Цель работы. Изучить способы пуска трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Изучить способы пуска трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Изучить пусковые свойства трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Приобрести практические навыки в сборке схем и снятии характеристик.

Основные теоретические сведения

Общие положения

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором представлено на рисунке 3.1.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является первичной, а обмотка ротора — вторичной.

Рисунок 3.1 - Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна, либо делают сварным.

Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию (отштампованные листы из электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака). Сердечник статора собран в пакет и скреплен специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора. Лобовые части находятся за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами. Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3Гц. Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки. Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 7.

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 5, прикрытым кожухом 6. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 3. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в - раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/220В. Если в сети линейное напряжение 380В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 220В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 220В. Выводы обмоток фаз располагают в коробке выводов таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12, либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух).

При питании обмотки статора асинхронной машины трехфазным током в магнитопроводе создается вращающееся магнитное поле. На замкнутые накоротко проводники ротора действуют электромагнитные силы. Суммарное усилие, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент, увлекающий ротор вслед за вращающимся полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение. Такой режим работы асинхронной машины называется двигательным.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента до частоты вращения больше чем частота вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и направление активной составляющей тока ротора, то есть машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит свое направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим.

Характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, то есть неравенства частоты вращения ротора и магнитного поля статора. По этой причине машину называют асинхронной.

Существует два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателей: метод непосредственной нагрузки и косвенный метод. Метод непосредственной нагрузки заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от холостого хода до режима номинальной нагрузки с измерением необходимых параметров. Этот метод обычно применяется для двигателей мощностью не более 10—15 кВт.

С ростом мощности двигателя усложняется задача его нагрузки, растут непроизводительный расход электроэнергии и загрузка электросети. Применение этого метода ограничивается еще и тем, что не всегда представляется возможным создать испытательную установку по причине отсутствия требуемого оборудования и недопустимости перегрузки электросети.

Широкое применение получил более универсальный косвенный метод, применение которого не ограничивается мощностью двигателя. Этот метод заключается в выполнении двух экспериментов: опыта холостого хода и опыта короткого замыкания.

Опыты холостого хода и короткого замыкания асинхронных двигателей в основном аналогичны таким же опытам трансформаторов. Но они имеют и некоторые особенности, обусловленные главным образом наличием у двигателя вращающейся части — ротора. Кроме того, при переходе из режима холостого хода в режим короткого замыкания параметры обмоток двигателя (активные и индуктивные сопротивления) не остаются неизменными, что объясняется зубчатой поверхностью статора и ротора. Все это создает некоторые затруднения в проведении опытов и в последующей обработке их результатов.

При рассмотрении возможных способов пуска необходимо учитывать следующие основные положения:

1) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной частоты вращения;

2) величина пускового тока должна быть ограничена таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети;

3) схема пуска должна быть по возможности простой, а количество и стоимость пусковых устройств — малыми.

При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым роторомна холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс. При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым роторомпод нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается.

Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых песках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя.

Число пусков асинхронного двигателя с короткозамкнутым роторомв час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором мощностью 3—10кВт в обычных условиях допускают до 5—10 включений в час.

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым роторомсопровождается переходным процессом, обусловленным переходом ротора и механически связанных с ним частей исполнительного механизма из состояния покоя в состояние равномерного вращения, когда вращающий момент двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов, действующих на ротор двигателя.

Пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором определяются в первую очередь значением пускового тока I_п или его кратностью I_п/I_ном и значением пускового момента М_п или его кратностью М_п/М_ном.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. Однако получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным.

В начальный момент пуска скольжение s=1, поэтому, пренебрегая током холостого хода, пусковой ток определяется по формуле:

(3.1)

Пусковой момент определяется по формуле:

(3.2)

Из этих формул следует, что улучшить пусковые свойства двигателя можно, увеличив активное сопротивления цепи ротора, так как в этом случае уменьшение пускового тока сопровождается увеличением пускового момента. В то же время напряжение по-разному влияет на пусковые параметры двигателя: с уменьшением напряжения пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, но одновременно уменьшается пусковой момент. Целесообразность применения того или иного способа улучшения пусковых свойств двигателя определяется конкретными условиями эксплуатации двигателя и требованиями, которые предъявляются к его пусковым свойствам.

Помимо пусковых значений тока I_п и момента М_п пусковые свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями продолжительность и плавность пуска, сложность пусковой операции, ее экономичность (стоимость и надежность пусковой аппаратуры и потерь энергии в ней)