Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Лабораторная работа № 4

«Исследование трехфазного асинхронного двигателя

С короткозамкнутым ротором»

Цель работы.

Изучить конструкцию трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и освоить приемы снятия его характеристик.

Основные теоретические сведения

Общие положения

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором представлено на рисунке 4.1.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является первичной, а обмотка ротора — вторичной.

Рисунок 4.1 - Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна, либо делают сварным.

Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию (отштампованные листы из электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака). Сердечник статора собран в пакет и скреплен специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора. Лобовые части находятся за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами. Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3Гц. Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки. Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 7.

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 5, прикрытым кожухом 6. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в - раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/220В. Если в сети линейное напряжение 380В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 220В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 220В. Выводы обмоток фаз располагают в коробке выводов таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12, либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух).

При питании обмотки статора асинхронной машины трехфазным током в магнитопроводе создается вращающееся магнитное поле. На замкнутые накоротко проводники ротора действуют электромагнитные силы. Суммарное усилие, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент, увлекающий ротор вслед за вращающимся полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение. Такой режим работы асинхронной машины называется двигательным.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента до частоты вращения больше чем частота вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и направление активной составляющей тока ротора, то есть машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит свое направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим.

Характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, то есть неравенства частоты вращения ротора и магнитного поля статора. По этой причине машину называют асинхронной.

Существует два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателей: метод непосредственной нагрузки и косвенный метод. Метод непосредственной нагрузки заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от холостого хода до режима номинальной нагрузки с измерением необходимых параметров. Этот метод обычно применяется для двигателей мощностью не более 10—15 кВт.

С ростом мощности двигателя усложняется задача его нагрузки, растут непроизводительный расход электроэнергии и загрузка электросети. Применение этого метода ограничивается еще и тем, что не всегда представляется возможным создать испытательную установку по причине отсутствия требуемого оборудования и недопустимости перегрузки электросети.

Широкое применение получил более универсальный косвенный метод, применение которого не ограничивается мощностью двигателя. Этот метод заключается в выполнении двух экспериментов: опыта холостого хода и опыта короткого замыкания.

Опыты холостого хода и короткого замыкания асинхронных двигателей в основном аналогичны таким же опытам трансформаторов. Но они имеют и некоторые особенности, обусловленные главным образом наличием у двигателя вращающейся части — ротора. Кроме того, при переходе из режима холостого хода в режим короткого замыкания параметры обмоток двигателя (активные и индуктивные сопротивления) не остаются неизменными, что объясняется зубчатой поверхностью статора и ротора. Все это создает некоторые затруднения в проведении опытов и в последующей обработке их результатов.

Опыт холостого хода

Данный опыт даёт возможность изучить свойства магнитной цепи машины, определить возникающие при холостом ходе потери и чисто механические свойства асинхронного двигателя при питании от источника регулируемого напряжения номинальной частоты. Асинхронный двигатель потребляет мощность, которая расходуется в основном на покрытие потерь в стали и механических потерь.

Известно, что намагничивающий ток берётся из сети. Для получения характеристики холостого хода производят несколько измерений при n=const, f=const и U₁=var. Напряжение может снижаться до одной трети U_ном  без нарушения устойчивой работы асинхронного двигателя. Дальнейшее снижение ведёт к некоторым затруднениям и в большинстве случаев не даёт интересных результатов. При проведении опытов следует всегда повышать напряжение сверх номинального, чтобы проследить за характером изменения потерь в стали и намагничивающей силы при увеличении магнитного потока.

Наиболее важной частью характеристики холостого хода является кривая насыщения, называемая также кривой намагничивания или кривой холостого хода. Она показывает зависимость между током намагничивания (I₀) и Э.Д.С. (Е₀)_, при этом последняя почти всегда приравнивается к напряжению U₀ на зажимах АД при холостом ходе, так как падением напряжения на внутреннем активном и индуктивном сопротивлениях за счёт малой величины тока холостого хода можно пренебречь. При cos  холостого хода в пределах от 0,01 до 0,15 намагничивающий ток будет равен току холостого хода, при этом ошибка не превышает 1%.

Для всех электрических машин с воздушным зазором кривая насыщения имеет характерную форму. Вначале, с увеличением тока возбуждения (тока холостого хода), напряжение растёт прямолинейно, затем рост его замедляется и практически приближается к предельному значению. В этом состоянии наступает насыщение. Так как для полного использования свойств стали ЭДС двигателя Е₀ и поток Ф должны по возможности иметь высокие значения, а с другой стороны необходимо избегать слишком больших потерь энергии на возбуждение. Знание кривой намагничивания для оценки этого соотношения очень важно, особенно для новых образцов.

