ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ.
Тема. Исследование трехфазного асинхронного двигателя методом непосредственной нагрузки.
Цель работы. Изучить конструкцию трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, усвоить приемы опытной проверки обозначений выводов обмотки статора и экспериментального исследования асинхронного двигателя методом непосредственной нагрузки.
Программа работы.
Ознакомиться с конструкцией двигателя и устройством для его нагрузки; записать паспортные данные двигателя и данные измерительных приборов и регулировочных устройств.
Рис. 1.1. Схема включения трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Экспериментально проверить обозначение выводов обмотки статора.
Собрать схему по рис. 5.1 и после проверки ее преподавателем произвести пробный пуск и реверсирование двигателя.
Снять данные и построить рабочие характеристики двигателя.
Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе.
Повторить теоретический материал [5]: принцип действия и устройство трехфазного асинхронного двигателя; понятие о скольжении; электромагнитный момент асинхронного двигателя; зависимость момента от скольжения; перегрузочная способность асинхронного двигателя; рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя.
Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов опыта и координатную сетку для построения рабочих характеристик.
Порядок выполнения работы.
Проверка выводов обмотки статора. Для правильного соединения обмотки статора в «звезду» или «треугольник» необходимо точно знать маркировку выводов обмотки статора. Это делают следующим образом. Сначала определяют выводы каждой фазной обмотки статора с помощью «сигнальной» лампы, включенной, как это показано на рис. 5.2, а. Прикоснувшись концом одного из проводов этой лампы какого-либо вывода обмотки статора, концом другого провода, подключенного к сети, касаются поочередно других выводов обмотки. При прикосновении к одному из выводов лампа загорается. Это свидетельствует о том, что пара выводов, которых касаются в данный момент концы проводов, принадлежит одной фазной обмотке. Эту пару выводов отмечают и переходят к отысканию выводов второй, а потом и третьей фазных обмоток.
Затем определяют начала и концы каждой фазной обмотки. Для этого, обозначив произвольно начала и концы всех трехфазных обмоток, соединяют последовательно какие-либо две из них (например, фазные обмотки А и В), как это показано на схеме рис. 5.2, б, и подключают их к источнику переменного тока. Последовательно в цепь включают резистор г такого сопротивления, чтобы ток в цепи этих обмоток не превысил номинального значения. К оставшейся третьей фазной обмотке подключают вольтметр (можно воспользоваться «сигнальной» лампой.
Рис. 1.2. Схемы для определения и маркировки выводов фазных обмоток статора.
Если предварительная маркировка выводов обмоток А и В была правильной, то вольтметр, подключенный к выводам фазы С, не покажет напряжения (лампа не загорится). Объясняется это тем, что ось результирующего потока фазных обмоток Аи5Ф = Фл + Фв направлена под углом 90° к оси фазной обмотки С и поэтому не наводит в ней ЭДС.
Если же предварительная маркировка выводов одной из обмоток, например обмотки В, оказалась неправильной и схема имела вид, представленный на рис. 5.2, в, то ось результирующего потока обмоток А и В совпадает с осью фазной обмотки С и наводит в этой обмотке некоторую ЭДС, при этом вольтметр на выводах обмотки С покажет напряжение (лампа загорится).
Схема включения и пробный пуск двигателя. Схема включения двигателя (см. рис. 5.1) содержит двухэлементный ваттметр PW, предназначенный для измерения активной мощности, потребляемой двигателем из сет-и. Токовые катушки этого ваттметра включены в сеть через измерительные трансформаторы тока.
После проверки схемы преподавателем осуществляют пробный пуск двигателя включением автомата QF. Предварительно следует замкнуть ключ QS, шунтирующий амперметр РА с целью предохранения его от чрезмерно большого пускового тока двигателя. Затем двигатель отключают от сети и меняют местами любую пару проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. В этом случае вращающееся поле статора при включении обмотки статора в сеть будет вращаться в направлении, противоположном тому, какое было до переключения проводов. Другими словами, произойдет реверсирование двигателя, т.е. его ротор будет вращаться в другую сторону.
