Поскольку в асинхронном двигателе (АД) с  короткозамкнутым (КЗ) ротором обмотки  закорочены кольцами по торцам, в них  под действием ЭДС Е₂ появляется ток ротора 1₂. И теперь, по закону электромагнитных сил (закон Ампера), вращающееся магнитное поле начинает действовать на проводник с током, создавая вращающий момент

     М_вр = с_мФI₂.

     Под действием этого момента ротор  приходит во вращение в направлении  вращения поля, как бы стараясь догнать  его. Однако догнать магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой п₁ ротор не может, так как в противном случае магнитное поле перестанет пересекать обмотки ротора, не будет наводить в них ЭДС, т.е. не будет тока в обмотках ротора, а, значит, не будет и вращающего момента. Следовательно, ротор всегда будет вращаться с частотой меньше синхронной. Отсюда и название — асинхронный (несинхронный) двигатель.

     При вращении ротора с частотой п < п₁ он «скользит» относительно поля с частотой n₁ - п. Из выражения (1) следует, что частота ЭДС во вращающемся роторе

     f_2s = (n₁ – п)p/60 =( n₁ – п)f₁ /n₁ = f₁S

     где S= (n₁ – п) / n₁ — скольжение ротора.

     Для неподвижного ротора S=1 и f₂ = f₁. При S= 0 f_2s = 0, т.е. в роторе переменная ЭДС не индуктируется.

     ЭДС во вращающемся роторе

     E_2s = 4,44 k₂f₂W₂Ф_max = 4,44 k₂f₁ SW₂Ф_max = E₂S

     Величина  скольжения для АД обычно невелика и лежит в пределах от 1 до 5%. Следовательно, даже в худшем случае (S= 0,05) частота вращения ротора

                                 n = 60f₁ (1 - S)/p = 3000 • 0,95 = 2850 об/мин, 

     т.е. достаточно близка к синхронной.

     При нагрузке на валу ротора его частота  вращения падает, скольжение растет, увеличивается ЭДС в роторе, растет ток ротора, повышается развиваемый электромагнитный момент, компенсирующий увеличение нагрузки. Однако АД с КЗ ротором имеет достаточно «жесткую» (малоизменяющуюся) механическую характеристику n=f(M_н), что и обусловило его применение в качестве приводного двигателя.

     Регулирование частоты вращения АД в соответствии с выражением (6) возможно за счет изменения скольжения S, частоты питающего напряжения f₁ и числа пар полюсов р. В основном применяется регулирование частоты вращения переключением числа пар полюсов. Этой возможностью обладают так называемые многоскоростные машины, имеющие несколько пар полюсов. В последнее время получило применение регулирование частоты вращения за счет изменения частоты/ с помощью специальных электронных преобразователей.

     В быту широко используются однофазные АД, работающие по тому же принципу, что и трехфазные. Различие лишь в том, что на статоре однофазного АД размещаются не три, а две обмотки, сдвинутые на 90° и питаемые токами, сдвинутыми по фазе друг относительно друга также на 90°. Поскольку к статору однофазного двигателя подводится однофазное напряжение, то для сдвига фаз в обмотках применяются дополнительные устройства. Наиболее простым из них является конденсатор, включаемый последовательно с одной из обмоток (рис. 4.2).

     

     Рис.4.2 Схема однофазного конденсаторного двигателя

     Направление вращения ротора определяется направлением вращения магнитного поля, т.е. порядком чередования фаз (прямой порядок чередования фаз — А, В, С). Отсюда следует, что для изменения направления вращения ротора (реверса) необходимо изменить порядок чередования фаз, для чего надо поменять местами начала любых двух фаз. Обратный порядок чередования фаз (например, А, С, В) заставит ротор вращаться в обратную сторону.

     В отличие от машин постоянного  тока, у которых пусковой ток при  неподвижном роторе может превышать  номинальный в 20—50 раз, для АД это  соотношение равно 4...7, поскольку  обмотки статора имеют значительное индуктивное сопротивление на переменном токе, ограничивающее пусковой ток. Это, как правило, не вызывает неприятностей при пуске. Приходится лишь при проектировании учитывать кратковременное повышение тока, закладывая чуть большее сечение проводов обмотки статора. Благодаря этому АД с КЗ ротором обычно пускают в ход непосредственным подключением к источнику переменного напряжения. У АД с фазным ротором пусковые токи снижают за счет включения в обмотки ротора через контактные кольца трехфазного реостата. Это уменьшает токи ротора, а следовательно, и токи статора до заданной величины.

     Одновременное включение большого количества мощных трехфазных АД оказывает влияние на сеть, снижая на время пуска номинальное напряжение. Это сказывается на работе других потребителей.

