close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ZhagatBurikov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН,
АППАРАТОВ И УСТАНОВОК
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2017
Составители: Г. Г. Жагат, И. Б. Бирюков
Рецензент – преподаватель, заместитель декана по УМР ФСПО
ГУАП С. А. Березина
Методические указания представляют собой руководство к выполнению лабораторных работ по электрическим машинам, составленное в соответствии с учебной программой ПМ 01. Организации и
проведение работ по изготовлению электрических машин, аппаратов и установок (МДК 01.01 Теоретические основы процесса изготовления электрических машин, аппаратов и установок). Приведено содержание лабораторных работ, включающее в себя теоретические сведения, методику проведения, электрические схемы, рекомендации по анализу результатов экспериментов и контрольные
вопросы.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 03.03.17. Подписано к печати 03.04.17.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,73.
Уч.-изд. л. 2,94. Тираж 50 экз. Заказ № 117.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2017
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы: научиться читать принципиальные электрические схемы, ознакомиться с элементами лабораторной установки;
приобрести практические навыки опытного исследования генератора при снятии показаний и построении основных характеристик;
получить экспериментальное подтверждения теоретическим сведениям о генераторах независимого возбуждения.
Теоретические сведения
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря
индуцируется ЭДС Ea. При подключении к генератору нагрузки в
цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение
U = Ea – IaΣr,
(1.1)
где Σr = ra + rд + rко + rc + rщ – сумма сопротивлений всех участков
цепи якоря:
обмотки якоря ra, обмотки добавочных полюсов rд, компенсационной обмотки rко, последовательной обмотки возбуждения rc и
переходного щеточного контакта rщ.
Номинальное изменение напряжение генератора при сбросе нагрузки (%):
ΔUном = 100·(E0 – Uном)/Uном.
(1.2)
Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на
выходе генератора в режиме холостого хода U0, от тока возбуждения Iв:
U0 = f(Iв) при I = 0 и n = const.
3
Нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения Iв:
U = f(Iв) при I ≠ 0 и n = const.
Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе
генератора U от тока нагрузки I:
U = f(I) при rрг = const и n = const,
где rрг – регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.
Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе
генератора:
Iв = f(I) при U = const и n = const,
Перечисленные характеристики определяют рабочие свойства
генераторов постоянного тока.
Напряжение на выводах генератора независимого возбуждения
с ростом нагрузки уменьшается в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего влияния реакции якоря.
Порядок выполнения работы
Схема соединений. В качестве приводного двигателя в схеме
(рис. 1.1) применен асинхронный двигатель с короткозамкнутым
ротором, номинальная частота вращения которого равна номинальной частоте вращения nном генератора. Генератор постоянного
тока G имеет независимое возбуждение, т. е. его обмотка возбуждения ОВ электрически не соединена с обмоткой якоря и подключена
к отдельному источнику постоянного тока через потенциометр RP.
После проверки схемы (рис. 1.1), включением автомата QF пускают
в ход приводной двигатель М. При этом рубильники QS1 и QS2 должны быть разомкнуты. Затем, замыкают QS2 и потенциометром RP
устанавливают такую величину тока возбуждения Iв, при которой напряжение на выходе генератора равно номинальному значению. После
этого замыкают QS1 и проверяют возможность нагрузки генератора.
Характеристика холостого хода представляет собой зависимость
ЭДС генератора в режиме холостого хода Е0 от тока возбуждения Iв
при номинальной частоте вращения nном. Данные для построения
этой характеристики получают следующим образом. При разом4
Пуск
R нг
380
А В С
Р2
КМ
Стоп
КМ КМКМ
V1
= 220
A1
М
G
Я1
Я
A2
Ш1
ОВ
S
rвг
Ш2
Рис. 1.1. Схема включения генератора постоянного тока
независимого возбуждения
кнутых QS1 и QS2 измеряют ЭДС генератора Еост (ЭДС остаточного
магнетизма) и, включив QS2, потенциометром RP постепенно увеличивают ток возбуждения генератора до величины, при которой
ЭДС генератора достигнет значения E0 = 1,15Uном. При этом через
приблизительно одинаковые интервалы ЭДС Е0 снимают показания
вольтметра PV и амперметра РА2 и заносят их в табл. 1.1.
Так получают данные для построения восходящей (намагничивающей) ветви характеристики холостого хода. При этом необходимо следить за тем, чтобы изменения тока возбуждения происходили только в направлении его нарастания. Затем потенциометром
RP постепенно уменьшают ток возбуждения Iв до нуля и вновь
снимают показания вольтметра PV и амперметра РА2 и заносят
их в таблицу получают данные нисходящей (размагничивающей)
Таблица 1.1
Намагничивание
Е0, В
Iв, А
Размагничивание
Е0, В
Iв, А
5
а)
б)
E0
E0
b
E0 =Uном
a
0
Iв0ном
Iв
c
0
Iв
Рис. 1.2. Характеристика холостого хода генератора
постоянного тока не­зависимого возбуждения
ветви характеристики холостого хода. В этом случае также необходимо, чтобы изменения тока возбуждения происходили только в
направлении его уменьшения. Построив обе ветви характеристики
холостого хода, проводят между ними среднюю линию, которую
и принимают за характеристику холостого хода (рис. 1.2, а). Затем к характеристике холостого хода проводят касательную, а из
точки а (рис. 1.2, б), соответствующей номинальному напряжению
(Е0 = Uном ) проводят прямую ас, параллельную оси абсцисс. Коэффициент магнитного насыщения
kμ = ac/ab.
(1.3)
Для машин постоянного тока kμ = 1,20 – 1,75.
Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость
напряжения генератора U от тока возбуждения Iв при неизменных
значениях тока нагрузки Ia и частоты вращения n = nном = const.
Данные нагрузочной характеристики снимают при номинальной
нагрузке генератора. Установив номинальную частоту вращения,
возбуждают и нагружают генератор (рубильники QS1 и QS2 замкнуты) таким образом, чтобы при напряжении U = Uном ток нагрузки имел номинальное значение. Далее потенциометром RP
уменьшают ток возбуждения до такого минимального значения,
при котором ток нагрузки сохраняет номинальное значение (при
n = nном). Приблизительно через равные интервалы тока возбуждения снимают показания вольтметра PV и амперметра РА2, заносят
их в табл. 1.2. Затем строят нагрузочную характеристику. При снятии данных этой характеристики допускается изменять величину
тока возбуждения только в направлении убывания.
6
Таблица 1.2
U/Uном
U, B
Ia = Iном, А
Iв, А
1,15
1,0
0,85
0,75
0,5
Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки Iв
при номинальной частоте вращения якоря nном и неизменном токе
возбуждения Iв = const. Для получения данных внешней характеристики генератора поступают следующим образом. При номинальной частоте вращения генератора, замкнув рубильники QS1 и
QS2 (рис. 1.1), увеличивают ток возбуждения Iв и ток нагрузки Iа
до тех пор, пока генератор не окажется в режиме номинальной нагрузки: Iа = Iа.ном и U = Uном [1]. После этого постепенно разгружают генератор, не изменяя величины тока возбуждения (Iв = const).
При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока нагрузки снимают показания амперметра РА1 и вольтметра PV.
Регулировочная характеристика генератора – это зависимость
тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iа при номинальном напряжении Uном и номинальной частоте вращения nном [2]. Данные для
построения регулировочной характеристики получают следующим
образом. При номинальной частоте вращения возбуждают генератор до номинального напряжения. Затем подключают нагрузку
(замыкают QS1) и постепенно увеличивают ток нагрузки до номинального значения Iа.ном. При этом ток возбуждения увеличивают
так, чтобы напряжение на выходе генератора оставалось равным
номинальному. Через приблизительно одинаковые интервалы тока
нагрузки снимают показания амперметров РА1 и РА2 и заносят их
в табл. 1.3. После этого процесс ведут в обратном направлении, т. е.
