ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра прикладной химии и физики
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №2
Аппаратура управления и защиты асинхронного двигателя.
Испытание двигателя
Уфа
2008
Работа посвящена изучению устройства и принципа действия трехфазного
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, приобретению навыков
выбора аппаратуры управления и защиты, пуска двигателя, построению
рабочих характеристик и предназначена для студентов дневного, вечернего и
заочного отделений архитектурно-строительного факультета.
СОСТАВИТЕЛИ:
ГАРЕЕВ Г. Г., ст. преподаватель
РЯБИШИНА Л. А., преподаватель, к.т.н.
РЕЦЕНЗЕНТ
ЖДАНОВ А. Г., доцент, к.т.н.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2008
2
Лабораторная работа
Аппаратура управления и защиты асинхронного двигателя.
Испытание двигателя
1. Цель работы
1.1. Ознакомление с устройством и принципом действия асинхронных
двигателей.
1.2. Изучение систем управления и защиты электродвигателей.
1.3. Исследование пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым
ротором.
1.4. Снятие и построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.
2. Общие сведения
2.1. Трехфазные асинхронные двигатели (АД) делятся на два типа: электродвигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Наибольшее
распространение во всех областях техники имеет дешевый в производстве и
надежный в эксплуатации двигатель с короткозамкнутым ротором, который и
исследуется в данной работе.
Основными частями АД являются неподвижный статор и вращающийся
ротор. Магнитопроводы статора и ротора набираются из пластин электротехнической стали, а обмотки статора и ротора выполняются из изолированных
медных или алюминиевых проводников, уложенных в пазах сердечника. В
пазах статора расположены три фазные обмотки, которые можно соединять по
схеме звезда или треугольник. У АД с короткозамкнутым ротором обмотка
ротора состоит из алюминиевых (реже медных) стержней, соединенных с торцов кольцами, и в результате получается короткозамкнутая система.
При прохождении переменного тока по трехфазной обмотке статора АД
возникает вращающееся магнитное поле, которое наводит в обмотках статора
и ротора Э Д С., и в короткозамкнутой обмотке ротора устанавливаются токи,
практически совпадающие по фазе с Э Д С. Так как проводники с токами ротора находятся в магнитном поле машины, то на них будут действовать механические силы, которые вращают ротор. Скорость вращения ротора АД всегда
меньше скорости вращения магнитного поля, поэтому электродвигатели
получили название асинхронные. С увеличением тормозного момента скорость
вращения ротора (п2) уменьшается на величину скольжения (S)
n2  n1 (1  s ), n1 
60 f
,
P
где n1 - число оборотов магнитного поля статора;
f - частота переменного тока;
Р - число пар полюсов магнитного поля.
2.2. Управление АД заключается в его запуске, остановке, реверсировании и
может осуществляться вручную по месту или дистанционно (с помощью
выключателей или кнопок), а также автоматически. Управление
3
низковольтными АД (до 1000В), особенно при частых включениях или
отключениях, выполняется обычно с помощью магнитных пускателей или
контакторов. Магнитный пускатель отличается от контактора наличием
устройства защиты (обычного теплового реле) от перегрузок на валу двигателя.
Магнитные, пускатели и контакторы выполняют защиту от снижения (если
напряжение снизится более чем на 20% от номинального значения напряжения
питания) или исчезновения напряжения питания АД. Магнитные пускатели и
контакторы не защищают АД от токов короткого замыкания, поэтому АД
подключаются к источнику питания через автоматические выключатели или
плавкие предохранители, которые выполняют эту защиту.
Магнитные пускатели изготовляют нереверсивными и реверсивными
(меняющими направление вращения вала двигателя). Пускатели серии ПМЕ
предназначены для управления двигателями мощностью от 1 до 10 кВт, а ПАЕ от 17 до 55 кВт. Они рассчитаны на напряжение до 500 В.
Схема включения нереверсивного пускателя показана на рис. 1
A B
C
Рис. 1. Схема включения нереверсивного пускателя
Главные контакты катушки К включаются в рассечку проводов, питающих
АД. В провода двух фаз включаются нагревательные элементы тепловых реле
ТР1 и ТР2.
