Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
С.А. Микаева
Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением
обмоток типа «Звезда»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Москва 2011
УДК
ББК
Рекомендовано к изданию в качестве учебно-методического пособия редакционно-издательским советом МГУПИ
Рецензенты:
Д.т.н., профессор – Филинов В.В. (МГУПИ)
ст. преподаватель – Щеглов В.А. (МГУПИ)
Микаева С.А.
Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа «Звезда»: учебно-методическое пособие. - М.: МГУПИ, 2011.- 25 с.
Рассматриваются вопросы устройства, принципа действия, рабочие и механические характеристики асинхронного двигателя.
Учебно-методическое пособие предназначено для специалистов в области приборостроения и радиоэлектроники, инженерно-технических и научных работников, занятых разработкой, производством и применением электрических машин, а также студентов специальности «Приборостроения и радиоэлектроники (ПР)».
Цель работы:
Ознакомиться с устройством, принципом действия трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа «Звезда», овладеть навыками работы с электрическими машинами. Снять основные характеристики двигателя.
Требуемое оборудование:
Модульный учебный комплекс МУК-ЭП1
1. Краткое теоретическое введение.
Двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую с целью приведения в действие исполнительного механизма.
Генератор предназначен для преобразования механической энергии в электрическую с целью питания различных электрических устройств.
Любая электрическая машина (генератор, двигатель) имеет две основные части: неподвижный статор и вращающийся ротор, которые содержат магнитопровод и обмотки. В машинах постоянного тока ротор называется якорем (Я), а обмотка статора называется обмоткой возбуждения (ОВ).
Асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии 3-х фазного переменного тока в механическую энергию. Асинхронный двигатель (рис. 1а.) состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора.
Статор (рис. 1б.) представляет собой полый цилиндр, составленный из изолированных листов электротехнической стали в форме колец, со штампованными пазами с внутренней стороны, в которые укладывается 3-х фазная статорная обмотка, оси которых смещены относительно друг друга на 120°, 60°, 40° в зависимости от количества катушек.
Ротор представляет собой также цилиндр, составленный из листовой электротехнической стали в форме колец, с пазами на их внешней поверхности, в которые укладывается роторная обмотка. В зависимости от ее устройства различают:
1) короткозамкнутый ротор (рис. 1в.) - обмотка короткозамкнутого ротора (рис. 1г.) выполняется в виде беличьего колеса и состоит из уложенных в пазы неизолированных стержней, которые по обеим сторонам замыкаются на кольца;
2) фазный ротор (ротор с контактными кольцами) (рис. 1д.) - обмотка фазного ротора 1 выполняется 3-х фазной, концы которой выводятся на контактные кольца 2 и подключаются к 3-х фазному реостату.
а) б)
в)г)д)
Рис. 1.
В большинстве случаев используется двигатель с короткозамкнутым ротором, как более простой и компактный. Двигатель с фазным ротором используется в тяжелых пусковых условиях, в частности в подъемных устройствах, а также в исполнительных механизмах, использующих широкий диапазон частот вращения.
Обмотки статора соединяются «звездой» или «треугольником» и включаются в сеть 3-х фазного тока. В результате в них потекут 3-х фазные токи, которые создадут вращающееся магнитное поле.
Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора пересекают проводники ротора и индуцируют в них электродвижущую силу (ЭДС), а так как обмотка ротора замкнута, то в ее проводниках возникают токи.
Взаимодействие вращающегося магнитного потока с токами ротора создает электромагнитный вращающий момент МВР вращающий ротор двигателя.
Под действием этого момента ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поле Ф. Скорость вращения ротора n2 всегда меньше скорости вращения поля n1, так как только в этом случае возможно индуцирование тока в проводниках обмотки ротора и возникновение вращающегося момента.
Скорость вращающегося магнитного поля n1 определяется как
n1 = , (1)
где p - число пар полюсов вращающегося магнитного поля;
ƒ - частота тока статора.
Разность (n1–n2) называется скоростью скольжения, а отношение этой скорости к скорости вращения магнитного поля называется скольжением:
s= (2)
или
= * 100% (3)
где n2 - скорость вращения ротора.
Скольжение характеризует степень отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля. При номинальной нагрузке скольжение у двигателей в среднем составляет 1,5-5%.
Подключение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором к сети.