Для полной оценки асинхронного двигателя необходимо знание потерь холостого хода, то есть механических потерь (P_мех) и потерь в стали (P_ст). Они определяются на холостом ходу мощностью (Р₀) за вычетом потерь в обмотке статора (P_Эл1). Так как (P_Эл1) очень малы, ввиду малости I₀, (незначительная доля по сравнению с P_мех и P_ст) – ими пренебрегают, и потери холостого хода можно приравнять к (Р₀).

Питание асинхронного двигателя при опыте холостого хода (рисунок 4.2.) осуществляется через Инвертор напряжения, позволяющий изменять напряжение и частоту в широких пределах. При этом вал двигателя должен быть свободным от механической нагрузки.

Рисунок 4.2 - Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Опыт начинают с напряжения питания , затем постепенно понижают напряжение до  так, чтобы снять показания приборов в 5—7 точках. При этом один из замеров должен соответствовать номинальному напряжению U_ном .

Измеряют линейные значения напряжений и токов, а затем (в зависимости от схемы соединения обмотки статора) определяют фазные значения напряжения и тока холостого хода:

при соединении в звезду:

                 и                (4.1)

при соединении в треугольник:

              и                  (4.2)

Активная мощность Р₀ измеряется в опыте холостого хода ваттметром и включает в себя электрические потери в обмотке статора:

             , Вт.             (4.3)

Здесь r₁ — активное сопротивление фазы обмотки статора (Ом), измеренное непосредственно после отключения двигателя от сети, чтобы обмотка не успела охладиться.

магнитные потери в сердечнике статора Р_ст и механические потери Р_мех :

           , Вт.            (4.4)

Сумма магнитных и механических потерь двигателя:

          , Вт.             (4.5)

Коэффициент мощности для режима холостого хода:

                                 (4.6)

Рисунок 4.3 - Характеристики холостого хода трехфазного асинхронного двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

По результатам измерений и вычислений строят характеристики холостого хода I₀, Р₀, , cosφ₀=f(U₁), на которых отмечают значения величин I_0ном, Р_0ном, (Р_ст + P_{мех.ном}) и cosφ_ном, соответствующих номинальному напряжению U_1ном.

Если график (Р_ст + P_мех)=f(U₁) продолжить до пересечения с осью ординат (U₁=0), то получим величину потерь Р_мех.

Это разделение магнитных и механических потерь основано на том, что при неизменной частоте сети f₁ частота вращения ротора двигателя в режиме холостого хода n₀, а следовательно, и механические потери Р_мех неизменны. В то же время магнитный поток Ф прямо пропорционален ЭДС статора Е₁.

Для режима холостого хода U₁=E₁, а поэтому при U₁=0 и магнитный поток Ф=0, а следовательно, и магнитные потери Р_ст=0. Определив величину механических потерь Р_мех, можно вычислить магнитные потери P_ст:

                , Вт.           (4.7)

Согласно ГОСТ 7217-79 перед проведением опытов необходимо провести обкатку асинхронного двигателя для прогрева подшипников:

для АД до 11 кВт           15 минут,

от 11 кВт до 110 кВт       30 минут,

свыше 110 кВт              75 минут.

Опыт короткого замыкания

Опыт короткого замыкания проводится по такой же схеме, как и в опыте холостого хода (рисунок 4.2), но при этом измерительные приборы должны быть выбраны в соответствии с пределами измерения тока, напряжения и мощности. Ротор двигателя следует жестко закрепить. Предельное значение тока статора при опыте короткого замыкания устанавливают исходя из допустимой токовой нагрузки питающей сети и возможности провести опыт в минимальный срок, чтобы не вызвать опасного перегрева двигателя. Для двигателей мощностью до 1 кВт возможно проведение опыта начиная с номинального напряжения . В этом случае предельный ток . При выполнении опыта короткого замыкания желательно соединение обмотки статора звездой.

Определив диапазон изменения тока статора при опыте короткого замыкания, опыт начинают с предельного значения этого тока, установив соответствующее напряжение короткого замыкания U_к. Затем постепенно снижают это напряжение до значения, при котором ток достигнет нижнего предела установленного диапазона его значений. При этом снимают показания приборов для 5—7 точек, одна из которых должна соответствовать номинальному току статора ( ).

