Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам

СОДЕРЖАНИЕ 1. Лабораторная работа №1 ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 2. Лабораторная работа №2 ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 3. Лабораторная работа №3 ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР 4. Лабораторная работа №4 АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ 5. Лабораторная работа №5 ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ 6. Лабораторная работа №6 СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

4 10 16 22 27 33

3

Лабораторная работа №1 ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Цель работы: 1. Ознакомиться с конструкцией электрической машины постоянного тока. 2. Изучить принцип действия генератора постоянного тока смешанного возбуждения. 3. Снять и проанализировать основные характеристики генератора смешанного возбуждения. Теоретические пояснения Основными частями генератора постоянного тока являются: а) ярмо; б) главные и дополнительные полюса с обмотками; в) якорь с обмоткой; г) коллектор и щетки. Все генераторы постоянного тока делятся на две основные группы, а именно: на генераторы независимого возбуждения и самовозбуждающиеся. Генератор смешанного возбуждения относится к самовозбуждающимся генераторам. Он имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. В генераторах смешанного возбуждения различают согласное и встречное соединение обмоток возбуждения. При согласном соединении магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения складываются, при встречном соединении магнитный поток последовательной обмотки направлен встречно и ослабляет магнитный поток параллельной обмотки возбуждения. Самовозбуждение генератора при холостом ходе осуществляется параллельной обмоткой возбуждения. При вращении якоря в магнитном поле полюсов в его обмотке индуктируется ЭДС, определяемая формулой: P n ⋅ ⋅ N ⋅Ф ⋅ B . a 60 Напряжение генератора выражается формулой U = E − I я R я . E = C e nФ =

Свойства генератора постоянного тока смешанного возбуждения определяются его характеристиками, основными из которых являются характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная. Характеристика холостого хода Так называется зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора, от тока возбуждения при отсутствии тока во внешней цепи ( I Г = 0 ) и постоянной частоте вращения якоря (n = const). 4

E (I в ) при I Г = 0 , n =nн= const.

Внешние характеристики Внешние характеристики определяют собой зависимость напряжения на зажимах генератора U от величины тока во внешней цепи I Г при постоянной частоте вращения якоря nн и при постоянном сопротивлении цепи параллельной обмотки возбуждения. U (I Г ) при Rв=const, nн= const. Регулировочные характеристики Регулировочной характеристикой называется зависимость, показывающая как необходимо изменять ток параллельной обмотки возбуждения I в при изменении тока нагрузки I Г , чтобы при постоянной частоте вращения якоря напряжение на зажимах генератора было постоянным. I в (I Г ) при U=Uн=const, n =nн= const. Порядок выполнения работы 1. Изучить конструкцию генератора постоянного тока смешанного возбуждения и ознакомиться со схемой, которую следует собрать в работе (рис. 1). 2. Собрать электрическую цепь по схеме Rнагрузки K15 рис.1. Якорь генераK14 тора в данной лабоK13 раторной работе A B C K12 приводится во враP K11 щение одним из двух первичных VГ двигателей: трехС1 Rп АГ фазным асинхронС2 ным двигателем с Я1 Я2 Я2 Я1 фазным ротором К6 или двигателем поК5 К2 стоянного тока паRп1 К7 раллельного возбуК3 ждения. К8 АВ ОВД 3. Осуществить пуск в К4 К9 ход первичного Ш1 Ш2 двигателя. К10 ОВГ а) 4. а) Пуск трехфазного б) асинхронного двиШ1 Ш2 гателя (рис. 1а). Рис. 1 5

Пусковой реостат Rп1, в цепи ротора двигателя полностью ввести, нажать на кнопку “пуск” и плавно (с выдержкой времени на каждой ступени 3 – 5 секунд) вывести сопротивление пускового реостата до нулевого положения. 5. б) Пуск двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (Рис. 1б). Пусковой реостат Rп в цепи якоря двигателя полностью ввести, для чего ключ К1 поставить в положение “пуск”, а регулировочный реостат RВД в цепи обмотки возбуждения полностью вывести (ключи К2 – К4 замкнуты). Нажатием кнопки “пуск” подать напряжение на зажимы двигателя и через 5 – 10 секунд поставить ключ К1 в положение “работа”. Частота вращения двигателя, а значит и частота вращения якоря исследуемого генератора, регулируется изменением сопротивления регулировочного реостата RВД (ключи К2 – К4). 6. Снять характеристику холостого хода E (I в ) при I Г = 0 , n =nн= const. Для снятия характеристики холостого хода необходимо отключить нагрузку генератора (ключи К11 – К15 разомкнуты). Первое измерение производится при отключенной параллельной обмотке возбуждения. Таблица 1 № ВосходяНисхощая ветвь дящая E[B] ветвь пп Iв, E, Iв, E, ПримеА B А B чание 1 2 Ir = 0 3 n=con E0 4 st 5 Iв [A] 6 Рис. 2 Следует разомкнуть ключ К5 и измерить вольтметром остаточную ЭДС. Затем, замкнув ключ К5 и увеличивая ток возбуждения с помощью реостата RВГ, поочередно включая ключи К6 – К10, произвести измерения тока возбуждения Iв и ЭДС Е до Е = (1 - 1,25)Uн для снятия восходящей ветви характеристики холостого хода. Нисходящую ветвь характеристики холостого хода снять выключая ключи в обратной последовательности. Последнее измерение выполнить при Iв = 0, для чего разомкнуть ключ К5. Результаты опытов занести в таблицу 1, по данным которой затем построить характеристику холостого хода. Примерный вид характеристики холостого хода показан на рис.2. 7. Снять внешнюю характеристику U (I Г ) при Rв=const, nн= const. Для снятия внешней характеристики генератора сначала только при параллельном его возбуждении необходимо перемкнуть выводы С2 и С2 последовательной обмотки возбуждения. Затем следует замкнуть ключ К5 и, изменяя сопротивле6

ние регулировочного реостата RВГ ключами К6 –К10 в цепи параллельной обмотки возбуждения, возбудить генератор до напряжения U = (1 - 1,25)Uн при номинальной частоте вращения. Первое измерение произвести при разомкнутых ключах К11 – К15, и постепенно нагружая генератор, сделать еще 4 - 5 измерений при различных значениях тока IГ (до IГ = 1,2Iн) . Таблица 2 Для снятия внешПараллель- Согласное Встречное ное возбуждение возбуждение Приме- них характеристик при смешанном возбуждение возбуждении генеIr U Ir U Ir U чание ратора следует осА В А В А В тановить двига1 2 Rв=const тель, убрать переn=const мычку С1С2, снова 3 пустить двигатель 4 в ход. Возбудить 5 генератор до тако6 го же напряжения, что и в случае параллельного возбуждения, и снять внешнюю характеристику. Затем поменять местами подключение к схеме зажимов С1 и С2 и еще раз снять внешнюю характеристику. Данные трех опытов занести в таблицу 2 и по ним построить три внешние характеристики (рис. 3). Внешняя характеристика E[B] генератора смешанного возбуждения при согласном 1 включении его параллельной и последовательной обмоток 2 возбуждения располагается выше (кривая 1), чем при 3 встречном включении их (кривая 3). Значение номинального изменения напряжения IГ[A] (∆U н % ) можно определить по Рис. 3 формуле:

∆U н % =

Uo −Uн ⋅ 100% , Uн

где Uo – напряжение на зажимах генератора при холостом ходе. 8. Снять регулировочную характеристику. I в (I Г ) при U=Uн=const, n =nн= const. Для снятия этой характеристики генератор необходимо привести во вращение и без нагрузки ( I Г = 0 ) возбудить до номинального напряжения Uн. Эту характеристику снять для генератора только при параллельном его возбуждении. Увеличивая ток нагрузки (Iг), ток возбуждения (Iв) следует устанавливать такой величины, чтобы напряжение оставалось постоянным и равным 7

Uн. Произвести 5 - 6 измерений и данные опыта занести в таблицу 3. По полученным данным построить регулировочную характеристику, вид которой представлен на рис. 4. Таблица 3 Iв[А] № Ir Iв ПримечаА А ние 1 2 Ur =const 3 n = const 4 5 6 IГ[A] Рис. 4 9. В заключение отчета необходимо сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы: 1.Как происходит процесс самовозбуждения генератора постоянного тока? 2.От чего зависит ЭДС генератора постоянного тока? Объяснить характер характеристики холостого хода. 3.Объяснить характер внешних характеристик генератора. 4.Как регулируют напряжение генератора? Объяснить характер регулировочной характеристики. Контрольные вопросы для домашней подготовки а) для допуска к выполнению лабораторной работы: 1. Сформулируйте цель лабораторной работы. 2. Расскажите устройство генератора постоянного тока. 3. Из какого материала должны быть изготовлены корпус и полюса генератора постоянного тока? 4. Что такое коллектор, из какого материала он выполнен и каковы его основные функции в генераторах постоянного тока? 5. Расскажите принцип действия генератора постоянного тока со смешанным возбуждением. 6. При выполнении этой лабораторной работы с какой целью используется асинхронный двигатель или двигатель постоянного тока? 7. Что такое номинальные данные исследуемого генератора и где их можно взять? 8. Токи каких частей электрической цепи генератора показывают амперметры, указанные в схеме электрической цепи генератора? 9. Что такое реакция якоря генератора постоянного тока? 10. Как происходит процесс самовозбуждения генератора постоянного тока? 11. Какие причины могут помешать самовозбуждению генераторов постоянного тока? 12. От чего зависит ЭДС обмотки якоря генератора постоянного тока? 8

13. Как регулируют напряжение на зажимах генератора постоянного тока? 14. На что влияет величина воздушного зазора между якорем и полюсами машины постоянного тока? 15. Назовите области применения генераторов постоянного тока. б) для защиты отчета по лабораторной работе: 1. Каковы условия самовозбуждения генератора постоянного тока со смешанным возбуждением? 2. При каких условиях и как снимается характеристика холостого хода генератора постоянного тока со смешанным возбуждением? 3. Объясните характер полученной характеристики холостого хода. 4. Что такое внешняя характеристика и при каких условиях она снимается? 5. Почему при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения уменьшается? 6. Почему внешние характеристики генератора смешанного возбуждения при согласном и встречном включении обмоток возбуждения отличаются? 7. Что представляет собой регулировочная характеристика и при каких условиях она снимается? 8. Какая из электрических величин генератора подлежит регулированию при снятии регулировочной характеристики? 9. Почему регулировочная характеристика при увеличении нагрузки имеет возрастающий характер? 10. Напишите уравнения для ЭДС обмотки якоря и напряжения на зажимах генератора. 11. Какая по характеру ЭДС наводится в обмотке якоря генератора постоянного тока? 12. Какое включение параллельной и последовательной обмоток генератора применяется чаще в генераторах смешанного возбуждения? 13. Как следует понимать выражение: «Нагрузка генератора увеличилась»? 14. Что Вы знаете о коэффициенте полезного действия генератора постоянного тока? 15. Внешние и регулировочные характеристики генератора смешанного возбуждения могут быть «жесткие» или «мягкие». Поясните это подробнее на примерах. 1. 2. 3. 4.

ЛИТЕРАТУРА Электротехника./Под ред. Проф. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985, с.359-373. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 342-351, 363-365. Волынский Б.А., Зейн Е.Н. Шатерников В.Е. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 334-343, 353-357. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 297-306. 9

Лабораторная работа №2 ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

ТОКА

ПАРАЛЛЕЛЬНОГО

Цель работы: 1. Изучить принцип действия и устройство двигателей постоянного тока. 2. Ознакомиться со схемой включения двигателя в сеть, с процессом его пуска, регулирования частоты вращения и реверсированием. 3. Снять и проанализировать основные характеристики двигателя параллельного возбуждения. Теоретические пояснения Основными частями двигателя постоянного тока являются: а) ярмо; б) главные и дополнительные полюса с обмотками; в) сердечник якоря с обмоткой; г) коллектор и щетки. Электрический двигатель преобразует подводимую к нему электрическую энергию в механическую. В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря различают следующие типы двигателей постоянного тока: а) двигатели параллельного возбуждения, б) двигатели последовательного возбуждения, в) двигатели смешанного возбуждения, г) двигатели независимого возбуждения. При работе электрической машины постоянного тока в режиме двигателя под действием напряжения, подводимого к якорю, в его обмотке появляется ток I я . В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком, созданным обмоткой возбуждения двигателя, возникает вращающий момент M = C M ⋅ I я ⋅ Ф , где СМ – постоянная, зависящая от конструкции машины. Как только якорь начнет вращаться, в проводниках его обмотки будет индуктироваться ЭДС Е, направление которой противоположно направлению тока I я , поэтому эту ЭДС называют «противо-ЭДС». Величина Е зависит от частоты вращения якоря n и от магнитного потока Ф. Приложенное к зажимам обмотки якоря двигателя напряжение равно сумме противо-ЭДС Е и падания напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря I я R я , т.е. U = E + I я R я . U −E . Ток обмотки якоря соответственно будет равен I я = Rя При пуске двигателя в ход в первый момент после подключения его к сети якорь двигателя остается неподвижным и противо-ЭДС рана нулю, т.е. Е=0. Поэтому при прямом пуске двигателя пусковой ток его обмотки якоря будет за10