Обычно выводы всех фаз обмотки статора двигателя расположены в коробке зажимов. Схема присоединения обмоток к зажимам колодки показана на рис. 2а., включение обмоток по схеме «звезда» и соединение выводов зажимов - рис. 2б., включение обмоток по схеме «треугольник» и соединение выводов зажимов рис. 2в.
Рис. 2.
Пуск двигателя в ход. При прямом включении обмоток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в сеть наблюдается большой скачок тока, в 6-8 раз превышающий его номинальный ток. Это вызывает заметную перегрузку в электрической сети, от которой осуществляется питание двигателя и других близлежащих потребителей.
Для ограничения пускового тока при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором применяют 3 способа:
1 способ - переключение обмотки статора со схемы звезда на схему треугольник. Этот способ применим для двигателей, у которых обмотка статора при нормальной работе соединена треугольником. В момент пуска обмотка статора посредством переключающего устройства соединяется по схеме звезда, а после запуска - по схеме треугольник. При этом линейный пусковой ток двигателя уменьшается в √3 раза.
2 способ - пуск посредством автотрансформатора, позволяющий понижать подводимое к двигателю напряжение во время пуска, вследствие чего уменьшается пусковой ток.
3 способ – применение специальных электронных устройств – устройств плавного пуска и частотных преобразователей.
Недостаток первых двух методов - уменьшение пускового напряжения и, как следствие, пускового момента.
Реверсирование двигателя.
Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Это достигается переключением двух фаз (двух любых подводящих электрическую энергию проводов на зажимах двигателя).
Рабочие характеристики асинхронного двигателя.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимость скорости вращения n2, коэффициента полезного действия η, коэффициента мощности cosφ, скольжения s, вращающего момента M и тока в цепи статора I1 от нагрузки (полезной мощности) на валу двигателя P2 при постоянном номинальном напряжении и неизменной частоте сети (рис. 3.).
Основной характеристикой двигателя является зависимость частоты вращения ротора от момента сопротивления на валу (от нагрузки), т.е. механическая характеристика. Рабочими характеристиками двигателя являются зависимости:
М = f1(Р2); I1 = f2(Р2); Соs1 = f3(Р2);
= f4(Р2); n2=f5(Р2); (4)
Рис. 3.
При построении рабочих характеристик используются соотношения:
Р2 = 0,104 * М * n2; = Р2/Р1 * 100 % ; cos 1 = P1/( 3 * U1 * I1); (5)
где: Р2 - полезная механическая мощность на валу;
Р1 - мощность, потребляемая из сети;
I1 - линейный ток, потребляемый двигателем из сети;
М - момент на валу;
Сos1 - коэффициент мощности двигателя;
- КПД двигателя;
U1 - линейное напряжение сети.
У асинхронного двигателя, как и у большинства машин, коэффициент полезного действия (КПД) с ростом нагрузки возрастает η=ƒ(Р2), ввиду уменьшения доли электрических и магнитных потерь по отношению к развиваемой мощности двигателя. Однако, при достижении нагрузки 75% от номинальной, заметно возрастают и электрические потери (в обмотках статора и ротора), пропорциональные квадрату тока потребляемого двигателем, что ведет в дальнейшем с увеличением нагрузки к некоторому уменьшению КПД.
Коэффициент мощности cosφ зависит от соотношения между активной мощностью Р1, потребляемой двигателем, и полной мощностью S, складывающейся из активной Р1 и реактивной Q составляющих:
cosφ = (6)
При увеличении нагрузки растет величина активной мощности Р1, что приводит к росту cosφ, достигающего максимального значения (0,7-0,9) при номинальной нагрузке на двигатель. В дальнейшем возможно уменьшение cosφ, в связи с увеличением реактивной мощности, связанной с усилением потоков рассеяния.
Механическая характеристика и саморегулирование двигателя.
График, связывающий между собой механические величины - скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 4.) n=ƒ(M). Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скорость n1 и вращающий момент М1. При равномерном вращении этот момент равен тормозному моменту Мт1, т.е.
М1=Мт1, n1= const.
Рис. 4.
Увеличение тормозного момента до Мт2, вызовет уменьшение оборотов машины, так как тормозной момент станет больше вращающего момента.
С уменьшением оборотов увеличивается скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание ЭДС и тока в роторе. Благодаря этому увеличивается вращающий момент двигателя.
Этот процесс заканчивается тогда, когда вращающий момент М2, развиваемый двигателем, станет равным Мт2. При этом, устанавливается скорость вращения меньшая, чем n1. Свойство автоматического установления равновесия между тормозным и вращающим моментами называется саморегулированием.