уменьшают ток нагрузки вплоть до режима холостого хода и ток
возбуждения так, чтобы напряжение на выходе генератора оставалось равным номинальному. При этом необходимо в первой части
Таблица 1.3
Увеличение тока нагрузки
Iв, А
Iа, А
Уменьшение тока нагрузки
Iв, А
Iа, А
7
Iв
Iв0ном
Iв0
0
Iном
Ia
Рис. 1.3. Регулировочная характеристика генератора
постоянного тока независимого возбуждения
опыта ток возбуждения менять только в сторону увеличения, а во
второй – в сторону уменьшения. Полученные ветви характеристики не совпадают (рис. 1.3), что объясняется явлением гистерезиса.
По данным табл. 1.3 строят две ветви характеристики. За регулировочную характеристику генератора принимают среднюю линию,
проведенную между двумя ветвями.
Анализ результатов лабораторной работы
Обобщив результаты лабораторной работы, следует проанализировать вид полученных графиков, сопровождая это необходимыми пояснениями и основываясь на физической сущности явлений,
происходящих в рассматриваемом генераторе. Так, рассматривая
характеристику холостого хода, следует объяснить причину расхождения ветвей этой характеристики при намагничивании и размагничивании генератора. Это же относится и к регулировочной
характеристике.
Коэффициент магнитного насыщения kμ = ac/ab.
При анализе внешней характеристики необходимо указать причины, вызывающие уменьшение напряжения на выходе генератора при увеличении нагрузки.
Номинальное изменение напряжение генератора независимого
возбужденияпри сбросе нагрузки (%):
ΔUном = 100·(E0 – Uном)/Uном.
8
Контрольные вопросы
Какие способы возбуждения применяют в генераторах постоянного тока?
Дайте определение основным характеристикам генератора: холостого хода, нагрузочной, внешней и регулировочной. При каких
условиях снимают данные для построения каждой из них?
Почему нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода?
Почему ветви регулировочной характеристики, снятые при намагничивании и размагничивании генератора, не совпадают? Какая из них располагается выше?
9
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы: научиться читать принципиальные электрические схемы, ознакомиться с элементами лабораторной установки;
приобрести практические навыки опытного исследования генератора при снятии показаний и построении основных характеристик;
получить экспериментальное подтверждения теоретическим сведениям о генераторах параллельного возбуждения.
Теоретические сведения
Самовозбуждение генератора постоянного тока параллельного
возбуждения возможно при соблюдении следующих условий:
а) магнитная система машины должна обладать остаточным
магнитизмом;
б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким,
чтобы МДС обмотки совпадала по направлению с направлением
остаточного магнетизма Фост;
в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;
г) частота вращения якоря должна быть больше критической.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения
объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения
помимо причин, вызывающих уменьшения напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причин – уменьшения
тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия
первых двух причин.
Порядок выполнения работы
Схема соединений и проверка условий самовозбуждения. Представленная на рис. 2.1 схема соединения предусматривает применение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в качестве приводного двигателя.
10
Пуск
380
А В С
Rнг
Р2
КМ
Стоп
КМКМКМ
V1
М
A1
G
Я1
A2
Ш1
ОВ
Я2
rрг
Ш2
Рис. 2.1. Схема включения генератора постоянного тока
параллельного возбуждения
Обмотка возбуждения исследуемого генератора включена параллельно обмотке якоря, а для регулировки тока возбуждения в
цепи этой обмотки имеется регулировочный реостат rрг. Работа генератора основана на принципе самовозбуждения.
После проверки схемы преподавателем автоматом QF включают приводной двигатель. Затем приступают к проверке условий
самовозбуждения. При разомкнутых рубильнике QS1 и ключе
QS2 вольтметром PV измеряют напряжение на выходе генератора.
Если вольтметр PV показывает небольшое напряжение, созданное
электродвижущей силой остаточного магнетизма, то это свидетельствует о соблюдении первого условия самовозбуждения – магнитная система генератора обладает остаточным магнетизмом. Если
же магнитная система размагнитилась, то ее можно намагнитить,
подключив обмотку возбуждения на некоторое время к источнику
постоянного тока.
Затем устанавливают на реостате rрг наибольшее сопротивление,
замыкают ключ QS2 и, постепенно уменьшая сопротивление rрг,
наблюдают за показаниями вольтметра PV. При этом возможны
три случая: а) напряжение генератора остается неизменным, что
11
свидетельствует об обрыве цепи возбуждения (найти место обрыва
и устранить его); б) напряжение генератора уменьшается, что указывает на неправильное подключение обмотки возбуждения к цепи
обмотки якоря, при котором МДС обмотки возбуждения действует
встречно магнитному потоку остаточного магнетизма и размагничивает машину; этот дефект можно устранить, изменив направление тока в обмотке возбуждения, т. е. поменять местами провода,
подключенные к зажимам обмотки Ш1 и Ш2; в) напряжение генератора увеличивается – начинается процесс самовозбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I при неизменных частоте вращения n = nном, сопротивлении цепи возбуждения
rрг = const [1].
Включив приводной двигатель (автомат QF), подключают нагрузку (замыкают QS1) и замыкают цепь возбуждения (включают QS2).
Регулируя сопротивление нагрузки Rнг и сопротивление регулировочного реостата rрг, устанавливают номинальный режим работы генератора (частота вращения при этом остается номинальной в
течение всего опыта). Сняв показания вольтметра PV и амперметра
РА1, уменьшают нагрузку (увеличивают сопротивление Rнг), сопротивление rрг должно оставаться при этом неизменным. Разгружая
генератор вплоть до режима холостого хода, снимают не менее пяти
показаний приборов и заносят их в таблицу, а затем строят внешнюю
характеристику генератора. Номинальное изменение напряжения
генератора при сбросе нагрузки определяется выражением (1.2).
Анализ результатов лабораторной работы
Анализируя результаты лабораторной работы, устанавливают
соответствие номинальных данных генератора, полученных опытным путем, его паспортным. Для внешней характеристики генератора нужно перечислить причины, вызывающие уменьшение напряжения на выходе генератора при увеличении его нагрузки. Номинальное изменение напряжения генератора при сбросе нагрузки
определяется выражением (1.2).
Контрольные вопросы
Каковы условия, необходимые для процесса самовозбуждения
генератора постоянного тока?
12
Какое условие самовозбуждения нарушено, если при замыкании цепи возбуждения ЭДС генератора уменьшается до нуля?
Почему внешняя характеристика генератора параллельного
возбуждения имеет более падающий вид, чем внешняя характеристика генератора независимого возбуждения?
13
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы: Познакомиться с принципиальной электрической схемой; приобрести практические навыки включения и регулировки, а также опытном исследовании двигателя для получения
рабочих характеристик; экспериментально подтвердить сведения о
свойствах двигателей постоянного тока смешанного возбуждения.
Теоретические сведения
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную ОВ1 и последовательную ОВ2. Возможны два
способа соединения этих обмоток: согласное и встречное.
При согласном включении обмоток результирующих магнитный поток двигателя создается суммой МДС обмоток возбуждения:
Fрез = FОВ1 + FОВ2,
где FОВ1 – МДС параллельной обмотки возбуждения; FОВ2 – МДС
последовательной обмотки возбуждения.
