МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ для проведения открытого урока на тему: «Асинхронные машины»
методическая разработка

смоленское областное государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Рославльский многопрофильный колледж»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

для проведения открытого урока

на тему: «Асинхронные машины»

Рассмотрены на заседании ПЦК по укрупненным группам профессий (УГП) и укрупненным группам (УГС) специальностей:

- 08.00.00 Техника и технологии строительства

(профессии: 08.01.25 Мастер отделочных строительных и декоративных работ, 08.01.26 Мастер по ремонту и обслуживанию инженерных систем жилищно-коммунального хозяйства, специальность 08.02.01 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений)

- 13.00.00 Электро- и теплоэнергетика (специальность 13.02.02 Теплоснабжение и теплотехническое оборудование)

- 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство (специальность 35.02.08 Электрификация и автоматизация сельского хозяйства)

протокол № 1 от 27.08. 2020 г.  

Председатель ПЦК _________Юденич Л.М.

Разработал преподаватель:                                                          Юденич Л. М.

г. Рославль

2020 г.

Тема урока: «Асинхронные машины».

Цели урока:

 Образовательная: 

дать представление об устройстве и принципе действия асинхронных машин.

Развивающая:

•        Формировать умение видеть и решать профессиональные проблемы.

•        Расширить сведения студентов о характерных особенностях асинхронных двигателей и генераторов.          

•        Быть готовым самостоятельно находить и применять нужную информацию.

•        Формировать познавательную активность.

 Воспитательная:

• формировать основы научного мировоззрения;
• жизненные и профессиональные убеждения.

 Основные задачи учебной экскурсии: обогащение знаний обучающихся; установление связи теории с практикой, с жизненными явлениями и процессами: развитие творческих способностей обучающихся, их самостоятельности, организованности; воспитание положительного отношения к учению.

Тип урока:    урок-экскурсия.

Средства обучения:

         Асинхронные двигатели.

Оборудование:

          ручка, блокнот, установка для показа мультимедийного урока

I. Организационный момент (проверка студентов).

II. Постановка задачи урока-экскурсии, проверка оборудования и готовность студентов к экскурсии-беседе.

Инструктаж по технике безопасности при проведении экскурсии

Преподаватель: Сегодня на уроке-экскурсии «Асинхронные машины» вы познакомитесь с их устройством и принципом действия. Проверьте, пожалуйста, наличие блокнотов и ручек. Во время экскурсии будьте осторожны, не толкайтесь, далеко от преподавателя не отходите. Знакомясь с электрооборудованием во время экскурсий, не разрешается касаться руками различных приборов, нажимать кнопки, входить в опасные зоны, отставать от группы. Экскурсантам запрещается производить какие-либо воздействия на объекты экскурсии. В случае аварийной ситуации на месте экскурсии экскурсантов выводят в заранее выбранное безопасное место. Будьте внимательны, записывайте аккуратно названия оборудования, элементов; делайте схематичные рисунки внешнего вида силовых элементов техники. Не отвлекайтесь. По окончании экскурсии вам будут предложены вопросы.

III. Изложение нового материала: экскурсия–рассказ преподавателя с элементами беседы.

1. История создания и область применения асинхронных двигателей

В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.

Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.

За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.

Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

2. Устройство трёхфазной асинхронной машины

Неподвижная часть машины называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 2.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия.

Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами c1,c2,c3, концы – c4,c5,c6.

Рис. 2.1

Начала и концы фаз выведены на клеммник (рис. 2.2.а), закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда (рис. 2.2.б) или треугольник (рис. 2.2.в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл=660В по схеме звезда или в сеть с Uл=380В – по схеме треугольник.

Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

Рис. 2.2

Сердечник ротора (рис. 2.3.б) набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Рис. 2.3

Короткозамкнутая обмотка (рис. 2.3) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки” (рис. 2.3.а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

На рис. 2.4 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки.

Рис. 2.4

У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рис. 2.5 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.

Рис. 2.5

На рис. 2.6 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.

Рис. 2.6

На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные: Pн,Uн,Iн,nн, а также тип машины.

• Pн – это номинальная полезная мощность (на валу)
• Uн и Iн – номинальные значения линейного напряжения и тока для указанной схемы соединения. Например, 380/220, Y/∆, IнY/Iн∆.
• nн – номинальная частота вращения в об/мин.

Тип машины, например, задан в виде 4AH315S8. Это асинхронный двигатель (А) четвёртой серии защищённого исполнения. Если буква Н отсутствует, то двигатель закрытого исполнения.

• 315 – высота оси вращения в мм;
• S – установочные размеры (они задаются в справочнике);
• 8 – число полюсов машины.

3. Получение вращающегося магнитного поля

Условия получения:

1. наличие не менее двух обмоток;
2. токи в обмотках должны отличаться по фазе
3. оси обмоток должны быть смещены в пространстве.

В трёхфазной машине при одной паре полюсов (p=1) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 120°, при двух парах полюсов (p=2) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 60° и т.д.

Рассмотрим магнитное поле, которое создаётся с помощью трёхфазной обмотки, имеющей одну пару полюсов (p=1) (рис. 3.1). Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120° и создаваемые ими магнитные индукции отдельных фаз (BA,BB,BC) смещены в пространстве тоже на угол 120°.

Магнитные индукции полей, создаваемые каждой фазой, как и напряжения, подведённые к этим фазам, являются синусоидальными и отличаются по фазе на угол 120°.

Приняв начальную фазу индукции в фазе A (φA) равной нулю, можно записать:

Рис. 3.1

Магнитная индукция результирующего магнитного поля определяется векторной суммой этих трёх магнитных индукций.

.

Найдём результирующую магнитную индукцию (рис. 3.2) с помощью векторных диаграмм, построив их для нескольких моментов времени.

Рис. 3.2

Как следует из рис. 3.2, магнитная индукция B результирующего магнитного поля машины вращается, оставаясь неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое вращающееся магнитное поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования фаз. Величина результирующей магнитной индукции

B=3/2×Bm.

Частота вращения магнитного поля n0 зависит от частоты сети f и числа пар полюсов магнитного поля p.

n0=(60f)/p, [об/мин].

Обратите внимание, что частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и её нагрузки.

При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω0, которая определяется соотношением:

ω0=(2πf)/p=πn0/30, [рад/сек].

4. Режимы работы трёхфазной асинхронной машины

Асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

Режим двигателя

Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую.

Рис. 4.1

Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n0 в указанном направлении (рис. 4.1). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме (рис. 4.1) электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, т.е. переключить две фазы.

Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n=n0). При этом в обмотке ротора ЭДС E2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I2=0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

S=(n0−n)/n0 или S=[(n0−n)/n0]100%.

При пуске в ход асинхронного двигателя n=0,S=1. В режиме идеального холостого хода n=n0,S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах:

0<S≤1.

При работе асинхронных двигателей в номинальном режиме:

Sн=(2÷5)%.

В режиме реального холостого хода асинхронных двигателей:

Sхх=(0,2÷0,7)%.

Режим генератора

Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.

Пусть n>n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 4.2). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).

Рис. 4.2

При n>n0,S=0.

При n→+∞,S→−∞.

Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах:

0>S>−∞.

Режим электромагнитного тормоза

Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении.

Согласно рис. 4.3 электромагнитная сила будет создавать тормозной электромагнитный момент, под действием которого будет снижаться частота вращения ротора, а затем произойдёт реверс.

В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.

При n=n0,S=1.

При n→−∞,S→+∞.

Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах:

0<S<∞.

Рис.4.3

IV. Закрепление изученного материала:

1. Почему пусковой момент асинхронного двигателя при введении реостата в фазный ротор увеличивается?

1.  Увеличивается индуктивное сопротивление ротора.
2.  Увеличивается активное сопротивление ротора.
3.  Увеличивается активная составляющая роторного тока.
4.  Уменьшается роторный ток.

2. Почему номинальный момент асинхронного двигателя при введении реостата в фазный ротор уменьшается при том же скольжении?

1.  Увеличивается сопротивление ротора.
2.  Увеличивается активное сопротивление ротора.
3.  Уменьшается активная составляющая роторного тока.
4.  Уменьшается роторный ток.
5.  Увеличивается индуктивное сопротивление ротора.

3. Что нужно сделать, чтобы изменить направление вращения трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором?

1.  Изменить схему соединения статорной обмотки.
2.  Изменить схему соединения роторной обмотки.
3.  Поменять местами два линейных провода двигателя на клеммах трехфазной сети.
4.  Изменить схемы соединения статорной и роторной обмоток.

5. Сдвинуть по кругу все три фазных провода А, В и С трехфазной сети на клеммах асинхронного двигателя.

4. Номинальная частота работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, питающегося от промышленной сети переменного тока, п2=950 об/мин. Определить число пар полюсов p статорной обмотки данного двигателя и величину номинального скольжения Sn.

1) p = 1, Sn= 0,68.        

2) p=1, Sn= 0,05.        

3) p= 2, SK=0,37.

4) p = 2, Sn= 0,05.        

5) p=3, Sn= 0,05.

5. Асинхронный двигатель с числом пар полюсов р = 1, критическим скольжением SR = 0,2 работает от промышленной сети переменного тока с нагрузкой на валу со скольжением S1 = 0,1. Определить частоту вращения ротора п2, если нагрузка на валу уменьшилась в 2 раза. Двигатель считать идеальным.

1. n2 = 2700 об/мин.        

2) n2 = 5400 об/мин.        

3) n2 = 2850 об/мин.

4) n2 = 3000 об/мин.        

5) n2 = 2400 об/мин.

6. Определить КПД п трехфазного асинхронного двигателя в номинальном режиме, если постоянные потери Р0=15мВт, переменные Рса=35 мВт, а потребляемая из сети мощность Р1=250 мВт.

1) n = 0,92        

2) n = 1,08        

3) n = 1,20        

4) n = 0,80

5) n = 0,20

V. Подведение итогов урока

В ходе урока-экскурсии студенты на практике смогли проверить свои знания по электрическим машинам, изучить устройство и принцип работы асинхронных двигателей, пускозащитной аппаратурой; познакомиться с правилами техники безопасности при выполнении работ на оборудовании.

VI. Домашнее задание: подготовить краткий отчет об асинхронных машинах, применяемые в народном хозяйстве.

Литература

1. Кацман М.М. Электрические машины: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.М. Кацман. – 8-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 496 с.
2. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов. – Спб.: Пиьтер, 2008. – 320 с.
3. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. – 384 с.