Электрическая схема соединений тепловой защиты машины переменного тока

Рис.4.

Присоединение машины переменного тока к устройству защитного отключения

Работа 1. ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
[1, с. 160…201]

Цель работы – экспериментальное исследование пусковых и рабочих свойств трехфазного асинхронного двигателя с фазным/короткозамкнутым ротором.

I. Программа работы

1. Ознакомление с конструкцией и паспортными данными трехфазного асинхронного двигателя.

2. Управление двигателем: пуск, изменение направления вращения, регулирование частоты вращения при заданной нагрузке.

3. Снятие характеристик n=f(I) двигателя с короткозамкнутым ротором и при различных сопротивлениях в цепи ротора.

4. Снятие механических характеристик n=f(M).

II. Общие сведения и описание установки

Асинхронные трехфазные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором наиболее распространены по сравнению с АД фазным ротором, так как, имея одинаковые рабочие свойства с двигателями с фазным ротором, проще, надежнее и имеют лучшие коэффициенты мощности и полезного действия. Однако они имеют худшие пусковые характеристики (большой пусковой ток) и ограниченные возможности регулирования частоты вращения. Поэтому в случаях, когда отсутствует преобразователь, но необходим управляемый пуск при питании от сети или регулирование частоты вращения путем изменения механической характеристики (двигатели малой мощности), применяются двигатели с фазным ротором.

Асинхронный двигатель типа 102.1 в режиме синхронный машины с фазным ротором состоит из неподвижной части (статора) и вращающейся (ротора). Статор представляет собой полый цилиндр из пакетов электротехнической стали, на внутренней поверхности которого имеются пазы для обмотки, параллельные оси цилиндра.

В пазах уложена в виде отдельных катушек (секций) трехфазная обмотка. Фазные обмотки смещены вдоль окружности статора на 120/p градусов (р – число пар полюсов). Начала (U1, V1, W1), концы (U2, V2, W2), и нулевой вывод (N) обмотки выведены на щиток машины и снабжены маркировкой (рис. 1.1). Обмотку статора можно легко включать звездой Y или треугольником D (изменяя расположение перемычек на щитке). Номинальное напряжение на фазе обмотки 127 В.

Рис. 1.1. Рис.1.2

Ротор выполняется в виде цилиндра из пакетов электротехнической стали с пазами. В пазах ротора укладывается фазная обмотка. Фазная обмотка выполняется аналогично статорной, соединяется звездой и начала фаз (Р₁, Р₂, Р₃) выводятся на контактные кольца. Через щетки, наложенные на контактные кольца, в цепь ротора может включаться пусковой пли регулировочный реостат.

В двигателях, изготовляемых в европейских странах начала статорных и роторных обмоток обозначаются соответственно как U₁, V₁, W₁и F₁, F₂, F₃.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока в машине возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется только числом пар полюсов p и частотой тока f₁ и называется синхронной частотой вращения

. (1)

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них ЭДС Если роторная обмотка замкнута, то возникающий в ней ток I₂ во взаимодействии с полем статора Ф создаст вращающий момент

, (2)

где с_М – конструктивный коэффициент; y₂ – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора.

Для возникновения вращающего момента необходимо, чтобы ротор вращался с частотой, отличной от частоты вращения поля. Эта разница выражается в отношении ее к частоте вращения магнитного поля и называется скольжением

. (3)

ЭДС ротора, а следовательно токи ротора и статора, зависят от скольжения:

, (4)

, (5)

где Е₂ – ЭДС неподвижного ротора; R₂, x2– активное и индуктивное сопротивления неподвижного ротора.

Ток статора

, (6)

где – ток неподвижного ротора, приведенный к напряжению статора, или нагрузочная составляющая тока статора.

Изменение нагрузки на валу двигателя приводит к изменению скольжения s, ЭДС ротора, токов ротора и статора и вращающего момента.