Результирующий магнитный поток двигателя в этом случае с
увеличением нагрузки (с повышением тока I) возрастает (за счет
МДС FОВ2), что приводит к уменьшению частоты вращении.
При встречном включении обмоток возбуждения результирующий магнитный поток двигателя создает разностью МДС обмоток
возбуждения:
Fрез = FОВ1 – FОВ2.
Поэтому с ростом нагрузки результирующий магнитный поток
двигателя ослабляется (за счет МДС FОВ2), что ведет к увеличению
частоты вращения. Такая зависимость частоты вращения двигателя от нагрузки приводит к неустойчивой работе двигателя. По этой
причине двигатели смешанного возбуждения применяют преимущественно с согласным включением обмоток возбуждения.
Для уменьшения величины пускового тока в цепь якоря двигателя смешанного возбуждения включен пусковой реостат (ПР), который плавно выводится по окончанию процесса пуска. Для облегчения пуска двигателя необходимо на время пуска сопротивления
rрг в цепи обмотки возбуждения вывести, так как электромагнит14
ный момент пропорционален не только токи якоря, но и магнитному потоку возбуждения Ф.
Рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения
представляет собой зависимость частоты вращения n, потребляемой P1 и полезной P2 мощностей, полезного момента М2 и КПД h от
потребляемого тока I при номинальном напряжении питания Uном.
и неизменном токе в параллельной обмотке возбуждения ОВ1.
Порядок выполнения работы
Схема соединений и пробный пуск двигателя. Схема включения
двигателя смешанного возбуждения (рис. 3.1) содержит трехзажимный пусковой реостат ПР и регулировочный реостат rрг, включенный в цепь параллельной обмотки возбуждения ОВ1. В схеме
имеются два амперметра: РА1 – для измерения тока I, потребляемого двигателем из сети, и РА2 – для измерения тока возбуждения
Iв. Для контроля напряжения сети в схеме предусмотрен вольтметр
=220
Р1
V1
ПР
С1
A2
r =1 Ом
0...24 В
ОВ2
A1
С2
ЭМТ
G
Я1
rрг
Я2
Ш2
ОВ1
Ш1
Рис. 3.1. Схема включения двигателя
постоянного тока смешанного возбуждения
15
Таблица 3.1
Измерения
Вычисления
Р = 0,105
U, В I, A n, об/мин M2, Нм P1 = UI, Bт 2
h = (Р2/Р1)100, %
М2n2, Вт
PV. Для механической нагрузки двигателя в установке применен
электромагнитный тормоз ЭМТ.
После проверки цепи преподавателем определяют способ соединения обмоток возбуждения. Для этого двигатель включают в сеть,
устанавливают номинальную частоту вращения (посредством регулировочного реостата rрг) и постепенно нагружают его, наблюдая за
изменением частоты вращения. Если с увеличением нагрузки частота вращения уменьшается, то это свидетельствует о согласном включении обмоток возбуждения. Если же обнаружено увеличение частоты вращения, то это указывает на встречное включение обмоток
и тогда двигатель следует остановить и поменять местами провода,
присоединенные к последовательной обмотке возбуждения (С1 – С2).
Рабочие характеристики. Проверив положение пускового и регулировочного реостатов, включают автомат QF и пускают двигатель. Затем посредством ЭМТ постепенно нагружают двигатель до
номинального значения тока нагрузки при номинальной частоте
вращения. После этого постепенно разгружают двигатель вплоть
до режима холостого хода и приблизительно через одинаковые интервалы убывающего тока нагрузки снимают показания приборов
(не менее пяти показаний) и заносят их в табл. 3.1.
Анализ результатов лабораторной работы
Анализ результатов лабораторной работы начинают с установления соответствия номинальных данных двигателя, полученных
опытным путем, его паспортным параметрам. Затем переходят к
анализу рабочих характеристик. При этом особое внимание уделяют скоростной n = f(I) и моментной М2 = f(I) характеристикам. Эти
характеристики необходимо сравнить с аналогичными характеристиками двигателя последовательного возбуждения, объяснив причины, обусловившие различие этих характеристик.
В заключение сравнивают двигатель смешанного возбуждения
с двигателями параллельного и последовательного возбуждения,
указав на его достоинства и недостатки.
16
Контрольные вопросы
Что такое согласное и встречное включения обмоток возбуждения и как они влияют на свойства двигателя смешанного возбуждения?
Почему при пуске двигателей смешанного возбуждения не требуется предварительной нагрузки двигателя?
Если в двигателе смешанного возбуждения уменьшить число
витков в последовательной обмотке возбуждения, то как изменятся
свойства этого двигателя?
Каковы достоинства и недостатки двигателя смешанного возбуждения по сравнению с двигателями параллельного и последовательного возбуждения?
17
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
МЕТОДОМ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Цель работы: Ознакомиться с устройством трансформатора;
усвоить практические приемы лабораторного исследования трансформатора методом холостого хода и короткого замыкания.
Теоретические сведения
Наибольшее применение в электротехнических установках, а
также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых
изменяют значения переменного напряжения и тока. При этом
число фаз, форма графика напряжения (тока) и частота остаются
неизменными.
Для определения параметров трансформатора проводят опыты
холостого хода и короткого замыкания.
Холостым ходом называют режим работы трансформатора при
разомкнутой вторичной обмотке (Zнг = ∞, I2 = 0). Мощность холостого хода представляет собой мощность магнитных потерь в станине магнитопровода. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода.
При проведении опыта холостого хода в качестве первичной обмотки используют низкие напряжения. По данным опыта холостого хода можно определить:
коэффициент трансформации
k = U2O/U1ном = W1/W2,
(4.1)
ток холостого хода в процентах от номинального первичного тока
i0 = (I0/I1ном)·100,
(4.2)
а также потери холостого хода P0.
Короткое замыкание трансформатора – это такой режим, когда
вторичная обмотка замкнута накоротко (Zнг = 0), при этом вторичное напряжение U2 = 0.
При опыте короткого замыкания обмотку низшего напряжения
замыкают накоротко, а к обмотке высшего напряжения подводят
пониженное напряжение, постепенно повышая его регулятором
18
напряжения РНТ до некоторого значения Uк.ном, при котором токи
короткого замыкания в обмотках трансформатора становятся равными номинальным током в первичной (I1к = I1ном) и вторичной
(I2к = I2ном) обмотках. При этом снижают показание приборов и
строят характеристики короткого замыкания, представляющие
собой зависимость тока короткого замыкания I1к, мощности короткого замыкания Pк и коэффициента мощности cosjк от напряжения короткого замыкания Uк.
Напряжение короткого замыкания, соответствующее номинальным значениям ток в обмотках трансформатора при опыте
короткого замыкания, называют номинальным напряжением короткого замыкания. Обычно это напряжение выражают в % от номинального первичного напряжения
uк = (Uк/U1ном)·100,
(4.3)
Так как при опыте короткого замыкания основной поток Фmax
составляет всего лишь несколько процентов по сравнению с его значением при номинальном первичном напряжении, то магнитными
потерями, вызываемым этим потоком, можно пренебречь и считать, что мощность Pк, потребляемая трансформатором при опыте
короткого замыкания, идет полностью на покрытие электрических
потерь в обмотках трансформатора.
Порядок выполнения работы
Лабораторную работу выполняют на трехфазном трансформаторе.
Опыт холостого хода. В схеме опыта холостого хода для плавного регулирования напряжения применен трехфазный регулятор
напряжения РНТ.
