуть номинальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М*min .

Максимальный момент М*max характеризует перегрузочную способность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*max, двигатель останавливается. Поэтому М*max называют также критическим, а скольжение, при котором момент достигает максимума, — критическим скольжением sкp. Обычно sкр не превышает 0,1…0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургических и т. п.) sкp может быть значительно большим.

В диапазоне 0 < s sкр двигатель в нормальных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхода на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколько раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольжениях, близких к единице, может находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению допустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

Кроме перечисленных выше режимов, следует отметить, что АД имеет ещё три тормозных режима: а) генераторный тормозной с отдачей энергии в сеть; б) торможение противовключением; в) динамическое торможение.

Генераторное торможение АД с отдачей энергии в сеть наступает при частоте вращения ротора, превышающей синхронную. В этом режиме электродвигатель отдаёт в сеть активную энергию, а из сети в электродвигатель поступает реактивная энергия, необходимая для создания электромагнитного поля. Торможение в этом режиме происходит лишь до синхронной частоты вращения. Торможение противовключением соответствует направлению вращения магнитного поля статора, противоположному вращению ротора. В этом режиме скольжение больше единицы, а частота вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора — отрицательна. Ток в роторе, а следовательно, и в статоре достигает большой величины. Для ограничения этого тока в цепь ротора вводят добавочное сопротивление.

Режим торможения противовключением наступает при изменении направления вращения магнитного поля статора, в то время как ротор электродвигателя и соединённые с ним механизмы продолжают вращение по инерции. Этот режим возможен также и в случае, когда поле статора не меняет направления вращения, а ротор под действием внешнего момента изменяет направление вращения. При этом механические характеристики электродвигателя являются продолжением характеристик двигательного режима.

Динамическое торможение асинхронного электродвигателя осуществляется следующим образом: обмотку статора отключают от сети переменного тока, а затем две фазы обмотки статора подключают к источнику постоянного тока. Постоянный ток, проходя по обмотке статора, образует магнитное поле, неподвижное относительно сердечника статора. Но так как ротор электродвигателя продолжает вращение по инерции, то это магнитное поле наводит в обмотке ротора переменный ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создаёт тормозной момент, величина которого определяется величинами МДС обмотки статора, активного сопротивления обмотки ротора и частоты вращения ротора. Торможение длится до полной остановки ротора. Для более эффективного торможения в цепь ротора вводят активное сопротивление.

В режиме динамического торможения механическая характеристика рассчитывается по выражению описывающему вращающий момент асинхронного двигателя (упрощённая формула):

Однако, М_К и s_К рассчитываются специально для этого режима.

Критический момент Мк.т. в режиме динамического торможения определяют из выражения:

Критическое скольжение sк.т. в режиме динамического торможения:

x_? — для тока намагничивания равного току холостого хода можно определить из приближённой зависимости:

Методика выполнения

• 1. Запустить программу удаленного управления рабочим столом (см. выше).
• 2. Запустить программу El-drive. Пройти тест по 7-й лабораторной работе «Проверка знаний» >Лаб.№ 7 «Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором»
• 3. После успешного прохождения теста, в меню откроются пункты «Проведение лаб. работ», «Настройки», «Просмотр журнала событий» .
• 4. Войти в меню «Настройки» и установить маркер напротив пункта «Режим управления», который позволит управлять стендом с ПК и маркер напротив пункта «Регистрировать по событию»
• 5. Войти в пункт меню «Проведение лаб. работ» выбрать пункт «Лаб.№ 7 «Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором» «. Откроется окно лабораторной работы № 4. (см. рис. 41).

Рис. 41 Окно лабораторной работы

• 6. Естественная характеристика. Выбрать опцию «Показать график». В блоке «Режим работы» выбрать «Электромеханические характеристики». В блоке «Двигатель М4» установить задание частоты 50Гц и задание PV3 — 220 В. Нажать кнопку «Старт». Через некоторое время начнется построение графика. При необходимости измените масштаб области построения.
• 7. Нажав кнопку «Стоп», можно остановить процесс снятия характеристики, либо дождаться 100%-ого выполнения. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3−6.4 в л.р. № 1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.

Рис. 42 Пример графической зависимости скорости вращения ротора от тока, построенной для режима «Естественная характеристика» .

• 8. Регулирование изменением напряжения. Повторить п. 6−7 для напряжения PV3 = 150 В, затем для напряжения PV3 = 100 В. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3−6.4 в л.р. № 1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.
• 9. Регулирование изменением частоты. Повторить п. 6−7. для напряжения PV3 = 100 В и частоты 35Гц, затем для напряжения PV3 = 100 В и частоты 25Гц. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3−6.4 в л.р. № 1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.
• 10. Регулирование изменением напряжения и частоты. Повторить п. 6−7 для напряжения PV3 = 154 В и частоты 35Гц. Затем для напряжения PV3 = 110 В и частоты 25Гц. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3−6.4 в л.р. № 1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.
• 11. Характеристика динамического торможения. В блоке «Режим работы» выбрать «Характеристики динамического торможения». В блоке «Двигатель М4» установить движком необходимый ток динамического торможения (передвинуть движок примерно на середину). Нажать кнопку «Старт». Через некоторое время начнется построение графика. При необходимости изменить масштаб области построения. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3−6.4 в л.р. № 1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей папке или в указанном преподавателем месте.

Рис. 43 Пример графической зависимости скорости вращения ротора от тока, построенной для режима «Характеристики динамического торможения» .

12. Нажать кнопку «Выход» .

Контрольные вопросы.

• 1. Дайте определение асинхронной машине.
• 2. Опишите конструкцию АД.
• 3. АД с фазным ротором, особенности, области применения
• 4. АД с короткозакнутым ротором, особенности, области применения.
• 5. Принцип работы АД.
• 6. Разновидности режимов работы АД.
• 7. Тормозные режимы АД.
• 8. Режим торможения противовключением.
• 9. В каких диапазонах изменяется скольжение асинхронного электродвигателя в режимах генераторного торможения, двигательном, торможения противовключением и динамического торможения?
• 10. Что такое перегрузочная способность асинхронного электродвигателя и какова её зависимость от напряжения в обмотке статора?
• 11. Различаются ли по значению максимальные моменты асинхронного электродвигателя в двигательном и генераторном режимах?
• 12. Может ли критическое скольжение асинхронного электродвигателя иметь значение, превышающее единицу?
• 13. Как изменится механическая характеристика АД в режиме динамического торможения при увеличении активного сопротивления в цепи ротора?
• 14. На что расходуется энергия, вырабатываемая в электродвигателе при его работе в режимах торможения? Научно-техническое предприятие «Центр». Описание лабораторных работ «Электропривод». Могилев, 2005.