Теоретическое введение. Ознакомиться с принципом действия и характеристиками короткозамкнутого асинхронного двигателя

ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУГЫМ РОТОРОМ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13

Цель работы

Ознакомиться с принципом действия и характеристиками короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Статор асинхронного двигателя АД предназначен для создания вра­щающегося магнитного поля. На статоре симметрично по окружности расположены три обмотки W_A, W_B, W_C, соединенные в звезду или тре­угольник (рис. 13.1.а). При подключении трехфазного напряжения каждая из обмоток создает синусоидальный поток Ф_А, Ф_В, Ф_C (рис. 13.1.б); эти потоки смещены один относительно другого по фазе на 120º.

Рис. 13.1

Результирующий поток Ф равен сумме мгновенных значений этих по­токов. В каждый момент времени суммарный поток имеет одну и ту же ве­личину, но непрерывно меняет направление, вращается с постоянной ско­ростью (рис. 13.1, в).

При любом изменении порядка чередования напряжений U_A, U _B, U_C, подводимых к обмоткам статора, направление вращения магнитного поля изменяется на противоположное.

Частота вращения потока называется синхронной частотой. Она зави­сит от частоты сетевого напряжения f и способа намотки обмоток статора (числа пар полюсов р) и определяется по формуле:

Выпускаются двигатели с частотами n_C, равными синхронными 3000 об/мин, 1500, 1000, 750... об/мин.

Ротор асинхронного двигателя для уменьшения вихревых токов выпол­няется наборным из пластин и имеет обмотку в виде беличьей клетки из алюминиевых стержней, пронизывающих ротор (рис. 13.2).

При пуске двигателя вращающийся с частотой n_C поток Ф пе­ресекает стержни неподвижного ротора и наводит в них ЭДС. В роторе появляется ток I_p, соз­дающий поток ротора Ф_p, пер­пендикулярный потоку Ф и вра­щающийся тоже с частотой n _C. В результате взаимодействия пото­ков Ф_р и Ф создается вращающий момент М, стремящийся повер­нуть ротор в сторону совмещения Ф_р и Ф. Ротор

Рис. 13.2

начинает вращаться и на холостом ходу разгоняется до частоты вращения n. При n→n_С момент, развиваемый двигателем, стремится к нулю, так как при этом уменьшается до нуля ско­рость, с которой поток Ф пересекает обмотку движущегося ротора,и, сле­довательно, стремятся к нулю ЭДС, ток ротора I_р и поток ротора Ф_р. В этом основная особенность асинхронного двигателя: АД развивает момент М только при n<n_С, и на рабочем участке характеристики момент тем больше, чем больше разность (n_С-n).

Отношение характеризует степень отставания ротора от поля

статора и называется скольжением.

При S=0 (идеальный холостой ход) момент двигателя М=0;

при S=1 (n=0) двигатель развивает момент М_П, называемый пусковым.

Зависимость момента М, развиваемого двигателем, от частоты враще­ния я называется механической характеристикой (рис. 13.3). Эту характе­ристику получают в виде n (М) и поэтому частоту вращения откладывают по оси ординат. Однако при анализе работы двигателя эту характеристику лучше представлять как зависимость M(n), т.е. в качестве аргумента рас­сматривать n. Так, если по каким-то причинам двигатель вращается с n=n_с, ЭДС в роторе не наводится I_P=0, Ф_P=0 и поэтому момент, развиваемый двигателем, равен нулю (рабочая точка 1-идеальный холостой ход). При реальном холостом ходе (рабочая точка 2) n₂<n_с, поэтому момент М не равен нулю: двигатель снизил скорость вращения n до такого значения, при котором его момент стал равным моменту нагрузки холостого хода М_сх.

Рис. 13.3

При нагружении двигателя, на­пример, номинальным моментом нагрузки М_н скорость начинает снижаться, в результате чего уве­личиваются ЭДС, наводимая в ро­торе, ток ротора I_P и поток Ф_P и, следовательно, растет момент дви­гателя М. Скорость снижается до тех пор, пока момент М не станет равным моменту нагрузки (рабочая точка из точки 2 переходит в точку 3)

При снижении n момент М увеличивается до критического значения М_K - максимального мо­мента (рабочая точка 4), после чего уменьшается и при n=0 становится равным пусковому моменту М_П (точка 5). Это снижение момента при частотах вращения, меньших кри­тического значения n₄, объясняется увеличением частоты тока в роторе и связанным с этим увеличением индуктивного сопротивления обмотки ро­тора (в номинальной рабочей точке 3 частота тока в роторе составляет 1-3 Гц, в точке 4 - около 5 Гц, а в точке 5-50 Гц).