Момент сопротивления (тормозящий момент) на валу двигателя создается генератором постоянного тока (ГПТ).
При питании ОВ генератора от постоянного источника возникает ток возбуждения IВ, создающий основное магнитное поле машины Ф.
Чаще всего используют два способа включения ОВ - к независимому источнику питания (независимое возбуждение) и параллельно цепи якоря генератора (параллельное возбуждение).
Вал якоря ГПТ, будучи соединенным с валом асинхронного двигателя, приводится им во вращение, в результате чего индуцируется в обмотках якоря ЭДС Е, а на выходе генератора появляется напряжение U, питающее нагрузку генератора, ток цепи якоря Iя взаимодействует с магнитным полем возбуждения Ф и создает тормозящий момент М:
М = СМ * Ф * IЯ (7)
где: СМ - конструктивный коэффициент машины.
Величина тормозящего момента зависит от величины нагрузки генератора и, следовательно, от IЯ и от тока возбуждения IВ, создающего магнитный поток Ф.
Основные характеристики генератора:
а) характеристика холостого хода: Е = f6(IВ);
б) внешняя характеристика: U = f7(I);
где: I - ток в нагрузке генератора.
2. Методика эксперимента.
В соответствии со стандартами на испытание двигателей создать нагрузку на валу можно тарированным двигателем постоянного тока, работающем в режиме генератора. В этом случае полезную мощность P2 можно рассчитать как:
(8)
где PЭЛ – электрическая мощность, выделяемая в нагрузке;
ηГ – КПД генератора постоянного тока;
UГ – напряжение на нагрузке генератора;
IГ – ток нагрузки генератора.
Кривая КПД, как функция полезной мощности от коэффициента нагрузки β=PЭЛ/PЭЛ (PЭЛн – номинальное значение электрической мощности), представлена на рис. 5. Возрастание кривой КПД при малых значениях полезной мощности объясняется низкими значениями потерь короткого замыкания. С ростом нагрузки влияние потерь короткого замыкания возрастает (эти потери зависят от квадрата тока нагрузки), и рост КПД замедляется.
После достижения максимального значения КПД уменьшается и становится равным нулю в режиме короткого замыкания. В генераторах постоянного тока максимальное значение КПД достигается, как правило, при β=0.7…0.8.
Максимальное значение коэффициента полезного действия машин постоянного тока мощностью более 10 кВт составляет 0,85…0,96, причём большие значения соответствуют машинам большей мощности. У машин мощностью до 50 Вт он существенно меньше и составляет всего 0,15…0,5.
В первом приближении можно считать, что КПД нагружаемого генератора постоянно и равно 0,7. Такое допущение приведет к значительной ошибке определения полезной мощности на валу только в режимах, близких к режиму холостого хода (расчетное значение P2 будет занижено).
Рис. 5.
С увеличением нагрузки эта ошибка будет уменьшаться.
Исследование режимов работы асинхронного двигателя проводятся на модульном учебном комплексе МУК-ЭП1, который состоит из:
− блока питания двигателя постоянного тока БПП1;
− блока питания асинхронного двигателя БПА1;
− электромашинного агрегата МА1-АП.
В качестве исследуемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором использован АИР63А4 (220 В, 0.25 кВт, 1395 об./мин.). Автоматическая коммутация обмоток двигателя и подключение измерительных приборов к нему осуществляется в блоке БПА1.
В качестве нагрузки использован двигатель постоянного тока ПЛ073У3 (220 В, 180 Вт, 1500 об./мин.). Автоматическая коммутация обмоток двигателя и подключение измерительных приборов осуществляется в блоке БПП1.
При работе с комплексом МУК-ЭП1 необходимо соблюдать следующую инструкцию.
Работа с БПА1.
Включите БПА1 в сеть. Установите нажатием кнопки «Звезда» соответствующий режим коммутации обмотки асинхронного двигателя и измерительных приборов. Включение питания обмоток АД осуществляется нажатием кнопки «Пуск/Стоп». Отключение режима двигателя осуществляется повторным нажатием кнопки «Пуск/Стоп».
Регулировка частоты сети при внешнем управлении осуществляется регулятором FИНВ.
Внимание: Запуск АД должен осуществляться при отсутствии нагрузки на валу.
Работа с БПП1.