Частота вращения двигателя из формулы (3):

. (7)

Для нормальных двигателей номинальные значения скольжения s_н= 0,01…0,05, а следовательно, номинальная частота вращения близка к синхронной n_н=(0,99…0,95)n₀.

Связь между вращающим моментом и скольжением определяется зависимостью

, (8)

где R₁, R₂’ – активные сопротивления фазы статорной и роторной (приведенной к напряжению статора) обмоток; x_к – индуктивное сопротивление короткого замыкания; U₁ – фазное напряжение.

График уравнения (8) приведен на рис. 1.2. Рабочий участок характеристики определяется интервалом моментов 0≤М≤М_m. Из характеристики M=f(s) могут быть определены: критическое скольжение s_кр при М=М_m, кратность максимального момента k_m=M_m/M_н, называемая перегрузочной способностью, и кратность пускового момента k_п=M_п/M_н. Величины k_m, k_п приводятся в каталогах на асинхронные двигатели.

Рис. 1.2

По формуле момента в относительных единицах

, (9)

паспортным данным и k_m можно построить характеристику M=f(s), вычислив предварительно

. (10)

Аналогичная характеристика, построенная в координатах n=f(M), называется механической характеристикой. Характеристика при R_p=0 (рис. 1.3) называется естественной.

Рис.1.3

Механическая характеристика может быть получена опытным путем увеличением нагрузки двигателя. Однако при этом нужно помнить, что в интервале скольжений s_н<s≤s_кр ток статора приближается к пусковому I_п=(4…7)I_н, оставаясь таким при скольжениях, s_кр≤s≤l.

Свойства асинхронного двигателя определяются его рабочими характеристиками, т.е. зависимостью тока статора I₁, потребляемой мощности P₁, частоты вращения n и скольжения s, момента М, коэффициента мощности cosj₁, коэффициента полезного действия h от мощности на валу P₂ при постоянных напряжении U₁, частоте f₁ и замкнутом накоротко роторе. Примерный вид характеристик приведен на рис.1.4.

Рис. 1.4

Следует отметить зависимость I₁=f(P₂), по которой видно, что ток холостого хода асинхронных двигателей относительно велик (составляет (0,3…0,5)I_1н), что объясняется наличием воздушного зазора в магнитной цепи машины.

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором производится при помощи пускового реостата R_р, включаемого в цепь ротора. Реостат позволяет уменьшить пусковой ток и увеличить пусковой момент, а также обеспечить необходимую плавность пуска.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляется включением активного сопротивления R_р в цепь ротора. Включение сопротивления увеличивает критическое скольжение

,

или, пренебрегая активным сопротивлением статора R₁=0,

(11)

и не изменяет максимального момента, т.е. вызывает смещение механических характеристик (см. рис.1.3). Как видно из формулы (8), при постоянном моменте сопротивления M_с=const должно остаться неизменным соотношение R^’₂/s=(R^’₂+R^’_р)/s^’=const. Следовательно, скольжение s^’ при включении реостата увеличится пропорционально увеличению сопротивления:

. (12)

Недостаток реостатного регулирования частоты вращения – потери энергии в реостате, снижение КПД и увеличение наклона механических характеристик.

Для исследования нагрузка двигателя обычно осуществляется генератором постоянного тока с независимым возбуждением, нагружаемым на реостат R_н (рис. 1.5).

Рис. 1.5

Потребляемая асинхронным двигателем мощность

, (13)

где k_ТТ – коэффициент трансформации трансформаторов тока, через которые включен ваттметр; W – показания ваттметра в ваттах.

Полезная мощность вычисляется по приближенному значению КПД, которое определяется из предположения, что КПД одинаковых по мощности машин при одинаковой нагрузке примерно одинаков h=h_Г, тогда КПД агрегата

,

откуда

. (14)

Полезная мощность (на валу)

. (15)

Вращающий момент в Н м

, (16)

где W – угловая частота вращения ротора; n – частота вращения, определяемая по вольтметру V_ТГ, n=U_ТГ С_Vтг, об/мин.

