Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное

Учреждение высшего профессионального  образования

«Ижевский государственный технический  университет»

(ИжГТУ)

ФАКУЛЬТЕТ «МЕНЕДЖМЕНТ  И МАРКЕТИНГ»

КАФЕДРА «ИНФОРМАЦИОННЫЕ  СИСТЕМЫ»

 

 

 

 

Лабораторная работа №2 
по предмету «Электроника и электротехника»

Тема: «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором»

 

 

 

 

 

 

 

Проверил:         Н.Ф. Хафизова

к.э.н., доцент

 

Выполнил:         А.В. Панькин

ст-т гр. 7-79-1        

 

 

 

 

 

 

Ижевск, 2011г.

 

 

Цель работы:

1)Изучить устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2)Испытать асинхронный двигатель в режиме  холостого хода.

3)Испытать асинхронный  двигатель в режиме нагрузки с помощью электромагнитного тормоза. Экспериментально определить механическую характеристику n(M), зависимость механического момента на валу двигателя от скольжения M(S), рабочие характеристики асинхронного двигателя n(P₂),S(P₂),M(P₂), cos ₁(P₁), (P₂).

 

Основные теоретические  положения

         Асинхронная машина является универсальным преобразователем. При определенных условиях она может работать в качестве двигателя , генератора, электромагнитного тормоза, индукционного регулятора, фазорегулятора и преобразователя частоты.

         Трехфазный асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, которую используют для привода рабочих машин. Частота вращения ротора асинхронной машины при неизменной частоте сети  изменяются  зависимости от нагрузки n(P₂), при этом где f-частота сети, к которой подключена  асинхронная машина; Р-число пар полюсов  асинхронной машины; P₂- полезная мощность на валу двигателя.

         При холостом ходе частота вращения  n_xx становится почти равной частоте вращения магнитного поля n₀ , но не достигает ее, так как при n= n₀ электромагнитное взаимодействие между статором и ротором отсутствует. Асинхронная машина работает в режиме двигателя в пределах изменения частот вращения от n=0 в момент пуска до n_xx n_0. Величина S равная , носит название скольжения асинхронной машины. В режиме двигателя скольжение изменяется в пределах от S= 1 до S 0.

         Количественная оценка режима нагрузки асинхронного двигателя  осуществляется с помощью рабочих характеристик, под которыми понимают зависимости S,n,M, ,u, cos _1, при U₁=const и f=const от отдаваемой двигателем мощности P₂.

Рис.1. Типичные рабочие характеристики  асинхронного двигателя

 

         Зависимость n(P₂) или S(P₂) называется скоростной характеристикой. При холостом ходе (P₂=0) скорость вращения n близка к синхронной (скольжение близко к нулю). С увеличением нагрузки скорость вращения уменьшается, скольжение растет соответственно соотношению . Для обеспечения достаточно высокого КПД это соотношение ограничивается узкими пределами. Обычно при P₂ =P_н   скольжение S_н=1,5+5%, соответственно зависимость n(P₂) представляет собой слабо наклоненную к оси абсцисс кривую. Так как скорость вращении ротора АД в рабочем диапазоне нагрузок изменяется незначительно, то зависимость М(P₂), называемая моментной характеристикой, оказывается близкой к линейной.

         Магнитная цепь двигателя имеет  воздушный зазор, потому ток  статора имеет сравнительно большую  реактивную составляющую. Коэффициент  мощности cos асинхронного двигателя всегда меньше единицы. Наибольшее его значение соответствует номинальной нагрузке. При малых нагрузках cos убывает, достигая при холостом ходе значения 0,15-0,2. Нагруженный асинхронный двигатель имеет низкий коэффициент мощности, что является существенным его недостатком. Объясняется это тем, что реактивная составляющая тока почти не зависит от нагрузки. При перегрузках cos также снижается вследствие увеличения частоты тока и индукционного сопротивления ротора.

         КПД асинхронного двигателя  имеет максимальное значение при номинальной или близкой к ней нагрузке (P₂ =P_{2 н} ). При этом он достаточно высок.

         Для приближенного  анализа можно пренебречь падением  напряжения в статоре и считать ЭДС статора Е ₁=U₁- напряжению сети. Тогда формула момента примет вид

С_M – Постоянная для данного двигателя величина;

r-₂активное сопротивление ротора;

x₂- индуктивное сопротивление неподвижного ротора;

S- скольжение.

 

Рис.2. График, связывающий вращающий момент и скорость вращения асинхронного двигателя

         Механическая  характеристика является основной  характеристикой любого электрического  двигателя, определяющей его эксплуатационные  характеристики. Для каждого асинхронного двигателя может быть определен номинальный режим, т.е. режим длительной работы, при котором двигатель не перегревается сверх установленной температуры. Ему соответствует номинальный М_ном , номинальная частота вращения n_ном . Отношение максимального момента к номинальному Km=М/М_ном, называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя. Отношение пускового момента Mn, развиваемого двигателем в неподвижном состоянии, т.е. при n=0, к номинальному моменту Kn=Мn/М_ном называется кратностью пускового момента.