Подводимое к первичной обмотке напряжение (сторона НН) следует изменять от 0,5 U1ном до 1,2 U1ном и приблизительно через одинаковые интервалы тока холостого хода снять показания измерительных приборов и занести их в табл. 4.1. При этом измеряют фазные значения напряжений, прикладывая концы соединительных
проводов вольтметра PV к началу и концу каждой фазной обмотки
трансформатора. Если ток холостого хода превышает 5 А, то последовательные катушки двухэлементного ваттметра PW необходимо
включить через измерительные трансформаторы тока. Далее выполняют расчеты:
U1 = (Ua + Ub + Uc)/3,
(4.4)
19
U20 = (UA0+ UB0+ UC0)/3,
(4.5)
I0 = (I0a+I0b+I0c)/3,
(4.6)
i0 = (I0 / Iном),
(4.7)
cosj0 = P0/(3U1I0),
(4.8)
Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора
определяют как отношение числа витков обмотки ВН к числу витков обмотки НН, равное отношению напряжений (1.3): k = U20 /
U1ном. Если значения коэффициентов трансформации при разных
напряжениях U1 неодинаковы, то за коэффициент трансформации
следует принять среднее значение:
k = (k1 + k2 +...)/n,
(4.9)
где n – число измерений при опыте холостого хода.
При расчете коэффициента трансформации линейных напряжений kл необходимо учесть схему соединения обмоток трансформатора.
Например, для схемы изображенной на рис. 4.1, а,
=
kë =
3Wa / WA
3U20 / U1íîì , (4,10)
Результаты вычислений заносят в табл. 4.1 и строят характеристики холостого хода трансформатора (на общей координатной
сетке): i0; Р0; cosj0 = f(U1). На этих характеристиках отмечают точки i0ном; P0ном и cosj0ном соответствующие номинальному напряжению U1ном.
Опыт короткого замыкания. При опыте короткого замыкания
(рис. 4.1, б) в качестве первичной используют обмотку ВН, а обмотку НН замыкают медными проводами небольшой длины достаточного поперечного сечения, чтобы не создавать во вторичной цени
трансформатора заметного сопротивления.
Перед включением рубильника необходимо выставить на регуляторе РНТ нулевое напряжение. Затем, включив автомат QF, медленно повышать напряжение на выходе РНТ и довести ток короткого замыкания I1к до значения 1,2I1к.
Таблица 4.1
Измерения
Вычисления
Ua, Ub, Uc, UA0, UB0, UC0, I0a, I0b, I0c, P0, U1, U20, I0,
В
В
В
В
В
В A A A Вт В
В A
20
i0,
сosj0 k
%
V
а)
A
W
QF
A1
РНТ
B
A2
C
A3
a
x
X
A
b
y
Y
B
c
z
Z
C
ВН
НН
V
б)
A
QF
B
W
A1
РНТ
A2
C
A3
A
X
x
a
B
Y
y
b
Z
z
C
ВН
c
НН
Рис. 4.1. Схемы включения трехфазных трансформаторов
при опытах холостого хода (а) и короткого замыкания (б)
Показания измерительных приборов, снятые через приблизительно одинаковые интервалы тока короткого замыкания, а также
результаты вычислений заносят в табл. 4.2, где выделяют значения
величин, соответствующих номинальному значению тока короткого замыкания. Если ток короткого замыкания превышает 5 А, то
последовательные катушки двухэлементного ваттметра следует
включить через измерительные трансформаторы тока.
Затем выполняют расчеты по формулам:
Uk = (UAk+ UBk+ UCk)/3,
(4.11)
Ik= (IAk + IBk + ICk)/ 3,
(4.12)
Таблица 4.2
Измерения
UAk,
В
UBk,
В
UCk,
В
IAk,
A
IBk,
A
Вычисления
ICk,
A
Pk,
Вт
Uk,
В
Ik,
A
uk,
%
cosjk
21
uk = (Uk/U1ном)100,
(4.13)
cosjk =Pk/(3IkUk).
(4.14)
Результаты расчетов также заносят в табл. 4.2. По данным этой
таблицы строят характеристики короткого замыкания трансформатора. На этих характеристиках отмечают точки, соответствующие номинальному значению тока короткого замыкания.
Анализ результатов лабораторной работы
При анализе характеристик холостого хода трансформатора
следует обратить внимание на их криволинейность, обусловленную
магнитным насыщением магнитопровода, наступающим при некотором значении первичного напряжения U1.
Так как исследованию подвергался трехфазный силовой трансформатор, то необходимо объяснить причину неравенства токов холостого хода в его фазных обмотках.
При анализе характеристик короткого замыкания следует обратить внимание на прямолинейность графика тока короткого замыкания, обусловленную ненасыщенным состоянием магнитопровода при опыте короткого замыкания из-за малой величины основного магнитного потока, которое пропорционально подведенному
к обмотке напряжению короткого замыкания (в трансформаторах
средней и большой мощности uk< 10 %).
Контрольные вопросы
Объясните устройство и принцип действия трансформатора.
Что такое коэффициент трансформации и как его определить
опытным путем?
Почему токи холостого хода в обмотках трехфазного трансформатора неодинаковы?
Почему с увеличением первичного напряжения при опыте холостого хода уменьшается коэффициент мощности трансформатора?
Почему мощность холостого хода принимают за магнитные потери, а мощность короткого замыкания – за электрические потери?
Почему при опыте короткого замыкания ток в первичной обмотке достигает номинального значения при напряжении, в несколько
раз меньшем номинального?
22
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
МЕТОДОМ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ НАГРУЗКИ
Цель работы: Изучить конструкцию трехфазного асинхронного
двигателя с короткозамкнутым ротором; получить практические
навыки пуска трехфазного асинхронного двигателя методом непосредственной нагрузки.
Теоретические сведения
Существуют два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателе: метод непосредственной нагрузки и косвенный метод.
Метод непосредственной нагрузки заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от холостого хода до
номинальной нагрузки с измерением необходимых параметров.
Этот метод обычно применяется для двигателей мощностью не более 10–15 кВт. С ростом мощности двигателя усложняется задача
его нагрузки, растет непроизводительный расход электроэнергии
и загрузка электросети. Применение этого метода ограничивается
еще и тем, что не всегда представляется возможным создать испытательную установку по причине отсутствия требуемого оборудования и недопустимости перегрузки электросети.
Широкое применение получил более универсальный косвенный
метод, не имеющий ограничений по мощности исследуемого двигателя. Этот метод заключается в выполнении двух экспериментов:
опыта холостого хода и опыта короткого замыкания.
Для правильной оценки двигателя строят рабочие характеристики, (на одной координатной сетке): I1,n2,M2,η,cosj1 = f(P2),
примерный вид которых показан на рис. 5.2.
Порядок выполнения работы
Схема включения двигателя на рис. 5.1 содержит двухэлементный ваттметр PW, предназначенный для измерения активной
мощности, потребляемой двигателем из сети. Токовые катушки
23
A
B
C
QF
Л1
Л2
UA
И1
И2
A
QS
IA
Л1
UB
UC
W
И1
И2
IC
Л2
V
C2
0..24 В
ЭМТ
C1
М
C3
Рис. 5.1. Схема включения трехфазного асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором
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.
24
М2 ,
Н·м
I2 , A
n2 , об/мин
n2
8
20
cosϕ1
1200
М2
15
6
900
10
4
600
I1
КПД
5
300
2
0
0
0
1
2
4
3
P2, кBт
Рис. 5.2. Рабочие характеристики трехфазного
асинхронного двигателя
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
I1 = 1,2I1ном. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока I1 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 (I1 = I1ном). Затем
выполняют расчеты:
подводимая к двигателю мощность (Вт):
P1 = P1’kТCw,
(5.1)
где kТ – коэффициент трансформации трансформатора тока; Cw –
цена деления ваттметра, Вт/дел.; P1’ – мощность на валу (Вт).