     Для исключения такого явления пуск двигателей осуществляется с переключением соединения статорных обмоток со «звезды» на «треугольник». В номинальном режиме двигатель рассчитан на соединение «треугольником». При линейном напряжении 380 В это обеспечивает высокое фазное напряжение (380 В), большие фазный ток и потребляемую, а следовательно, и развиваемую мощность.

     Если  при том же линейном напряжении обмотки  соединены «звездой», то фазное напряжение равно лишь 220 В, соответственно меньше потребляемый ток и в 3 раза меньше потребляемая мощность, чем при соединении «треугольником».

      Приборы и оборудование

      Объектом  испытаний является трехфазный асинхронный  двигатель с короткозамкнутым ротором.

      Нагрузкой асинхронного двигателя является генератор  постоянного тока.  Защитные устройства — предохранители и лампа, сигнализирующая о подаче питания в ЭЦ, электронный вольтметр.

      Порядок выполнения

1. Ознакомиться с краткими теоретическими, сведениями. Подготовить в рабочей тетради протокол испытания.
2. В соответствии с данными табл. 4.1 для своего варианта вычислить частоту вращения двигателя на холостом ходу п. Формулы и результаты вычислений занести в протокол испытаний.

      Таблица 4. 1

        
 
 
 

3. Ознакомиться  с помощью демонстрационного  макета с конструкцией и принципом  действия асинхронной машины, изучить  схему коммутации и управления асинхронным  двигателем (АД), определить измерительные  приборы, которые следует использовать в процессе испытаний.
4. Собрать схему

5. Занести в  протокол испытаний паспортные данные двигателя и генератора постоянного тока

Тип…

Напряжение…

Ток  …

Частота вращения… 

6. Снять механическую характеристику асинхронного двигателя
7. Собрать схему для работы машины постоянного тока в режиме генератора. Подключить измерительные приборы к обмоткам генератора.
8. Представить схему для проверки преподавателю.
9. Включить АД, снять показания амперметра в цепи нагрузки генератора и частоту вращения АД на холостом ходу. Результаты измерений занести в табл. 2.
10. После согласования протокола испытаний с преподавателем отключить АД, разобрать ЭЦ, проводники и приборы сдать лаборанту, рабочее место привести в порядок.
11. На основании данных табл. 2 построить  механическую характеристику АД n = f(I_н) Определить скольжение при номинальной нагрузке S_ном. Результат занести в протокол испытаний.
12. Сделать выводы о проделанной работе, составить отчет.

      Контрольные вопросы

1. Какие основные узлы входят в состав асинхронной машины?
2. Какую роль играет статор двигателя?
3. Где находит применение асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором?
4. С какой целью статор и ротор двигателя переменного тока изготавливаются из тонких штампованных пластин?
5. Как изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя?
6. Как изменить частоту вращения асинхронного двигателя?
7. Почему ротор не может «догнать» вращающееся поле?

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

 

     Повышение коэффициента мощности асинхронного двигателя  с короткозамкнутым ротором 

     Цель  работы. Ознакомление с методами повышение коэффициента мощности асинхронного двигателя.

     Краткие теоретические сведения

     В современных системах электроснабжения необходимо частично разгружать линии от реактивной энергии. Повышение коэффициента мощности на 0,01 дает ежегодно экономию нескольких миллионов киловатт часов.

     Повышение коэффициента мощности асинхронного двигателя может осуществляться либо естественным путем, исключая, по возможности, холостой ход машины и правильно подбирая двигатель по мощности, либо искусственным путем с помощью компенсирующих устройств, а именно синхронных компенсаторов и статических конденсаторов.

     Коэффициент мощности – cosφ. Угол φ  – это угол между вектором напряжения U₁ на фазе статора и вектором тока I₁ на этой фазе. Величина угла φ определяется величиной угла φ_2s между вектором ЭДС Е_2s  и вектором тока I_2s в фазе вращающегося ротора. Угол φ_2s определяется выражением  

     где R₂ – активное сопротивление ротора,

           Х_2н – реактивное сопротивление неподвижного ротора,

           S – скольжение.

     При увеличение нагрузки, т.е. тормозного момента  М_т, величина скольжения S увеличивается и, следовательно величина угла φ_2s уменьшается. Угол φ, связанный с углом φ_2s, посредством векторного уравнения токов фазы статора и ротора, также уменьшается, а коэффициент мощности cosφ увеличивается. Это называется естественным увеличением коэффициента мощности.

     В электрических цепях, содержащих индуктивные  и емкостные элементы, может происходить  обмен энергиями между магнитным  и электрическим полями. Это обстоятельство дает возможность искусственно повышать коэффициент мощности с помощью  компенсирующих устройств (источников реактивной энергии) – синхронных компенсаторов  и статических конденсаторов.

     Коэффициент мощности в этом случае определяется выражением 

     где - реактивная индуктивная мощность, которая идет на образование магнитного поля Ф;