Включите БПП1 в сеть. Установите нажатием кнопки «Торможение» соответствующий режим коммутации обмоток двигателя постоянного тока и измерительных приборов. Для запуска ДПТ в режиме торможения необходимо в блоке БПП1 нажать кнопку «Пуск/Стоп». Остановка ДПТ осуществляется повторным нажатием кнопки «Пуск/Стоп».
Работа с тахометром.
Измерение частоты вращения производится при помощи тахометра, который расположен в электромашинном агрегате МА1-АП. В случае возникновения аварийной ситуации нажмите кнопку аварийного останова типа «Грибок», расположенной на передней панели машинного агрегата МА1-АП.
Схема работы комплекса после коммутации блоков представлена на рис. 6.
Рис. 6.
Порядок выполнения работы.
Таблица 1.
|
№ |
Измерения |
Вычисления |
|||||||||||
|
опыта |
Rн |
Iд |
Uд |
S |
P |
n2 |
Iя |
P1 |
P2 |
M |
S |
Cosφ |
η |
|
1 |
3.0 |
||||||||||||
|
2 |
1.0 |
||||||||||||
|
3 |
0.5 |
||||||||||||
|
4 |
0.38 |
||||||||||||
|
5 |
0.3 |
||||||||||||
|
6 |
0.25 |
||||||||||||
|
7 |
0.23 |
Таблица 2.
|
№ |
Измерения |
Вычисления |
|||||||||||
|
опыта |
Rн |
Iд |
Uд |
S |
P |
n2 |
Iя |
P1 |
P2 |
M |
S |
Cosφ |
η |
|
1 |
3.0 |
||||||||||||
|
2 |
1.0 |
||||||||||||
|
3 |
0.5 |
||||||||||||
|
4 |
0.38 |
||||||||||||
|
5 |
0.3 |
||||||||||||
|
6 |
0.25 |
||||||||||||
|
7 |
0.23 |
Таблица 3.
|
№ |
Измерения |
Вычисления |
|||||||||||
|
опыта |
Rн |
Iд |
Uд |
S |
P |
n2 |
Iя |
P1 |
P2 |
M |
S |
Cosφ |
η |
|
1 |
3.0 |
||||||||||||
|
2 |
1.0 |
||||||||||||
|
3 |
0.5 |
||||||||||||
|
4 |
0.38 |
||||||||||||
|
5 |
0.3 |
||||||||||||
|
6 |
0.25 |
||||||||||||
|
7 |
0.23 |
|
Студент________________________ |
Выполнено _______________ |
|
Группа _______________________ |
Оформлено _______________ |
|
Курс ___________________________ |
Сдано _______________ |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением
обмоток типа «Звезда»
Результаты измерений и вычислений
Таблица 1.
|
№ |
Измерения |
Вычисления |
|||||||||||
|
опыта |
Rн |
Iд |
Uд |
S |
P |
n2 |
Iя |
P1 |
P2 |
M |
S |
Cosφ |
η |
|
1 |
3.0 |
||||||||||||
|
2 |
1.0 |
||||||||||||
|
3 |
0.5 |
||||||||||||
|
4 |
0.38 |
||||||||||||
|
5 |
0.3 |
||||||||||||
|
6 |
0.25 |
||||||||||||
|
7 |
0.23 |
n1= f=30Гц
Таблица 2.
|
№ |
Измерения |
Вычисления |
|||||||||||
|
опыта |
Rн |
Iд |
Uд |
S |
P |
n2 |
Iя |
P1 |
P2 |
M |
S |
Cosφ |
η |
|
1 |
3.0 |
||||||||||||
|
2 |
1.0 |
||||||||||||
|
3 |
0.5 |
||||||||||||
|
4 |
0.38 |
||||||||||||
|
5 |
0.3 |
||||||||||||
|
6 |
0.25 |
||||||||||||
|
7 |
0.23 |
n1= f=40Гц
Таблица 3.
|
№ |
Измерения |
Вычисления |
|||||||||||
|
опыта |
Rн |
Iд |
Uд |
S |
P |
n2 |
Iя |
P1 |
P2 |
M |
S |
Cosφ |
η |
|
1 |
3.0 |
||||||||||||
|
2 |
1.0 |
||||||||||||
|
3 |
0.5 |
||||||||||||
|
4 |
0.38 |
||||||||||||
|
5 |
0.3 |
||||||||||||
|
6 |
0.25 |
||||||||||||
|
7 |
0.23 |
n1= f=50Гц
Расчетные формулы:
, P1=3P, , ,
,
Графики полученных зависимостей
|
Механические характеристики |
Рабочие характеристики
двигателя
Выводы по работе: ____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Вопросы для самоподготовки.