Таблица 5.1
Измерения
U1,
B
I1,
А
P1’,
Вт
n2,
об/мин
Вычисления
M2,
Нм
P1,
Вт
P2,
Вт
η,%
cosj1
s
25
полезная мощность двигателя – мощность на валу (Вт):
P2 = 0,105·M2·n2,
(5.2)
где n2 – частота вращения ротора, об/мин; М2 – нагрузочный момент, Н·м; если М2 измерен в устаревших единицах кгс·м, то
КПД двигателя
P2 = 0,105·9,81·M2·n2,
(5.3)
η = (P2/P1)·100,
(5.4)
коэффициент мощности
cosj1 = P1/(1,732·U1I1),
(5,5)
s = (n1 – n2)/n1.
(5.6)
скольжение
По данным табл. 5.1 строят рабочие характеристики двигателя
(на одной координатной сетке): I1,n2,M2,η,cosj1 = f(P2), примерный вид которых показан на рис. 5.3.
Анализ результатов лабораторной работы
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 I1 = f(P2), не выходит из начала координат, так как в
режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого
хода I10, обусловленный потерями холостого хода.
Характеристика частоты вращения n2 = f(P2) имеет падающий
вид, т. е. с ростом нагрузки частота вращения ротора уменьшается. При этом чем больше активное сопротивление обмотки ротора
r’2 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,
26
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 I1 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?
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?
27
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПУСКА ТРЕХФАЗНЫХ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
C КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
Цель работы: Изучить конструкцию трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о пусковых
свойствах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором;
приобрести практические навыки в осуществлении различных способов пуска асинхронных двигателей.
Теоретические сведения
Пусковые свойства двигателя определяются в первую очередь
значением пускового тока In или его кратностью In/Iном и значением
пускового момента Mn или его кратностью Mn/Mном. Двигатель, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе.
Улучшить пусковые свойства двигателя можно увеличением
активного сопротивления цепи ротора r’2, так как в этом случае
уменьшение пускового тока сопровождается увеличением пускового момента. В то же время напряжение U1 по – разному влияет
на пусковые параметры двигателя: с понижением U1 пусковой ток
уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства двигателя, но одновременно уменьшается пусковой момент.
Понижение пусковых значений тока In и момента Mn, пусковые
свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями, как
продолжительность и плавность пуска, сложность пусковой операции, ее экономичность (стойкость и надежность пусковой аппаратуры и потери энергии в ней).
Наличие контактных колец и щеток у двигателей с фазным ротором позволяют подключить к обмотке ротора пусковой реостат.
Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
непосредственным включением в сеть, отличающийся простотой,
имеет существенный недостаток: в момент включения двигателя
в сеть, в обмотке статора возникает пусковой ток, превышающий
номинальный ток двигателя в 5–7 раз [2].
При необходимости уменьшения пускового тока двигателя применяют один из специальных способов пуска асинхронных двига28
телей при пониженном напряжении: пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник; пуск посредством реакторов;
пуск через понижающий автотрансформатор.
При пуске трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением статора со звезды на треугольник
мы добиваемся уменьшения линейного тока в 3 раза ( 3)2 = 3.
Понижение фазного напряжения в корень из 3 раз сопровождается уменьшением пускового момента в 3 раза. Такое значительное
уменьшение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включенных в сеть при значительных
нагрузках на валу.
Порядок выполнения работы
Для получения объективных результатов лабораторной работы,
пригодных для сравнения различных методов пуска асинхронных
двигателей с короткозамкнутым ротором, необходимо все эксперименты выполнять на одном и том же двигателе с включением в цепь
обмотки статора одного и того же амперметра. Применение разных
двигателей и амперметров, даже одного и того же типа, внесет погрешность в эксперимент, результаты которого будут фиксировать не только особенности метода пуска двигателя, но и специфические свойства
различных экземпляров двигателей и измерительных механизмов
амперметров. Используемый в лабораторной работе двигатель должен
нормально работать при соединении обмотки статора в «треугольник».
Пуск двигателя непосредственным включением в сеть. Этот
метод пуска отличается простотой, однако в момент подключения
двигателя к сети в цепи статора возникает значительный пусковой
ток, в 5–7 раз превышающий номинальный ток двигателя.
После проверки схемы (рис. 6.1) преподавателем следует поставить переключатель QS в положение «треугольник» и включить
автомат QF. В момент включения стрелка амперметра отклонится,
показывая значение начального пускового тока Iп; это показание
заносят в табл. 6.1. Пуск двигателя повторяют три раза, а затем
определяют среднее значение начального пускового тока (А)
Iп.ср = (Iп1 + Iп2 + Iп3)/3.
(6.1)
Перед каждым пуском двигателя необходимо убедиться в полной остановке ротора. Далее следует определить кратность пускового тока Iп.ср/I1ном – номинальный ток двигателя, А.
29
В
А
С
QF
А1
С1
С2
С3
QS
V1
С4
С5
С6
Рис. 6.1. Схема включения трехфазного
асинхронного двигателя при пуске переключением
обмотки статора со «звезды» на треугольник»
Таблица 6.1
Номер пуска
цIп, А
Iп.ср, А
UU1, B
Iп.ср/I1ном
Мп, Н·м
Мп/Мном
1
2
3
Пуск двигателя переключением обмотки статора со звезды на
«треугольник». Схема соединений остается прежней (рис. 6.1).
Пуск производят в следующем порядке. Поставив переключатель
QS в нейтральное положение, включают автомат QF; затем переключатель QS переводят в положение «звезда» и фиксируют значения начального пускового тока I’п и пускового напряжения U’п.
После разгона ротора переключатель быстро переводят в положение «треугольник». При этом обращают внимание на то, что «бросок» тока при переключении обмотки статора со «звезды» на «треугольник» намного меньше начального пускового тока.
Пуск включением обмотки на «звезду» следует повторить три
раза и определить среднее значение начального пускового тока
(6.1) и его кратность I’п.ср/I’1ном. Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 6.2.
30
Таблица 6.2
Измерения
I’п,
А
Метод пуска
Вычисления
U’п, I’п.ср, I’п.ср/ U’п/ М’п, М’п/ I’п.ср/ М’п/
B
А I’1ном U1ном Н·м М2ном I п
Мп
Переключением
обмотки статора
с Y на Δ
Зависимость пускового момента от напряжения. После проверки схемы преподавателем (рис. 6.2) устанавливают минимальное
напряжение на выходе РНТ, вставляют в специальное отверстие
диска электромагнитного тормоза (моментомера) ЭМТ шпильку, зацепляющую диск с полюсом электромагнита. После этого включают
В
А
С
QF
РНТ
А2
С2
0...24 В
V2
С1
С3
ЭМТ
М
Рис. 6.2. Схема включения двигателя для определения зависимости
пускового момента от напряжения
31
автомат QF и плавно повышают напряжение на обмотке статора U1к
до значения, при котором ток в обмотке статора достигнет величины
I1к = (2,5–3,0)I1ном.
При этом через приблизительно одинаковые интервалы пускового момента Мп снимают не менее пяти показаний вольтметра и
моментомера ЭМТ и заносят их в табл. 6.3. Измерения при значениях тока I1к < I1ном следует проводить по возможности быстро, не
допуская чрезмерного перегрева двигателя.