Продолжительность опыта должна быть минимально возможной. После снятия последних показаний приборов двигатель следует отключить и сразу же произвести замер активного сопротивления фазы обмотки статора r₁^/, чтобы определить температуру обмотки. В зависимости от схемы соединения обмотки статора, линейные напряжения и токи пересчитывают на фазные U_к и I_к по формулам, аналогичным (4.1) и (4.2).

Активную мощность короткого замыкания Р_к измеряют ваттметром. По полученным значениям напряжений U_к, токов I_к и мощностей Р_к вычисляют следующие параметры:

коэффициент мощности при коротком замыкании:

                ;          (4.8)

полное сопротивление короткого замыкания:

                 , Ом;            (4.9)

активные и индуктивные составляющие этого сопротивления:

             , Ом;        (4.10)

При опыте короткого замыкания обмотки двигателя быстро нагреваются до рабочей температуры, так как при неподвижном роторе двигатель не вентилируется. Температуру обмотки статора Т₁ обычно определяют по сопротивлению фазы r₁^/, измеренному непосредственно после проведения опыта, по формуле:

            , °С;     (4.11)

где r_1.20 — сопротивление фазы обмотки статора в холодном состоянии (обычно при температуре 20°С), Ом.

Если же температура обмотки оказалась меньше расчетной рабочей температуры Т₂ для соответствующего класса нагревостойкости изоляции двигателя, то активное сопротивление короткого замыкания r_к пересчитывают на рабочую температуру:

             , Ом;    (4.12)

где r_к^/ — активное сопротивление короткого замыкания при температуре Т₁, отличающейся от расчетной рабочей; α=0,004.

Затем пересчитывают на рабочую температуру параметры асинхронного двигателя:

полное сопротивление:

              , Ом;    (4.13)

ток короткого замыкания:

                     , А;         (4.14)

мощность короткого замыкания:

                  , Вт.      (4.15)

На характеристиках короткого замыкания (рисунок 4.4) отмечают значения величин Р_Кном и U_Кном, соответствующих току короткого замыкания

Таблица 4.1 - Обязательный отсчёт напряжения при опыте короткого замыкания

Опыт, проведённый при пониженном напряжении, относительно номинального, требует введения поправки на насыщение (ГОСТ7217-79). Эта поправка состоит в том, что выше наибольшего значения, при опыте короткого замыкания, ток предполагается возрастающим по касательной к кривой, изображающей его зависимость от напряжения.

Рисунок 4.4 - Характеристики короткого замыкания трехфазного асинхронного двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

Для определения U_К.ном нужно построить график по данным таблицы 4.1.

Ток и мощность короткого замыкания пересчитывают на номинальное напряжение U_1ном по формулам:

                , А;       (4.16)

                , Вт.    (4.17)

Следует иметь в виду, что такой пересчет является приближенным, так как при U_К=U_1ном наступает магнитное насыщение сердечника (особенно зубцовых слоев) статора и ротора. Это приводит к уменьшению индуктивного сопротивления Х_к, что не учитывается формулами (4.16) и (4.17).

Кратность пускового тока равна:

               .                (4.18)

Электромагнитная мощность в режиме короткого замыкания, передаваемая на ротор двигателя, равна электрическим потерям в обмотке ротора Р_э2к, поэтому электромагнитный момент при опыте короткого замыкания определяется по формуле:

     , Н·м  (4.19)

где электрические потери в обмотке статора при опыте короткого замыкания:

             , Вт.         (4.20)

Магнитные потери при опыте короткого замыкания Р_стк приближенно определяют по характеристикам холостого хода (рисунок 4.1) при напряжении U₁=U_к.

В режиме холостого хода магнитный поток Ф больше, чем в режиме короткого замыкания, но если в режиме холостого хода магнитные потери происходят только в сердечнике статора, то в режиме короткого замыкания (s=1) магнитные потери происходят еще и в сердечнике ротора, так как f₂=f₁.

Характеристика короткого замыкания воспроизводит начальные пусковые условия асинхронного двигателя и потому позволяет определить – начальный пусковой ток и начальный пусковой момент.

Начальный пусковой момент получают пересчетом момента М_П при начальном пусковом токе I_П:

                 , Н·м     (4.21)

Затем определяют кратность пускового момента:

                                    (4.22)

Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Под рабочими характеристиками асинхронного двигателя (ГОСТ7217-79) понимают зависимость ряда величин:Р₁, I₁, S, сos.j_, КПД от полезной мощности Р₂., при условии неизменного приложенного напряжения U₁ и его частоты f₁.

Снятие рабочих характеристик следует производить при нагретых обмотках статора и ротора.