Лабораторная работа 19 (Lr19) асинхронные двигатели

• Название: Лабораторная работа 19 (Lr19) асинхронные двигатели
• Дата: 03.06.2020
• Размер: 0.72 Mb.
• Имя файла: Lr19.doc
• Тип: Лабораторная работа; #127740

Лабораторная работа 19 (Lr19)

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Снять и построить рабочие и механическую характеристики трёхфаз­ного асин­хрон­ного двигателя (АД). Изучить модели АД и исследовать их работу в переходных режимах.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЁТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АД

Н
аибольшее применение в промышленности получили трёхфазные асин­хрон­ные двигатели (рис. 19.1). Это объясняется тем, что они просты по конструкции, дешевы, надёжны в работе, имеют высокий КПД при номинальной нагрузке, выдерживают значительные перегрузки, не требуют сложных пусковых устройств.

Наряду с преимуществами АД имеют ряд недостатков, основными из которых являются: низкий коэффициент мощности (cos) при неполной нагрузке (при холостом ходе cos₀= 0,2...0,3); низкий КПД при малых нагрузках; малоудовлетворительные регулировочные характеристики.

О сновными частями АД являются статор и ротор, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм). Их сердечники собраны из лис­тов электротехнической стали. На внутренней части поверхности статора и на внешней ротора выштампованы пазы, в которые уложены обмотки. Сердечник статора помещён в корпус, на котором закреплены клеммы статорной обмотки, состоящей из трёх отдельных катушек, сдви­­нутых в пространстве на 120 (рис. 19.2). Сердечник ротора укреплён непосредственно на валу двигателя или на ступице, надетой на вал.

Обмотка ротора может быть выполнена короткозамкнутой или трёхфазной, аналогичной об­мот­ке статора. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде "бе­­личьего колеса", состоящего из стержней и замыкающих их на торцах к олец (рис. 19.3, а и б).

У АД с фазным ротором (см. рис. 19.1, в) од­ни концы обмоток 2 рото­­ра 1 сое­ди­ня­ют с кон­­тактными коль­цами 3, расположенными на валу двигателя, а другие  объединяют в общую то­ч­ку (рис. 19.3, в и г). Контактные коль­ца 3 соединяются с контактами неподвижной ча­сти ма­­шины с помощью щёток 4 и щёткодер­жателей. К ним подключают пусковой реостат 5.

Принцип действияАД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора (неподвижная часть машины) с токами, индуктируемыми в роторе (под­вижная её часть).

Рассмотрим принцип создания магнитного поля машины. Трёхфазная обмотка ста­тора питается от трёхфазной системы напряжения (см. рис. 19.1, а) с фазными напряжениями U_1ф. Так как три фазные обмотки (сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 120 (рис. 19.2) и име­ющие числа витков w₁) соединяют по схеме звезда или треугольник, то в них протекают токи i₁, создающие три магнитодвижущие силы (МДС) F₁ = i₁w₁. Под действием этих трёх МДС образует­ся вращающееся магнитное поле, результирующий вектор магнитного потока которого Ф_р = 3/2Ф_m, где Ф_m магнитный поток, созданный фазной МДС F₁.

Согласно закону электромагнитной индукции в обмотках статора и ротора наводятся ЭДС е₁ и е₂. Цепь обмоток ротора всегда замкнута, поэтому в фазных обмотках ротора протекают токи i₂, значения которых зависят от нагру­зки. Согласно закону Ампера от взаимодействия токов ротора с вращающимся магнитным полем статора на валу двигателя воз­никает вращающий момент М, и, если он больше момента сопротивления М_с на валу, ротор приходит во вращение. Согласно правилу Ленца токи ротора, как и создаваемое ими вращающееся магнитное поле, воздействуют на токи статорных обмоток и магнитный поток Ф_р машины, вызывая рост тока статора, компенсирующий размагничивающее действие токов роторной обмотки.

Частота вращающегося магнитного поля статора (в об/мин) равна , где f₁ частота напряжения сети; р  число пар полюсов машины (в частности, три обмо­т­ки статора создают одну пару полюсов, шесть обмоток  две пары и т.д.).

Рассматриваемая машина называется асинхронной потому, что в ней частота вращения ротора n₂ не равна частоте вращающегося маг­нитного поля статора n₁. Если бы эти частоты были одинаковые, то магнитный поток статора был бы неподвижен относительно вращающегося ротора, и в обмотках ротора не индуктировались бы ЭДС, не было бы в них токов и не возникал бы вращающий момент на валу.

Разность частот вращения поля статора и ротора называют частотой скольжения n_s = n₁  n₂, а её отношение к частоте n₁  скольжением S, т.е.