По полученным данным на координатную сетку наносят точки
и по лекалу через эти точки проводят плавную кривую, продолжив
ее за пределы экспериментально найденных точек, т. е. экстраполируют график на участке АВ (рис. 6.3) до номинального (фазного)
напряжения U1ном асинхронного двигателя. Из теории известно,
что пусковой момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату фазного напряжения. Используя это положение, вычисляют
значение пускового момента Мп.ном соответствующее номинальному напряжению на обмотке статора:
Mп.ном = МпА(U1ном/U1А)2,
(6.3)
где U1А – напряжение, соответствующее пусковому моменту МпА,
т. е. наибольшему значению момента, полученному экспериментально (точка А на рис. 6.3).
Таблица 6.3
Параметр
11
Номер измерения
33
44
22
55
U1к, B
Мп, Н·м
Mп, Н·м
В
А
MпВ ∼ Mп.ном
MпА
0
U1А
U1ном U1,B
Рис. 6.3. График зависимости пускового момента
асинхрон­ного двигателя от напряжения питания
32
66
Рассчитанное по (6.3) значение номинального момента должно
быть равно или мало отличаться от значения момента МпВ ≈ Мп.ном,
т. е. момента, полученного экстраполяцией графика (точка В на
рис. 6.3), что будет свидетельствовать о правильно выполненной
экстраполяции. Этот график используют для определения пусковых моментов при различных методах пуска двигателя:
а) при пуске двигателя непосредственным включением в сеть –
момент Мп, соответствующий номинальному фазному напряжению на обмотке статора;
б) при методах пуска двигателя с применением пониженного
напряжения сети (переключением обмотки статора со «звезды» на
«треугольник» и с включением реакторов в цепь статора) – момент
М’п. Затем для каждого метода пуска определяют кратность пускового момента Мп/М2ном, где
М2ном = 9,55Pном/nном,
М2ном – номинальное значение момента на валу двигателя, Н м;
Pном – номинальная мощность двигателя, Вт; nном – номинальная
частота вращения, об/мин.
Полученные значения величин пускового момента и его кратности для метода пуска двигателя непосредственным включением в
сеть заносят в табл. 6.1, а для методов пуска при пониженном напряжении – в табл. 6.2.
Анализ результатов лабораторной работы
Необходимо дать сравнительную оценку пусковым свойствам
асинхронного двигателя при различных методах пуска. При этом
следует иметь в виду основные пусковые параметры двигателя – начальные пусковой ток и пусковой момент, получены в результате
экспериментов. При сравнении удобно воспользоваться отношениями I’п.ср/I п.ср и М’п/Мп, где Iп.ср и Мп – начальные значения пускового тока и пускового момента при пуске двигателя непосредственным включением в сеть. Вполне очевидно, что для метода пуска непосредственным включением двигателя в сеть эти отношения равны
единице, а для специальных методов пуска они меньше единицы.
При выводах о достоинствах и недостатках методов пуска необходимо учитывать еще и такие показатели, как сложность пусковой операции и ее экономичность, имея в виду стоимость дополнительных устройств.
33
Контрольные вопросы
Какие показатели определяют пусковые свойства асинхронных
двигателей?
Назовите достоинства и недостатки метода пуска асинхронных
двигателей непосредственным включением в сеть.
На чем основаны методы уменьшения пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором? Перечислите эти
методы.
Какой общий недостаток методов пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении?
На сколько уменьшается пусковой ток асинхронного двигателя
при его пуске методом переключения обмотки статора со «звезды»
на «треугольник»? Как при этом изменяется пусковой момент?
Как зависит пусковой момент асинхронного двигателя от напряжения, подводимого к обмотке статора?
34
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
ТРЕХФАЗНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ
Цель работы: Научиться читать принципиальные электрические схемы, ознакомиться с элементами лабораторной установки;
приобрести практические навыки опытного исследования работы
трехфазного синхронного генератора при снятии показаний и построении основных характеристик; получить экспериментальное
подтверждение теоретическим сведениям о свойствах синхронного
генератора, включенного на параллельную работу.
Теоретические сведения
Параллельная работа генераторов. На электрических станциях
обычно устанавливают несколько синхронных генераторов, включенных параллельно для совместной работы по причинам:
а) обеспечение бесперебойного электроснабжения в случае аварии на какой- либо энергетической установке или отключения ее
для ремонта;
б) при работе электростанции с переменным графиком нагрузки
появляется возможность отключить часть энергоустановок, с тем
чтобы оставшиеся установки работали с нагрузкой, близкой к номинальной с высоким КПД.
При включении синхронного генератора в сеть на параллельную
работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора
E0 в момент подключения его к сети должна быть равна и противоположна по фазе напряжению сети (E0 = – U1), частота ЭДС генератора fг должна быть равна частоте переменного тока в сети fс; порядок следования фаз на выводах генератора должен быть таким же,
что и на зажимах сети. Приведение генератора, включаемого на
параллельную работу, в состояние, удовлетворяющее всем указанным условиям, называют синхронизацией. Несоблюдение любого
из условий синхронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, черезмерная величина которых
может явиться причиной аварии.
Включить генератора в сеть с паралельно работающими генераторами можно способом точной синхронизации или способом точной синхронизации или способом самосинхронизации.
35
Способ точной синхронизации. Сущность этого способа состоит
в том, что прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в
состояние, удовлетворяющее всем вышеперечисленным условиям,
т. е. синхронизируют. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент синхронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов
с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех
ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равностороннего треугольника и включенных либо по схеме «на погасание», либо по схеме «на вращение света».
При включении ламп по схеме «на погасание» момент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. В момент синхронизации векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при котором их сумма равна нулю: EA + UA = 0; EB + UB = 0;
EC + UC = 0, т. е. Uл = 0, и все три лампы одновременно гаснут. При
большой разности угловых скоростей ωг и ωс лампы вспыхивают и
гаснут часто, а по мере сближения угловых скоростей вращения,
мигание ламп становится реже. Изменяя частоту вращения приводного двигателя, добиваются равенства ωг = ωс, о чем и будет свидетельствовать погасание ламп на длительное время. В этот момент
и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключенным к сети.
Порядок выполнения работы
После пуска приводного двигателя генератор возбуждают включением рубильника QS2 (рис. 7.1) и затем по показанию частотомера PF устанавливают синхронную частоту вращения щ. С помощью
потенциометра RP устанавливают ЭДС генератора E10 = U1ном, равную напряжению сети Uс, После этого, медленно перемещая движок регулировочного реостата rрг в цепи обмотки возбуждения приводного двигателя, наблюдают за поведением ламп синхроноскопа,
добиваясь их состояния, соответствующего соблюдению условий
синхронизации. Добившись этого, включают рубильник QS1.
U-образные характеристики генератора. Эти характеристики
представляют собой зависимость тока статора U1 от тока возбуждения Iв генератора, при неизменной полезной мощности генератора Р2. U-образные характеристики снимают для трех значений
полезной мощности генератора: Р2 – 0 (режим холостого хода),
36
P2 =  0,25P2ном, P2 = 0,5P2ном. Включив генератор Iв до тех пор,
пока ток в цепи статора генератора не достигнет номинального
значения I1ном. При этом приблизительно через одинаковые интервалы тока возбуждения Iв измеряют ток статора I1 и показания
приборов РА1 и РА2 заносят в табл. 7.1. Затем постепенно уменьшают ток возбуждения Iв.ном до тех пор, пока ток статора I1 пройдя через минимум, не возрастет опять до номинального значения.
