Основні теоретичні положення. Трифазний асинхронний двигун - це електрична машина, у якій збуджується обертове магнітне поле, але ротор обертається асинхронно

Трифазний асинхронний двигун - це електрична машина, у якій збуджується обертове магнітне поле, але ротор обертається асинхронно, тобто з кутовою швидкістю, відмінною від кутової швидкості поля.

Основними частинами асинхронного двигуна (АД) є статор і ротор.

Статор являє собою полий циліндр, зібраний з листів електротехнічної сталі, які ізольовані один від одного шаром лаку (рис. 4.1, а). Три фазні обмотки, що утворюють обертове магнітне поле, розміщені в пазах статора. Кожна з фазних обмоток складається з котушок, намотаних ізольованим мідним дротом, а кожна котушка ділиться на секції, що вкладаються у відповідні пази (розподілена обмотка).

Ротор АД складається із закріпленого на валу циліндричного осердя з пазами (рис. 4.1, б). До валу, який обертається на підшипниках відносно статора, приєднується навантаження.

а б Рис. 4.1. Статор (а) і фазний ротор (б) асинхронного двигуна

Обмотка фазного ротора, як правило, виконується трифазною з тією ж кількістю котушок, що й обмотка статора. Три фазні обмотки ротора зазвичай з'єднуються зіркою, а вільні кінці приєднуються до трьох контактних кілець, що закріплені на валу та ізольовані від нього. По контактних кільцях ковзають щітки, забезпечуючи таким чином електричний контакт обмотки із зовнішнім колом. Якщо до обмотки ротора підключити трифазний реостат, то за допомогою нього можна плавно регулювати швидкість обертання. Крім того, застосування реостата дозволяє суттєво покращити пускові характеристики двигуна - зменшити пусковий струм і збільшити пусковий момент.

При подачі на обмотки статора трифазної напруги, в них почнуть протікати струми, які створюють фазні магнітні поля. Завдяки тому, що осі фазних обмоток зсунуті одна відносно одної на 120° (електричних), а фази струмів обмоток відрізняються на одну третю періоду, результуюче магнітне поле, залишаючись незмінним за амплітудою, обертається з частотою (об/хв)

* = ^, (4.1)

де /1 - частота напруг і струмів в обмотці статора; р - кількість пар полюсів обмотки.

При обертанні магнітного поля в обмотці кожної фази ротора, згідно закону електромагнітної індукції, наводиться ЕРС, діюче значення якої можна визначити за формулою

Е2 = 4,44/2 ^Ф шкоб 2, (4.2)

де /₂ - частота ЕРС, що індукується у роторі (частота ковзання); - кількість витків фазної обмотки; Ф_т - амплітудне значення магнітного потоку; к_об2 - обмотковий коефіцієнт роторної обмотки.

Під дією індукованих ЕРС в фазних обмотках ротора починають протікати струми, взаємодія яких з обертовим магнітним полем статора, спричиняє виникнення обертового моменту, який приводить ротор у рух.

Відставання частоти обертання ротора п₂ від частоти обертання магнітного поля статора п₁ прийнято характеризувати ковзанням, що визначається відношенням

* = Пь-П2, (4.3)

^п1

тоді частоту ковзання можна визначити за формулою

^Л2 = Лз.

З формули (4.2) видно, що чим швидше обертається ротор, тим менша індукується ЕРС, а отже і менші струми протікають в його фазних обмотках. Обертовий момент АД пропорційний добутку потоку обертового магнітного поля і струму в обмотці ротора,

^М = Ш2Р^2^коб2^Фт¹2 ^С°⁸ Ф2^{, (4 4)}

де m₂ - число фаз ротора; І₂ - струм ротора; ф₂ - кут зсуву фаз між струмом та ЕРС ротора. З наближенням частоти обертання ротора до частоти обертання магнітного поля струм І₂, а отже і момент двигуна М прямує до нуля.

При роботі АД споживає із мережі активну потужність

Р₁ = cos ф₁,

де U₁ - фазна напруга; Іі - фазний струм статора; фі - кут зсуву фаз між струмом та напругою статора.

Корисна потужність Р₂ менша за споживану Р₁ на величину втрат, які поділяються на електричні, магнітні та механічні.

Електричні втрати спостерігаються в провідниках обмоток статора і ротора, на перехідному опорі між щітками та контактними кільцями й спричиняють їх нагрівання.

Завдяки тому, що частота струму f₂ у роторі при номінальному ковзанні мала (1-3 Гц), магнітні втрати (на гістерезис та вихрові струми) у осерді ротора незначні. Практично прийнято враховувати тільки магнітні втрати у осерді статора.

Потужність механічних втрат складається з втрат на тертя у підшипниках, щітках, втрат на охолодження двигуна, тощо.

Основною енергетичною характеристикою АД є ККД, який визначається відношенням корисної потужності Р₂ на валу до споживаної активної потужності Р₁

Р?

Л = . (4.5)

^Р1

Механічною характеристикою АД називають залежність частоти обертання ротора від навантаження на валу n₂ (М_н). При виборі двигуна для приводу промислового механізму обирають такий двигун, механічна характеристика якого задовольняє умовам роботи механізму. Механічна характеристика, що відноситься до нормальних умов роботи двигуна, називається природною на відміну від штучної механічної характеристики, яка матиме місце у випадку, наприклад, вмикання в коло фазного ротора реостата.

