ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО
ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИй УНИВЕРСИТЕТ
.
Кафедра «Электротехника»
дисциплина “Электрические машины ” для направления 140600
«Электротехника, электромеханика и электротехнологии»
Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Ижевск 2008
Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Изучить устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Изучить устройство, принцип действия и назначения реверсивного магнитного пускателя.
Испытать асинхронный двигатель в режиме холостого хода.
Испытать асинхронный двигатель в режиме нагрузки с помощью электромагнитного тормоза. Экспериментально снять механическую характеристику n(М), зависимость механического момента на валу двигателя от скольжения n(s), рабочие характеристики асинхронного двигателя n(P2),
s (P2), M (P2), cos φ1(P2), η (P2), Р1( Р2), I1(Р2)
5. Выполнить теоретическое задание.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Асинхронной машиной переменного тока называется такая машина, скорость вращения которой при заданной частоте зависит от нагрузки. Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть - ротором. Сердечники статора и ротора собираются из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным лаком. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется также первичной обмоткой. По способу исполнения ротора асинхронные машины делятся на:
с фазным;
с короткозамкнутым.
В первом случае на роторе имеется обмотка, выполненная по типутрехфазной обмотки настаторе. Обмотки роторов обычно соединяются в звезду, а концы выводятся наружу через контактные кольца и щетки напусковой реостат. Во втором случае асинхронные машины, в основном, выполняютсяв следующих модификациях: с беличьей клеткой на роторе; глубокопазные; с двойкой беличьей клеткой на роторе или двухклеточные. Все эти виды машин отличаются друг от друга пусковыми свойствами.
Работа асинхронной машины в режиме двигателя заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует в обмотке ротора ЗДС. Если цепь ротора замкнута, то по ней будет протекать ток и в двигателе образуется общий магнитный поток статора и ротора. В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы и вращающийся электромагнитный момент.
Асинхронная машина является универсальным преобразователем. При определенных условиях он может работать в качестве двигателя, генератора, электромагнитного тормоза, индукционного регулятора, фазорегулятора и преобразователя частоты. Рассмотрим основные характеристики асинхронной машины, работающей в режиме двигателя.
Трехфазный асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, которую используют для привода рабочих машин.
Частота вращения магнитного поля статора асинхронной машины при неизменной частоте сети:
об/мин , (1)
где 
р – число пар полюсов асинхронной машины;
При холостом ходе частота вращения становится почти равной частоте вращения магнитного поля 
, но не достигнет ее, так как при
электромагнитное воздействие межу статором и ротором отсутствует. Асинхронная машина работает в двигательном режиме в пределах изменения частоты вращения от
в момент пуска до
. Величина 
, равная 
= + I до 
≈ 0. Количественная оценка режима нагрузки асинхронного двигателя осуществляется с помощью рабочих характеристик, под которыми понимают зависимости 
, n, M, η и cos1, при U1 = const и
f = const от полезной мощности Р2.
Типичные рабочие характеристики асинхронного двигателя приведены на рис.1.
Рис.1
Зависимость 
называется скоростной характеристикой. При холостом ходе, когда
скорость вращения
, т.е. близка к синхронной (скольжение близко к нулю). С увеличением нагрузки скорость вращения уменьшается, скольжение растет соответственно соотношению 
. Для обеспечения достаточно высокого КПД это отношение ограничивается узкими пределами.
Обычно при 
скольжение 
= 0.02 …0.05 соответственно зависимость 
Магнитная цепь двигателя имеет воздушный зазор, поэтому ток статора имеет сравнительно большую реактивную составляющую. Коэффициент мощности 
асинхронного двигателя всегда меньше единицы. Наибольшее его значение соответствует номинальной нагрузке. При малых нагрузках cos убывает, достигая при холостом ходе значение 0,15 ÷ 0,2. Недогруженный асинхронный двигатель имеет низкий коэффициент мощности, что является существенным его недостатком. Объясняется это тем, что реактивная составляющая тока статора почти не зависит от нагрузки. При перегрузках 
также снижается вследствие увеличения частоты тока и индуктивного сопротивления ротора.
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя
имеет максимальное значение при номинальной или близкой к ней нагрузке
.При этом он достаточно высок. У мощных двигателей его максимум достигает 0,9 ÷ 0,97; у двигателей небольших мощностей обычные величины 0,7 ÷ 0,8. При нагрузках 
= (0,25 ÷ 1,25)
изменений КПД незначительно. Это означает, что в широком диапазоне нагрузки двигатель работает экономично с КПД, близким к максимальному.