1. Каким выражением определяется скорость вращения магнитного поля асинхронного двигателя?
2. Как можно изменить скорость вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя и скорость вращения ротора?
3. В каком соотношении находятся скорость вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя и скорость вращения ротора?
4. Каким выражением определяется скорость скольжения асинхронного двигателя?
5. Каким выражением определяется скольжение асинхронного двигателя?
6. Что называется критическим скольжением асинхронного двигателя?
7. Как изменится величина критического скольжения асинхронного двигателя при введении в цепь ротора дополнительного сопротивления?
8. Зависит ли критическое скольжение от напряжения, подводимого к статору асинхронного двигателя?
9. Чему равно скольжение асинхронного двигателя при пуске?
10. Как изменится величина скольжения асинхронного двигателя при возрастании нагрузки?
11. Каким выражением определяется момент асинхронного двигателя?
12. Что называется механической характеристикой асинхронного двигателя?
13. Изобразите график механической характеристики двигателя.
14. В каких пределах изменяется скольжение двигателя при изменении скорости ротора от нуля до номинальной?
15. Какая часть механической характеристики асинхронного двигателя является рабочей?
16. Какая часть механической характеристики асинхронного двигателя является устойчивой, а какая неустойчивой?
17. Изобразите механическую характеристику асинхронного двигателя при номинальном напряжении и при пониженном напряжении.
18. Как изменится критический момент при введении в цепь ротора дополнительного сопротивления?
19. Как можно изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя?
20. Как можно уменьшить величину пускового тока двигателя (с короткозамкнутым ротором, с фазным ротором)?
21. Как изменяется пусковой ток и пусковой момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при уменьшении напряжения, подводимого к обмотке статора?
22. Как влияет введение добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя с фазным ротором на величину пускового момента?
23. Изобразите естественную механическую характеристику двигателя с короткозамкнутым ротором и искусственные характеристики при изменении частоты (увеличении и уменьшении) и изменении числа пар полюсов обмотки статора (увеличении и уменьшении).
24. Изобразите естественную механическую характеристику двигателя с фазным ротором и искусственную, при введении в цепь ротора добавочного сопротивления.
25. Как влияет на скорость вращения двигателя введение добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя с фазным ротором, если нагрузка двигателя остается неизменной?
26. Как изменяется асинхронного двигателя при увеличения нагрузки двигателя от нуля до номинальной?
27. В каком режиме асинхронного двигателя имеет наименьшее значение?
28. В каком режиме имеет наибольшее значение?
Подготовка к зачёту.
Вопросы зачётных ответов приведены ниже. Для ответов на эти вопросы необходимо ознакомиться с краткими теоретическими сведениями настоящего описания, а также проработать по учебнику раздел, относящийся к регулировочной характеристике генератора постоянного тока: определение, условие её снятия, вид характеристики.
Зачётные вопросы.
1. Каким выражением определяется ЭДС генератора постоянного тока?
2. Как практически можно изменить ЭДС генератора постоянного тока?
3. Как изменится ЭДС генератора при увеличении тока возбуждения?
4. Зависит ли направление ЭДС генератора от направления вращения якоря?
5. Изобразите схемы генераторов постоянного тока независимого, параллельного и смешанного возбуждения. Для каждого случая покажите на схеме направления ЭДС, токов всех цепей, напряжения на зажимах машины.
6. Запишите уравнение электрического состояния цепи якоря генератора параллельного возбуждения.
7. Какая величина больше у генератора постоянного тока: ЭДС или напряжение на зажимах?
8. Запишите соотношения, которыми связаны между собой токи якоря, возбуждения и нагрузки для генераторов независимого и параллельного возбуждения.
9. Что является источником питания обмотки возбуждения у генераторов с самовозбуждением?
10. Перечислите типы генераторов, которые работают по типу самовозбуждения.
11. Влияет ли полярность присоединения концов обмотки возбуждения на самовозбуждение генератора?
12. Что называется характеристикой холостого хода генератора постоянного тока?
13. Изобразите характеристику холостого хода генератора с самовозбуждением.
14. Что называется внешней характеристикой генератора постоянного тока?
15. Изобразите внешние характеристики генераторов независимого и параллельного возбуждения.
16. Что называется регулировочной характеристикой генератора постоянного тока? При каких условиях она снимается?
17. Каким образом можно поддержать постоянным напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения при увеличении нагрузки?