Устойчивая работа АД возможна только на участке характеристики 1-4; участок 4-5 является неустойчивым и работает только в процессе пуска двигателя Например, в точке 6 АД устойчиво работать не может. При случайном уменьшении момента нагрузки скорость начнет увеличиваться, но при большей n на этом участке характеристики АД развивает больший момент, что приводит к еще большему увеличению n.В результате рабочая точка переходит на устойчивый участок (в точку 6'). При увеличении М_нагр двигатель останавливается, рабочая точка из точки 6 переходит в точку 5.

Длительная работа асинхронного двигателя без перегрева возможна при моментах нагрузки М_нагр ≤ М_Н (т. е. в точке 3 или левее нее). При боль­ших моментах нагрузки АД может работать лишь кратковременно с после­дующим охлаждением при нагрузках, меньших М_Н. Если нагрузка превысит критическое значение М_K, АД останавливается или (в зависимости от ха­рактера нагрузки) начнет вращаться в обратном направлении (переходит в режим противовключения). При пуске и в режиме противовключения двигатель потребляет пусковой ток, в 4 - 7 раз превышающий номинальное значение I_Н. Броски пусковых токов мощных АД могут привести к пере­грузке силовых трансформаторов.

Если с помощью внешнего момента АД заставить вращаться с n>n_C, он переходит в режим асинхронного генератора и отдает энергию в трехфазную сеть. При этом момент двигателя направлен против скорости враще­ния и является тормозным.

Для двигателя нормального исполнения пусковой момент М_{луc к}=1,3 М_Н, критический момент М_К=1, 7…2,1 М_Н. Номинальное скольжение S_H=0,02…0,06.

Недопустимым режимом работы АД является работа на двух фазах, так как при обрыве одной из фаз в оставшихся фазах ток увеличивается при­мерно до I_пуск, при этом момент двигателя уменьшается, но при неболь­ших нагрузках АД продолжает вращаться, быстро перегревается и выходит из строя.

Важной особенностью АД является сильная зависимость момента от напряжения питания: М_К=К•U². Если, например, вместо напряжения 380 В на двигатель подать 220 В, не произведя при этом никаких пере­ключений обмоток статора, механическая характеристика сожмется вдоль оси абсцисс втрое, т е. при тех же n моменты М станут в три раза меньше. Нагруженный моментом М_Н двигатель при пониженном напряжении оста­новится, ток в обмотках увеличится (пусковой ток) и двигатель выйдет из строя.

Обмотки статора включаются в трехфазную сеть по схеме звезды или треугольника. Поэтому на двигателе указывается два напряжения, напри­мер, 380/220 В. Это означает, что данный АД может быть включен в сеть 380 В при соединении его обмоток в звезду или в сеть 220 В при соедине­нии обмоток в схему треугольника. В обоих случаях каждая обмотка двига­теля получает напряжение 220 В и поэтому иногда напряжение указывают в виде 3x220 В. В обоих случаях АД вращается с той же частотой n _H, разви­вает тот же М_H, потребляет из сети ту же номинальную мощность Р_1H и т. д. Отличие лишь в том, что при соединении треугольником линейный ток в раз больше (поскольку в раз меньше линейное напряжение).

Асинхронный двигатель прост по конструкции, надежен в работе, не требует квалифицированного обслуживания, значительно дешевле двига­теля постоянного тока и поэтому очень распространен. Основной недоста­ток АД - в трудности регулирования его скорости вращения. До недавне­го времени скорость вращения регулировали только ступенчато изменени­ем числа пар полюсов Р (в специальных двух-, трех- и четырехскоростных АД с секционными обмотками). В последние 10-15 лет в промышленности начали применяться электроприводы с частотным регулированием АД, в которых трехфазное сетевое напряжение 50 Гц с помощью тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ) преобразуется в трехфазное напряжение с плавно регулируемой частотой f Современные ТПЧ позволяют плавно из­менять скорость вращения АД в несколько раз. С одним из таких преобразователей можно ознакомиться в лаборатории электропривода (ауд. 309) кафедры электротехники.

В паспортных данных асинхронного короткозамкнутого двигателя всегда указываются:

• P_2H - номинальная мощность (механическая мощность, снимаемая с вала двигателя при номинальном моменте нагрузки М_Н),

• U_H - номинальное напряжение,

• I_H - номинальный ток;

• f - частота напряжения;

• n_H - номинальная частота вращения:

• η_H - номинальный КПД,

• cosφ_H - номинальный коэффициент мощности.

По паспортным данным можно определить:

л л

• М _Н(Нм) из условия, что

где Р_2н в кВт;

• - активную мощность, потребляемую из сети при номинальной нагрузке;

• - полную мощность, потребляемую из сети при номи­нальной нагрузке (кВ -А)

Дата добавления: 2015-01-03