На рис.2 представлена зависимость вращающего момента двигателя в функции от скольжения.
Для приближенного анализа можно пренебречь падением напряжения в статоре и считать ЭДС статора 
– напряжение сети. Формулу момента можно получить, что
(2)
Преобразуем 
, (3)
где 
.
Потери мощности в роторе, выраженные через электрические потери, определяются как
(4)
Приравняем (3) и (4) и получим
Из схемы замещения асинхронного двигателя
, 
(6)
где 
Подставив (6) в выражение (5) получим
(7)
В этой формуле единственной переменной является скольжение. Подставляя в (7) значения скольжения от 1 до нуля, построим зависимость
на экстремум, т.е. взяв производную
и приравняв её нулю, получим значения для двух экстремальных точек момента и скольжения: 
, (8)
, (9)
причем знак “плюс” здесь относится к области скольжений 
>0, а знак “минус” – к области 
< 0
Максимальный момент 
и соответствующее ему скольжение, называются критическими.
Если разделить выражение (7) на (8) и выполнить несложные преобразования, то можно получить другую, более удобную форму записи для построения механической характеристики
, (10)
где 
.
В некоторых случаях используются приближенные формулы, позволяющие, с достаточной степенью точности, построить механические характеристики асинхронного двигателя. Если принять активное сопротивление ротора равным нулю, выражение (10), (8) и (9) примут соответственно вид
(11)
(12)
(13)
На рис.3 представлен график, связывающий между собой две механические величины – вращающий момент, развеваемый асинхронным двигателем, и скорость вращения. Эта механическая характеристика асинхронного двигателя.
Механическая характеристика является основной характеристикой любого электрического двигателя, определяющей его эксплуатационные возможности. Для каждого асинхронного двигателя может быть определен номинальный режим, т.е. режим длительной работы, при которой двигатель не перегревается сверх установленной температуры. Ему соответствует номинальный момент 
номинальное скольжение
, номинальная частота вращения
. Отношение максимального момента к номинальному
называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя.
Отношение пускового момента 
, развиваемого двигателем в неподвижном состоянии, т.е. при
, к номинальному моменту
называется кратностью пускового момента.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Рис.4. Схема электрическая функциональная
Экспериментальные исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором проводиться на стенде
(рис .4,5), который содержит следующие оборудование: автоматический выключатель АП, реверсивный магнитный пускатель МП, асинхронный двигатель АД, управляемый выпрямитель УВ, электромагнитный тормоз ЭМТ и тахогенератор постоянного тока ТГ.
Питание стенда осуществляется от четырехпроводной сети трехфазного напряжения (UΛ = 380 В, f = 50 Гц). Для защиты асинхронного двигателя АД от коротких замыканий и перегрузок в длительном режиме работы служит автоматический выключатель АП. Управление двигателем осуществляется с помощью реверсивного пускателя МП, который содержит кнопочную станцию (кнС – кнопка "Стоп", кнВ – кнопка "Вперед", кнН – кнопка "Назад"), а также контакторы для управления двигателем: В – в положении "Вперед", Н – в положении "Назад". Через силовые контакты В и Н одноименных контакторов трехфазное напряжение цепи подается на статорные обмотки АД.
Асинхронный двигатель нагружается с помощью электромагнитного тормоза ЭМТ. Напряжение на электромагнитный тормоз подается через силовой контакт ВЭМТ контактора В одновременно с включением АД. Тепловое реле предохраняет ЭМТ от перегрузок потоку. Цепь питания ЭМТ содержит понижающий трансформатор Тр и управляемый выпрямитель УВ. Выходное напряжение с выпрямителя подается на обмотку электромагнитного
тормоза ЭМТ.
Рис.5. Схема принципиальная электрическая
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
Ознакомится с оборудованием и прибором экспериментальной установки. Занести технические характеристики приборов в таблицу 1.
Исследовать асинхронный двигатель в режиме холостого хода. Для этого необходимо:
установить ручку регулятора управляемого выпрямителя "Рег. UУВ" в нулевое положение и тумблер "S" – в положение "отключено";
нажатием кнопки "Вперед" магнитного пускателя осуществить запуск двигателя;
записать результаты измерений линейного напряжения U1 , линейного тока 
, потребляемый двигатель мощности Р1 и частоты вращения 
по соответствующим приборам.
Данные измерений
нажатием кнопки "Стоп" магнитного пускателя остановить двигатель.