или (выраженное в процентах)

Диапазон изменения скольжения в асинхронном двигателе 1  S  0; при пуске S = 1, при холостом ходе S = 0,001...0,005, при номинальной нагрузке S = 0,03...0,07.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АД

Одной из основных характеристик АД является механическая характеристика n₂ = f(М)  зависимость частоты вращения n₂ от момента М на валу двигателя (рис. 19.4). Естественная механическая характеристика 1 (см. рис. 19.4 и рис. 19.5) асин­хронного двигателя на рабочем участке до критического скольжения S_кр описывается урав­нением



П ри увеличении нагрузки на валу скольжение S увеличивается, а частота вращения ротора снижается на 5…10%, т.е. механическая характеристика n = ¦ (M) АД является жёсткой (см. рис. 19.4).

Изменение направления вращения ротора АД  реверсирование  осуществляется переключением любых двух проводов трехфазной системы, пита­ющей дви­гатель.

Вращающий моментАД пропорционален квадрату фазного нап­ря­жения U_1ф сети и зависит от скольжения S, т.е.



где m₁  число фаз статора; Х_к =X₁ + ; R₁, X₁ и ,  активное, индуктивное сопротивления обмотки статора и приведенные сопротив­ления обмотки ротора.

При увеличении момента сопротивления М_с на валу увеличивается скольжение, что приводит к возрастанию вращающего момента до М_с. Сколь­жение, при котором момент достигает максимального зна­че­ния М_max, называется критическим и находится по выражению

S_кр /Х_к.

К
ритическое скольжение S_кр и пусковой момент М_пзависят от сопротивления цепи ротора (см. кривые 2…4 на рис. 19.5, а), причем пусковой момент М_п растёт с увеличением сопротивления ротора достигая М_max при +  Х_к, где  при­веденное сопроти­в­ление пускового реостата, который исполь­зуется в АД с фазным ротором для снижения пускового тока, увеличения пускового момента (см. кривую 4 на рис. 19.5, б), обеспечения плавности пуска и регулирования частоты вращения ротора (см. реостатные механические характеристики 2…4 на рис. 19.5, б).

3. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АД

Э ксплуатационные свойства асин­хронного двигателя можно оце­нить по ра­бочим характеристикам, которые изоб­­ражаются кривыми, вы­ра­жа­ющи­ми графические зависимости от полезной мощности Р₂ величин: тока I₁ в обмотке статора, КПД , скольжения S, коэффициента мощ­ности cos, полезного момента Mна валу АД при U₁ = constи f₁ = const (рис. 19.6). Их определяют экспериментально или пу­тём рас­чёта, используя схе­му замещения асинхронного двигателя.

При холостом ходе мощность Р₂ = = 0; при этом токи катушек статора I₀, созда­ющие враща­ющее магнитное поле, доволь­но велики и составляют 30…50 % номинальных токов I_1н.

Частота враще­ния ротора

n₂₀ = (0,995…0,998) n₁.

По мере роста нагрузки на валу ток ста­тора увеличивается, как и активные мощности Р₂ и Р₁. В свою очередь, уве­личивается коэффициент мощности cos. При этом сколь­жение S увеличивается, а ча­с­тота вращения вала n₂ уменьшается, поскольку это единственная причина увеличения тока и вращающего электромагнитного момента.

Зависимость М = f(Р₂) определяется формулой

М = 9550Р₂/n₂,

из которой следует, что эта зависимость представляет несколько искривленную прямую, проходящую через начало координат, т.к. с увеличением нагрузки на валу частота вращения ротора АД несколько уменьшается.

Характер зависимости коэффициента мощности АД от мощности на валу, т.е. cos= f(Р₂), определяется выражением

cos = Р₁ /

и равен 0,8…0,9 для нормальных АД средней мощности при номинальной нагрузке. С уменьшением нагрузки на валу cosснижается и доходит до значений 0,1…0,3 при холостом ходе. В этом режиме полезная мощность на валу равна нулю, однако двигатель потребляет мощность из сети, поэтому cos₀здесь не равен нулю.

Характеристика коэффициента полезного действия h = f(Р₂) АД нарастает очень быстро при увеличении Р₂ от нуля (ХХ) до (0,3…0,4)Р_2н и достигает значения 0,8…0,92 при Р₂ = (0,7…0,8) Р_2н, а затем медленно падает вследствие роста переменных потерь (см. рис. 19.6).

