Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В НЕНОМИНАЛЬНЫХ И ОСОБЫХ РЕЖИМАХ

Программа работы

Экспериментальные исследования и обработка полученных результатов       

1. Работа двигателя при изменении напряжения                             

2. Работа двигателя при несимметричном напряжении питания   

3. Работа асинхронного двигателя при обрыве фазы обмотки ротора (однофазный ротор)   

4. Работа двигателя с включенными в цепь ротора выпрямителями

5. Пояснения к заключению по результатам исследования

Контрольные вопросы

Литература

Введение

Изменение напряжения. Номинальные данные электрических машин, указанные на щитке и в паспорте машины - мощность, напряжение, частота сети, частота вращения, сosf, КПД и другие, характеризующие машину, относятся к работе машины на высоте до 1 000 м над уровнем моря и при температуре газообразной охлаждающей среды до 40 С. Асинхронные двигатели серии 4А предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 °С до +40 С, относительной влажности воздуха до 98% при температуре 25 °С. Номинальные данные асинхронных двигателей соответствуют номинальному напряжению и частоте сети. Допускается работа двигателей при отклонении напряжения сети в пределах -5 до +10% и частоты переменного тока на ±2,5% от номинального значения.

При отклонении напряжения сети от номинального значения происходит изменение магнитного потока двигателя, которое можно определить из формулы:

Кроме того, с потоком Ф_т связан момент двигателя, так:

И, наконец токи двигателя связаны между собой по формуле

В установившемся режиме работы момент, развиваемый двигателем, равен моменту нагрузки на валу. Если момент на валу остается неизменным, то при уменьшении напряжения U₁, (и, следовательно, потока) растет ток в статоре и роторе машины, что, в свою очередь, ведет к перегреву и уменьшению средней наработки до отказа.

При повышенном напряжении U₁  резко возрастает реактивная составляющая тока статора в связи с переходом в насыщенную часть кривой намагничивания. Если момент нагрузки на валу равен номинальному или близкому к номинальному, то повышение напряжения U₁  приведет также к перегреву и уменьшению средней наработки до отказа.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя имеет максимум при 0,6-0,8 номинальной мощности, сosf  - обычно около номинальной мощности. Следует отметить, что максимум КПД имеет место, когда постоянные потери (механические и в стали) равны переменным потерям в обмотках. Кроме того, реактивная составляющая тока холостою хода статора в значительной мере определяется точкой на кривой намагничивания, в которой работает машина, т.е. приложенным напряжением  U₁. Отсюда следует, что влияние напряжения на КПД и сosf  является неоднозначным и зависит от нагрузки на валу двигателя. Не следует также забывать о том, что момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения; при значительном снижении напряжения этот момент может оказаться меньше момента нагрузки на валу, что приведет к остановке привода.

 Несимметричная система трехфазных напряжений, приложен­ных к статору машины. В этом случае фазные напряжения отличаются друг от друга. Искажение симметрии напряжений связано с различными нагрузками в фазах и аварийными ситуациями.

         Несимметричную систему напряжений можно разложить на симметричные системы прямой и обратной последовательности и систему нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности не создают вращающегося ноля в воздушном зазоре.

         Токи прямой последовательности статора 1₁₁ создают в воздушном зазоре поле прямой последовательности, токи обратной  последовательности 1₁₂ - соответственно обратное поле. Рассматривая действие прямой и обратной последовательностей отдельно можно считать, что результирующий момент

где   - момент прямой последовательности;

         - момент обратной последовательности;

                                    - приведенные токи ротора прямой и обратной последовательностей.

         Ротор по отношению  к  полю  прямой  последовательности  имеет скольжение

         Скольжение ротора по отношению к полю обратной последовательности

где n₁ - частота вращения поля статора, n₂ - частота вращения поля ротора. Используя два предыдущих соотношения, получим

         Электромагнитный момент М асинхронного двигателя есть результат сложения моментов от токов прямой M₁ и обратной M₂  последовательностей (рис. 4.1). Момент от обратной последовательности противоположен моменту от прямой последовательности, поэтому результирующий момент двигателя при несимметричном напряжении питания уменьшается. Максимум момента обратной последовательности находится вблизи s₁=2

Обрыв фазы обмотки ротора.  При изготовлении  электрической машины или ее эксплуатации может возникнуть обрыв фаз ротора.

Рис. 4.1.

Рис. 4.2.

В двигателях с короткозамкнутым ротором это связано с заливкой ротора, когда алюминий неравномерно заполняет пазы, а в машинах с фазным ротором - с неисправностью щеточного узла. Вследствие различия сопротивлений фаз ротора (или при обрыве одной фазы) токи в фазах ротора создают несимметричную систему, которую можно заменить двумя симметричными системами токов прямой и обратной последовательности. Токи прямой последовательности ротора 1₁₂ и соответствующие им токи статора 1₁₁ создают основное поле в зазоре машины и основной вращающий момент M₁. Токи обратной последовательности ротора 1₂₂ создают поле, вращающееся в сторону, противоположную направлению вращения ротора. Это поле вращается относительно статора с частотой

,

где n₂ - частота вращения ротора; n₁ - синхронная частого вращения основного поля статора; s - скольжение ротора относительно основного поля.

         Обратное  поле,  созданное токами 1₂₂  ротора,   наведет   в   обмотке статора ЭДС E₁₃ и токи 1₁₃ частоты f₃

Эти «третичные» токи статора 1₁₃  совместно с токами ротора 1₂₂  создают вращающий момент M₂. Результирующий момент двигателя

.

При s > 0,5 момент M₂  совпадает но направлению с моментом M₁ , ускоряя вращение ротора. При s = 0.5 , когда п₃ = 0, «третичный» ток I₁₃ статора и соответственно момент М₂ становятся равными нулю.

При s < 0,5 частота n₂ и соответственно момент М₂ изменяют свой знак, т.е. момент М₂ противодействует вращению ротора (рис 4.2.)

Этот эффект противодействия резко проявляется при однофазном роторе, в результате чего момент М становится отрицательным, и ротор «застревает» на полусинхронной скорости при s = 0,5. Это явление, впервые описанное в 1989 году Гергесом, называют иногда «явлением Гёргеса».

При дальнейшем уменьшении скольжения провал в кривой M = f(s) исчезает и момент М вновь становится положительным, то есть направленным по вращению ротора.

Работа двигателя с включенными в цепь ротора выпрямителями.

В некоторых случаях требуется получить синхронный режим работы асинхронного двигателя. С этой целью в цепь ротора включают выпрямители: переменный ток выпрямляется и ротор стремится втянуться в синхронизм. Однако при s = 0 и симметричном питании ток становится равным нулю. Для получения устойчивого синхронного режима статор переводят на однофазное питание. При этом кроме прямого поля появляется обратное поле, которое наводит в роторе при синхронной час готе вращения токи двойной частоты. Эти токи выпрямляются, и ротор устойчиво вращается с синхронной скоростью.