Лабораторная работа № исследование простейших электрических цепей постоянного тока

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы основные части машины постоянного тока?
2. Почему при вращении якоря в его обмотке индуктируется э.д.с.?
3.Как получается постоянное напряжение на зажимах генератора постоянного тока?
4. Чем отличается напряжение на зажимах генератора от его э.д.с.?
5. Каковы условия самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением?
6. Почему в генераторах с независимым возбуждением при снятии внешней характеристики ток возбуждения не изменяется, а в данной работе он подает?
7. Какие кривые характеризуют свойства генераторов постоянного тока?
8. Перечислить типы генераторов постоянного тока. Нарисуйте их принципиальные схемы.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ


I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Ознакомиться с устройством трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, изучить основные рабочие свойства и его характеристики. Приобрести навыки по пуску реверсированию и регулированию скорости двигателя.


II. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ.
Асинхронная машина применяется в промышленности в основном в качестве двигателя, который состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных небольшим воздушным зазором. Обмотка статора трехфазная, которая в зависимости от напряжения питающей сети соединяется «звездой» или «треугольником». Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется из медных или алюминиевых стержней, закладываемых в пазы ротора и соединяемых по торцам кольцами из того же материала. В целом такая обмотка образует проводящую металлическую клетку типа беличьего колеса, вследствие чего короткозамкнутые роторы называют такие роторами с беличьей клеткой.
Работа асинхронного двигателя основа на использовании явления вращающегося магнитного поля, создаваемого в неподвижном статоре трехфазной системой токов. Частота вращения поля - синхронная скорость n₀ определяется частотой питающего напряжения и числом пар полюсов обмотки статора Р
,
Что соответствует стандартной частоте = 50 Гц.
Напоминание, что «парой полюсов» Р в трехфазной системе являются 3 катушки: фазы А,В,С, сдвинутые в пространстве на 1/3 периода. Синхронные скорости в зависимости от числа пар полюсов равны:

m-число обмоток	3	6	9	12	15	18
Р – число пар полюсов	1	2	3	4	5	6
n0 – об/мин	3000	1500	1000	750	600	500

Вращающееся магнитное поле замыкается через воздушный зазор по сердечникам статора и ротора и пересекая обмотки наводит в них э.д.с. самоиндукции Е₁ и взаимоиндукции Е₂.

При синусоидальной форме магнитного потока действующее значение э.д.с. фазы статора:
;
ротора ;
(Значения обмоточных коэффициентов К_об1 и К_об2 близки к единице, и они обычно, опускаются).
Так как проводники ротора образуют замкнутую цепь, то по ним потечет ток ротора I₂. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с током ротора создается электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора n асинхронного двигателя всегда меньше скорости n₀ магнитного поля (иначе прекратится наведение э.д.с. в роторе). Отсюда и название машины синхронная – асинхронная.
Степень отставания ротора характеризуется скольжением, которое определяется формулой:

При неподвижном роторе n=0 и скольжение S=1. При холостом ходе двигателя скорость ротора очень близка к скорости поля и скольжение близко к нулю.
Номинальное скольжение асинхронных двигателей нормального исполнения, соответствующее номинальной нагрузке, составляет 3 + 5 % (или 0,03 + 0,05). Меньшее скольжения у более крупных двигателей. Частота тока в роторе зависит от скорости скольжения n_s=n₀-n и равна Тогда э.д.с. вращающегося ротора Е_2S= Е₂  S и составляет 3  5% от э.д.с. в момент пуска.
Ток ротора определяется из уравнения, составленного для фазы ротора по второму закону Кирхгофа, решив которое найдем:

Где индуктивное сопротивление фазы ротора, обусловленное потоком рассеяния, равно:
Х_2S =₂L₂ = 2f₁L₂S= =X₂S.
Из приведенного выражения следует, что ток ротора имеет наибольшее значение в момент пуска, т.е. при n=0 и S=1.
У короткозамкнутых двигателей пусковой ток превышает номинальный в 5 + 7 раз, что создают значительные понижения напряжения питающей сети. Поэтому короткозамкнутые двигатели большой мощности часто включают по специальным схемам, уменьшающим пусковые токи.
Эти схемы основаны на снижении напряжения в момент пуска (автотрансформаторный пуск, пуск переключением обмотки статора со «звезды» на _{«треугольник»}). Двигатели малой и средней мощности пускаются прямым включением в сеть.
Изменение направления двигателя (реверсирование) производится изменением направления вращения поля статора, для чего нужно изменить чередование раз на статоре.
Электромагнитный момент, развиваемый ротором, определяется основным магнитным потоком и током ротора:

Где: К_м - конструктивная постоянная двигателя;
₂ - угол сдвига между э.д.с. ротора и током ротора:
I_2а – активная составляющая тока ротора.
Следует обратить внимание, что электромагнитный момент определяется не полным током ротора, а только его активной составляющей I_2а.
Основной магнитный поток Ф пропорционален подведенному к статору двигателя напряжению U₁. Э.Д.С. ротора Е₂ = Ф, а ток ротора I₂ =Е₂ , следовательно как и поток Ф пропорционален напряжению U₁. Следовательно, электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату подведенного напряжения, т.е. асинхронный двигатель очень чувствителен к колебаниям напряжения на его зажимах.
Работа двигателя допустима при колебании напряжения в сети не более 5% U_н. Промышленность выпускает асинхронный короткозамкнутые двигатели основного исполнения единой А2 ва АО2 (АОЛ2) мощностью от 0,6 до 1000кВт.
В последнее годы введена новая серия трехфазных короткозамкнутых двигателей: серия 4А (4АН), имеющая лучшие показатели. Диапазон мощностей от 0,06 до 400 кВт.
Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются кривые, дающие зависимость скорости n, скольжения S, вращающего момента М, кпд , коэффициента мощности и тока статора от полезной мощности на валу двигателя P₂ при постоянных значениях питающего напряжения U₁ и частоты f₁.
1. Скоростная характеристика или . Как уже указывалось, изменение скорости вращения асинхронных двигателей при изменении нагрузки от нуля (холостой ход) до полной (номинальный режим) весьма невелико, т.к. номинальное скольжение обычно находится в пределах 0,03 + 0,0,05. Поэтому асинхронные двигатели относится к электродвигателями с жесткой скоростной характеристикой.
Возможность регулирования скорости короткозамкнутого асинхронного двигателя видна из выражения

Изменение числа пар полюсов двигателя дает ступенчатые жесткие скоростные характеристики. Промышленность выпускает для привода вентиляторов и металлорежущих станков двух - и трехступенчатые так называемые многоскоростные двигатели.
Частотный способ является наиболее перспективным. Он обеспечивает глубокое, плавное и экономичное изменение скорости вращения машины. Однако , создание надежной и простой конструкции для изменения частоты f₁ пока встречает затруднения.
2. Характеристика вращающего момента . Вычисление момента производится по формуле:

Где: Р₂ – полезная мощность двигателя на валу: (кВт).
3. Характеристика КПД
КПД асинхронного двигателя:

Суммарные потери в двигателе

Где: - электрические переменные потери на нагревание обмоток: - постоянные потери в стали статора и механические (потерями в стали ротора обычно пренебрегают).
КПД двигателей лежит в пределах 0,7 + 0,94 (большее значение соответствует более мощным двигателям). КПД в зоне нагрузок от 0,3 до 1,2 Р_н изменяется мало, что является благоприятным в энергетическом отношении.
В работе КПД определяется:

4. Характеристика коэффициента мощности Асинхронный двигатель не только расходует энергию переменного тока сети на полезную механическую работу и нагрев машины, но также периодически запасает ее в магнитном поле машины:

В работе коэффициент мощности определяется по показаниям приборов:
При холостом ходе . С возрастанием нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная практически остается постоянной, т.к. при неизменной амплитуде напряжения сети поток сохраняется неизменным. При Р_н . Отношение зависит от нагрузки, откуда видно, какое большое значение для получения высокого коэффициента мощности имеет полная загрузка асинхронных двигателей.
5. Характеристика тока статора
Вследствие наличия в магнитной цепи двигателя воздушного зазора ток статора содержит сравнительно большую реактивную составляющую. При холостом ходе ток статора составляет 0,25 0,4 номинального тока двигателя.
В данной работе нагрузкой для двигателя является сварочный генератор постоянного тока, работающий на лампово-реостатную нагрузку. Генератор имеет характеристику _ген = f (P_ген), при помощи которой полезная мощность на валу двигателя Р₂ определяется .