Описание установки

Рис.3. Схема принципиальная электрическая АД с к.з. ротором

         Экспериментальное исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором проводится на стенде ,который содержит следующее оборудование: автоматический выключатель АП, реверсивный магнит  пускатель МП, асинхронный двигатель АД, управляемый выпрямитель УВ, электромагнитный тормоз ЭМТ и тахогенератор постоянного тока ТТ.

         Питание  стенда осуществляется от четырех  проводной сети трехфазного напряжения (U=380 В, f=50 Гц). Для защиты асинхронного двигателя Ад от коротких замыканий и перегрузок в длительном режиме служит автоматический выключатель АП.

         Асинхронный  двигатель нагружается с помощью  электромагнитного тормоза ЭМТ. Для измерения частоты вращения ротора используется тахогенератор постоянного тока ТГ. Напряжение тахогенератора линейно зависит от частоты вращения АД. Мостовая схема выпрямителя ВМ обеспечивает одностороннее отклонение стрелки вольтметра h, шкала которого градуирована в частоте вращения «n» об/мин.

Проведение эксперимента

1. Ознакомиться с оборудованием и приборами экспериментальной установки. Таблица 1. Исследование асинхронного двигателя в режиме холостого хода.

Измеренные величины				Вычисленные величины
U1	I1	P1xx	nxx	P	n0	Sxx	cos xx
B	A	Вт	об/мин	Вт	об/мин	о.е.	о.е
390	0,7	130	1380		1382	0,001	0,28

 

2. Исследовать асинхронный двигатель в режиме нагрузки

Обработка результатов  опытов

Используя данные холостого хода (n_xx), определить число пар полюсов асинхронного  двигателя, Р=60f/ n_xx, где f=50Гц, частота напряжения сети

P=60*50/1380=2,17.

Таблица 2. Исследование асинхронного двигателя в режиме нагрузки

№ опыта	Измеренные величины					Вычисленные величины
	U1	I1	P1xx	nxx	M	P2	S	cos
	B	A	Вт	об/мин	Н*м	Вт
1	390	0,7	150	1390	0,1		0,006	0,32
2	390	0,7	170	1380	0,2		0,001	0,36
3	390	0,7	180	1360	0,3		0,016	0,38
4	390	0,7	200	1350	0,4		0,028	0,42

 

1. определение синхронной частоты(частота вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя);

 n₀=60f/Р [Об/мин],

2) скольжение ротора относительно магнитного поля статора:

S=( n₀ -n)/ n₀,

3) коэффициент мощности:

cos

= P₁/ U₁ I₁,

4) механическая мощность на валу двигателя:

 

P₂=2

nМ/60 [Вт],

5) КПД асинхронного двигателя:

= P₂ /P_1.

 

Вывод:  В ходе данной лабораторной работы было изучено устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, испытан асинхронный двигатель в режиме  холостого хода,  а также испытан асинхронный двигатель в режиме нагрузки с помощью электромагнитного тормоза. Экспериментально определены механическая характеристика n(M), зависимость механического момента на валу двигателя от скольжения M(S), рабочие характеристики асинхронного двигателя n(P₂),S(P₂),M(P₂), cos ₁(P₁), (P₂). По итогам выполненной работы выявлено, что с увеличением нагрузки на ротор повышается потребление энергии из сети, число оборотов на валу двигателя незначительно уменьшается. Напряжение, которое подается на вход, а также сила тока не меняются с увеличением нагрузки.

 

Контрольные вопросы:

1. Основные понятия об асинхронных машинах. Конструкция и принцип действия.

Асинхронная машина является универсальным  преобразователем. При определенных условиях она может работать в  качестве двигателя, генератора, электромагнитного  тормоза, индукционного регулятора, фазорегулятора и преобразователя частоты.

АМ – это машина, в которой  при работе возбуждается вращающееся  магнитное поле, но ротор вращается  асинхронно, т.е. с угловой скоростью  отличной от угловой скорости поля.

Трехфазная АМ состоит из двух главных  частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор АМ представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали. В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Фазные обмотки соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети. Токи в фазных обмотках возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора с числом пар полюсов р. Распределение фазных обмоток по нескольким пазам не только улучшает использование цилиндрической конструкции статора, но и обуславливает необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором.

Ротор АМ представляет собой цилиндрический сердечник. В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки. Обмотка фазного ротора выполняется изолированным проводом.

Режим работы трехфазной АМ определяется электромагнитным взаимодействием  тока в обмотках статора и ротора. Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. В режиме двигателя трехфазная АМ преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, в такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора трехфазная АМ преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемый токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза  ротор трехфазной АМ вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия в магнитопроводе из-за гистерезиса и вихревых токов в обмотках.