Снятие данных и построение рабочих характеристик. Посредством автомата QF (при замкнутом ключе QS) включают двигатель в сеть (см. рис. 5.1). Затем размыкают ключ QS с помощью электромагнитного тормоза (ЭМТ) либо другого нагрузочного устройства создают на валу двигателя нагрузочный момент М2 и увеличивают его до тех пор, пока ток в цепи статора не достигнет значения /, = = 1,2/1ном. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока /, снимают показания приборов и заносят их в табл. 5.1. Первый отсчет по приборам делают в режиме холостого хода (М2 — 0). Необходимо снять не менее пяти показаний, одно из них должно соответствовать номинальному режиму (Д = /Ьюм). Затем выполняют расчеты:
подводимая к двигателю мощность (Вт)
Р, = P[kTCw; (5.1)
где к, — коэффициент трансформации трансформатора тока; Cw — цена деления ваттметра, Вт/дел.;
Таблица 5.1
Номер
измерения
Измерения
Вычисления
и„ В
/„А
Р'и дел.
п-_„ об/мин
Мг, Н • м
Р„ Вт
Р., Вт
Т).%
cosip,
S
полезная мощность двигателя — мощность на валу (Вт)
Р2 = 0,105 М2п2, (5.2)
где п2 — частота вращения ротора, об/мин; М2 — нагрузочный момент, Н • м; если М2 измерен в устаревших единицах кгс ■ м, то
Р2 = 0,105 - 9,(5.3)
КПД двигателя
По данным табл. 5.1 строят рабочие характеристики двигателя (на одной координатной сетке): /,; п2; М2; т) и cosip, = /(Р2), примерный вид которых показан на рис. 5.3.
Рис. 1.3. Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя
При анализе результатов лабораторной работы в первую очередь следует сделать заключение о соответствии данных номинального режима исследуемого двигателя, полученных экспериментально, его паспортным данным. Затем, анализируя рабочие характеристики, нужно объяснить вид полученных графиков. Например, график тока /, = f(P2) не выходит из начала координат, так как в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода /10, обусловленный потерями холостого хода.
Характеристика частоты вращения щ = /(Р2) имеет падающий вид, т. е. с ростом нагрузки частота вращения ротора уменьшается. При этом чем больше активное сопротивление обмотки ротора г2, тем больше наклон этой характеристики к оси абсцисс, так как увеличение этого сопротивления вызывает возрастание электрических потерь в цепи ротора, а следовательно, и скольжения, значение которого пропорционально электрическим потерям в роторе.
Небольшое значение коэффициента мощности в зоне малых нагрузок двигателя объясняется тем, что в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке двигателя ток статора меньше номинального и в значительной части является намагничивающим током, имеющим фазовый сдвиг относительно напряжения сети, близкий к 90°. Значительная величина намагничивающего тока в асинхронных двигателях обусловлена наличием воздушного зазора между статором и ротором. С повышением нагрузки двигателя ток потребляемый двигателем из сети, увеличивается в основном за счет активной составляющей, что и способствует росту коэффициента мощности.
Контрольные вопросы.
На чем основан принцип действия асинхронного двигателя?
Объясните устройство трехфазного асинхронного двигателя.
Что такое скольжение и каким оно обычно бывает у асинхронных двигателей общего назначения?
С какой целью у асинхронного двигателя обычно делают шесть выводов обмотки статора?
Как определить начало и конец фазной обмотки статора?
Что такое реверсирование и как его осуществить в трехфазном асинхронном двигателе?
В чем сущность метода непосредственной нагрузки при исследовании асинхронного двигателя?
Какие характеристики асинхронного двигателя называют рабочими?
Почему относительное значение тока холостого хода у асинхронного двигателя больше, чем у трансформатора такой же мощности?
Как изменится вращающий момент асинхронного двигателя, если напряжение на его выводах обмотки статора уменьшить в V3 раз?
Что такое перегрузочная способность асинхронного двигателя и какова ее зависимость от напряжения питания двигателя?
Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором. Ее активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части – конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т.п. 
Обмотка статора представляет собой трехфазную обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 градусов. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трехфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.
По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основным типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора – из пластин электротехнической стали.
Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечник ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьего колеса» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности «беличье колесо» выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамыкающими кольцами при помощи сварки. 
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при прямом пуске (без регулирования) имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным их недостатком. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. С развитием силовой полупроводниковой техники получают распространение частотные преобразователи, которые позволяют плавно наращивать частоту питающего двигатель тока по мере пуска, а значит достигать большого пускового момента. Из достоинств следует отметить легкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта с динамической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживанию. При специальной конструкции ротора, когда вращается в воздушном зазоре только полый цилиндр из алюминия, можно достичь малой инерционности двигателя.
