Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Асинхронные машины» дисциплины «Электрические машины». Кононенко К.Е., Волчихин В.И
3. Устройство асинхронного двигателя
Части электрической машины, непосредственно предназначенные для энергопреобразования процесса, называются активными частями. К ним относятся магнитопроводы и проводники обмоток статора и ротора. Все остальные детали и узлы электрической машины называются конструктивными частями.
Электрические машины по степени защиты обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями и защиты самой машины от попадания внутрь твердых посторонних предметов выполняются согласно установленным требованиям
ГОСТ 17494-72. Многолетняя практика эксплуатации электродвигателей единых серий общего назначения показала, что для асинхронных электродвигателей вполне достаточным является применение двух степеней защиты: в защищенном исполнении (IP23) с внутренней вентиляцией и в закрытом исполнении (IP44) с внешним обдувом. На практике наибольшее распространение получили асинхронные двигатели с короткозамкнутой или фазной обмоткой на роторе.
На рис. 2 показан общий вид асинхронного короткозамкнутого двигателя серии 4А закрытого исполнения. Эти двигатели просты в производстве и надежны в эксплуатации. Они обладают жесткой механической характеристикой. При изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего лишь на 2-3 %, что удовлетворяет требованиям электроприводов различных механизмов. Основные недостатки данных двигателей: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов при пуске, в 5-7 раз превышающих номинальный ток.
Статор двигателя состоит из магнитопровода 3, набранного в виде пакета из изолированных пластин электротехнической стали, трехфазной обмотки 7 и станины 5. Пластины пакета штампуются из листовой или рулонной электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм и изолируются с обеих сторон лаком. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается с помощью стяжных скоб. При наружном диаметре более одного метра пакет набирается из отдельных сегментов.
Трехфазная обмотка статора 7 выполняется одно- или двухслойной из медных проводников круглого сечения или прямоугольного сечения для машин большой мощности (свыше 250 кВт). Витки катушек обмоток укладываются в изолированные пазы пакета магнитопровода. Обмотка закрепляется в пазах с помощью клиньев из изолированного материала. Концы обмотки с помощью выводной коробки 1 присоединяются к сети переменного тока. Станина 5 двигателя выполняет только конструктивные функции, фиксируя пакет магнитопровода в определенном положении. Станина отливается из алюминиевых сплавов, из чугуна или выполняется сварной из стальных пластин. Ротор двигателя состоит из магнитопровода 4, в пазах которого размещается короткозамкнутая обмотка 15, вала 11 и вентилятора 10. Магнитопровод ротора набирается в виде пакета, из кольцевых листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В полузакрытые (или закрытые) пазы пакета заливаются алюминиевые стержни обмотки, замыкающиеся накоротко с двух сторон торцевыми кольцами 6. Заодно с короткозамыкающими кольцами отливаются вентиляционные лопатки 8. Вал 11 ротора, обычно изготавливаемый из стали марки 45, опирается на подшипники качения 13, которые с помощью подшипниковых крышек 12 и подшипниковых щитов 14 сопрягаются со станиной 5. Воздушный зазор между магнитопроводами статора и ротора в асинхронных двигателях не превышает 0,3 1,0 мм, поэтому вал должен обладать достаточной прочностью, а механическая обработка конструктивных частей производится с высокой точностью.
Внешний обдув двигателя создается вентилятором 10. Подъем двигателя при монтаже производится о помощью рым-болта 2.
Асинхронные двигатели с фазным ротором отличаются от коротко-замкнутых только устройством ротора. В этом случае в полузакрытых пазах пакета ротора размещается трехфазная стержневая обмотка, соединенная обычно в звезду. Свободные концы обмотки выводятся через отверстие в валу и присоединяются к контактным кольцам. С помощью щеточного устройства обмотка соединяется с добавочным активным сопротивлением (пусковым или регулировочным реостатом).
В большинстве случаев добавочное активное сопротивление вводят в обмотку ротора только при пуске асинхронного двигателя, так как это приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко.
4. Порядок выполнения работы
Произвести разборку асинхронного двигателя.
Выполнить эскизы с необходимым количеством разрезов следующих деталей: статора, ротора, подшипниковых щитов.
Дать краткое описание устройства машины и области её применения.
Изобразить электрическую схему включения.
Произвести сборку машины.
В заключении отчета необходимо сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы:
Чем объяснить широкое применение асинхронных двигателей в народном хозяйстве?
В чем конструктивное различие асинхронных двигателей с фазным и короткозамкнутым роторами?
Как улучшить пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?
В чем заключается разница работы асинхронной машины в режиме двигателя и в режиме генератора?
Какие типы обмоток статора наиболее широко применяются в асинхронных двигателях?
Контрольные вопросы для домашней подготовки
Конструктивное исполнение статора асинхронной машины?
Конструктивное исполнение короткозамкнутого ротора?
Конструктивное исполнение ротора с фазной обмоткой? Назначение контактных колец?
Конструкция и назначение подшипниковых щитов? Выбор типа подшипников?
Способы пуска асинхронных двигателей?
Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?
Принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором?
Как уменьшить потери в стали асинхронных машин?
Схемы включения трехфазных обмоток статора в сеть? Обозначение начал и концов фаз обмотки статора?
Порядок разборки и сборки асинхронной машины?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Вольдек А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек. Л.: Энергия, 1978, с.357-366.
Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины / А.В. Иванов-Смоленский. М.: Энергия, 1980, с.367-377.
Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, B.C. Хвостов. М.: Высшая школа, 1979, ч.1, с.8-27, 137-160.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
ИСПЫТАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКО3АМКНУТЫМ РОТОРОМ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить принцип работы и устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Ознакомиться с паспортными данными машины, приборами и аппаратурой, применяемой при испытании двигателя.
1.2. Определить начала и концы фаз обмотки статора. Осуществить пуск двигателя в ход и изменить направление его вращения.
1.3. Измерить активное сопротивление фаз обмотки статора.
1.4. Снять и построить характеристики холостого хода.
1.5. Снять и построить характеристики короткого замыкания.
1.6. По данным опытов холостого хода и короткого замыкания построить упрощенную круговую диаграмму и по ней рабочие характеристики двигателя.
2. Теоретические пояснения
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором состоят из статора и ротора. Сердечники статора и ротора набираются из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. В пазы статора укладывается обмотка, изготовленная из изолированных медных проводников в виде катушек. Катушки соединяются между собой в отдельные фазы. В двигателях трехфазного исполнения фазы могут быть соединены в треугольник или в звезду в зависимости от величины напряжения питания.
В пазах ротора располагаются алюминиевые или медные стержни, концы которых с обоих торцов ротора соединены короткозамкнутыми кольцами из того же материала, то есть получается короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки.
При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока в машине возбуждается вращающееся магнитное поле. Его частота вращения:
где n1 – синхронная частота вращения магнитного поля, об/мин;
f1 – частота напряжения питания, Гц;
p – число пар полюсов.
Частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты f1, напряжения питания U1 и числа пар полюсов р обмотки статора. При вращении магнитного поля в обмотках статора и ротора индуктируются электродвижущие силы (э.д.с). В короткозамкнутых проводниках ротора возникают токи. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем создается электромагнитный момент, под действием которого ротор вращается в том же направлении, что и магнитное поле. При синхронной частоте вращения ротора электромагнитный момент равен нулю, так как в проводниках короткозамкнутой обмотки э.д.с. индуктироваться не будет. Поэтому ротор двигателя вращается относительно магнитного поля с некоторым скольжением, величина которого в относительных единицах определяется по формуле:
где n1 – синхронная частота вращения магнитного поля, об/мин;
n – частота вращения ротора об/мин.
3.Порядок выполнения работы
3.1. Определить начала и концы обмотки статора.
Начала и концы фаз обмотки статора выведены на панель стенда и обозначений не имеют. Поэтому вначале необходимо осуществить маркировку выводов обмотки статора. Предварительно необходимо найти выводы, принадлежащие одной фазе. Для этого собирается схема, показанная на рис. 1.
Рис. 1
К одному зажиму источника (220 В) через сигнальную лампочку (или вольтметр) подключается один из выводов обмотки. К другому зажиму источника питания присоединяется проводник-щуп. При нажатой кнопке «К», совмещенной с сигнальной лампочкой, по очереди касаются выводов обмотки статора. Загорание лампочки укажет га то, что в цепь включена одна из трех фаз обмотки статора. Обозначим эти выводы а-а. Аналогично находятся выводы фаз b-b и c-c.
ВНИМАНИЕ! Напряжение подается нажатием кнопки «К» только тогда, когда конец щупа установлен на одном из выводов обмотки.
Для определения «начал» и «концов» фаз обмотки статора используем явление взаимоиндукции. Все три фазы обмотки статора имеют общий магнитопровод. Поэтому, если одну из фаз (например, а-а) подключить к источнику переменного тока, то она создает пульсирующее магнитное поле. Это поле «сцеплено» с фазами b-b и c-с и наводит в них электродвижущие силы (э.д.с.) Ев и Ес.
Если осуществить последовательное соединение фазовых обмоток b-b и с-с так, что э.д.с. Ев и Ес будут складываться, то подключенный к ним вольтметр покажет напряжение, равное сумме этих э.д.с. (при использовании сигнальной лампочки она должна загораться). Такое соединение называют согласным. Конец фазы b-b соединен с началом фазы с-с. Схема согласного соединения фаз показана на рис. 2.
Если осуществить последовательное соединение фаз b-b и c-с так, что э.д.с. Ев и Ес будут вычитаться, то вольтметр покажет минимальное напряжение (сигнальная лампочка не загорится). В этом случае соединение фазовых обмоток называют встречным и концы (или начала) фаз b-b и c-с соединены между собой (рис.3).
Рис. 2. Рис. 3.
Для определения начала и конца третьей фазы надо подключить к источнику питания переменного тока (220 В) фазу b-b (или с-с), а фазы a-a и c-c (или b-b) соединить последовательно. По показаниям вольтметра определить, как включены фазы, согласно или встречно. Начала и концы фаз обозначить соответственно: С1, С2, С3 и C4, С5, С6.
3.2. Измерить активное сопротивление фазы обмотки статора в практически холодном состоянии
Измерение активного сопротивления фазы обмотки статора производится с помощью постоянного тока методом амперметра-вольтметра. Учитывая, что сопротивление фазы мало, опыт производят по схеме рис.4. При измерении сопротивления величину тока в фазе устанавливают равной 10 - 20 % от Iн, чтобы в процессе опыта обмотка заметно не нагревалась. Сопротивление определяется по формуле:
,
Ом