Содержание, форма и правила оформления отчета по лабораторной работе

Аналогично лабораторной работы 1.

Вопросы для защиты работы:

1. Какие соотношения между фазными и линейными токами и напряжениями при соединении фаз нагрузки по схемам «звезда» и «треугольник»?

2. Изобразите схему соединения потребителей в «треугольник» с указанием положительных направлений фазных и линейных токов. Включить в схему вольтметры для изменения напряжений.

3. Чему равен угол сдвига фаз между фазными и линейными токами при симметричной нагрузке?

4. От каких факторов зависит угол сдвига фаз между фазными напряжениями и токами?

5. Запишите в комплексной форме симметричную трехфазную систему ЭДС?

6. Что такое напряжение смещения нейтрали и как его рассчитывать?

7. Как производится расчет трехфазных электрических цепей в общем случае?

8. Как строятся векторные диаграммы трехфазных электрических цепей?

9. Как влияет «обрыв» линейного провода на работу трехфазного потребителя, включенного по схеме «треугольник».

Лабораторная работа 4

Определение рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (4 ч)

Цель работы: Формирование у студента компетенции ПК-3, ПК-7, ПК-8, ПК-13. В связи с этим выполняются следующие задачи:

1. Получение рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. На основе рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором определение его рабочих параметров.

Теоретическое обоснование

Асинхронные машины– наиболее распространенные электрические машины. В основном их используют в качестве электрических двигателей. Благодаря простоте устройства и высокой надежности их широко применяют для привода станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов, и т.д.

Асинхронная машина состоит из подвижной и неподвижной части (рисунок 6.1). Неподвижная часть машины переменного тока называется статором (1), а подвижная часть — ротором (2).

Рисунок 4.1 – Схема асинхронной машины

Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, покрытых изоляционным лаком. Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю, чем и обусловлено название этих машин.

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора – на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины малой и средней мощности), или на отдельно стоящих подшипниковых стояках.

На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой.

По способу исполнения обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов магнитного поля, как и статор.

Обмотка ротора двигателя с короткозамкнутым ротором выполняется в виде беличьей клетки (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Обмотка ротора в виде беличьей клетки

При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. Большинство асинхронных машин, в особенности машины малой и средней мощности, выпускается с короткозамкнутым ротором.

В электрическом отношении «беличья клетка» представляет собой многофазную обмотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки равно числу пазов ротора, причем в каждую фазу входят один стрежень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны т.к. не имеют щеток и колец. Но при этом их недостатком является сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в электроприводах, где не требуются большие пусковые моменты. В двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток, благодаря чему их можно применять для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Рассмотрим принцип действия асинхронного двигателя.

Токи обмотки статора двухполюсной машины создают двухполюсный магнитный поток, проходящий через статор (1), ротор (3) и зазор между ними (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Электромагнитная схема асинхронной машины

Обмотка статора (2) создает магнитное поле, вращающееся с частотой (синхронной)

, об/сек,                                      (4.1)

где f₁ – частота тока статора, p – число пар полюсов.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора.

Магнитный поток Ф₁, создаваемый обмоткой статора (рисунок 4.3), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора (4), индуктирует в них ЭДС, и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи i₂, частота которых f₂ при неподвижном роторе(п = 0) равна первичной частоте f₁.

Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индуктируется трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, число полюсов 2р, направление и скорость вращения которого при n = 0

                                     (4.2)

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф₁ и Ф₂ вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М.

Если развиваемый момент больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью , т. е. будет вращаться с некоторым отставанием или скольжением, относительно поля статора. Такой режим называют двигательным.

Относительная разность скоростей вращения поля статора и ротора называется скольжением.

.                                     (4.3)

Скорость ротора, выраженная через скольжение s, равна

.                                     (4.4)

При пуске двигателя (n = 0) согласно (6.3) s = 1, а при вращении ротора синхронно с полем статора или, как говорят, с синхронной скоростью ( ) s = 0. При  магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому М = 0 и такой скорости вращения двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда  и .

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей  и частота тока в обмотке ротора

.              (4.5)

Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение со скоростью , тогда ротор будет обгонять поле и направление индуцируемых в обмотке ротора токов изменятся на обратные. Аналогично изменятся направление F и M. Момент будет тормозящим, следовательно, машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. При этом . Такой режим называется генераторным.

Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля статора ( ), то направления e₂, i₂ и F сохраняются как в двигательном режиме, т.е. машина продолжает получать из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но против вращения ротора, т.е. будет его тормозить. Этот режим называется режимом электромагнитного торможения или противовключения. В этом режиме .

Этот режим на практике используется для торможения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производственных механизмов. Например, в ряде случаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путем переключения двух питающих проводов трехфазного двигателя изменяют чередование фаз и направление вращении поля, а ротор в течение некоторого времени вращается при этом по инерции в прежнем направлении, т.е. теперь уже против поля. Механическая мощность в данном случае развивается за счет кинетической энергии вращающихся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При  машину необходимо отключить от сети, иначе она придет во вращение в обратном направлении.

Выделяют также режим короткого замыкания асинхронной машины. В этом режиме , т.е. ротор неподвижен. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния.

Механическая характеристика асинхронного двигателя представляет собой зависимость развиваемого момента на валу М от скорости вращения п при U₁ = const и f₁ = const: . Момент на валу может быть также вычислен по формуле:

,                                          (4.6)

где  – мощность на валу.

На рисунке 4.4 а показана механическая характеристика  асинхронного двигателя и механическая характеристика  некоторого производственного механизма, приводимого во вращение двигателем.

а                                                 б

Рисунок 4.4 – Механические характеристики асинхронного двигателя

Уравнение моментов агрегата «двигатель – производственный механизм» имеет вид

,                                   (4.7)

где  – динамический момент агрегата, равный

,                         (4.8)

где J – момент инерции;  – угловая скорость вращения.

Если при n = 0 пусковой момент больше момента сопротивления, как это показано на рисунке 4.4 а (M_П > M_СТ), то > 0, > 0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область на рисунке 4.4 а)

> 0.                              (4.9)

В точке 1 достигается равновесие моментов , = 0, = 0. Наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения  и скольжением . Величина  будет тем больше, чем больше M_СТ, т.е. чем больше нагрузка двигателя. Если при работе двигателя увеличить статический момент производственного механизма (кривая 2 рисунок 4.4), то s возрастет, а n уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 рисунок 4.4), s уменьшится, а n возрастет.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим образом. Если M_СТ возрастет, то будет M < M_СТ, < 0, < 0 и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом скольжение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также ЭДС E₂ и ток I₂ вторичной цепи. В результате электромагнитный момент M увеличивается и уменьшение n (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов . При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направлении.

Точка 4 на характеристике соответствуют максимальному моменту двигателя и соответствующему скольжению, называемому критическим s_КР. Зная , можно построить приблизительную механическую характеристику по формуле:

,                                           (4.10)

где

= .                               (4.11)

где  – кратность максимального момента, т.е. отношение максимального момента при номинальном напряжении к номинальному.

Условия устойчивой работы.

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и т.д.).

В общем случае, как показано на рисунке 4.4 б, характеристики двигателя могут иметь несколько точек пересечения (точки 1, 2, 3).

Условия устойчивости:

.                                          (4.12)

Следовательно, в точках 1 и 3 работа устойчива, в точке 2 – нет. Режим работы в точке 3 на практике неприемлем, т.к. характеризуется, малой n, плохим КПД, большими токами в обмотках, вследствие чего, двигатель перегревается и выходит из строя. Оптимальным является участок от точки 4 влево.

Статический момент механизма может увеличиваться до точки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки двигатель либо остановиться, либо перейдет в точку 3. В обоих случаях он должен быть отключен.

Кроме того, при работе двигателя необходимо иметь некоторый запас по моменту, так как возможны кратковременные перегрузки случайного характера, а также кратковременные или длительные понижения напряжения сети.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют зависимости потребляемой мощности P₁, первичного тока I₁, коэффициента мощности cosφ₁, момента на валу M, скольжения s и КПД от полезной мощности P₂при работе с номинальным напряжением и частотой. Рабочие характеристики позволяют находить все основные величины, определяющие режим работы двигателя при различных нагрузках (рисунок 4.5).

Рисунок 4.9 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя