Лабораторная работа №3
ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В НЕНОМИНАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ
Цель работы
1. Изучение особенностей работы асинхронного электропривода при:
- отклонении напряжения сети от номинального значения;
- обрыве фазы статора двигателя;
2. Приобретение практических навыков по диагностированию анормальных режимов работы асинхронного электропривода.
Схема лабораторной установки
Схема лабораторной установки (рис. 3.1) включает исследуемый асинхронный двигатель М (АД), нагрузочный генератор постоянного тока G, служащий для создания нагрузки на валу и регулятор напряжения РН.
 |
Рис. 3.1. Схема электрическая лабораторной установки.
Регулятор напряжения (потенциал-регулятор) позволяет изменять величину трехфазного напряжения, подводимого к асинхронному двигателю.
Выключатели QF1, SA1, SA2, SA3 предназначены для коммутации цепей. Обрыв линии осуществляется с помощью выключателя SA1. При соединении обмотки статора в звезду обрыв линии означает одновременно и обрыв фазы. При соединении обмотки статора в треугольник обрыв фазы производится внутри треугольника, что на схеме не показано.
Прибор К-50 предназначается для измерения напряжения и тока во всех фазах двигателя.
Описание работы
В работе исследуются эксплуатационные показатели АД в анормальных режимах работы. К таким показателям относятся перегрузка двигателя по току, снижение его перегрузочной способности, повышение вибрации.
При отклонении напряжения от номинального значения в асинхронном двигателе происходит изменение величины вращающегося магнитного потока, что непосредственно сказывается на изменении его токовой нагрузки. Известно важное для объяснения многих процессов в АД соотношение
. (3.1) При уменьшении напряжения, т.е. при 
, магнитный поток согласно (3.1) уменьшается: 
. Так как момент двигателя пропорционален квадрату напряжения (а, следовательно, потока)
, (3.2)
то уменьшение напряжения приводит к уменьшению перегрузочной способности двигателя. Если момент сопротивления на валу двигателя окажется больше критического момента, то произойдет самопроизвольная остановка двигателя (так называемое «опрокидывание асинхронной нагрузки»). При этом после остановки двигатель оказывается в режиме короткого замыкания, при котором ток в обмотке статора превышает номинальный. Так как ток I1 статора имеет две составляющие: намагничивающий ток 
и нагрузочный ток 
, то его изменение удобно оценивать, анализируя изменение этих составляющих. В нормальных условиях работы намагничивающий ток значительно меньше тока нагрузки, то есть 
. При снижении напряжения намагничивающая составляющая тока уменьшается в соответствии с магнитной характеристикой двигателя 
, а нагрузочная составляющая тока увеличивается в соответствии с формулой момента
. (3.3)
При этом, у нагруженной машины ток статора возрастает, у ненагруженной (
) - падает.
При увеличении напряжения, т.е. при 
магнитный поток возрастает: 
. При этом возрастает критический момент Мк и, следовательно, перегрузочная способность двигателя. Но опасность такого режима для АД заключается в переходе его магнитной системы в резко выраженное насыщенное состояние. При этом намагничивающий ток уже при двадцати процентном превышении напряжения превосходит величину номинального тока, т.е. при 
имеем 
. Если двигатель был нагружен, т.е. 
, то ток статора 
становится по величине больше номинального 
. Такой режим работы АД – режим работы с перегрузкой по току. При больших отклонениях напряжения в сторону увеличения двигатель оказывается в режиме перегрузки по току даже при отсутствии момента сопротивления на валу.
Примерный вид механических характеристик АД при различных напряжениях показан на рис. 3.2. Примерный вид кривых 
, 
, 
показан на рис. 3.3.
 |
Рис. 3.2. Механические Рис. 3.3. Характеристики токовой нагрузки
характеристики АД АД при изменении напряжения
питающей сети.
При отклонении напряжения 
двигатель будет перегружен по току на 10 %, что допускается в течение 2 часов. Кратковременное отклонение напряжения сети допускается на 20 %. При больших отклонениях срабатывает защита генератора и выводит его из работы.
При обрыве фазы трехфазной обмотки статора, соединенной в звезду, АД переходит в однофазный режим работы. Магнитное поле при этом становится пульсирующим и может быть разложено на два, вращающихся в противоположных направлениях. Двигатель, если он находится в работе, будет продолжать работать, но с увеличенной нагрузкой двух оставшихся фаз по току. Перегрузочная способность двигателя уменьшается примерно в 2 раза, и он может остановиться и стоять под током, если 
. Пусковой момент двигателя с пульсирующим полем равен нулю, механические характеристики АД для этого случая показаны на рис. 3.4.
При обрыве фазы обмотки статора, соединенной в треугольник, АД переходит в двухфазный режим при питании от трехфазной сети. МДС «необорванных» фаз сдвинуты в пространстве и во времени на 1200. Магнитное поле становится вращающимся эллиптическим. Такое поле может быть представлено в виде двух вращающихся в противоположных направлениях круговых полей с различными амплитудами: прямое поле – с большей амплитудой, обратное с меньшей. Двигатель способен развивать пусковой момент и может запускаться при небольшой нагрузке на валу. Ток нагрузки фаз возрастает. Из трех линейных проводов оказывается перегруженным тот, который подходит к месту соединения оставшихся в работе фазных обмоток. Механические характеристики АД для случая эллиптического поля показаны на рис. 3.5.
 |
Рис. 3.4. Механические характеристики АД при обрыве фазы (обмотка статора соединена в звезду).
Рис. 3.5. Механические характеристики АД при обрыве фазы (обмотка статора соединена в треугольник).
При обрыве линейного провода и соединении обмотки статора в треугольник двигатель становится двухфазным со сдвигом МДС фаз на 1200. Однако, так как отсутствует временной сдвиг напряжения, подводимого к фазам, магнитное поле будет пульсирующим.
Во всех случаях обрыва фазы или линейного провода допустимая нагрузка двигателя и его перегрузочная способность уменьшаются примерно в 2 раза по сравнению с номинальным трехфазным режимом.
Порядок выполнения работы
При выполнении лабораторной работы необходимо:
· Снять и построить зависимость 
на холостом ходу и при нагруженном двигателе.
· Определить значения тока статора и изменения скорости АД для случаев обрыва фазы при соединении обмотки статора в треугольник и звезду на холостом ходу и при нагрузке.
· Дать объяснение (физическое толкование) полученным данным и характеристикам.
Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:
1. Ознакомиться с электрическими машинами, приборами, аппаратами и схемой лабораторной установки. Записать необходимые технические данные в бланк отчета (табл. 3.1).
2. Собрать схему установки согласно рис. 3.1. Обмотку статора АД соединить в треугольник. Питание к АД подвести через потенциал-регулятор. Произвести осмотр и приготовление электрических машин к пуску. Предъявить схему для проверки преподавателю или лаборанту, получить разрешение на пуск и приступить к работе.
3. Пустить АД на холостом ходу, проверить правильность включения измерительных приборов и снять зависимость 
, устанавливая последовательно напряжение питания 180, 220, 260, 280 В. Данные измерений занести в табл.3.2.
4. С помощью вспомогательной машины нагрузить АД до тока, близкого к номинальному, и, поддерживая нагрузку постоянной (
), снять зависимость для тех же значений напряжения: 180, 220, 260, 280 В. Результаты измерений занести в табл. 3.2.
Таблица 3.2.
| Режим АД | х.х. | нагрузка | |||||
| U, B | I 1, A | n, об/мин | I 1, A | n, об/мин | U г, B | I г, A | P г, Вт |
5. Пустить АД на холостом ходу при номинальном напряжении 220 В, включив его в сеть помимо потенциал-регулятора. Записать значения токов всех линий в табл. 3.3, замерить и записать частоту вращения двигателя. На ходу двигателя произвести обрыв фазы в треугольнике обмотки статора, замерить токи в линиях и частоту вращения машины. При оборванной фазе остановить и затем пустить АД, зафиксировать пусковые токи в линиях, убедиться в наличии пускового момента. Остановить АД.
Таблица 3.3.
| Соединение фаз статора | Режим АД | U, B | I 1А, A | I 1В, A | I 1С, A | n, об/мин | U г, B | I г, A | P г, Вт |
6. Устранить обрыв фазы, пустить АД при номинальном напряжении, нагрузить его с помощью генератора G. Записать значения токов всех трех линий в табл. 3.3, замерить и записать частоту вращения двигателя. На ходу двигателя произвести обрыв фазы в треугольнике, замерить токи в линиях и частоту вращения машины. Остановить АД.
7. Повторить опыт согласно п.п. 5, 6 при соединении обмотки статора в звезду, включая ее на напряжение сети 380 В.
8. По данным табл. 3.2 построить графики зависимостей 
и . По данным табл. 3.2 и 3.3 дать оценку анормальных режимов АД в сравнении с нормальными режимами работы.
9. Результаты работы предъявить руководителю занятия и с его разрешения лабораторную установку привести в исходное положение.
5. Примерный план отчета
В отчете должны быть представлены:
1. Основные технические данные электрических машин и измерительных приборов.
2. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки.
3. Таблицы с опытными и расчетными данными.
4. Графики зависимостей 
и .
5. Выводы по работе.
Вопросы для проверки
1. Как зависит момент АД от напряжения?
2. В каком случае АД при работе опрокидывается?
3. Почему ток холостого хода АД нелинейно возрастает при увеличении напряжения?
4. Почему ток статора АД при 
возрастает и при , и при 
?
5. Каковы признаки обрыва фазы статора у работающего АД?
6. Почему АД при обрыве фазы (при соединении обмотки статора звездой) не пускается даже на холостом ходу?
7. Каковы последствия работы АД при повышенном напряжении, с оборванной фазой?