3. Исследовать асинхронный двигатель в режиме нагрузки. Для этого необходимо:
нажатием кнопки "Вперед" магнитного пускателя осуществить запуск двигателя;
устанавливать тормозной момент М по шкале электромагнитного тормоза, проградуированной в Н.м, плавно изменяя напряжение ЭМТ с помощью ручки регулятора "Рег. UУВ";
записать результаты измерений линейного напряжения U1 линейного тока I1, потребляемой двигателем мощности Р1, частоты вращения мотора n и тормозного момента М в таблицу 3;
Таблица 1
| № п.п | Наимено- вание и тип прибора | Система | Класс точности | Род тока | Предел измере ния | Цена деле- ния |
| 1. 2. 3. |
Таблица 2
Режим холостого хода
| Измеренные величины | Вычисленные величинны | ||||||
| U1 | I1 | P0 | n | P | n0 | S0 | Cosφ0 |
| В | А | Вт | об/мин | об/мин | 0.е | 0.е | |
нажатием кнопки "Стоп" магнитного пускателя остановить двигатель, вывести ручку регулятора в нулевое положение.
Таблица 3
Режим нагрузки
| № опы-тов | Измеренные величины | Вычисленные величины | ||||||||
| U1 | I1 | P1 | n | M | P2 | S | cos φ | η | ||
| В | А | Вт | об/ мин | Н. м | Вт | |||||
| 1. 2. … 8. | ||||||||||
Обработка результатов опыта.
Используя данные опыта холостого хода (
), определить число пар полюсов асинхронного двигателя, округляя полученное значение до целого числа
,
где 
= 50 Гц – частота напряжения сети;
[об/мин]
Данные расчетов занести в таблицу 3;
,
где 
– значение частоты вращения ротора;
,
- механическую мощность на валу двигателя.
[Вт]
и коэффициент полезного действия асинхронного двигателя
Результаты расчетов занести в таблицы 3.
ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Построить характеристику M(s).
Построить механическую характеристику 
(M).
Построить рабочие характеристики асинхронного двигателя: n(P2), s (P2), M (P2), cos φ1(P2), η (P2), Р1(Р2), I1(Р2) при U1=const, f=const.
Выполнить задание.
4.1 .Записать формулы для определения критического скольжения и
максимального момента 
и дать их анализ.
4.2. Объяснить, почему асинхронные двигатели чувствительны к
понижению напряжения сети. Определить, на какую величину,
в процентном состоянии, понизится вращающий момент двига-
теля, если напряжение сети понизилось на 10 % ?
Начало и конец каждой из трех фаз обмотки статора выводятся на щиток асинхронной машины, где имеется шесть зажимов. К верхним зажимам С1, С2, С3 (начало фаз) подводятся три линейных провода от трехфазной цепи. Нижние зажимы С4, С5, С6 (концы фаз) либо соединяется в одну точку горизонтальными перемычками, либо каждый из этих зажимов соединяется вертикальной перемычкой с лежащим над ними верхним зажимом (С4-С1, С6-С2, С6-С3).
Начертить схему обмоток асинхронного двигателя с указанием маркировки зажимов, фазные обмотки которого образуют соединение
а) звездой, б) треугольником.
Определить, какое линейное напряжение должна иметь сеть при включении двигателя:
а) по схеме 
; б) по схеме 
, если фазная обмотка статора рассчитана на напряжение 220 В.
Дать определения свойства саморегулирования асинхронного двигателя и понятия жесткости механической характеристики. Определить точку неустойчивого равновесия (К), отметить ее на характеристике (рис.4), здесь же указать область неустойчивой работы двигателя. Дать определение опрокидывающего момента двигателя.
4.5. Описать последовательность срабатывания контактных элементов цепи управления и силовых цепей МП по схеме рис.5 при пуске и реверсировании асинхронного двигателя.
Объяснить устройство, принцип действия и назначение теплового реле РТ в схеме рис. 5.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Основные понятия об асинхронных машинах. Конструкция и принцип действия.
Вращающий момент асинхронной машины.
Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Пуск двигателя с фазным ротором.
Механические характеристики двигателя с фазным ротором при включении реостата в цепь ротора.
Работа асинхронной машины в генераторном и тормозном режимах.
Способы электрического торможения асинхронных двигателей: торможение противовключением, генераторное торможение, динамическое торможение.
Потери энергии и КПД асинхронного двигателя.
Рабочие характеристики и коэффициент мощности асинхронного двигателя.