После этого восстанавливают прежнее значение тока возбуждения
I1ном, при котором ток статора имеет минимальное значение и, воздействуя на регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения
Таблица 7.1
P2 = 0
Iв, А
P2 = 0,25P2ном
I1, A
cosj1
Iв, А
I1, A
A
=220
P2 = 0,5P2ном
B
I1, A
cosj1
C
QF
PV1
Iв, А
cosj1
2
QS1
1
3
PV2 PF
ПР
Л1
Л2
М
Я1
И1
И2
PW
Л1
PA1
Л2
C2
Я2
rрг
И1
И2
ОВ
C1
C3
PA2
=220
RP
Рис. 7.1. Схема включения трехфазного
синхронного генератора
37
I1
cosϕ1
1
I1
2
0
Iв.ном
Iв
Рис. 7.2. U-образные характеристики
синхронного генератора
приводного двигателя, доводят активную нагрузку генератора до
значения P2 = 0,25P2ном. Данные U-образной характеристики для
этой нагрузки генератора снимают в изложенном выше порядке и
заносят их в табл. 7.1. Опыт повторяют для нагрузки генератора
P2 = 0,5P2ном.
На построенном графике следует указать зоны работы генератора с опережающим и отстающим токами статора. Точки на графиках, соответствующие минимальному току статора, соединяют
пунктирной линией (рис. 7.2). Коэффициент мощности генератора
при различных значениях тока статора I1
cosj1 = P2/(U1I1 3 ),
(7.1)
Анализ результатов лабораторной работы
Анализируя результаты лабораторной работы, сосредоточивают
внимание на U-образных характеристиках генератора. При этом
следует объяснить влияние силы тока возбуждения генератора на
фазовый сдвиг тока статора относительно напряжения сети Uc,
уточнив при этом характер реактивной составляющей тока статора
при недовозбуждении и перевозбуждении генератора.
Далее необходимо объяснить, почему с ростом активной нагрузки генератора увеличивается значение тока возбуждения, соответ38
ствующего работе генератора cosj1 = 1. И наконец, следует указать,
с каким значением тока возбуждения работа генератора наиболее
экономична. При этом имеют в виду возможный вид нагрузки генератора – активно-индуктивный или активно-емкостный.
Контрольные вопросы
Какие условия необходимо соблюсти, прежде чем включить
синхронный генератор на параллельную работу?
Каким прибором контролируется соблюдение условий синхронизации?
Как нагрузить синхронный генератор, подключенный на параллельную работу с сетью?
Изложите порядок действий при снятии данных для построения
U-образных характеристик синхронного генератора.
Как определить, при какой величине тока возбуждения синхронный генератор, включенный на параллельную работу с сетью,
будет работать с коэффициентом мощности cosj1 = 1?
Если изменится активная нагрузка этого генератора, то потребуется ли изменить ток возбуждения, чтобы cosj1 стался равным
единице.
39
Лабораторная работа № 8
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО
СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Цель работы: Научиться читать принципиальные электрические
схемы, ознакомиться с элементами лабораторной установки; приобрести практические навыки опытного исследования работы трехфазного синхронного двигателя при снятии показаний и построении
основных характеристик; получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о свойствах синхронного двигателя.
Теоретические сведения
Пуск синхронных двигателей. Пуск синхронного двигателя
непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор
из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен
вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь
между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного
двигателя приходится применять специальные способы, сущность
которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней скорости, при которой между
статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.
В настоящее время применение имеет способ пуска, получивший
название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличие
в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотки синхронного генератора. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшие
при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях
пусковой клетки ЭДС, которые создают токи I2. Взаимодействие
этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил Fэм. Под действием этих сил ротор приводится во вращение. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (n2 ≈ 0,95n1), обмотку возбуждения
подключают к источнику постоянного тока. Образующийся при
этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм.
После этого пусковая обмотка двигателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора. Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождения в синхронизм.
40
В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя
оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекающий его в начальный период пуска с синхронной скоростью,
наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости
изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала.
Для предотвращения этого обмотку возбуждения на период разгона
ротора замыкают на активное сопротивление r, примерно в десять
раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение
зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с гасящего сопротивления
r на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П.
При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей
непосредственным включением в сеть на номинальное напряжение применяют при достаточной мощности сети, способной выдерживать без заметного падения напряжения броски пускового тока
пяти – или семикратного значения (по сравнению с номинальным
током). Если же мощность сети недостаточна, то можно применить
автотрансформаторный или реакторный способы пуска двигателя
при пониженном напряжении.
Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой зависимость частоты вращения
ротора n2, потребляемой мощности P1, полезного момента M2,
коэффициента мощности cosj1 и тока в обмотке статора I1 от полезной мощности двигателя P2. Частота вращения ротора n2 всегда
равна синхронной частоте n1 = f160/p, поэтому n2 = f(P2) имеет вид
прямой линии, паралельной оси абсцисс. Полезный момент на валу
синхроннго двигателя M2 = P2/w1 [2]. Так как рабочие характеристики снимают при условии f1 = const, то график M2 = f(P2) имеет
вид прямой линии, выходящей из начала координат. Мощность на
выходе двигателя:
P1 = P2 + ΣP.
С ростом нагрузки на валу двигателя увеличивается также и потери ΣP, поэтому потребляемая мощность P1 растет быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f(P2) имеет несколько криволинейный вид.
Вид графика cosj1 = f(P2) зависит от настройки тока возбуждения: если в режиме холостого хода ток возбуждения установлен
таким, что cosj1 = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности
снижается.
41
Порядок выполнения работы
Схема соединений и пуск двигателя. Для измерения активной
мощности, потребляемой двигателем из сети, в схеме (рис. 8.1)
предусмотрен трехфазный двухэлементный ваттметр PW, токовые
катушки которого включены через трансформаторы тока. В цепь
обмотки возбуждения двигателя включен переключатель QS4, позволяющий на время пуска двигателя замкнуть обмотку возбуждения ОВ на активное гасящее сопротивление r (положение 1), а по
окончании пуска подключить эту обмотку к источнику постоянного тока (положение 2), т. е. возбудить двигатель.
В качестве нагрузочного устройства синхронного двигателя в
схеме предусмотрен генератор постоянного тока G независимого
возбуждения. Величина нагрузочного момента на валу двигателя
M2 регулируется электрическим сопротивлением нагрузочного
реостата Rнг, включенного на выводы обмотки якоря генератора,
и изменением тока возбуждения генератора (регулировочным реA
B
C
QF
=220
PV1
Л1
QS1
Л2
rрг
QS5
G
PW
Л1
И1
И2
PA1
Л2
C2
ОВ
Я1
И1
И2
Я2
C1
PА2
И1
PV1
PA3
C3
QS3
QS4
ОВ И2
r
1
=220
2
RP
QS2
R нг
Рис. 8.1. Схема включения трехфазного синхронного двигателя
42
остатом rрг). Для увеличения нагрузочного момента уменьшают
либо нагрузочное сопротивление генератора Rнг, либо сопротивление реостата rрг в цепи возбуждения генератора.
Нагрузочный момент на валу двигателя (Н·м)
M2 = 9,55Pг/(n1nг),
(8,1)
где n1 – синхронная частота вращения, об/мин; nг – КПД генератора (в долях единицы), задается в виде графика зависимости Мощность на выходе нагрузочного генератора (Вт)
Pг = UгIг,
(8,2)
где Uг и Iг – напряжение (В) и ток (А) в цепи якоря генератора, измеряемые вольтметром PV2 и амперметром РА2.