Катушка электромагнита пускателя К подключается к сети через
размыкающие контакты тепловых реле ТР1-1, ТР2-1 и кнопки управления. При
нажатии кнопки «Пуск» напряжение на катушку К подается через замкнутые
контакты кнопки «Стоп» и замкнутые контакты ТР1-1 и ТР2-1 тепловых реле.
После притяжения якоря электромагнита замыкаются линейные контакты ЛК
(запускается АД) и блокировочный контакт БК, шунтирующий контакты
кнопки «Пуск». Это дает возможность отпустить пусковую кнопку. Для
отключения пускателя нажимается кнопка «Стоп». При этом разрывается цепь
катушки К и происходит отключение ЛК, БК пускателя и АД. При перегрузке
4
двигателя (потребляемый ток АД больше номинального тока) срабатывают
тепловые реле, которые разрывают цепь катушки К - происходит
автоматическое отключение двигателя. При снижении напряжения питания
более чем на 20% или его исчезновении втягивающая катушка контактора не
может удерживать якорь и автоматически отключает АД. Автоматический
выключатель А (рис.1) выполняет третью автоматическую защиту при
возникновении короткого замыкания в АД или трехпроводной линии за
автоматом.
Вместо автомата могут устанавливаться предохранители, которые
защищают цепи от больших токов вплоть до токов короткого замыкания.
Примечание. Для неавтоматического нечастого включения и отключения
АД могут использоваться пакетные или автоматические выключатели.
Последние могут быть комбинированными, то есть имеют по две
перечисленные выше защиты. Чаще это токовая защита от перегрузки (ТЗ) и
максимальная токовая защита от короткого замыкания (МТЗ).
Как указывалось выше, для защиты электрических установок от длительных
перегрузок используются тепловые реле.
Принципиальная схема устройства теплового реле (ТР) показана на рис.2
Рис. 2. Принципиальная схема устройства теплового реле
Нагреватель ТР 2, включенный в защищаемую цепь, своим теплом
воздействует на биметаллический элемент 1. При перегрузке в защищаемой
цепи обе пластины из разных металлов элемента, нагреваясь, удлиняются. Но
одна из них удлиняется больше, вследствие чего элемент изгибается вверх и
выходит из зацепления с защелкой 3. Последняя под действием пружины 4
поворачивается вокруг оси 5 по направлению движения часовой стрелки и
посредством тяги 6 размыкает контакты (ТР) 7, отключая перегруженную сеть.
Однако ТР из-за значительной тепловой инерции не обеспечивает защиту от
токов короткого замыкания.
2.3. При пуске АД с короткозамкнутым ротором пусковой ток IП значительно
превышает номинальное значение IН
I П   4...8 I Н .
5
Такой пусковой ток оказывает нежелательное воздействие на сеть питания,
вызывая увеличение потери напряжения в линиях электроснабжения, что
отрицательно влияет на работу других электроприемников. Значительный
пусковой ток вызывает также перегрев обмоток двигателя, что сокращает срок
его службы.
Одним из способов ограничения пускового тока асинхронного двигателя
является пуск с переключением обмотки статора со звезды на треугольник.
Схема пуска по этому способу изображена на рис.3
3-50 Гц, 380 В
Рис. 3. Схема пуска асинхронного двигателя с переключением обмотки статора
со звезды на треугольник
Указанный способ пуска возможен лишь в том случае, если обмотка статора
двигателя при работе соединена в треугольник.
Как известно, фазные и линейные напряжения и токи при соединении
обмоток в звезду связаны между собой отношениями
U фY 
UЛ
UЛ
U
; I фY  Ф 
 I лY ,
ZФ
3
3ZФ
а при соединении в треугольник – соотношениями
U 3
UФ U Л

; I л  3 I ф  Л
.
ZФ ZФ
ZФ
U Л ZФ
Iл
1
получим Y 
 .
Iл
3ZФ 3U Л 3
U ф  U л ; I ф 
Из отношения токов
IлY
Iл
Таким образом, при пуске АД, обмотки которого соединены в звезду,
линейный ток в три раза меньше линейного тока при их соединении в
треугольник, то есть пусковой ток уменьшается в три раза.