Именно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором из-за своих вышеперечисленных достоинств являются основным видом двигателей в промышленном электроприводе, применение остальных видов двигателей не значительно и носит узкоспециальный характер.
Теоретическая основа способа определения «начала» и «конца» фазных обмоток электродвигателя.
Теоретическая основа способа определения «начала» и «конца» фазных обмоток электродвигателя основана на явлении электромагнитной индукции. Две обмотки, находящиеся на одном сердечнике, можно подключить либо согласовано, либо встречно. При согласованном включении двух обмоток возникает электродвижущая сила (далее ЭДС), состоящая из суммы ЭДС первой и второй обмоток. Таким образом, в этих обмотках возникает процесс электромагнитной индукции, который наводит в рядом расположенной обмотке ЭДС, т.е. напряжение (можно сравнить с принципом работы трансформатора).
Если же две обмотки подключить встречно, то сумма ЭДС этих двух обмоток будет равна нулю, т.к. ЭДС каждой обмотки будут направлены друг на друга, и тем самым компенсируют друг друга. Поэтому в рядом расположенной обмотке ЭДС не наведется или наведется, но очень малой величины.
Шаг первый
Самым первым шагом в определении начала и конца обмоток асинхронного двигателя является написание бирок (кембриков). Для этого воспользуемся трубкой ПВХ и маркером. Нарезаем из трубки ПВХ шесть отрезков одинаковой длины и подписываем их маркером.
Шаг второй
Вы уже знаете, что обмотка статора асинхронного двигателя состоит из трех обмоток, сдвинутых относительно друг друга на 120 электрических градуса. Так вот вторым шагом в определении начала и конца обмоток асинхронного двигателя является определение принадлежности всех шести выводов к соответствующим обмоткам.
С помощью мультиметра опрделяем первую обмотку. Переключатель режима работы мультиметра ставим в положение 200 Ом.
Шаг третий
Один щуп присоединяем на любой из шести проводников. Вторым ищем его конец. Как только попадаем на искомый проводник, показания мультиметра покажут нам значение отличное от нуля. В моем примере это 53,8 Ом.
Шаг четвертый
Мы нашли с вами первую обмотку статора нашего электродвигателя. Надеваем на нее бирки U1 и U2 в произвольном порядке.
Шаг пятый
Аналогично продолжаем искать остальные две обмотки и на найденные обмотки надеваем кембрики, соответственно, V1, V2 и W1, W2. В итоге получаем шесть проводов с надетыми на них кембриками
Шаг шестой
Берем первую катушку (U1 и U2) и соединяем ее со второй (V1 и V2) последовательно. Принципиальная схема и схема на моем примере.
Шаг седьмой
На вывод U1 и V2 подаем безопасное переменное напряжение (не превышающее 42 вольт), в моем случае – 36 вольт. После этого с помощью мультиметра производим измерение переменного напряжения на выводах W1 и W2. Если мультиметр покажет некоторое значение напряжения, то первая и вторая обмотки включены согласовано (т.е. соединены начало и конец). Если напряжения на выводах будет равняться нулю или иметь совсем маленькое значение, то значит обмотки включены встречно (т.е. соединены конец с концом). Смотрим, что получилось в нашем случае. Замеряю напряжение на выводах W1 и W2. Получаю значение 2,5 вольта. Делаю вывод, что обмотки я включил согласовано
Шаг восьмой
Осталось найти начало и конец у третьей обмотки (W1 и W2). Все делаем аналогично, только подключаем их согласно схемы.
Измерение переменного напряжения проводим на выводах V1 и V2. Получилось напряжение 2,4 вольта. Значит маркировка начала и конца третьей обмотки верна.
Шаг девятый
После определения начала и конца обмоток трехфазного асинхронного двигателя необходимо проверить себя. Для этого соединяем звездой или треугольником обмотки в зависимости от типа двигателя и напряжения в сети. В нашем случае обмотки двигателя я соединил по схеме «звезда». Подаю питающее трехфазное напряжение на обмотки – двигатель работает. Можно сделать вывод, что начала и концы обмоток двигателя мы нашли правильно.