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ АД

Моделирование АД выполнено по каталожнымданным (Р_2н, п_2н, S_н, U_1н = 220/380 B (/Y), f₁ = 50 Гц,  = I_1n/I_1н,  = M_n/M_н, = M_max/M_н, КПД_н, cos_н) для мощностей кВт с использованием Г-об­разной схемы замещения АД для скольжений S = 1…S_крс параметрами:

;

I₁  U_1ф/ ;



и Т-образной схемы замещения для скольжений S = 0…S_крс параметрами:

или (обычно ,

при этом мень­шие значения относятся к крупным машинам, большие – к машинам малой мощности), где





где S  текущее скольжение, вычисляемое (посредством численного мето­да Эйлера) из уравнения динамики АД:



где М – вращающий момент АД; М_смомент сопротивления на валу АД, при­нятый независимым от угловой скорости  и от времени t; J – суммарный момент инерции в кгм², пересчитанный к валу двигателя; с₁, с₂и с  коэффициенты согласования двух схем замещения АД.

П
ример моделирования работы АД с КЗ-ротором типа 4А160S2У3 при изменении момента сопротивления на валу представлен на рис. 19.7.

Окна, снабженные стрелками, предназначены для изменения момента сопротивления М_с на валу и сопротивления пускового реостата (для двигателей с фазным ротором). В выделенные справа экрана поля выводятся каталожные параметры двигателя и текущие значения расчетных величин.

Графики n₂(t), M(t), I₁(t) и M(S) могут быть записаны в файл (после щелчка правой клавишей мыши на графике высвечивается закладка "Копировать в буфер") и распечатаны на принтере.

УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание 1. Щёлкнуть мышью на команде Эксперимент меню комплекса LabWorks, а затем на закладке Тип двигателя (см. рис. 19.7, в левом верхнем углу). В открывшемся окне выбрать тип двигателя:

 для нечетныхвариантов N  АД с короткозамкнутым ротором;

 для четныхвариантов N  АД с фаз­ным ротором,

где N – номер записи фамилии студента в учебном журнале группы, и внести паспортные данные АД (см. рис. 19.7, справа):

для АДсКЗ ротором в поля табл. 19.1:

номи­нальную механиче­скую мощность Р_н = Р_2н на валу, номинальную час­то­ту вра­щения вала n_н, номинальный КПД _н, номинальный коэффициент мощности cos_н, отношения: пускового тока к номинальному I_п/I_н, пускового момента к номинальному М_п/М_н, максимального момента к номинальному М_max/М_н, момент инерции привода J, приведенный к валу АД, линейное нап­ря­жение сети U_ни его час­тоту f₁, номи­наль­ный ток I_н = (Р_2н в Вт), схему соединения обмоток статора (звезда Y или треугольник );

Т а б л и ц а 19.1

Тип двигателя . . . . . . . . . . . . . . . и его номинальные данные

Р2н, кВт	n2, об/мин	hн 	cosн 	Iп/Iн 	Mп/Mн 	Mмax/Mн 	J, кгм2	Uн, В	Iн, A	f1, Гц	Схема соединения обмоток статора (Y или )

для АДсфазнымротором в поля табл. 19.2:

номи­нальную механиче­скую мощность Р_н = Р_2н на валу, номинальную час­то­ту вра­щения вала n_н, номинальный КПД _н, номинальный коэффициент мощности cos_н, номинальное скольжение S_н (в %), отношение максималь­ного момента к номинальному М_max/М_н, ток ротора I_2н при номинальном скольжении, напряжение между кольцами разомкнутой обмотки ротора U_2л, частота напряжения сети f₁, линейное нап­ря­жение сети U_н, момент инерции привода J, приведенный к валу АД, схему соединения обмоток статора и ротора (звезда).

Т а б л и ц а 19.2

Тип двигателя . . . . . . . . . . . . . . . и его номинальные данные

Р2н, кВт	n2, об/мин	hн 	cosн 	Sн, %	Mмax/Mн 	I2н, A	U2л, В	f1, Гц	Uн, В	J, кгм2	Схема соединения обмоток статора и ротора
											Звезда

Задание 2. Запустить программу моделирования и расчёта параметров АД и снять его механическую и рабочие характеристики.

Для этого:

 щелкнуть мышью на кнопке "Пуск" в ход АД, расположенной внизу пользовательского интерфейса программы моделирования АД, т.е. "подключить" обмотки статора АД к трехфазной сети переменного тока, и записать в строку 1 табл. 19.3 значения линейного напряжения U₁, линейного тока I₁, активной мощности Р₁, "потребляемой" АД из сети, частоты вращения ротора n₂ в режиме холостого хода (полезный момент на валу М = 0), которые выводятся в соответствующих полях на экране дисплея;

 снять механическую n₂ = f(M) и рабочие I₁ = f(Р₂), cos= f(Р₂),S= = f(Р₂), Р₁ = f(Р₂), M = f(Р₂), h = f(Р₂) ха­рак­те­ристики двигателя, выполняя операции в следующей последовательности:.