Понятие о регулировании скорости асинхронного двигателя.
Способы регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Способы регулирования скорости асинхронного двигателя с фазным ротором.
Магнитный пускатель. Устройство, назначение и принцип действия.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
1. Вольдек А.И., Электрические машины. Энергия, 1976 г.
2. Копылов И.П., Электрические машины, Энергия, 2000 г.
studfiles.net
В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.
6
Рис. 3.6. Типовые графики внешней нагрузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней нагрузки
Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам- кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с контактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напряжением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуатации. Их недостатком является высокая чувствительность к колебаниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая характеристика 3 асинхронного электродвигателя показана на рис. 3.7, где через Г и л, как и прежде, обозначены соответственно вращающий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что Двигатель работает на естественной механической характеристике, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не включены дополнительные сопротивления. В противном случае получаем искусственную механическую характеристику. Рабочим является участок механической характеристики между точками с координатами (Т= 0; я = я0) и (Т= Тк\ п = ик). Момент Т = Т„ и частота вращения п = пн на этом участке являются номинальными, соответствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузочная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номинальному ТИ на естественной характеристике: кпер= ТК/Т„ составляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для двигателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигателя я на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характеристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.
Момент Тп при я = 0 называют пусковым. Его отношение к номинальному моменту Т„ для короткозамкнутых двигателей общего назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номинальный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнительные сопротивления. Каждому сопротивлению в цепи ротора соответствует своя искусственная механическая характеристика, называемая также реостатной.
| 1 > ^/х 1 ^ \ 1 | \3 | |
| \ 1 2 !Ч А j\ | В' \ | с |
| | 1 I —7>ц™ • | \ 1 \ . 1 \ | |
| ! | V 1 ЛАЯ 1 \Л | |
| 1 1 1 1 |
Т Тк
Тк Т\ TD
о
пкя»
Рис. 3.7. Естественная (3) и пусковые (реостатные) (/ и 2)характеристики асинхронного электродвигателя
л,я„ и„
Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характеристики 7 и 2, момент при пуске будет изменяться от Т{ до Т2, которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике 1. При этом момент будет уменьшаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до яв. При достижении последнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, автоматически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2 с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременнымуменьшением момента до Т= Ти а после отключения второго сопротивления переходит на естественную характеристику 3 в точке С' с координатами (Г2; пс). Пуск заканчивается по достижении точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений TD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является условие Т\ > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = лв не будет достигнута, а, следовательно, первое сопротивление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента TD, в частности, путем отключения трансмиссии или исполнительного механизма от двигателя.
Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест- костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, когда необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко- роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на естественной характеристике.
В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки грузов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренного опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост- ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.
Ручные машины с электрическим приводом подключают к электросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позволяет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных машин используют однофазные коллекторные электродвигатели с высокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механической характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувствительны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую стоимость и необходимость их обслуживания специалистами высокой квалификации.
Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с двигателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механические характеристики приводов, работающих по системе трех- обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в частности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристики может быть изменена соответствующим подбором ампер-витков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес- ной. На рис. 3.8, # показана механическая характеристика привода постоянного тока по системе генератор — двигатель с электромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах боль-
т
т
Рис. 3.8. Механические характеристики приводов постоянного тока
о
п
б
а
шой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в приводах рабочих органов или исполнительных механизмов, требующих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.
Контрольные вопросы
Что такое привод машины? Из чего он состоит?
Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В каких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?
Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приведите пример.
Перечислите виды механических трансмиссий.
Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энергии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обеспечивают эти преобразования?
Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обоснуйте ответ.
Какими основными показателями оценивают эффективность привода строительных машин?
От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.
Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика привода? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопротивление?
Что такое жесткость механической характеристики привода? Какие характеристики называют жесткими? мягкими?
Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.
Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?
Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение?
Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в приводах строительных машин? На каких видах топлива они работают?
Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?
Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания применяют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?
Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутреннего сгорания?
Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Какие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный запуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружающего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?
Какими основными показателями характеризуют работу двигателей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффективный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двигателей?
Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сгорания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней механической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной способности, каково его значение для дизелей?
Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на положение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?
Какие типы электрических двигателей применяют в приводах строительных машин?
Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.
Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?
Приведите механическую характеристику асинхронного электродвигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механической характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способности асинхронных двигателей?
Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопротивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опишите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пусковых сопротивлений.
Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухско- ростные электродвигатели?
Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?
Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?
studfiles.net
В уравнении вращающего момента асинхронного двигателя единственным переменным параметром является скольжение S. Зависимость М=f(S) получило название механической характеристики асинхронного двигателя (рисунок).
В момент пуска двигателя, когда n2=0, скольжение S=1, тогда:
Под действием пускового момента Mn ротор придет во вращение. В дальнейшем скольжение будет уменьшаться, а вращающий момент увеличиваться. При скольжении Sкр он достигает максимального значения Mmax.. Величина критического скольжения:
Тогда, подставив его значение в формулу для М, получим:
Дальнейший разгон двигателя будет сопровождаться уменьшением скольжения и, вместе с тем уменьшением вращающего момента. Равновесие наступит, когда величине вращающего момента будет противостоять тормозной момент, вызванный нагрузкой.
При номинальной нагрузке будут номинальный вращающий момент Мн и номинальное скольжение Sн.
Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя:
Обычно она составляет величину от 1,7 до 2,5.
Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента асинхронного двигателя:
www.mtomd.info
Асинхронный двигатель (рисунок 1) состоит из двух основных частей: неподвижной части – статора и вращающейся – ротора. Статор собирается из листов электротехнической стали. В пазах его размещается обмотка. Статор помещен в корпусе (рисунок 1 в). Ротор, собираемый также из листов электротехнической стали с пазами для размещения обмотки, укрепляется на стальном валу. Вал вращается в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах (рисунок 1 б).
Различают асинхронные двигатели с фазным (рисунок 1 д) и короткозамкнутым (рисунок 1 г) ротором. Первые имеют на роторе обмотку, аналогичную статорной. Концы обмотки ротора через контактные кольца выводятся наружу. Обмотка короткозамкнутого ротора выполнена в виде беличьей клетки.
| а) б) в) г) д) Рисунок 1 – Асинхронный двигатель: а – разрез; б – подшипниковые щиты; в – статор; г – короткозамкнутый ротор; д – фазный ротор |
При подключении к трехфазной сети переменного тока обмотки статора асинхронного двигателя соединяются в звезду или в треугольник.
Рассмотрим магнитное поле, образованное обмотками статора, подключенными к трехфазной сети переменного тока.
На рисунке 2 б представлена простейшая обмотка статора асинхронного двигателя, в которой каждая фаза состоит из одного витка. Плоскости витков сдвинуты относительно друг друга на 120°, или на 1/3 окружности. В фазах обмотки проходят переменные токи. Следовательно, ток каждой фазы образует пульсирующее магнитное поле. Значения токов в фазных обмотках разных фаз сдвинуты по времени на третью часть периода, как показано на рисунке 2 а. Это означает, что если период тока равен Т, то вначале достигает максимального значения ток фазы А, через отрезок времени Т/3 – ток фазы В, далее через Т/3 – ток фазы С, затем – ток фазы А и т. д.
Токи считаются положительными, когда они в началах фаз (проводники Ан, Вн, Сн) вытекают из плоскости чертежа, что на рисунке 2 б обозначено точками, а отрицательный ток втекает в плоскость чертежа и обозначается крестиком.
В момент времени t1 ток фазы А имеет наибольшее значение и положителен, а в фазах В и С токи отрицательны. Этому положению соответствует верхняя схема на рисунке 2 б, из которой видно, что создаются две зоны токов противоположного направления. Применяя правило буравчика, можно прийти, к заключению, что силовые линии магнитного поля, создаваемого токами всех фаз, распределены так же, как распределилось бы магнитное поле, созданное постоянным магнитом, изображенным на этом рисунке пунктиром.
В момент времени t2 ток фазы В достигает наибольшего положительного значения, а в фазах А и С токи отрицательны. Этому положению соответствует вторая сверху схема. И в этом случае образуются две зоны токов противоположного направления. Эти зоны токов создают магнитное поле такое же, как на первой схеме, но повернутое на треть окружности по часовой стрелке. На двух нижних схемах на рисунке 2 б представлены картины распределения магнитного поля, создаваемого токами обмоток статора в моменты времени t3 и t4. На последней, нижней схеме, соответствующей моменту времени t4 распределение магнитного поля такое, как и в момент времени t1. Это значит, что за период частоты тока магнитное поле поворачивается на 360°. Такое магнитное поле называется вращающимся. Оно аналогично магнитному полю, создаваемому вращающимся по часовой стрелке постоянным магнитом, изображенным на рисунке 2 б пунктиром.
|
|
|
| Рисунок 2 – Образование вращающегося магнитного поля трехфазным током: а – изменение фазных токов во времени; б – магнитное поле в разные моменты времени |
Если поменять чередование двух фаз обмотки статора, то направление вращения магнитного поля изменится на противоположное. Поэтому и направление вращения двигателя изменится на обратное, что позволяет осуществить реверсирование двигателя.