Пуск производится следующим образом (рис. 3). Включают автомат А.
Переключатель П устанавливают в положение «Y». При этом фазы обмотки
статора соединены звездой. Ротор начинает раскручиваться. После окончания
6
пуска через 20-30 с, когда скорость вращения ротора достигает наибольшего
значения, переключатель переводят в положение «∆». В этом случае фазы
обмотки статора будут соединены треугольником.
На практике переключение обмотки статора со звезды на треугольник
осуществляется автоматически.
2.4. Для более полного выявления свойств АД служат его рабочие
характеристики. Так принято называть зависимости скорости вращения ротора
n2, величины тока в статоре I1 вращающего момента Мвр, коэффициента
мощности cosφ1, к.п.д. η и скольжения S от полезной мощности двигателя Р2
при U1=U1н=const и f=fн=const.
Рабочие характеристики АД даны на рис.4
Рис. 4. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Скоростная характеристика n2=f (Р2) представляет собой кривую, слегка
наклонную к оси абсцисс. Скорость вращения двигателя определяется по
формуле n2=n1(l-s). При увеличении нагрузки от нуля до номинальной
скольжение меняется в пределах от 1 до 6%, поэтому скорость двигателя
меняется незначительно. Соответственно график зависимости Мвр= f (Р2),
который слагается из момента холостого хода и полезного момента, пересекает
ось ординат в точке, соответствующей Мврх, а затем он почти прямолинеен и
лишь немного изгибается вверх. Аналогична зависимость I1= f (Р2).
Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной
активной мощности на валу двигателя Р2 к активной мощности Р1,
потребляемой АД из сети:

P2
P1
С увеличением Р2 к.п.д. увеличивается сначала быстро, затем медленнее и
имеет наибольшее значение (65-90 %) при нагрузке (0,75-0,8) Р2н .
Коэффициент мощности (cos φ) АД при холостом ходе не превышает 0,2,
однако с ростом нагрузки он быстро увеличивается и достигает наибольшего
значения (0,8-0,9) при номинальной нагрузке.
7
3. Описание установки
Установка, схема которой приведена на рис. 5, включает следующее
оборудование и измерительные приборы.
1. Испытуемый трехфазный асинхронный двигатель АД с короткозамкнутым
ротором типа АОЛ с номинальной активной мощностью 120 Вт.
2. Магнитный пускатель.
3. Кнопочная станция.
4. Генератор постоянного тока (ГПТ) с самовозбуждением и номинальным
напряжением 12 В.
5. Нагрузочный реостат Rн сопротивлением 15 Ом и максимальным током 10А.
6. Регулировочный реостат Rв сопротивлением 20 Ом и максимальным током
2А.
7. Автоматический выключатель А.
8. Пакетный переключатель П.
9. Тумблер Т.
10. Вольтметр V1с пределом измерения 300В.
11. Вольтметр V2 с пределом измерения 30В.
12. Амперметр A1 с пределом измерения 2,5 А.
13. Амперметр А2 с пределом измерения 5А.
14. Ваттметр W с пределом измерения 750 Вт.
Рис. 5. Принципиальная схема установки испытания трехфазного
короткозамкнутого асинхронного электродвигателя
4. Порядок выполнения работы
4.1. Подготовиться к выполнению работы, изучив раздел 2 и ответив на
контрольные вопросы (см. раздел 6).
8
4.2. Ознакомиться с установкой и определить пределы измерений и цену
делений измерительных приборов.
4.3. Выполнить пуск двигателя в режиме холостого хода, для чего:
а) установить переключатель П в положение «∆»;
б) подать напряжение питания к обмотке статора, установив автоматический
выключатель А в положение «Вкл»;
в) установить тумблер Т в положение «Откл»;
г) нажать на кнопку «Пуск» кнопочной станции КС. Наблюдать пуск
двигателя;
д) остановить двигатель с помощью кнопки «Стоп».