 щелкнуть мышью на команде Мс на валу, Нм, размещенной внизу интерфейса программы (см. рис. 19.7), т.е. "подключить" цепь обмотки возбуждения электромагнитного тормоза к сети;

 ступенчато увеличивая момент сопротивления (нагрузку) М_с на валу АД (при необходимости, изменяя шаг ступени посредством щелчка прав­ой кла­вишей мыши на закладке Инкремент и выбора одного из значений шага: 1, 2, 3, 4, 5, 10 Нм), записывать в табл. 19.3 показания "измерительных прибо­ров" при восьми значениях момента М_с = М: от режима холос­того хо­да (М = 0, Р₂ = 0) до значения М_с = (1,2…1,5)М_н или Р₂ = (1,2…1,5)Р_2н.

Внимание. После уста­новле­ния параметров моделирования щелкнуть мышью на команде Пауза, а после занесения параметров моделирования в электронную тетрадь отчета и установки оче­ред­ного значения момента сопротивления М_с на валу  щелкнуть мышью на команде Продолжить.

Примечание. При установке момента сопротивления М_с на валу боль­ше момента М_mах, развиваемого двигателем, "срабатывает" магнитный пуска­тель: обмотки статора отключаются от сети.

Т а б л и ц а 19.3

Номер измерения	Результаты измерений										Результаты вычислений
		U1, В		I1, А		Р1, кВт		n2, об/мин		M, Нм		Р2, кВт		S 		cos 		h 
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Задание 3. По данным моделирования работы АД рассчитать полезную мощность P₂ на валу, скольжение S, коэффициент мощности cos и КПД h двигателя при разных нагрузках, воспользовавшись следующими расчётными формулами:

 = Р₂/Р₁; cos = Р₁/ ,

где Р₂  полезная механическая мощность на валу двигателя, кВт; М  момент вращения асинхронного двигателя, Нм; n₂  частота вращения ротора АД, об/мин; U₁  линейное напряжение сети, В; I₁  линейный ток двигателя, А. Результаты расчётов занести в табл. 19.3.

По результатам вычислительного эксперимента и расчётов (см. табл. 19.3) построить (в любом редакторе или вручную в отчёте) меха­ническую n₂ = f(M) (см. рис. 19.4) и рабочие характери­стики АД (совместив их в одних координатных осях, вычерчивая для каждой величины свою ось орди­нат, см. рис. 19.6): I₁(Р₂), cos(Р₂), S(Р₂), Р₁(Р₂), M(Р₂), (Р₂).

Задание 4. Определить время разгона АД при холостом ходе и при но­ми­нальной нагрузке, воспользовавшись гра­фи­ка­ми n₂(t), выводимыми на экран дис­плея. Скопировать на страницу отчета графики разгона n₂(t) АД, на которых отметить времена разгона t_х и t_н (от t = 0 до t_n при n = 0,95n_2н).

Примечание. Для четных вариантов (АД с фазным ротором) запи­сать процесс разгона при ХХ без пускового реостата, а при номинальной нагрузке  с выводимым реостатом со скоростью, не приводящей к "срабаты­ванию" маг­нитного пускателя.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование и цель работы.

2. Электрическая схема подключения трёхфазного асинхронного двигателя к трёхфазной сети и пускового реостата (для АД с фазным ротором) к двигателю (см. рис. 19.1, а и в и рис. 19.2, в и г).

3. Паспортные данные АД и расчётные формулы.

4. Результаты измерений и расчётов, сведенные в табл. 19.3.

5. Механическая и рабочие характеристики АД.

6. Графики разгона АД.

7. Выводы по работе.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ 19

1. Укажите формулу критического скольжения АД.





2. Укажите, как изменяется максимальный (критический) момент трёхфазного асинхронного двигателя с изменением питающего напряжения U?

Максимальный момент АД не зависит от колебаний напряженияU сети

Момент АД изменяется пропорционально изменению напряжения Uсети

Момент АД (в т.ч. и максимальный) изменяется пропорционально U²

Максимальный момент изменится пропорционально корню квадратному из напряжения U

3. Укажите, как изменяется частота тока ротора асинхронного двигателя при увеличении нагрузки на валу?

Увеличивается Не изменяется Уменьшается



4. Укажите, с какой целью на щиток двигателя выводятся начала и концы секций обмоток статора?

 Для изменения числа пар полюсов магнитного поля статора и изменения синхронной скорости АД

 С целью подключения обмоток статора к трехфазной сети переменного тока

 Для обеспечения реверсирования АД посредством смены местами любых двух проводов из трех, подводящих трехфазное напряжение сети к обмоткам статора

 Для удобства замены катушек статорной обмотки при ремонте

5. Укажите, при каком режиме работы АД коэффициент мощности будет самым низким?

При ХХ При М = М_max При М = М_н При М = М_п