Между частотой тока существует взаимосвязь
|
| (2.1) |
где
f – частота тока, Гц;
р – число пар полюсов;
ω – угловая скорость вращения магнитного поля, рад/с;
п0 – частота вращения магнитного поля, об/мин.
Стандартная частота тока, применяемого для промышленных целей, в России равна 50 Гц, поэтому
|
| (2.2) |
После описания вращающегося поля можно пояснить принцип действия трехфазных асинхронных двигателей.
Пусть неподвижный асинхронный двигатель подключается к сети переменного тока. Возникающее вращающееся магнитное поле, пересекая обмотки ротора, наводит в них электродвижущие силы (э. д. с). Это явление объясняется известным положением, согласно которому в проводнике, движущемся относительно магнитного поля, возникает э. д. с.. Под действием этой э. д. с. в обмотках ротора проходят токи, значения которых определяются э. д. с. и сопротивлениями обмоток ротора.
Взаимодействие тока в проводниках ротора и вращающегося магнитного потока вызывает появление вращающего момента, приложенного к ротору. Если этот момент превышает момент сопротивления механизма, ротор начинает вращаться.
Интересно выяснить, в какую сторону будет вращаться ротор – по направлению вращения ноля или наоборот. Для ответа на этот вопрос надо вспомнить физический закон Ленца, согласно которому при всяком изменении магнитного поля в проводниках возникают токи, препятствующие этому изменению. В асинхронном двигателе при возникновении вращающегося поля появятся токи в роторе, ослабляющие действие вращающегося поля. В соответствии с этим ротор должен вращаться по направлению поля, что приведет к уменьшению относительной скорости ротора и поля. Для ее оценки используют понятие «скольжение», позволяющие по известному скольжению определить соответствующую частоту вращения и угловую скорость.
Асинхронный двигатель использует вырабатываемую им механическую энергию для привода производственного механизма, например крана, станка, вентилятора и т. д. При работе механизма ему необходимо передать определенное количество энергии. Работа, совершенная в единицу времени, называется мощностью.
Как известно, зависимость вращающего момента от частоты вращения (угловой скорости) ротора называется механической характеристикой электрического двигателя. На рисунке 3 изображена механическая характеристика асинхронного двигателя.
| Рисунок 3 – Механическая характеристика асинхронного двигателя |
Если статический момент механизма Мс больше пускового момента двигателя Мп, двигатель не сможет разогнаться. Если же пусковой момент двигателя больше статического Мс, то ротор двигателя будет ускоряться, а частота вращения двигателя увеличивается. При изменении частоты вращения ротора изменяется скорость пересечения проводников ротора магнитным полем двигателя. В результате этого изменяются токи в обмотках асинхронного двигателя, вызывая соответствующее изменение электромагнитного момента двигателя. Следовательно, разница между электромагнитным моментом двигателя и статическим моментом механизма с изменением частоты вращения также изменяется. При определенной частоте вращения эти моменты оказываются одинаковыми, при этом частота вращения системы двигатель – механизм устанавливается постоянной и соответствует точке А на рисунке 3.
Из изложенного ясно, что установившаяся частота вращения асинхронного двигателя зависит от нагрузки на его валу, т. е. от статического момента. При синхронной частоте вращения ротора момент, развиваемый асинхронным двигателем, равен нулю. Поэтому двигатель не может нести никакой нагрузки при синхронной скорости, а может быть нагружен только при «несинхронной» скорости, что, кстати говоря, и определило само название, асинхронного двигателя.
Чем больше скольжение, т. е. чем выше относительная скорость пересечения магнитным полем проводника ротора, тем больше и величина э. д. с. ротора. При синхронной частоте вращения проводники движутся с одинаковой скоростью с полем и не пересекаются им. Поэтому э. д. с. в роторе равна нулю, равен нулю и ток в роторе, а следовательно, отсутствует и вращающий момент.
На рисунке 3 буквой N обозначена точка механической характеристики, соответствующая номинальному режиму работы асинхронного двигателя. При этом двигатель, развивая номинальный момент Мп, вращается с номинальной частотой вращения. По обмоткам проходит номинальный ток. Номинальный режим работы характеризуется тем, что двигатель в этом режиме может работать длительно. При этом номинальные токи определяют нагрев обмоток до температуры, несколько меньшей, чем допустимая температура для данного класса изоляции обмоток.