4.4. Произвести пуск двигателя при соединении фаз обмотки статора звездой и
треугольником. Для этого:
а) установить переключатель П в положение «Y», а тумблер Т в положение
«Откл»;
б) запустить двигатель. В момент пуска снять показания приборов A1 и V1
(по максимальным отклонениям стрелок). Занести показания приборов в табл.1
(I1=1л; U1=Uф)
в) остановить двигатель;
г) пункты б) и в) повторить три раза;
д) определить средние значения I1 и U1;
е) установить переключатель П в положение «∆» и снова выполнить пункты
б), в), г) и д);
ж) выполнить расчеты по средне-арифметическим значениям I1 и U1, занести
в табл. 1 и сравнить с теоретическими положениями.
Данные опыта
∆
Y
I1 , A
U1, B
I1 , A
IфY
A
U1, B
Таблица 1
Результаты расчета
Iл y
Iф∆
UфY
Uф∆
A
B
B
Iл
4.5.Снять рабочие характеристики двигателя, для чего:
а) установить переключатель П и положение «∆», а переключатель Т в
положение «Вкл»;
б) движок реостата Rв установить в положение, соответствующее
наименьшему сопротивлению;
в) движок реостата Rн установить в положение, соответствующее
наибольшему сопротивлению;
г) запустить двигатель;
9
д) при помощи реостата установить напряжение на зажимах генератора,
равное Uзад (значение Uзад задает преподаватель). Это напряжение измеряют
вольтметром V2;
е) записать показания амперметров A1 и А2, вольтметров V1 и V2, ваттметра W
в табл. 2;
ж) повторить пункты д) и е) при четырех-шести значениях сопротивления
нагрузки Rн;
з) по результатам измерений, пользуясь формулами (1), (2), (3) и (4)
рассчитать для каждого случая нагрузки:
- активную мощность P1, потребляемую двигателем из сети питания;
- мощность Р2 на валу двигателя. При расчете принять к.п.д. генератора ηг =
0,6;
- к.п.д. η двигателя;
- коэффициент мощности cosφ1 двигателя.
и) построить в одной системе координат характеристики двигателя,
указанные в табл.2.
Таблица 2
Результаты расчета
Данные опыта
I1 , A
U1, B
I2 , A
U2, B
Pw, Вт P1, Вт
S1,BA
P2, Вт
Cosφ1
Примечание: Расчет параметров табл.2 выполнять по следующим
формулам:
P1  3PW
U2 I2
 2
P2
P1
 3
2. P2 
3.  
1
Г
P
S
S1  3U1 I1 .
4. cos  
 4
5. Указания по оформлению отчета
5.1. Записать цель работы.
10
η
5.2. Зарисовать электрическую схему установки.
5.3. Представить таблицы 1 и 2 с результатами измерений и расчетов,
5.4. Записать расчетные формулы.
5.5. Выполнить графики зависимости I1, P1, cosφ1 и η от Р2.
5.6. Составить краткие выводы по работе.
6. Контрольные вопросы
6.1. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя?
6.2. Какие виды защит могут использоваться в низковольтных электрических
системах?
6.3. Для чего используются контакторы и магнитные пускатели и какие
функции они выполняют?
6.4. Назначение тепловых реле и принцип их действия?
6.5. В чем отличие реверсивных и нереверсивных магнитных пускателей?
6.6. Почему пусковой ток значительно превосходит номинальный?
6.7. Когда возможно применение пуска двигателя переключением фазных
обмоток статора со звезды на треугольник?
6.8. Что характеризует скольжение асинхронного двигателя и как скольжение
изменяется при изменении нагрузки на валу ротора?
6.9. Как изменить направление вращения асинхронного двигателя?
6.10. Объяснить характер изменения I1, Р1, cosφ1 и η при изменении нагрузки на
валу двигателя.
Список литературы
1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Высшая школа, 2000.
530с.
2. Основы промышленной электроники (под ред. В.Г. Герасимова). - М.:
Высшая школа, 1978.-335 с.
Содержание
1 .Цель работы..................................................................................3
2. Общие сведения............................................................................3
3. Описание установки.....................................................................8
4. Порядок выполнения работы.......................................................8
5. Указания по оформлению отчета...............................................10
6. Контрольные вопросы.................................................................11
7. Список литературы......................................................................11
11
12