	Щ /

	/X /Х^сс
		^ М
'У/		Л

Иг, об/хв Рі '1600 Вт

1600 ,) 2000 А,Вт

М. Н-м

СОБф, Л'*⁵ 0,8

л,А 16 14 12 10 8 6 4 2 0

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД

Рис. 4.2. Робочі характеристики асинхронного двигуна Залежності частоти обертання ротора п₂, обертового моменту М, коефіцієнту потужності ^ф, ККД П, споживаної двигуном потужності Р\, струму статора /₁, ковзання ^ від корисної потужності Р₂ на валу прийнято називати робочими характеристиками двигуна. Всі робочі характеристики знімаються при номінальній частоті та напрузі живлення. Типові робочі характеристики АД представлені на рис. 4.2.

Проведення дослідів

^^ 1. Для випробовування асинхронного двигуна скласти схему, показану на рис. 4.3.

Схема містить трифазний асинхронний двигун з фазним ротором М, комплект вимірювальних приладів К50 (А₁, У₁, для визначення лінійних напруг, струмів та фазних потужностей. Пускові реостати Я₂ приєднуються до фазних обмоток ротора двигуна. Вимикачі QF1, QF2 призначені відповідно для подачі живлення на обмотки статора та замикання накоротко фазних обмоток ротора.

Генератор постійного струму G використовується як навантаження. Вимірювальні прилади (А₂, У₂) призначені для вимірювання відповідно струму навантаження й напруги на затискачах якірної обмотки Я1, Я2. До затискачів Ш1, Ш2 обмотки збудження ЬИЄ подається живлення від джерела постійного струму 220 В через автоматичний вимикач QF3.

Тахогенератор BR з вольтметром У₃ призначені для визначення частоти обертання ротора двигуна. Всі три машини М, G, BR з'єднані між собою механічно.

Рис. 4.3. Схема лабораторної установки

2. Записати паспортні дані досліджуваних машин у табл. 4.1. Таблиця 4.1

Паспортні дані	Результати обчислень
Найменування машини	Тип	^Рном> кВт	^нс^ В	-^1ном^, А	^нс^ об/хв	cosф	п	П1, об/хв	-^Мном^, Нм	Р
Двигун
Генератор

3. Розімкнувши вимикач QF2, ввести повний опір пускових реостатів Я₂ в коло роторних обмоток.

4. Для знімання природної характеристики, не збуджуючи генератор постійного струму G, ввімкнути вимикач QF1. Після того, як статорні обмотки двигуна будуть приєднані до джерела живлення, замкнути обмотки ротора (ввімкнути вимикач QF2). Зняти покази приладів при роботі двигуна в режимі холостого ходу (0).

Таблиця 4.2

Дані спостережень

Результати обчислень

Режим

Двигун

Генератор

«2, об/хв

иіл, В

Ііл, А

Ріф, Вт

и_т, В

Іг, А

Рі, Вт

Р2, Вт

cosф

М, Н м

Природна характеристика (Яду_ск — 0)

Штучна характеристика (Я_пу_ск — Я2)

Відмітки викладача

Оцінка

Підпис

постійного струму G (розімкнути QF3), зняти покази приладів при роботі двигуна в режимі холостого ходу (0). Увімкнувши вимикач QF3, приєднати обмотку збудження генератора ЬИЄ до джерела постійного струму. Змінюючи опір реостата Я\, встановити необхідне навантаження двигуна. Результати дослідів записати в табл. 4.2.

ном

номінальний момент двигуна М_ном =

^п2ном

частоту обертання магнітного поля статора щ. Результати занести у відповідні колонки таблиці 4.1.

(J)Частота обертання магнітного поля статора залежить від частоти стуму в обмотці та кількості пар полюсів (4.1). При частоті f = 50 Гц ряд частот (об/хв): 3000, 1500, 1000, 750, 600 і т.д. З ряду потрібно обрати найближчу до частоти обертання ротора п_2ном (більшу) частоту. Маючи

60 f

частоту обертання поля, кількість пар полюсів р =------------ .

ⁿ1

2. Розрахувати такі величини:

- підведену до двигуна потужність Р\ = 3Р₁₍ф;

- потужність навантаження на валу двигуна Р2 = ^U^{г г} (Лг = 0,85);

Лг

- коефіцієнт потужності двигуна cos ф = _Г ^P---------- ;

^^3и1л ^І\л

- ковзання (4.3);

^ 955Р₂

Опрацювання результатів дослідів 1. За паспортними даними двигуна визначити: 9,55Р

- момент двигуна М =--------- ²;

ⁿ2

ККД двигуна (4.5). Результати занести у відповідні колонки табл. 4.2. 3. Побудувати робочі характеристики АД для випадку, коли

Ядуск 0.

4. Побудувати природну і штучну механічні характеристики АД, порівняти їх і зробити висновки.

горизонтальній осі (абсцис) відкладається момент М, по вертикальній осі (ординат) оберти ротора п₂ з відповідних колонок табл. 4.2.

Контрольні запитання

1. Пояснити будову та принцип дії АД з фазним ротором.

2. Від чого залежить частота обертання магнітного поля статора?

3. Що таке ковзання і як воно впливає на величину ЕРС та струму ротора?

4. Чому частота обертання ротора АД менша за частоту обертання магнітного поля?

5. Що називається механічною характеристикою двигуна?

6. Пояснити призначення реостатів у колі фазного ротора.

7. Пояснити робочі характеристики АД.

Лабораторна робота № 5ДОСЛІДЖЕННЯ ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ПАРАЛЕЛЬНИМ ЗБУДЖЕННЯМ

Мета роботи

• Провести експериментальні дослідження двигуна постійного струму з паралельним збудженням.

• На підставі проведених досліджень побудувати робочі, механічні, електромеханічні та регулювальні характеристики двигуна постійного струму.