Исследование асинхронных машин (стр. 1 )

Лабораторная работа №4

Исследование асинхронных машин

В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с испытаниями трехфазных асинхронных двигателей, особенностями их пуска, исследованием рабочих и механических характеристик.

Асинхронные машины используются главным образом в качестве двигателей (АД). По своей конструкции АД подразделяются на два типа: с короткозамкнутым ротором (АК) и с фазным ротором (АФ). Все эти двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются только исполнением ротора. По своей конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуатации (т. к. отсутствует скользящий контакт, требующий систематического наблюдения и ухода), но основным недостатком этих двигателей является значительный пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент. В двигателях с фазным ротором (с контактными кольцами) имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и при этом уменьшать пусковой ток, а также регулировать частоту вращения ротора с помощью силовых реостатов.

Первичная обмотка асинхронного двигателя размещается на неподвижном статоре, вторичная – на вращающемся роторе. Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Обмотка статора подключается к трехфазной сети. При питании трехфазным током обмотка статора создает вращающееся магнитное поле Ф, частота вращения которого,

,

где f1 – частота питающей сети; р – число пар полюсов обмотки статора.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС Е1 и Е2. Под действием ЭДС Е2 в обмотке ротора протекает ток I2. На проводник с током в магнитном поле действует сила, и создается вращающий электромагнитный момент (Мэм). Величина Мэм определяется не только величиной тока, но и фазой по отношению к ЭДС Е2 . Если этот момент больше момента нагрузки на валу, ротор приходит во вращение и вращается в ту же сторону, что и вращающееся магнитное поле, но с частотой вращения меньшей, чем частота вращения поля. По этой причине машина называется асинхронной (ротор и поле вращаются не синхронно).

Относительная разность скоростей поля и ротора называется скольжением:

.

Величина ЭДС, индуцированной в обмотке ротора, и ее частота f2 зависят от скольжения:

Здесь Е2 – ЭДС, наводимая в обмотке неподвижного ротора,

Е2S – ЭДС, наводимая в обмотке вращающегося ротора.

Обмотка ротора при нагрузке также создаёт вращающееся магнитное поле, т. к. стержни (фазы) смещены в пространстве друг относительно друга на угол, равный временному углу сдвига токов в них. Это поле вращается относительно ротора с частотой

а так как сам ротор вращается с частотой , то поле ротора в пространстве вращается с частотой

таким образом, поля, созданные первичной и вторичной обмотками неподвижны относительно друг друга. Результирующее поле в зазоре создаётся геометрической суммой м. д.с. обмоток

,

которая почти не зависит от нагрузки и определяется, по существу, напряжением обмоток статора.

Анализ асинхронной машины существенно упрощается, если вращающееся магнитное поле многофазной роторной обмотки ( или ) заменить эквивалентным полем трёхфазной обмотки с таким же числом эффективных витков, как и на статоре () , а вращающуюся обмотку ротора заменить неподвижной, сохраняющей все свойства вращающейся.

При таком преобразовании в уравнении роторной обмотки вместо электрической мощности, преобразуемой в механическую

где индекс "s" обозначает зависимость величин от скольжения, появится эквивалентная ей величина

в форме тепловых потерь.

Основные уравнения асинхронной машины могут быть записаны следующим образом:

где - фазное напряжение обмотки статора; - фазные токи обмотки статора и приведенной обмотки ротора; r1, r’2 - активные сопротивления обмотки статора и приведенной обмотки ротора; хs1, х¢s2 – индуктивные сопротивления обмотки статора и приведенной обмотки ротора, обусловленные потоками рассеяния этих обмоток; - ЭДС, индуцируемые в обмотках статора и неподвижного ротора потоком взаимоиндукции; - магнитодвижущие силы обмоток статора, ротора и результирующая МДС; s - скольжение.

Т. к. , то вместо двух уравнений напряжений может быть получено одно, на основании которого составляется схема замещения.

Схема замещения асинхронной машины показана на рис. 4.1. При составлении схемы замещения принято:

,

где rm – активное сопротивление, обусловленное потерями в стали; хm – индуктивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком.

Электромагнитная мощность асинхронного двигателя

,

а электромагнитный момент

Векторная диаграмма, являющаяся графической записью основных уравнений асинхронной машины, показана на рис. 4.2.

Для определения параметров схемы замещения, построения круговой диаграммы, точного определения коэффициента полезного действия, расчёта пусковых тока и момента используют данные опытов холостого хода и короткого замыкания.

Цель работы

Изучить конструкцию трёхфазных асинхронных двигателей, исследовать пусковые и рабочие характеристики экспериментальным путём и косвенным методом.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1.  Ознакомиться с конструкцией асинхронного двигателя и записать в протокол основные данные исследуемого двигателя.

2.  Осуществить прямой пуск двигателя и пуск со снижением пускового тока. Осуществить изменение направления движения ротора.

3.  Провести опыт холостого хода.

4.  Провести опыт короткого замыкания.

5.  Провести опыт нагрузки синхронного двигателя для двух режимов (по указанию преподавателя).

Обработка опытных данных

1.  По данным опыта холостого хода построить характеристики холостого хода I10, P10, cosj0= f(U10). Определить расчетные значения I10, P10, cosj0 для U10= Uн.

2.  По данным опыта короткого замыкания построить характеристики короткого замыкания I1K, P1K, cosjK= f(U1К).Определить расчетные значения I1K, P1K, cosjK для I1K= I1Н.

3.  Рассчитать параметры схемы замещения. Расчет параметров и схему замещения привести в отчете.

4.  По данным опыта п. 5 построить рабочие характеристики I1, P1, M, s, h, cosj=f(P2). Пояснить вид характеристик. Сравнить рабочие характеристики двух режимов.

5.  По данным опыта п. 5 построить механические характеристики двигателя M=f(s). Пояснить вид характеристик.

6.  По характеристикам холостого хода разделить потери холостого хода и, используя опыт короткого замыкания, определить коэффициент полезного действия двигателя косвенным методом в номинальном режиме.

7.  Рассчитать рабочую точку режима (по указанию преподавателя), используя схему замещения, и сравнить полученные величины с экспериментом по п. 5.

8.  По данным опыта короткого замыкания определить пусковые ток и момент.

9.  По данным опытов холостого хода и короткого замыкания построить круговую диаграмму двигателя.

10.  Определить рабочую точку режима (по указанию преподавателя), используя круговую диаграмму, и сравнить полученные величины с экспериментом по п. 5.

11.  Построить рабочие характеристики, используя круговую диаграмму.

12.  Построить механическую характеристику M=f(s) и кривую тока I1=f(s) для диапазона s (0¸1), используя круговую диаграмму.

Примечание. Набор выполняемых пунктов программы устанавливается преподавателем.

Экспериментальная часть

Исследование асинхронного двигателя с фазным ротором проводится по схеме, показанной на рис. 4.3. Перед пуском двигателя следует проследить, что введены все ступени реостата (R), включенного в цепь обмотки ротора.