U и Rя может превышать номинальное значение тока в обмотке якоря в 10 ÷ 30 раз. Для уменьшения пускового тока можно осуществлять пуск двигателя при пониженном подводимом напряжении или с помощью добавочного сопротивлеU ния, вводимого в цепь обмотки якоря на время пуска, и тогда I яп = . По R я + Rп мере нарастания скорости двигателя пусковой реостат Rп выводится, при этом в обмотке якоря появляется противо-ЭДС Е и U −E . Iя = Rя При установившемся режиме электромагнитный вращающий момент, развиваемый двигателем, уравновешивается моментом сопротивления на валу двигателя M = M c , который в свою очередь определяется суммой моментов: M c = M o + M 2 , где Мо – момент, обусловленный механическими потерями на трение при вращении самого двигателя; М2 – момент, создаваемый нагрузкой, на валу двигателя. Направление электромагнитного вращающего момента и, следовательно, направление вращения якоря двигателя, зависят от направления магнитного потока и направления тока в обмотке якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя, т.е. осуществить его реверсирование, необходимо изменить направление тока либо в обмотке возбуждения машины, либо в обмотке якоря ее. Обычно изменяют направление тока в обмотке якоря. Частота вращения якоря двигателя определяется так: U − (R я + Rдоб ) ⋅ I я . n= СЕ ⋅ Ф Регулировать частоту вращения якоря проще всего можно двумя способами: 1. С помощью реостата RВД изменять ток возбуждения Iв, а, следовательно, и поток машины Ф. Следует помнить, что во время работы двигателя нельзя значительно уменьшать ток возбуждения Iв (а значит и Ф) или разрывать цепь возбуждения двигателя, т.к. это может привести к значительному увеличению тока в обмотке якоря и быстрому нарастанию (выше номинальной) частоты вращения двигателя, двигатель может пойти «в разнос». 2. С помощью реостата Rдоб, включенного последовательно с обмоткой якоря, изменять суммарное сопротивление цепи якоря R яΣ = R я + Rдоб при постоянном напряжении сети. Основные свойства двигателя определяются его механической характеристикой и рабочими характеристиками. висеть только от напряжения сети и сопротивления обмотки якоря I яп =

11

Механическая характеристика Зависимость установившейся частоты вращения якоря двигателя от момента двигателя при постоянном напряжении сети U и сопротивлении цепи якоря называется механической характеристикой двигателя n(M). Механическая характеристика, снятая при Rдоб = 0 и Ф = Фн, называется естественной. При нагрузках на валу, не превышающих номинальную, частота вращения двигателя уменьшается мало, на (3 ÷ 7)% от no (no – частота вращения двигателя при холостом ходе его). Частота вращения двигателя уменьшается пропорционально падению напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря, поэтому механическая характеристика – пологая прямая, т.е. механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения – жесткая. Рабочие характеристики Рабочими характеристиками двигателя называют зависимости потребляемого двигателем тока I, момента на валу М, частоты вращения n и коэффициента полезного действия ηД от полезной мощности двигателя Р2 при U = Uн = const и при постоянном сопротивлении в цепи возбуждения Rв = const, Rв = rв + RВД. Порядок выполнения работы 1. Изучить конструкцию двигателя постоянного тока параллельного возбуждения и ознакомиться с элементами электрической цепи, схема которой представлена на рис. 1. 2. Собрать электрическую цепь, Rнагрузки K15 схема которой представлена на K14 рис.1. В качестве нагрузки двиK13 гателя используется генератор K12 постоянного тока параллельного P K11 возбуждения. Частота вращения якоря двигателя измеряется с VГ помощью тахогенератора, к заRп АГ жимам которого присоединен вольтметр. Шкала вольтметра Я1 Я2 Я2 Я1 отградуирована в единицах частоты вращения якоря двигателя. К6 К5 К2 3. Осуществить пуск двигателя, К7 предварительно полностью ввеК3 сти пусковой реостат Rп, постаК8 АВ ОВД вив ключ К1 в положение «пуск» К4 К9 и полностью вывести регулироШ1 Ш2 вочный реостат RВД (ключи К2 – К10 ОВГ К4 замкнуты). По мере возрастания скорости двигателя пусковой Ш1 Ш2 реостат следует плавно вывести Рис. 1 (ключ К1 поставить в положение 12

«работа»). 4. Постепенно нагружая двигатель от тока холостого хода до тока I = 1,2Iн, снять значения I, U, n двигателя и UГ, IГ генератора (5 - 6 отсчетов). Первый отсчет (холостой ход двигателя) следует произвести при разомкнутой внешней цепи нагрузочного генератора (ключи К11 – К15 разомкнуты) и разомкнутой его цепи возбуждения (ключ К5 разомкнут). Далее, следует замкнуть цепь возбуждения генератора ключом К5 и с помощью регулировочного реостата RВД, включая поочередно ключи К6 – К10, возбудить генератор до напряжения U = Uн. Снять остальные 5 - 6 отсчетов при изменении сопротивления нагрузки генератора Rн. Данные, полученные в результате опытов и расчетов, записать в таблицу 1. 5. Расчетные величины получить, исходя из следующего: 1) P1 = UД⋅IД – мощность, потребляемая двигателем; Таблица 1 Опытные данные Расчетные данные Пр и № I n UГ IГ P1 P2Г ΣP ΣP P2 ηД M ме ч. Д об/мин кГм А В А Вт Вт Вт Вт Вт – 1 2 3 4 5 6 2) P2Г=UГ⋅IГ – мощность, отдаваемая нагрузочным генератором; 3) ΣP = ΣPД + ΣPГ = P1 – P2Г – суммарные потери в агрегате (в двигателе и генераторе); 4) предполагая, что потери в двигателе и генераторе примерно одинаковы, т.е. ΣPД = ΣPГ, находим потери в двигателе ΣPД = 1 (ΣPД + ΣPГ) = 1 ( P1 – P2Г); 2

2

5) P2 = P1 – ΣPД – полезная механическая мощность двигателя; P 6) η Д = 2 – к.п.д. двигателя; P1 P 7) M = 0,975 2 – момент на валу двигателя. n По полученным данным построить рабочие характеристики двигателя: n(P2), M(P2), I(P2), ηД(P2). Примерный вид рабочих характеристик представлен на рис. 2.

13

По данным таблицы 1 построить механическую характеристику двигателя n(M). Примерный вид механической характеристики двигателя параллельного возбуждения показан на рис. 3. M [кГм]

I [A]

n

η

n(P2)

⎡ об ⎤ ⎢⎣ мин ⎥⎦

η(P2) M(P2) i(P2)

P2[Вт] Рис. 2 7. Осуществить реверсирование двигателя, предварительно отключив двигатель от сети. Поменяв местами зажимы обмотки якоря или обмотки возбуждения, снова запустить двигатель. При этом двигатель не нагружать. n ⎡ об ⎤ ⎢⎣ мин ⎥⎦

Рис. 3

M[кГм]

8.

В заключение отчета сформулировать выводы в виде письменных ответов на следующие вопросы: • Объяснить роль пускового реостата. • Почему при увеличении момента нагрузки на валу частота вращения двигателя уменьшается? Контрольные вопросы для домашней подготовки а) для допуска к выполнению лабораторной работы: 1. Какова цель работы? 2. Расскажите устройство двигателя постоянного тока. 3. Объясните принцип действия двигателя параллельного возбуждения. 4. Какую электрическую схему замещения имеет двигатель параллельного возбуждения? 14

5. 6. 7. 8.

Как осуществляется пуск в ход двигателей постоянного тока? Нарисуйте схему подсоединения пускового реостата к двигателю. Как снимаются рабочие характеристики двигателя? Какую зависимость называют механической характеристикой двигателя и какой примерный вид имеет механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения? 9. Как рассчитывают в работе момент на валу двигателя? 10. Что является нагрузкой двигателя и как ее изменять? 11. Почему во время работы двигателя нельзя разрывать цепь его обмотки возбуждения? 12. Как изменить направление вращения двигателя? 13. Укажите где можно взять номинальные данные двигателя и нагрузочного генератора? б) для защиты отчета: 1. От каких величин зависит частота вращения якоря двигателя постоянного тока? 2. От чего зависит ЭДС двигателя и ее роль? 3. Назовите известные Вам способы регулирования частоты вращения якоря двигателя постоянного тока. 4. Как происходит процесс саморегулирования момента двигателя постоянного тока при изменении нагрузки на валу? 5. Какой режим работы двигателя можно назвать режимом короткого замыкания? 6. В какую сторону от номинальной можно регулировать частоту вращения двигателя путем изменения тока в его обмотке возбуждения? 7. От каких факторов зависит величина и направление электромагнитного момента, развиваемого двигателем постоянного тока? 8. Напишите условия равновесия моментов в установившемся режиме работы двигателя. 9. Назовите составляющие потерь мощности в двигателе. 10. Какие преимущества и недостатки имеют двигатели параллельного возбуждения? 11. Объясните устройство и назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока. 12. Объясните назначение главных и добавочных полюсов. 5. 6. 7. 8.

ЛИТЕРАТУРА Электротехника./Под ред. Проф. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985, с.373-380 Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 322-328, 297-306. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 342-351, 363-365, 367-387. Волынский Б.А., Зейн Е.Н. Шатерников В.Е. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 334-339, 359-368. 15

Лабораторная работа №3 ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Цель работы: 1. Изучить устройство трансформатора и принцип действия. 2. Выполнить опыты холостого хода и короткого замыкания. 3. Определить параметры схемы замещения трансформатора. 4. Исследовать работу трансформатора при нагрузке. 5. Построить характеристики трансформатора в функции тока вторичной обмотки. Теоретические пояснения

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. Основными частями трансформатора являются замкнутый ферромагнитный сердечник и две электрически не связанные между собой об мотки. На одну из обмоток трансформатора подаётся напряжение от источника электрической энергии - эта обмотка называется первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключаются приёмники. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный магнитный поток, возбуждаемый в сердечнике трансформатора, наводит в обеих обмотках электродвижущие силы, действующие значения которых равны E1 = 4,44 fW1Ф m ; E2 = 4,44 fW2Ф m , где Ф m - амплитуда магнитного потока; f - частота переменного тока; W1 , W2 - соответственно числа витков первичной и вторичной обмоток. Трансформаторы с соотношением ЭДС, первичной и вторичной обмоток Е1> Е2 называют понижающими, с Е1< Е2 – повышающими. Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низкого напряжения называется коэффициентом трансформации. Для понижающих трансформаторов коэффициент трансформации будет определяться К =

E1 W1 = . E2 W2

В режиме холостого хода E2=U20, E1≈U10, поэтому коэффициент трансформации можно выразить через отношение напряжений К =

16

U10 . U 20

При анализе режимов работы трансформатора индуктивно связанные цепи первичной и вторичной обмоток могут быть представлены схемами замещения (Т-образной или Г-образной) с электрической связью этих цепей. На рис. I показана Г-образная схема замещения.

U&1

x1

r1

I&1

x2′

r2′

I&2′

rm I&10

U& 2′ xm

Рис. I. Параметры схемы замещения: r1 , r2' , x1 , x2′ - соответственно активные и индуктивные сопротивления рассеяния первичной и приведённой вторичной обмоток. rm, xm- активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания, зависящие от магнитного потока сердечника. Параметры схем замещения могут быть определены по данным опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Порядок выполнения работы 1. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 2.

A1 Uп

V1

A2

W1 V2

K1

K2

K3

K4

R1

R2

R3

R4

Рис. 2 2. Осуществить опыт холостого хода. В цепь первичной обмотки включить амперметр Ао вместо А1. Цепь вторичной обмотки разомкнуть, на зажимы первичной обмотки подать номинальное напряжение питания U п = U10 = U1н . Показания приборов и результаты расчета записать в таблицу 1. 17

Таблица 1. Режим работы

U10

U 20

I10

P0

cos ϕ 0

В

В

А

Вт

-

rm

Zm

xm

Ом Ом Ом

K

-

холостой ход По показаниям приборов рассчитать коэффициент трансформации и коэффициент мощности k=

U10 P0 ; cos ϕ 0 = . U 20 U10 I10

Определить параметры ветви намагничивания Г-образной схемы замещения rm =

P0 U ; Z m = 10 ; xm = Z m2 − rm2 , 2 I10 I10

где Z m = rm + jxm – полное комплексное сопротивление ветви намагничивания. 3. Осуществить опыт короткого замыкания. Цепь вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко. К первичной обмотке подвести пониженное напряжение питания U п = U1к от другого источника. Величина напряжения устанавливается такая, при котором ток во вторичной цепи будет равен номинальному, т.е. I 2к = I 2н = 30 А . Ток в первичной цепи в этом случае также равен номинальному I1к = I1н . Внимание: Включение трансформатора при замкнутой накоротко вторичной обмотке на номинальное напряжение U10 недопустимо! Определить коэффициент мощности трансформатора при коротком замыкании cos ϕ 0 =

Pк , U1к I1к

где Рk – потери мощности в обмотках трансформатора при номинальных токах. Результаты измерений и расчетов внести в таблицу 2. Определить параметры вторичной ветви Г-образной схемы замещения: rк =

Pк U ; Z к = 1к ; xк = Z к2 − rк2 . 2 I1к I1к

При rк = r1 + r2′; xк = x1 + x2′ ; x1 ≈ x′ = 0,5 xк . Таблица 2 U1к Режим работы В короткое замыкание

I1к

Pк

A

Вт

U 2к cos ϕ к

В

-

I 2к

Zк

A

Ом

rк

xк

Ом Ом

4. Исследовать работу трансформатора при нагрузке. Для этого в соответствии со схемой на рис. 2, последовательно замыкая ключи K1 , K 2 , K3 , K 4 увеличить нагрузку. К первичной обмотке трансформатора подвести номинальное напряжение U п = U1 = U1н . Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.

18

№ п/п

Экспериментальные данные I1

P1

U2

I2

А

Вт

В

А

Таблица 3 Расчетные данные η P2 cosϕ Вт – –

1 2 3 4 5 Полезную мощность P2 рассчитывают по формуле P2 = U 2 I 2 , так как cos ϕ 2 = 1 вследствие того, что нагрузка на выходе трансформатора носит чисто активный P характер. Коэффициент мощности определяется по формуле cos ϕ = 1 . U1н I1 Коэффициент полезного действия можно определить по выражению η=

P2 . P1

5. По полученным данным и данным опыта холостого хода построить зависимости η = f1 ( I 2 ); cos ϕ = f 2 ( I 2 ); U 2 = f3 ( I 2 ); I1 = f 4 ( I 2 ).

6. В заключении отчета необходимо сформулировать выводы в виде письменных ответов на следующие вопросы: 1. Объяснить вид внешней характеристики. 2. Чем отличается режим короткого замыкания и холостого хода трансформатора? 3. Как определяют потери в меди и потери в стали трансформатора?

19

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ а) Для допуска к работе: 1.Порядок выполнения лабораторной работы. 2.Назвать элементы цепи, представленные на схеме рис.2, и объяснить их назначение. 3.Устройство трансформатора. 4.Принцип действия и области применения трансформатора. 5.Основные характеристики трансформатора. 6.Что называется номинальной мощностью трансформатора? 7.Цель работы. 8.Для чего осуществляют опыты холостого хода и короткого замыкания? 9.Как осуществляют в работе опыт холостого хода? 10.Что необходимо выполнить для проведения опыта короткого замыкания? 11.Почему нельзя включать первичную обмотку на номинальное напряжение при опыте короткого замыкания? 12.Какие данные необходимо иметь для того, чтобы построить внешнюю характеристику трансформатора? 13.Какие параметры схемы замещения можно определить из данных опыта холостого хода? 14.Какие параметры схемы замещения можно определить из данных опыта короткого замыкания? 15.Каким способом будете определять к.п.д. трансформатора в данной работе? б) Для защиты отчёта: 1. Какова причина разницы напряжений на зажимах первичной и вторич20

ной обмоток? 2. Можно ли использовать данный трансформатор для преобразования электрической энергии в цепи постоянного тока? 3. Что понимают под изменением напряжения на зажимах вторичной обмотки? 4. Зависит ли изменение вторичного напряжения и внешняя характеристика трансформатора от характера нагрузки? 5.В чём отличие автотрансформатора ЛАТРа) и однофазного трансформатора? 6.Какие способы определения к.п.д. трансформатора Вы знаете? 7.Какое напряжение называют напряжением нормального короткого замыкании? 8.Что называется коэффициентом трансформации? 9. Что такое номинальная мощность однофазного трансформатора? 10.Почему с изменением нагрузки во вторичной цепи трансформатора изменяется ток "в первичной обмотке? 11. Объяснить характер изменения внешней характеристики? 12. Объяснить характер изменения зависимости cos ϕ от тока нагрузки 13. Почему в режиме холостого хода cos ϕ не равен нулю? 14. Объяснить зависимость η от тока нагрузки I 2 ? 15. Как можно определить электрические потери в обмотках трансформатора? 16.Как можно определить потери в стали трансформатора? 17.Чем определяется величина тока первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода? 18. Запишите уравнения равновесия напряжений обмотки трансформатора при номинальной нагрузке. 19. Запишите уравнения равновесия напряжения первичной обмотки трансформатора под нагрузкой. ЛИТЕРАТУРА 1. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985. – С. 387–407. 2. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Высшая школа, 1985. – С. 401–449. 3. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – С. 382–392. 4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983, С. 204–245.

21

Лабораторная работа №4 АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ Цель работы

1. Изучить принцип действия и ознакомиться с устройством асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. 2. Определить начала и концы фаз обмотки статора и осуществить их соединение по схеме треугольника и звезды. 3. Произвести пуск и реверс асинхронного двигателя. Теоретические пояснения

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из двух основных частей: статора (неподвижная часть) и ротора (вращающая часть). В пазы сердечника статора, набранного из листов электротехнической стали уложена трёхфазная обмотка. Оси фазных катушек сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градусов. Фазы обмотки статора соединяются звездой или треугольником и подключаются к трёхфазной сети. Сердечник ротора асинхронного двигателя набирают, как и сердечник статора, из листовой электротехнической стали. В пазах ротора располагается короткозамкнутая обмотка. Принцип действия асинхронного двигателя основан на явлении взаимодействия вращающего магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, с токами роторной обмотки, в результате чего создаётся вращающий момент. Под действием этого момента ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора, т.е. ротор вращается асинхронно по отношению к полю статора. Порядок выполнения работы 1. Определить выходные концы фаз обмотки статора. Начала и концы фаз обмотки статора выведены на панель стенда и обозначений не имеют. Необходимо найти фазы обмотки статора, для чего необходимо собрать неразветвлённую однофазную цепь по схеме рис. 1. К одному из зажимов источника через вольтметр подключается один из выводов обмотки двигателя. К другому зажиму источника подсоединить проводник - щуп. При нажатой кнопке К по очереди касаются выводов обмотки двигателя. Отклонение стрелки вольтметра укажет на то, что в цепь включена одна из трех фаз обмотки статора. Обозначаются эти выводы буквами а-а. Аналогично определяются выводы второй и третьей фаз и обозначаются соответственно в-в и с-с. 22

Рис. 1 2. Определить “начала” и “концы” фаз обмотки статора. Определение “начал” и “концов” фаз обмотки статора основано на использовании явления взаимоиндукции. Все три фазы обмотки статора имеют общий магнитопровод, поэтому, если одну из фаз (например, а-а) подключить к источнику переменного синусоидального тока, то она создаст пульсирующее магнитное поле. Это поле сцеплено с фазными катушками в-в и с-с и наводит в них ЭДС ЕВ и ЕС. Если осуществить последовательное соединение фазных катушек в-в и с-с так, что ЭДС ЕВ и ЕС будут складываться, то подключенный к ним вольтметр покажет напряжение, равное сумме этих ЭДС. Если при последовательном соединении фаз в-в и с-с ЭДС ЕВ и ЕС будут вычитаться, то вольтметр покажет минимальное напряжение. Первое соединение фаз называют согласным, при этом конец фазной катушки в-в соединен с началом фазной катушки с-с. Следовательно, можно при этом установить начало и конец второй и третьей фазы обмотки статора. Второе соединение фазных катушек называют встречным, когда концы (или начала) катушек в-в и с-с соединены между собой. Чтобы определить начало и конец катушки а-а осуществляет аналогичные соединения ее выводов с катушками в-в или с-с, при этом, напряжение подают на фазу с-с, если соединяют между собой фазы а-а и в-в или подают напряжение на фазу в-в, если соединяют а-а и с-с. Схема для определения маркировки начал и концов фазных катушек представлена на рис. 2.

Рис. 2 Начала фаз можно обозначить ан, вн, сн, а концы ак, вк, ск. 3. Определить пусковые токи при соединении фаз обмотки статора звездой и треугольником. 23

Для соединения обмотки статора звездой нужно концы всех фаз объединить в одну точку, а начала фаз подключить к трехфазному источнику переменного тока (рис.3). В цепь одной из фаз включают амперметр для замера пускового тока. Ротор двигателя при этом заторможен. ВНИМАНИЕ! Двигатель в данном режиме не должен работать более 4-5 секунд!

Рис.3 Для соединения обмотки статора треугольником необходимо начало фазы ан обмотки соединить с концом фазы сн, конец ан с началом вн, а конец вк с началом сн. К местам соединения фаз обмотки статора подвести питание от трехфазного источника переменного тока. При этом в один из линейных проводов включить амперметр для замера пускового тока. Ротор двигателя, как и в первом случае, заторможен, а длительность работы в этом режиме не должна превышать 4-5 секунд. Затем сравнить значения пусковых токов при соединении звездой и треугольником. Схема для определения пускового тока при соединении обмоток статора треугольником представлена на рис.4.

Рис. 4 4. Осуществить пуск и реверс асинхронного двигателя. Для этого необходимо растормозить ротор двигателя. Затем подключить обмотку статора, соединенную треугольником или звездой, к трехфазному источнику переменного тока и заметить направление вращения ротора. 24

Чтобы изменить направление вращения ротора, следует поменять порядок чередования фаз, т.е. поменять местами любые две фазы, например, А и В. После этого вновь произвести пуск двигателя и убедиться, что ротор двигателя изменил направление вращения. 5. В заключении отчета необходимо письменно сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы: 1). Почему пусковые токи в линейных проводах при соединении фаз обмотки статора треугольником больше, чем при соединении их звездой? 2) Как объяснить изменение направления вращения ротора двигателя при изменении порядка чередования фаз? 3) Каковы отличия асинхронного короткозамкнутого двигателя от двигателя с фазным ротором? КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ а) Для допуска к работе: 1. Какова цель работы? 2. Устройство трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. 3. Порядок выполнения работы. 4. Как определить концы фаз обмотки статора двигателя? 5. Как в данной работе предлагается установить начала и концы найденных фаз обмотки статора? 6. Почему при встречном включении двух фаз обмотки статора вольтметр показывает "ноль", или малое значение напряжения при подключении третьей фазы к источнику переменного напряжения? 7. Почему для измерения пускового тока необходимо ротор двигателя затормозить? 8. Как обозначают выводы фаз обмотки статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором? 9. Какие паспортные данные указываются на щитке асинхронного двигателя? 10. Как возникает вращающий момент в трёхфазном асинхронном двигателе? 11. Почему двигатель называют асинхронным? 12. Как осуществить реверсирование асинхронного двигателя? 13. Какую величину называют скольжением? 14. Как вращаются друг относительно друга магнитное поле и ротор в трёхфазном асинхронном двигателе? б) Для защиты отчёта: 1. Как изменяются по величине частота ЭДС ротора и реактивное сопротивление его обмотки при переходе от пуска к режиму холостого хода? 2. Какие существуют способы пуска трёхфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором? 3. Какие существуют способы регулирования частоты вращения трёхфазных асинхронных двигателей? 25

4. Что называется механической характеристикой электродвигателя? Изобразите естественную механическую характеристику трёхфазного асинхронного двигателя. 5. Как изменятся линейные токи, если обмотку статора переключить со звезды на треугольник при неизменном напряжении сети? 6. Какие потери энергии имеют место в асинхронном двигателе? 7. Чем объяснить увеличение токов в обмотках статора и ротора при пуске? Записать выражение для тока в фазе обмотки неподвижного ротора и вращающегося со скольжением? 8. Какова частота вращения основного магнитного поля асинхронного двигателя и с какой частотой изменяется ток в обмотке его ротора при номинальной нагрузке? 9. Почему относительная величина тока холостого хода трёхфазного асинхронного двигателя больше, чем трёхфазного трансформатора той же мощности? 10. Чему равно скольжение асинхронного двигателя в первый момент после переключения фаз (при реверсе)? 11. Назвать преимущества и недостатки асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. 12. Объяснить принцип действия асинхронного двигателя. 13. В каких пределах может меняться скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя? 14. Назовите основные условия получения вращающегося магнитного поля? 15. Почему в реальной машине частота вращения ротора не может быть равной частоте вращения магнитного поля? ЛИТЕРАТУРА 1. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985. – С. 387–407. 1. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Высшая школа, 1985. – С. 401–449. 2. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – С. 382–392. 4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983, С. 204–245.

26

Лабораторная работа №5 ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ Цель работы:

1. 2. 3. 4.

Ознакомиться с конструкцией трёхфазных асинхронных двигателей. Изучить принцип работы асинхронных двигателей. Осуществить пуск двигателя в ход. Снять и проанализировать рабочие характеристики. Теоретические пояснения

Основными частями трёхфазного асинхронного двигателя являются статор и вращающийся ротор. Трёхфазная система токов обмотки статора возбуждает в машине вращающееся магнитное поле, число пар полюсов которого определяется схемой обмотки статора, направление вращения поля зависит от порядка чередования фаз. На роторе асинхронного двигателя с фазным ротором имеется трёхфазная обмотка, выполненная как и обмотка статора. Число фаз и число пар полюсов обмотки ротора равны числу фаз и числу пар полюсов обмотки статора. Фазы обмотки ротора соединены звездой а их свободные концы выводятся к насаженным на вал трём контактным кольцам, поэтому асинхронный двигатель с таким ротором называется часто двигателем с контактными кольцами. Контактные кольца изолированы от вала и друг от друга. К контактным кольцам прижаты щетки, что позволяет включать в цепь обмотки ротора пусковой и регулировочный реостаты. Вращающий момент асинхронного двигателя возникает в результате взаимодействия вращающихся магнитных полей статора и ротора. Под действием момента, развиваемого двигателем, ротор вращается с частотой меньше частоты вращения поля, в связи с чем двигатели получили название асинхронных. Направление вращения ротора определяется направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора двигателя, необходимо изменить порядок чередования фаз путем переключения любых двух фаз обмотки статора. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 1. В качестве нагрузки двигателя используется генератор постоянного тока смешанного возбуждения. Частота вращения ротора двигателя измеряется с 27

помощью тахогенератора (ТГ), к зажимам которого присоединён вольтметр. Шкала вольтметра отградуирована в единицах частоты вращения ротора.

Рис. 1 3. Произвести пуск двигателя в ход: пусковой реостат Rп в цепи ротора полностью ввести, нажать на кнопку “ПУСК” магнитного пускателя и плавно (с выдержкой времени на каждой ступени не менее 3 секунд) вывести сопротивление пускового реостата до нулевого положения. 4. Замкнуть ключ K и изменением дополнительного сопротивления Rвг в цепи параллельной обмотки возбуждения генератора возбудить генератор постоянного тока. Затем, увеличивая ток нагрузки генератора I г и соответственно момент сопротивления, создаваемый генератором на валу двигателя при U с = const и f c = const , снять показания приборов. Измерение следует начать с режима холостого хода, когда I г = 0 и генератор не возбужден (ключ К разомкнут). Результаты измерений и расчётов записать в таблицу 1.

28

Опытные данные № пп U с I д Pw U г I г n В

А

Вт В

А

P1

Таблица 1 Расчётные данные Приме∆P η cos ϕ ∆Pд P2 Pг s чание

об Вт Вт Вт Вт Вт % мин

1 2 3

-

%

f c =50Гц p= n1 =

Мощность электрической энергии, подводимой к двигателю определить по P1 = 3Pw . показанию ваттметра: Полезную электрическую мощность генератора постоянного тока определить по показаниям амперметра и вольтметра: Pг = U г ⋅ I г . Суммарные потери двигателя и генератора составляют: ∆P = ∆Pд + ∆Pг = Pд − Pг . Номинальные мощности двигателя и генератора близки по величине поэтому можно принять, что потери энергии в двигателе равны потерям энергии в генераторе: 1 ∆Pд = ∆Pг и тогда ∆Pд = ( Pд − Pг ) . 2 Полезная мощность на валу двигателя: P2 = Pд − ∆Pд . Коэффициент мощности и коэффициент полезного действия: Pд P ; η = 2 ⋅ 100% . cos ϕ = Pд 3 ⋅Uc Iд Скольжение:

s=

n1 − n ⋅ 100% , n1

60 f1 − синхронная частота вращения магнитного при частоте тока равp ной частоте сети; n − частота вращения ротора; p − число пар полюсов. 5. Построить рабочие характеристики при U c = const , f c = const : I д = f 1 ( P2 ) , Pд = f 2 ( P2 ) , n = f 3 ( P2 ) , s = f 4 ( P2 ) , cos ϕ = f 5 ( P2 ) , η = f 6 ( P2 ) . Примерный вид рабочих характеристик показан на рис. 2. n1 =

29

cosϕ

n η P 1 об Вт мин

I1 A

η

I1

P1

cosϕ

n S

P2 , Вт

Рис. 2. Анализ результатов исследования Выполнить анализ результатов исследования и письменно сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы: 1. Объяснить вид следующих графиков: n = f 3 ( P2 ) , cosϕ = f 5 ( P2 ) . 2. Какова роль реостата Rп при пуске двигателя в ход? 3. Как объяснить изменение направления вращения ротора двигателя при изменении чередования фаз? 4. Почему изменение нагрузки генератора постоянного тока приводит к изменению момента сопротивления нагрузки на валу двигателя?

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

30

Контрольные вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы Какова цель работы? Рассказать об устройстве трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. Каков порядок выполнения лабораторной работы? Показать на рис. 1 схему асинхронного двигателя, условные обозначения статора и ротора, объяснить назначение реостата Rп . На какие ток и напряжение (линейные, фазные) включены амперметр Ад и вольтметр Vс в цепь обмотки статора двигателя? На какие ток и напряжение включен ваттметр в цепи обмотки статора двигателя и как по показанию ваттметра определить активную мощность электрической энергии подводимой к двигателю? Как осуществить пуск в ход трёхфазного асинхронного двигателя? Что является нагрузкой для трёхфазного асинхронного двигателя? Показать на электрической схеме, какими приборами можно измерить напряжение на зажимах генератора и ток нагрузки.

10. Пояснить по схеме способ измерения частоты вращения ротора трёхфазного асинхронного двигателя. 11. Как по частоте вращения ротора при известной частоте изменения напряжения сети установить частоту вращения магнитного поля и число пар полюсов двигателя? 12. Как подсчитать скольжение? Контрольные вопросы для защиты отчёта 1. Назвать условия необходимые для возбуждения вращающегося магнитного поля. 2. Описать принцип работы трёхфазного асинхронного двигателя. 3. От чего зависит направление вращения ротора и как изменить направление вращения его на противоположное. 4. Как зависит частота вращения магнитного поля от частоты напряжения сети и от выполнения обмотки статора? Какая возможна максимальная частота вращения магнитного поля при частоте напряжения сети 50 Гц? 5. Почему возрастают токи в обмотках статора и ротора при пуске двигателя в ход? Привести уравнения, подтверждающие ответ. 6. Как влияет величина активного сопротивления фаз цепи ротора на пусковые свойства асинхронного трёхфазного двигателя? 7. Каково назначение пускового реостата в цепи ротора двигателя? 8. Когда возможен пуск трёхфазного асинхронного двигателя путём переключения фаз обмотки статора со звезды на треугольник? 9. При каких условиях асинхронная машина будет работать в режимах: а) двигателя, б) генератора, в) электромагнитного тормоза? 10. В каких пределах может меняться скольжение асинхронной машины в режимах двигателя, генератора, электромагнитного тормоза? 11. Изобразить естественную механическую характеристику трёхфазного асинхронного двигателя. Сравнить её с характеристикой, построенной по результатам выполненной лабораторной работы. 12. Какую величину называют скольжением? Какое скольжение называется критическим? 13. Меняются ли максимальный момент и критическое скольжение при изменении активного сопротивления в фазах ротора? 14. Что следует понимать под перегрузочной способностью трёхфазного асинхронного двигателя? 15. Назвать способы регулирования скорости вращения трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. 16. Изобразить исскуственные механические характеристики двигателя при регулировании скорости вращения ротора путём введения регулировочного реостата в цепь ротора. Меняются ли при этом величины максимального и пускового моментов? 17. Какие потери энергии имеют место при работе асинхронного двигателя?

31

ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины / Под ред. В.Г. Герасимова: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1997 с. 85-133. 2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2000 с. 417-460. 3. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 401-406, 413-449. 4. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. – М.: Энергоатмиздат, 1987, с. 383-386, 388-424.

32

Лабораторная работа №6 СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Цель работы 1. Изучить принцип работы синхронного генератора. 2. Ознакомиться с конструкцией синхронной машины. 3. Снять и проанализировать основные характеристики синхронного генератора при работе в автономном режиме. Теоретические пояснения

Синхронная машина состоит из двух основных частей: статора (неподвижная часть) и ротора (вращающаяся часть). На роторе расположена обмотка возбуждения, к которой через контактные кольца и щётки подводится постоянное напряжение от постороннего источника или возбудителя. Обмотка возбуждения служит для создания основного магнитного поля в машине. В пазах сердечника статора расположена трёхфазная обмотка переменного тока, которая часто называется обмоткой якоря. Синхронная машина используется главным образом как генератор для производства электрической энергии. Кроме того, она применяется как двигатель и синхронный компенсатор. Если к обмотке возбуждения синхронной машины подвести постоянный ток и ротор вращать первичным двигателем с частотой n, то магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения Φ о , будет индуктиpn ровать в обмотке статора (якоря) ЭДС, изменяющуюся с частотой f1 = Гц, 60 где n-частота вращения ротора в об/мин, p-число пар полюсов ротора. При подключении к обмотке статора потребителя электрической энергии под действием ЭДС в фазах обмотки статора и потребителя появятся токи. Синхронная машина начнёт отдавать потребителю электрическую энергию, т.е. будет работать генератором. Синхронный генератор преобразует механическую энергию, подводимую со стороны первичного двигателя, в электрическую. Свойства синхронного генератора отражаются его характеристиками. Важнейшими из них являются: характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики. Характеристикой холостого хода называется зависимость ЭДС генератора E о , работающего без нагрузки от тока в обмотке возбуждения I в при постоянной частоте вращения ротора: E о ( I в ) при I = 0, n = n ном = const . Внешней характеристикой называется зависимость, показывающая как изменяется напряжение на зажимах обмотки статора генератора при изменении тока нагрузки, если частота вращения ротора, характер нагрузки и ток в обмотке возбуждения остаются неизменными: U (I ) при I в = const , cosϕ = const , n = n ном = const . 33

Регулировочной характеристикой называется зависимость, показывающая как следует изменять ток в обмотке возбуждения при изменении нагрузки, чтобы при постоянных скорости вращения ротора и характера нагрузки, напряжение на зажимах обмотки статора генератора было постоянным: I в ( I ) при U = U ном = const , cosϕ = const , n = n ном = const . Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую цепь синхронного генератора и первичного двигателя по схеме, изображенной на рис. 1.

Рис. 1 В качестве первичного двигателя используется двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. Частота вращения якоря двигателя измеряется с помощью тахогенератора (ТГ), к зажимам которого присоединён вольтметр. Шкала вольтметра отградуирована в единицах частоты вращения якоря. 2. Снять характеристику холостого хода: E о ( I в ) при I = 0 , n = n ном = const .

34

При снятии этой характеристики внешняя цепь синхронного генератора разомкнута. Синхронный генератор приводится во вращение с номинальной скоростью при помощи двигателя постоянного тока. Нажатием кнопки “ПУСК” магнитного пускателя подаётся напряжение на обмотку возбуждения генератора и на двигатель постоянного тока. Перед подачей напряжения на двигатель необходимо полностью вывести дополнительные сопротивления в цепи параллельной обмотки возбуждения, для чего выключатели, шунтирующие резисторы, перевести в положение “ВКЛ”. Переключатель, изменяющий пусковое сопротивление Rп в цепи обмотки якоря установить в положение “ПУСК” при этом цепь обмотки якоря разомкнута. Осуществить разгон двигателя путём поворота ручки переключателя из положения “ПУСК” в положение “РАБОТА”, что сопровождается уменьшением пускового сопротивления в цепи якоря до нуля. Введением дополнительного сопротивления в цепь обмотки возбуждения Rвд установить номинальную скорость вращения якоря и поддерживать её постоянной. Изменяя ток возбуждения генератора от I в = 0 до I в = I вmax переключением тумблеров сопротивления Rвг , измерить E o вольтметром Vг , т.к. при отключенной нагрузке E о = U хх . Результаты измерения записать в таблицу 1. Таблица 1 Примечание: Eо , В U ном = В; Iв , А n ном = об/мин По данным таблицы 1 построить характеристику холостого хода, общий вид которой приведён на рис. 2. 2. Снять внешнюю характеристику: U (I ) при I в = const , n = n ном = const , cosϕ = 1. Первый отсчёт произвести при работе генератора вхолостую и U г = U ном . Ток обмотки возбуждения I в , соответствующий этому режиму, в дальнейшем поддерживать постоянным. Изменяя сопротивления R нагрузки трёхфазного симметричного приёмника, подключенного к зажимам обмотки статора синхронного генератора измерить фазные напряжение U г и ток I г , результаты измерения записать в таблицу 2. Таблица 2 Примечание: Uг , В U г = U ном = В; I в = А; Iг , А n = об/мин; cosϕ = 1 По данным таблицы 2 построить внешнюю характеристику, общий вид которой показан на рис. 3. 3. Снять регулировочную характеристику: 35

I ( I в ) при U г = U ном = const , cosϕ = 1. Первый отсчёт произвести при работе генератора вхолостую I=0 и U г = U ном . Увеличивая ток в фазе обмотки статора поддерживать U г = U ном = const изменением тока I вг в обмотке возбуждения генератора. Результаты измерений записать в таблицу 3. Таблица 3 Примечание: Iв , А U= В; cosϕ = 1; I,А n= об/мин По данным таблицы 3 построить регулировочную характеристику, общий вид которой приведён на рис. 4.

E0,

U,

B

B

IB ,

cos ϕ = 1

IВ, А

Рис. 2

A

cos ϕ = 1

I, А

IВ, А

Рис. 3

Рис. 4

Анализ результатов исследования

Провести анализ результатов исследования и сформулировать выводы в виде письменных ответов на следующие вопросы: 1. Как объяснить вид полученной характеристики холостого хода. 2. Почему с увеличением нагрузки при I в = const , n = const , cosϕ = 1 напряжение на зажимах обмотки статора уменьшается? Что будет, если нагрузка станет индуктивной или емкостной? 3. Как можно регулировать напряжение на зажимах обмотки статора генератора? Объяснить вид регулировочной характеристики. Контрольные вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы

1. Какова цель лабораторной работы? 2. Каков порядок выполнения лабораторной работы? 36

3. Показать на схеме изображение синхронного генератора, условные обозначения статора и ротора. 4. Показать на схеме двигатель постоянного тока. Назначение двигателя в данной работе. 5. Что является нагрузкой для синхронного генератора в данной работе? 6. Какая зависимость называется характеристикой холостого хода и как она снимается? 7. Какая зависимость называется внешней характеристикой и как она снимается? 8. Какая зависимость называется регулировочной характеристикой и как она снимается? 9. На какие ток и напряжение (линейные, фазные) включены амперметр Aг и вольтметр Vг ? 10. Как осуществить пуск в ход двигателя постоянного тока? Контрольные вопросы для защиты отчета

1. Объяснить принцип работы синхронного генератора. 2. Привести формулу действующего значения ЭДС, наводимой в фазе обмотки статора. 3. Как определяется частота изменения ЭДС в обмотке статора? 4. Привести уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора. 5. Объяснить вид характеристики холостого хода синхронного генератора. 6. Объяснить вид внешней характеристики синхронного генератора. 7. Объяснить вид регулировочной характеристики синхронного генератора. 8. Как изменятся показания приборов в цепи обмотки статора генератора, если произойдёт уменьшение частоты вращения ротора? 9. Назначение и конструкция статора синхронногогенератора. 10. Назначение и устройство ротора синхронного генератора. 11. С какой целью сердечник статора синхронного генератора выполняют из листов электротехнической стали? 12. Назвать потери мощности в синхронном генераторе. 13. Привести выражение для расчета мощности, отдаваемой синхронным генератором трёхфазному приёмнику. 14. Как описать мощность механической энергии, поступающей в синхронный генератор от первичного двигателя? ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины /Под ред. В.Г. Герасимова: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1997, с. 147 -160, 172 -174.

37

2. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2000, с. 467 - 475. 3. Борисов Ю. М., Липатов Д. Н., Зорин Ю. Н. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 472 - 483. 4. Волынский Б. А., Зейн Е. Н., Шатерников В. Е. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1987, 427 - 440.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Часть 2 «Электрические машины»

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Составители: Людмила Ивановна Аристова Нина Михайловна Малышенко Владимир Иванович Шпаков

Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага писчая № Плоская печать. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж . Заказ ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. 634034, г.Томск, пр. Ленина, 30.

38