Если к двигателю приложен статический момент, больший номинального, то длительная работа в таком режиме невозможна, так как в этом случае ток в обмотках больше номинального, что приведет к порче изоляции из-за повышенного нагрева обмоток и выходу двигателя из строя. Однако кратковременно двигатель может развивать момент, больший номинального, и это не приведет к выходу двигателя из строя.
Максимальный момент, развиваемый двигателем, называется критическим и обозначается Мк, как показано на рисунке 3. Если статический момент больше критического, то двигатель начнет тормозиться и остановится.
Отношение критического момента к номинальному называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя. Перегрузочная способность выражает свойства двигателя выдерживать кратковременные перегрузки по моменту нагрузки. Для большинства асинхронных двигателей перегрузочная способность равна 1,7÷2,2. Специальные, например крановые, двигатели имеют перегрузочную способность до 3.
Асинхронный двигатель обычно работает на участке механической характеристики от синхронной частоты вращения до частоты вращения пк, соответствующей критическому моменту. Поэтому этот участок характеристики часто называется рабочим.
Кроме двигательного режима, асинхронная машина может работать в генераторных режимах; когда на вал ротора поступает механическая энергия и преобразуется с помощью магнитного поля в электрическую. Генераторные режимы бывают разные: с рекуперацией (возвращением) энергии в сеть, режимы противовключения и динамического торможения. В генераторном режиме с рекуперацией асинхронная машина в работает при частоте вращения ротора двигателя, превышающей синхронную. В этом режиме происходит преобразование механической энергии, поступающей с вала, в электрическую энергию, отдаваемую за вычетом потерь в сеть переменного тока. Режим противовключения имеет место при отрицательных частотах вращения двигателя, т. е. в этом случае ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля. Такой режим имеет место, например, при спуске тяжелого груза подъемным механизмом. Двигатель включен при этом для движения в направлении подъема, но так как в роторную цепь его включено большое сопротивление, нужные для уравновешивания груза ток и момент двигатель развивает лишь при вращении в направлении спуска, т. е. при скольжении, большем единицы. При таком режиме двигатель потребляет электрическую энергию из сети и механическую с вала за счет изменения потенциальной энергии при спуске груза. И та, и другая части энергии выделяются в виде тепла в цепи ротора, главным образом в добавочных сопротивлениях. Механическая характеристика, соответствующая спуску при торможении противовключением, показана на рисунке 3 пунктиром.
studfiles.net
Такой режим можно иллюстрировать на примере подъёма груза при включении большой величины добавочного сопротивления Rт.
Рисунок 3.35 - Схема торможения за счет активной нагрузки
Уравнение электрического равновесия 
и уравнение механической характеристики
механическая характеристика при торможении противовключением является продолжением характеристики двигательного режима в область квадранта IV. Последнее, вытекает из уравнения механической характеристики двигателя, если полагать момент большим момента короткого замыкания и положительным по знаку.
При этом ток в якоре, как обычно в двигательном режиме, определяется по формуле: I = (U -E)/R.
Рисунок 3.36 - Механические характеристики при торможении за счет активной нагрузки
С увеличением момента груза угловая скорость двигателя уменьшается соответственно характеристике АВ, и если момент груза будет равен МК.3, двигатель остановится. В этом состоянии при ω = 0 ЭДС двигателя равна нулю, поэтому ток определяется равенством:
.
Когда момент сопротивления при дальнейшем увеличении груза превысит момент двигателя в неподвижном состоянии, последний начнет вращаться в противоположном направлении и груз станет опускаться. При моменте, равном Мс2, будет достигнута установившаяся скорость спуска, соответствующая точке С на приведенной характеристике. Поскольку якорь теперь вращается в обратную сторону, а направление магнитного потока не изменилось, ЭДС двигателя изменит направление на обратное. Ток, определяемый уравнением:
будет больше, чем в двигательном режиме, и соответственно момент, развиваемый двигателем при торможении противовключением, тоже возрастет.
Рисунок 3.37 - Схема ДПТ последовательного возбуждения
Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, а следовательно ток возбуждения и поток возбуждения определяются нагрузкой на валу.
Для схемы включения двигателя с последовательным возбуждением будет справедливо уравнение электрического равновесия аналогично двигателю с независимым возбуждением, с той разницей, что сопротивление якорной цепи включает в себя сопротивление обмотки возбуждения.
(3.16)
Зависимость 
нелинейна и не имеет простого аналитического выражения, а значит рассчитать механические и скоростные характеристики аналитически невозможно.
Внешне уравнения скорсотной и механической характеристики не отличаются от соответствующих уравнений для двигателя с независимым возбуждением. Характеристики имеют следующий вид
- уравнение электромеханической характеристики (3.17)
- уравнение механической характеристики (3.18)
Характеристики строятся графоаналитичским методом на основании данных каталогов заводов – изготовителей, где приводятся естественные универсальные характеристики: 
. Характеристики приводятся для двух типов двигателей до 10кВт и свыше 10кВт. При построении характеристик в относительных единицах в качестве базисных величин напряжения, тока якоря и потока возбуждения приняты те же величины, что и для двигателей с независимым возбуждением.
Рисунок 3.38 - Механическая характеристика ДПТ последовательного возбуждения
Из графиков видно, что при I*>1 момент, развиваемый двигателем последовательного возбуждения, возрастает в большей степени, чем ток якоря т.е М*>I*. Это свойство является одним из достоинств рассматриваемых двигателей. При допустимых значениях тока якоря I*доп.=2÷2,5 момент М*=2,4÷3
studfiles.net
1. Почему двигатель называется асинхронным ?
2. Поясните режимы работы асинхронной машины.
3. С какой целью на щиток АД выводятся начала и концы всех фаз обмоток статора ?
4. Какие существуют способы пуска двигателей с короткозамкнутым ротором?
5. Что такое критическое скольжение ?
6. В чем состоит условие устойчивой работы асинхронного двигателя.
7. Назовите существующие способы регулирования частоты вращения ротора.
8. Как изменится момент трехфазного АД с изменением питающего напряжения сети ?
9. Чем определяется частота изменения тока в обмотке ротора ?
10. Объясните нелинейный характер изменения момента на валу двигателя в зависимости от величины нагрузки.
11. Как изменить направление вращения асинхронного двигателя ?
12. Какие потери имеют место в асинхронном двигателе ?
1. Если ротор вращается с частотой, не равной частоте магнитного поля статора, то такая частота называется асинхронной. В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте, то есть при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля.
Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую.
Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию.
Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны.
3Обмотки статора АД соединяют между собой в "звезду" ( )
или "треугольник")(∆ и подключают к трехфазной сети. В рабочем зазоре двигателя образуется магнитное поле, вращающееся вокруг оси статора с постоянной частотой вращения 1 n , величина которой определяется частотой сети f и числом пар полюсов вращающегося магнитного поля p
4.При "прямом" пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, когда статорные обмотки подсоединяются с помощью выключателя непосредственно к трехфазной сети, пусковой ток достигает I=(4/7)Iн
Например, при пуске обмотки соединяют между собой в "звезду", а после разгона ротора двигателя до частоты вращения, близкой к номинальной, - в "треугольник", то есть на номинальное напряжение обмоток.
5.Величина скольжения характеризует механическую нагрузку АД. В режиме двигателя скольжение изменяется от (0,1÷0,5)% на холостом ходу до 100 % при пуске (ротор неподвижен). При номинальной нагрузке скольжение АД составляет (3 ÷ 7) %.
6. Под устойчивостью работы электродвигателяпонимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и пр.)
7 частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:
изменением частоты питающего напряжения;
изменением числа полюсов двигателя. Для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;
изменением скольжения. Этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором. Для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат.
8 Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
9частота тока в цепи ротораасинхронного двигателя зависит от скольжения, т.е. определяется разностью частотвращения ротора и поля статора.
10Установившийся режим с постоянной скоростью возможен только при равенстве моментов на валу - электромагнитного вращающего момента М и противодействующего момента Мпр (суммарного нагрузочного момента и сил трения). Если внезапно увеличится противодействующий момент, то ротор начнет тормозиться. Частота вращения ротора 2n будет падать, а скорость его скольжения относительно вращающегося поля ns=n1-n2 возрастать.
11 Поменять местами два любых ФАЗНЫХ провода
12 Потери V, возникающие в асинхронном двигателе, можно разделить на 2 основных группы: потери, изменяющиеся по своей величине при изменении нагрузки — Vw, и потериV0, которые не изменяются с нагрузкой (или, вернее сказать, изменяются в малой степени).
Потери первой группы иногда называют нагрузочными, а потери второй группы являются, главным образом, потерями холостого хода.
studfiles.net