Двигатель включается в сеть автоматом QF. При этом в цепи
статора двигателя возникает значительный пусковой ток. При необходимости для ограничения этого тока применяют методы, рассмотренные при изложении вопросов пуска асинхронных двигателей, либо переключение обмотки статора со звезды на треугольник,
либо включение обмотки статора в сеть через реакторы или понижающий автотрансформатор.
Для предохранения амперметра РА1 от разрушения большим
пусковым током в схеме предусмотрен шунтирующий ключ QS5.
Амперметр РАЗ в цепи обмотки возбуждения ОВ синхронного двигателя должен иметь двустороннюю шкалу (нуль посередине).
После сборки и проверки схемы преподавателем, осуществляют
асинхронный пуск синхронного двигателя. Для этого ключ QS5 замыкают, а переключатель QS4 ставят в положение 1, т. е. замыкают обмотку возбуждения двигателя на активное сопротивление г.
Затем включают автомат QF, подключающий к сети обмотку статора синхронного двигателя. Ротор двигателя начинает вращаться
и, разгоняясь, приближается к синхронной частоте вращения. При
этом стрелка амперметра РАЗ отклоняется влево и вправо от нуля.
Когда нарастание частоты вращения ротора прекратится, то в момент отклонения стрелки амперметра РАЗ в какую-либо сторону
следует возбудить двигатель, т. е. быстро перевести переключатель
QS4 в положение 2, подав напряжение в цепь ОВ. После этого двигатель втягивается в синхронизм и процесс пуска заканчивается.
Затем восстанавливают прежнее значение тока возбуждения
генератора Iв.ном, соответствующее минимальному значению тока
статора Iв После этого постепенно уменьшают ток возбуждения
синхронного генератора до величины, при которой ток статора
43
Таблица 8.1
Измерения
Iв, А
I1, А
Вычисления
Р1’, дел.
Р1, кВт
cosj1
вновь достигнет номинального значения. Показания приборов заносят в табл. 8.1.
Известно, что частота вращения ротора синхронного двигателя
при изменениях нагрузки остается неизменно равной синхронной
частоте вращения. Однако при перегрузке двигателя или при резком уменьшении напряжения в сети возможно «выпадение» двигателя из синхронизма. Поэтому при выполнении экспериментов
необходимо контролировать синхронную частоту вращения двигателя. Это удобнее всего делать стробоскопическим способом: либо
с помощью тахометра, либо с помощью стробоскопических меток,
нанесенных в виде чередующихся черных и белых полос на поверхность муфты, соединяющей валы двигателя и нагрузочного устройства. Число этих полос должно быть равно числу полюсов 2р двигателя. Так, при частоте тока 50 Гц, если 2р – 2 (n1 = 3000 об/мин),
то должна быть одна белая и одна черная полосы, а если 2р = 4
(n = 1500 об/мин), то должны быть две белые и две черные чередующиеся полосы и т. д.
Вращающаяся поверхность с нанесенными полосами должна
освещаться лампой, включенной в сеть переменного тока (50 Гц).
Если в процессе работы двигателя полосы кажутся неподвижными, то это свидетельствует о синхронной частоте вращения ротора,
если же эти полосы кажутся вращающимися в сторону, противоположную фактическому вращению муфты, то это свидетельствует о
«выпадении» двигателя из синхронизма.
Мощность, потребляемая двигателем из сети (Вт):
Р1 = Р1’× Сw,
(8.3)
где Cw – цена деления ваттметра, Вт/дел.
Коэффициент мощности двигателя
cosj1 = Р1 / (3×1,732× I1× U1),
(8.4)
где U1 – напряжение сети, В.
Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют
собой зависимость тока статора I1 потребляемой мощности Р1 нагрузочного момента М2 и КПД η от полезной мощности двигателя
P2 при токе возбуждения Iв = Iв.ном, соответствующем cosj1 = 1.
44
Таблица 8.2
Измерения
I1,
А
Р1’,
дел.
U1,
В
Uген,
В
Вычисления
Iген,
А
Р1,
кВт
Рген,
кВт
М2,
Н⋅м
Р2,
кВт
cosj1 η, %
После пуска двигателя устанавливают ток возбуждения Iв.ном,
соответствующий cosj1 = 1. Затем замыкают QS1 и QS2 (рис. 8.1) и
нагружают генератор G, постепенно доводя ток статора синхронного двигателя до значения Iв.ном. Приблизительно через одинаковые
интервалы этого тока снимают показания приборов и заносят их в
табл. 8.2.
Так как рабочие характеристики синхронного двигателя соответствуют cosj1 = 1, то при каждом снятии показаний приборов
следует установить величину тока возбуждения двигателя Iв.ном,
соответствующую минимальному значению тока статора Iг при
данном нагрузочном моменте М2, а следовательно, коэффициенту
мощности cosj1 = 1.
Затем выполняют расчеты: подводимая к двигателю мощность
по (8.3); мощность на выходе генератора по (8.2); момент навалу
двигателя по (8.1); коэффициент мощности двигателя по (8.4); полезная мощность двигателя (Вт)
Р2 = Рг/ηг;
(8.5)
η = (P2/P1)100.
(8.6)
КПД двигателя (%)
По данным табл. 8.2 строят рабочие характеристики синхронного двигателя в одних осях координат.
Анализ результатов лабораторной работы
Анализируя результаты лабораторной работы, в первую очередь
Устанавливают соответствие номинальных параметров двигателя,
полученных опытным путем, его паспортным данным. Затем, используя U-образные характеристики двигателя, определяют его
зоны работы с отстающим и опережающим по фазе током статора.
Необходимо определить, при каком значении тока возбуждения
работа двигателя наиболее экономична. При этом следует также
45
иметь в виду влияние индуктивного характера нагрузки, создаваемой потребителями электроэнергии, включенными в общую сеть с
синхронным двигателем.
Анализируя рабочие характеристики двигателя, необходимо
дать заключение о соответствии формы полученных графиков типовым, приведенным в учебнике [2].
Контрольные вопросы
Объясните принцип работы синхронного двигателя.
Какие существуют способы пуска синхронных двигателей?
С какой целью при асинхронном пуске синхронного двигателя
обмотку возбуждения замыкают на активное сопротивление?
Почему при регулировке тока возбуждения меняется значение
тока статора синхронного двигателя?
Что такое выпадение синхронного двигателя из синхронизма и
при каких условиях оно происходит?
46
Список использованных источников
1. Кацман М. М. Электрические машины. М.: Издательский
центр «Академия», 2015. 496 с.
2. Кацман М. М. Лабораторные работы по электрическим машинам и электрическому приводу. М.: Издательский центр «Академия», 2015. 256 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1. Исследование генератора постоянного тока
независимого возбуждения.............................................................
Лабораторная работа № 2. Исследование генератора постоянного тока
параллельного возбуждения...........................................................
Лабораторная работа № 3. Исследование двигателя постоянного тока
смешанного возбуждения...............................................................
Лабораторная работа № 4. Исследование силового трансформатора
методом холостого хода и короткого замыкания................................
Лабораторная работа № 5. Исследование трехфазного асинхронного
двигателя методом непосредственной нагрузки.................................
Лабораторная работа № 6. Исследование способов пуска трехфазных
асинхронных двигателей c короткозамкнутым ротором......................
Лабораторная работа № 7. Исследование параллельной работы
трехфазного синхронного генератора с сетью....................................
Лабораторная работа № 8. Исследование трехфазного синхронного
двигателя....................................................................................
Список использованных источников................................................
3
10
14
18
23
28
35
40
47
47
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 228 Кб
Теги
zhagatburikov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа