Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа Звезда

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

С.А. Микаева

Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением

обмоток типа «Звезда»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Москва 2011

УДК

ББК

Рекомендовано к изданию в качестве учебно-методического пособия редакционно-издательским советом МГУПИ

Рецензенты:

Д.т.н., профессор – Филинов В.В. (МГУПИ)

ст. преподаватель – Щеглов В.А. (МГУПИ)

Микаева С.А.

Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа «Звезда»: учебно-методическое пособие. - М.: МГУПИ, 2011.- 25 с.

Рассматриваются вопросы устройства, принципа действия, рабочие и механические характеристики асинхронного двигателя.

Учебно-методическое пособие предназначено для специалистов в области приборостроения и радиоэлектроники, инженерно-технических и научных работников, занятых разработкой, производством и применением электрических машин, а также студентов специальности «Приборостроения и радиоэлектроники (ПР)».

Цель работы:

Ознакомиться с устройством, принципом действия трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа «Звезда», овладеть навыками работы с электрическими машинами. Снять основные характеристики двигателя.

Требуемое оборудование:

Модульный учебный комплекс МУК-ЭП1

1. Краткое теоретическое введение.

Двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую с целью приведения в действие исполнительного механизма.

Генератор предназначен для преобразования механической энергии в электрическую с целью питания различных электрических устройств.

Любая электрическая машина (генератор, двигатель) имеет две основные части: неподвижный статор и вращающийся ротор, которые содержат магнитопровод и обмотки. В машинах постоянного тока ротор называется якорем (Я), а обмотка статора называется обмоткой возбуждения (ОВ).

Асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии 3-х фазного переменного тока в механическую энергию. Асинхронный двигатель (рис. 1а.) состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора.

Статор (рис. 1б.) представляет собой полый цилиндр, составленный из изолированных листов электротехнической стали в форме колец, со штампованными пазами с внутренней стороны, в которые укладывается 3-х фазная статорная обмотка, оси которых смещены относительно друг друга на 120°, 60°, 40° в зависимости от количества катушек.

Ротор представляет собой также цилиндр, составленный из листовой электротехнической стали в форме колец, с пазами на их внешней поверхности, в которые укладывается роторная обмотка. В зависимости от ее устройства различают:

1) короткозамкнутый ротор (рис. 1в.) - обмотка короткозамкнутого ротора (рис. 1г.) выполняется в виде беличьего колеса и состоит из уложенных в пазы неизолированных стержней, которые по обеим сторонам замыкаются на кольца;

2) фазный ротор (ротор с контактными кольцами) (рис. 1д.) - обмотка фазного ротора 1 выполняется 3-х фазной, концы которой выводятся на контактные кольца 2 и подключаются к 3-х фазному реостату.

а) б)

в) г) д)

Рис. 1.

В большинстве случаев используется двигатель с короткозамкнутым ротором, как более простой и компактный. Двигатель с фазным ротором используется в тяжелых пусковых условиях, в частности в подъемных устройствах, а также в исполнительных механизмах, использующих широкий диапазон частот вращения.

Обмотки статора соединяются «звездой» или «треугольником» и включаются в сеть 3-х фазного тока. В результате в них потекут 3-х фазные токи, которые создадут вращающееся магнитное поле.

Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора пересекают проводники ротора и индуцируют в них электродвижущую силу (ЭДС), а так как обмотка ротора замкнута, то в ее проводниках возникают токи.

Взаимодействие вращающегося магнитного потока с токами ротора создает электромагнитный вращающий момент М_ВР вращающий ротор двигателя.

Под действием этого момента ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поле Ф. Скорость вращения ротора n₂ всегда меньше скорости вращения поля n₁, так как только в этом случае возможно индуцирование тока в проводниках обмотки ротора и возникновение вращающегося момента.

Скорость вращающегося магнитного поля n₁ определяется как

n₁ = , (1)

где p - число пар полюсов вращающегося магнитного поля;

ƒ - частота тока статора.

Разность (n₁–n₂) называется скоростью скольжения, а отношение этой скорости к скорости вращения магнитного поля называется скольжением:

s= (2)

или

= * 100% (3)

где n₂ - скорость вращения ротора.

Скольжение характеризует степень отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля. При номинальной нагрузке скольжение у двигателей в среднем составляет 1,5-5%.

Подключение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором к сети.

Обычно выводы всех фаз обмотки статора двигателя расположены в коробке зажимов. Схема присоединения обмоток к зажимам колодки показана на рис. 2а., включение обмоток по схеме «звезда» и соединение выводов зажимов - рис. 2б., включение обмоток по схеме «треугольник» и соединение выводов зажимов рис. 2в.

Рис. 2.

Пуск двигателя в ход. При прямом включении обмоток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в сеть наблюдается большой скачок тока, в 6-8 раз превышающий его номинальный ток. Это вызывает заметную перегрузку в электрической сети, от которой осуществляется питание двигателя и других близлежащих потребителей.

Для ограничения пускового тока при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором применяют 3 способа:

1 способ - переключение обмотки статора со схемы звезда на схему треугольник. Этот способ применим для двигателей, у которых обмотка статора при нормальной работе соединена треугольником. В момент пуска обмотка статора посредством переключающего устройства соединяется по схеме звезда, а после запуска - по схеме треугольник. При этом линейный пусковой ток двигателя уменьшается в √3 раза.

2 способ - пуск посредством автотрансформатора, позволяющий понижать подводимое к двигателю напряжение во время пуска, вследствие чего уменьшается пусковой ток.

3 способ – применение специальных электронных устройств – устройств плавного пуска и частотных преобразователей.

Недостаток первых двух методов - уменьшение пускового напряжения и, как следствие, пускового момента.

Реверсирование двигателя.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Это достигается переключением двух фаз (двух любых подводящих электрическую энергию проводов на зажимах двигателя).

Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимость скорости вращения n₂, коэффициента полезного действия η, коэффициента мощности cosφ, скольжения s, вращающего момента M и тока в цепи статора I₁ от нагрузки (полезной мощности) на валу двигателя P₂ при постоянном номинальном напряжении и неизменной частоте сети (рис. 3.).

Основной характеристикой двигателя является зависимость частоты вращения ротора от момента сопротивления на валу (от нагрузки), т.е. механическая характеристика. Рабочими характеристиками двигателя являются зависимости:

М = f₁(Р₂); I₁ = f₂(Р₂); Соs₁ = f₃(Р₂);

 = f₄(Р₂); n₂=f₅(Р₂); (4)

Рис. 3.

При построении рабочих характеристик используются соотношения:

Р₂ = 0,104 * М * n₂;  = Р₂/Р₁ * 100 % ; cos ₁ = P₁/( 3 * U₁ * I₁); (5)

где: Р₂ - полезная механическая мощность на валу;

Р₁ - мощность, потребляемая из сети;

I₁ - линейный ток, потребляемый двигателем из сети;

М - момент на валу;

Сos₁ - коэффициент мощности двигателя;

 - КПД двигателя;

U₁ - линейное напряжение сети.

У асинхронного двигателя, как и у большинства машин, коэффициент полезного действия (КПД) с ростом нагрузки возрастает η=ƒ(Р₂), ввиду уменьшения доли электрических и магнитных потерь по отношению к развиваемой мощности двигателя. Однако, при достижении нагрузки 75% от номинальной, заметно возрастают и электрические потери (в обмотках статора и ротора), пропорциональные квадрату тока потребляемого двигателем, что ведет в дальнейшем с увеличением нагрузки к некоторому уменьшению КПД.

Коэффициент мощности cosφ зависит от соотношения между активной мощностью Р₁, потребляемой двигателем, и полной мощностью S, складывающейся из активной Р₁ и реактивной Q составляющих:

cosφ = (6)

При увеличении нагрузки растет величина активной мощности Р₁, что приводит к росту cosφ, достигающего максимального значения (0,7-0,9) при номинальной нагрузке на двигатель. В дальнейшем возможно уменьшение cosφ, в связи с увеличением реактивной мощности, связанной с усилением потоков рассеяния.

Механическая характеристика и саморегулирование двигателя.

График, связывающий между собой механические величины - скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 4.) n=ƒ(M). Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скорость n₁ и вращающий момент М₁. При равномерном вращении этот момент равен тормозному моменту М_т1, т.е.

М₁=М_т1, n₁= const.