Частота тока в роторе

. (17)

Коэффициент мощности

. (18)

III. Подготовка к работе

Изучить устройство асинхронного двигателя с фазным ротором, принцип его действия, порядок пуска, способы регулирования частоты вращения и изменения направления вращения.

Нарисовать схему включения асинхронного двигателя и вспомогательной машины с приборами. Записать паспортные данные исследуемого двигателя и вспомогательных машин (см. табл.2 в разделе 5 введения).

Определить h, P₂, M, cosj₁, s, f₂, если асинхронный двигатель включен по схеме (рис. 5). Приборы показали при этом U₁= 220 В; f₁=50 Гц; U=220 В; P₁, I₁, I, n согласно табл. 1.1.

Таблица 1.1

№ бригады	P1, кВт	I1, А	I, А	n, об/мин.	a	h	P2, кВт	M, Нм	cosj1	s	f2, Гц
	2,12	7,8	7,2	1417,5	1,5
	3,48	11,5	11,7
	0,80	4,6		1492,5	2,5
	1,4	5,6	3,6
	2,44	8,3	8,2	1407,5	3,5
	1,08	5,0	1,1
	1,64	6,2	4,8
	3,08	10,2	10,2		1,2

Заготовить табл. 1.2-1.4 для записи результатов измерений.

Искусственные механические характеристики АД с фазным ротором получаются включением в цепь ротора добавочных сопротивлений R_р = r_f. Для снижения частоты вращения в a раз по сравнению с частотой вращения на естественной характеристике при том же моменте сопротивления в цепь ротора включается сопротивление R_р. Определить его величину при сопротивлении фазы ротора R₂=0,5 Ом.

IV. Контрольные вопросы

1. Как создается вращающееся магнитное поле статора? Какие условия должны быть выполнены для получения вращающегося поля? От чего зависит частота вращения магнитного поля?

2. Объясните устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя. Укажите особенности устройства двигателей с фазным и короткозамкнутым ротором.

3. Что называется синхронной частотой вращения и скольжением асинхронного двигателя. Укажите максимальную величину синхронной частоты вращения при частоте тока 50 Гц и примерное значение скольжения в номинальном режиме.

4. Какие данные называются на паспортном щитке асинхронного двигателя? Как расшифровывается тип двигателя 4А180S6У3, 4АH315S10У3, А42–6, AK51–4?

5. Напишите основные уравнения асинхронного двигателя: уравнения ЭДС для обмоток статора и ротора, уравнение намагничивающих сил.

6. Как величина ЭДС и частота токов ротора связана с частотой тока статора и скольжением?

7. С какой скоростью вращается магнитное поле ротора асинхронного двигателя относительно ротора, в пространстве, относительно магнитного поля статора?

8. Как пускаются в ход асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором? Как и за счет чего можно уменьшить пусковой ток двигателя, как при этом изменяется пусковой момент?

9. Как с помощью пускового реостата пускаются в ход асинхронные двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами)? Как влияет пусковой реостат на величину пускового тока, пускового момента и плавкость пуска двигателя?

10. Как изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя?

11. Укажите примерную величину тока и коэффициента мощности асинхронного двигателя в режиме холостого хода и сравните их с номинальными.

12. Какие потери энергии (мощности) имеют место в асинхронном двигателе, чему равен КПД двигателя, что происходит с КПД при увеличении скольжения?

13. От каких параметров и как зависит вращающий момент асинхронного двигателя?

14. Нарисуйте естественную и искусственную механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором и объясните, как влияет сопротивление роторного реостата на величину пускового и максимального моментов.

15. Как изменится частота вращения двигателя, если при заданной нагрузке увеличить сопротивление роторного реостата?

16. Чем отличаются друг от друга роторные величины: пусковой, регулировочный, пуско-регулировочный?

17. Перечислите возможные способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с фазным и короткозамкнутым ротором, укажите их достоинства и недостатки, нарисуйте механические характеристики.

18. От чего зависят пределы реостатного регулирования? От нагрузки на валу, числа ступеней реостата, диапазона изменения сопротивления реостата?

19. Какие зависимости называются рабочими характеристиками асинхронного двигателя, какой вид они имеют и как определяются экспериментально?

20. Как определить номинальный ток асинхронного двигателя по паспортным данным: P_н, U_н, h_н, cosj_н?

21. Чем невыгодна работа недогруженного двигателя с энергетической и экономической точек зрения?

22. Какими достоинствами и недостатками обладают асинхронные двигатели с фазным ротором по сравнению с короткозамкнутыми?

23. В каких установках используются асинхронные двигатели в горной промышленности?

V. Порядок выполнения работы

Ознакомиться с конструкцией асинхронного двигателя с фазным ротором на лабораторном стенде и по плакатам.

• Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

• Убедитесь, что собрана электрическая схема соединений тепловой защиты машины переменного тока (Введение, рис. 4) и что гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, соединены с гнездом "РЕ" источника G1.

• Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений (рис. 1.6).

• Представте собранную схему преподавателю для проверки и получите разрешение на включение лабораторной установки.

• Переключатели режима работы источника G2 и выключателя А2 установите в положение "РУЧН.".

• Регулировочные рукоятки источника G2, реостата A3 и нагрузки А4 поверните против часовой стрелки до упора.

• Установите переключателями в блоке А1 номинальные напряжения трансформаторов:

первичные - 127 В, вторичные - 230 В.

• Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

• Осуществите пуск двигателя Ml включением выключателя А2.

• Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

Рис.1.6

• Вращая регулировочную рукоятку источника G2 установите напряжение на выходе "ЯКОРЬ" равным 220 В (200-220 В) и не меняйте его в ходе эксперимента.

• Вращая регулировочные рукоятки нагрузки А4, изменяйте ток якоря I_а генератора G3 и заносите показания амперметра Р2 и указателя Р1 в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

rf= 0 Ом
Ia, А
n, мин^–1
Ua, В
rf= 6 Ом
Ia, А
n, мин^–1
Ua, В

• Установите регулировочные рукоятки нагрузки А4 в положение "О".

• Поверните регулировочную рукоятку источника G2 против часовой стрелки до упора.

• Отключите источник G2 нажатием кнопки "ОТКЛ." и отключением выключателя "СЕТЬ".

• Изменяя положение регулировочных рукояток реостата A3, одинаково изменяйте сопротивление r_f ero фаз и заносите их и показания указателя Р1 в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

rf, Ом
n, мин^–1

* По завершении эксперимента отключите выключатель А2 нажатием на кнопку "ОТКЛ." и отключением выключателя "СЕТЬ", отключите источник G1 нажатием на кнопку - гриб, и последующим отключением ключа — выключателя.

• Вычислите механический момент М двигателя Ml для каждого значения тока I_а из табл. 1 по эмпирической формуле

и занесите его в таблицу 1.4.

Таблица 1.4

М,Н^.м
n, мин^–1

• Постройте характеристики n = f(I); n = f(rf) (табл. 1.2, 1.3);

• Постройте механическую характеристику n = f(M) (табл. 1.4).

Содержание отчета

1. Схема соединений АД с нагрузочным генератором и функциональными блоками.

2. Краткое описание порядка испытаний двигателя.

3. Таблица с результатами измерений и расчетов рабочих и механических характеристик двигателя.

4. Расчетные формулы с краткими пояснениями.

5. Графики характеристик n=f(M) n = f(I); n = f(r_f)с краткими выводами о характере изменения основных параметров режима при изменении нагрузки на валу двигателя.

6. Паспортные данные использованных в работе электрических машин.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Брускин Д.Э и др. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1990.

2. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 2000.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1966.

4. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М: Энергоиздат, 1982.

Дата добавления: 2015-07-10