«ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов специальности 220700.65 Автоматизация технологических процессов и производств всех форм обучения Самостоятельное учебное электронное ...»

На рис. 8.2 изображена векторная диаграмма напряжений и токов при соединении активных потребителей «треугольником» в случае равномерной нагрузки. Мы видим, что векторы линейных (они же фазных) напряжений образуют равносторонний «треугольник». В силу того, что сопротивлениями линейных проводов можно пренебречь, получим UAB = Uab, UBC = Ubc, UCA = Uca. Поскольку нагрузка имеет чисто активный характер, то фазные токи совпадают по фазе с напряжениями. Линейные токи определяются как геометрическая разность соответствующих фазных токов по выражениям (8.1).

На рис. 8.3 изображена векторная диаграмма напряжений и токов при соединении активных потребителей «треугольником» в случае неравномерной нагрузки. Здесь векторы линейных напряжений также образуют равносторонний «треугольник», а фазные токи совпадают по фазе с напряжениями, но имеют различную величину.

На рис. 8.4 изображена векторная диаграмма напряжений и токов при соединении потребителей «треугольником» в случае разной по характеру нагрузки фаз (Zab = XL, Zbc = R, Zca = XC). Здесь векторы линейных напряжений также образуют равносторонний треугольник, фазный ток Ibc совпадает по фазе с напряжением Ubc, ток Iab отстает на угол 90° от вектора напряжения Uab, а ток Ica, наоборот, опережает на угол 90° вектор напряжения Uca.

Значения фазных токов для случая неравномерной нагрузки определяются величиной сопротивления и могут быть найдены по закону Ома:

Линейные токи также различны и определяются как геометрическая разность соответствующих фазных токов по выражениям (8.1).

Режим работы трехфазной системы, включенной «треугольником», при обрыве фазного провода аналогичен отсутствию нагрузки в фазе Iab = 0. В этом случае фазные токи в «уцелевших» фазах не изменяются. Линейный ток IC в этом случае остается без изменения, а линейные токи IА и IB уменьшаются и становятся равными соответствующим фазным токам: IA = Ica, IB = Ibc. Этот режим иллюстрируется векторной диаграммой, представленной на рис. 8.5, а аналитические соотношения легко получаются из соотношений (8.1), подставив в них условие Iab = 0.

Uca  Uca  IB  C, c  Если нагрузка будет отсутствовать на двух фазах (например, на фазах a–b и b–c), то система превратится в однофазную, и ток будет только в фазе c–a, а линейные токи IA и IB будут равны по величине и противоположны по направлению, что можно также определить из уравнений (8.1), подставив в них значения Iab = Ibc = 0. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 8.6.

При обрыве одного линейного провода в трехфазной цепи с включением нагрузки «треугольником» нормально будет работать только одна фаза. Две другие будут работать как последовательно соединенные сопротивления, к концам которых подводится полное линейное напряжение. Поэтому падения напряжения на них распределятся пропорционально сопротивлениям фаз. На рис. 8.7 изображена векторная диаграмма для случая, когда оборван линейный провод фазы A, т. е. IA = 0, а сопротивления трех фаз активны и различны по величине. В этом случае будут справедливы соотношения:

В настоящей лабораторной работе для измерения мощности трехфазной цепи, соединенной «треугольником», используется метод двух ваттметров.

При использовании этого метода токовые обмотки ваттметров включают в какиелибо две фазы, а обмотки напряжения между третьей (незанятой) фазой и той фазой, в которую включена токовая обмотка данного ваттметра. Общая мощность при этом равна сумме показаний обоих ваттметров. Докажем это.

Мощность трехфазной цепи при соединении «треугольником» равна сумме мощностей отдельных фаз:

Известно, что алгебраическая сумма значений линейных напряжений (в векторной или комплексной формах) как при соединении «звездой», так и при соединении «треугольником», равна нулю, т. е.

Выразим из этого уравнения Uab = –Ubc – Uca и подставим его в уравнение (8.5).

Получим:

и, поскольку, Таким образом, мощность трехфазной цепи можно измерить двумя ваттметрами, включив их описанным выше способом.

Оборудование 1. Амперметры Э8021 – 4 шт.

2. Вольтметр Э8030 – 1 шт.

3. Цифровые мультиметры М-838 – 2 шт.

4. Провода для соединения – 3 шт.

Выполнение работы Лабораторный стенд представляет собой две электрических схемы соединения трех однофазных потребителей энергии. Первая – с активными сопротивлениями в фазах R1, R и R3 по схеме «треугольник» (на стенде, схема 1, рис. 8.8а), вторая – с активными (R) и реактивными (XL, XC) сопротивлениями в фазах (на стенде, схема 2, рис. 8.8б). Номиналы резисторов (сопротивлений) можно прочитать на них. На стенде имеются клеммыразъемы (1–2, 3–4, 5–6, 7–8, 9–10), позволяющие имитировать обрывы линейных и фазных проводов. Они же позволяют для изменения нагрузки фаз подключать параллельно имеющимся сопротивлениям дополнительные и тем самым изменять нагрузку в фазах потребителей электрической энергии.

Рис. 8.8. Схемы № 1 и 2 лабораторного стенда установленных в центральной части стенда. Стенд снабжен миллиамперметром, вольтметром pV и трехфазным ваттметром, позволяющим контролировать мощность потребителей.

ВНИМАНИЕ! Включение стенда, как и всех измерительных приборов, производится строго под контролем преподавателя.

Порядок выполнения экспериментальной части работы 1. Для проведения измерений соберите электрическую цепь по схеме «треугольник»

(на стенде схема № 1, рис. 8.8а). Для этого соедините перемычками клеммы 1–2, 1–3, 4–5, 5–6, 7–8 между собой. Номиналы резисторов R в фазах приемника одинаковы, поэтому нагрузка фаз симметричная (равномерная). Подайте питание на стенд, подключив линейные провода А, В и С стенда к клеммам питания, выведенных в средней части стенда (рис. 8.8в). Под контролем преподавателя подключите измерительные приборы переменного тока и измерьте линейные и фазные токи, линейные напряжения и мощность методом двух ваттметров. Данные измерений занесите в табл. 8.1 (режим а). Отключите питание стенда.

2. Разъедините перемычку между клеммами 1 и 3. Тем самым имитируется обрыв первой фазы – фазы аb, при тех же равномерных нагрузках – второй фазы bc и третьей – ca. Подайте питание, проведите измерения, как в п. 1 и занесите данные в табл. 8.1 (режим б). Отключите питание стенда.

3. Установите неравномерную нагрузку во всех фазах. Для этого необходимо либо параллельно фазным сопротивлениям R (на стенде схема № 1, рис. 8.8а), установленным на стенде стационарно, подключить дополнительные резисторы, предложенные лаборантом или преподавателем, либо переключиться на работу со схемой с активными (R = Rbc) и реактивными (XL = Zab, XC = Zca) сопротивлениями в фазах (на стенде схема № 2, рис. 8.8б). Вновь соедините перемычкой все клеммы и образуйте схему «треугольник».

Подайте питание, проведите измерения, как в п. 1, и занесите данные в табл. 8.1 (режим в).

Отключите питание стенда.

4. Разъедините перемычку между клеммами 1 и 3 (схема № 1) или 5 и 6 (схема № 2).

Тем самым имитируется обрыв первой фазы – фазы ab, при тех же неравномерных нагрузках – фаз bc и ca. Подайте питание, проведите измерения, как в п. 1 и занесите данные в табл. 8.1 (режим г). Отключите питание стенда.

5. Дополнительно к разъединенным перемычкам 1 и 3 (схема № 1) или 5 и 6 (схема № 2) разъедините перемычки между клеммами 1 и 2 (схема № 1) или 3 и 4 (схема № 2).

Тем самым имитируется обрыв двух фаз ab и bc при той же нагрузке фазы ca. Подайте питание, проведите измерения, как в п. 1 и занесите данные в табл. 8.1 (режим д).

Отключите питание стенда.

6. При неравномерной нагрузке исследовать работу трехфазной системы с обрывом одного линейного провода. Для этого разъедините перемычку между клеммами 7 и (схема № 1) или 9–10 (схема № 2). Подайте питание, проведите измерения, как в п. 1 и занесите данные в табл. 8.1 (режим е). Отключите питание стенда.

Теоретические расчеты 1. Проведите аналитический расчет токов при равномерной нагрузке фаз потребителя R для трехфазной сети при соединении потребителей по схеме треугольника (режим а) и для этой же сети, но при отключении фазы ab (режим б). По выражению (8.1) определите линейные токи.

2. Проведите аналитический расчет токов при неравномерной нагрузке фаз потребителя для трехфазной сети (режим в) и для этой же сети, но при отключении фазы ab (режим г). По выражению (8.1) определите линейные токи.

3. Проведите аналитический расчет токов при отключении потребителей на двух фазах ab и bc для трехфазной цепи (режим д).

4. Проведите аналитический расчет токов при отключении линейного провода А для трехфазной цепи (режим е).

5. По выражению (8.6) определите активную мощность и сравните ее с показаниями ваттметра.

6. Результаты теоретических вычислений занесите в табл. 8.2, соответствующие схеме электрической цепи, т. е. ее режиму (а–д).

7. По данным теоретических расчетов (или экспериментальных измерений) построить в масштабе векторные диаграммы для всех рассмотренных случаев (равномерная нагрузка, обрыв фазы ab, неравномерная нагрузка, обрыв фазы ab и обрыв двух фаз ab и bc, а также обрыв линейного провода А).

Контрольные вопросы 1. Какое соединение называется соединением «треугольником»?

2. Как строится векторная диаграмма напряжений и совмещенная с ней векторная диаграмма токов для случая соединения потребителей по схеме треугольник? Покажите процесс их построения при равномерной и неравномерной нагрузках в фазах.

3. Каковы особенности режима при обрыве одной из фаз приемника при соединении потребителей «треугольником»? Покажите порядок построения векторной диаграммы для этого случая.

4. Каковы особенности режима при обрыве двух фаз приемника при соединении потребителей «треугольником»? Покажите порядок построения векторной диаграммы для этого случая.

5. Каковы особенности режима при обрыве одного линейного провода при соединении потребителей «треугольником»? Как строится векторная диаграмма для этого случая? Почему, несмотря на обрыв одного линейного провода, имеется мощность во всех трех фазах?

6. Как вычисляется активная, реактивная и полная мощности трехфазного тока при соединении потребителей «треугольником» с симметричной и несимметричной нагрузкой фаз приемника?

7. Почему в методе двух ваттметров сумма показаний двух однофазных ваттметров равна полной мощности трехфазной системы?

Оформление отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Название и цель работы.

2. Экспериментальную расчетную схему электрических соединений элементов электрической цепи.

3. Таблицы 8.1 и 8.2 с результатами теоретических расчетов и экспериментально полученных данных (форма таблицы приведена в данном описании).

4. Расчет активной мощности.

5. Топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов, выполненные аккуратно и в масштабе, желательно на миллиметровке.

6. Выводы по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

1. Изучить устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

2. Провести испытание в режимах холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой.

3. Научиться определять потери мощности по результатам испытаний.

Краткие теоретические сведения Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Простейший однофазный трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника и двух обмоток (рис. 9.1). Обмотка, соединенная с источником электроэнергии, называется первичной. Соответственно, первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке: w1 – количество витков; u1 – напряжение, В; i1 – ток, А.

низшего напряжения. Если первичное напряжение U1 трансформатора меньше вторичного U2, то он работает в режиме повышающего трансформатора; если наоборот, то трансформатор будет понижающим. Кроме того, указывается номинальная полная мощность Sном (кВА), частота f (Гц), режим работы, способ охлаждения, линейные токи при номинальной мощности, число фаз, схема и группа соединений, а также напряжение короткого замыкания.

Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение u1, то в ней появится некоторый ток i1, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф0. Этот поток, пересекая витки обмоток трансформатора по закону электромагнитной индукции, возбуждает в первичной и вторичной обмотках электродвижущие силы (ЭДС индукции) е1 и е2:

Если приложенное напряжение подчинено синусоидальному закону u1 = U m1 sin t, u1 = U, то в идеальном трансформаторе (без потерь) его первичная обмотка будет представлять собой чистую индуктивность, и ток будет отставать по фазе от напряжения на угол /2:

i1 = I m1 sin(t / 2), а магнитный поток будет совпадать по фазе с током, его создающим:

ЭДС е1 и е2 будут равны:

Поскольку для идеального трансформатора в соответствии со вторым законом Кирхгофа u1 = e1 и u2 = e2, то где k – коэффициент трансформации.

Таким образом, трансформатор преобразует подведенное к нему напряжение в соответствии с отношением числа витков его обмоток. Векторная диаграмма идеального трансформатора показана на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Векторная диаграмма идеального трансформатора Основным для трансформатора является опыт холостого хода при номинальном первичном напряжении Uном. Часто необходимо знать, каким образом изменится режим работы трансформатора при изменении первичного напряжения. Зависимости I10 = f(U1) и P10 = f(U1) называются характеристиками холостого хода трансформатора (рис. 9.3). Если повышать напряжение U1, начиная от нуля, то до насыщения сердечника ток I10 будет возрастать пропорционально напряжению. Затем, когда начнет оказывать влияние насыщение магнитопровода (U1 > 0,8Uном), ток I10 начнет быстро увеличиваться.

Работа трансформатора сопровождается потерей некоторой части потребляемой мощности и выделением энергии в виде тепла внутри трансформатора. При этом потери мощности в трансформаторе делятся на потери мощности в стали Рст и на потери мощности в меди Рм. Для их определения на практике применяется специальный метод, основанный на опытах холостого хода и короткого замыкания.

P10, I10  Рис. 9.3. Характеристика холостого хода трансформатора В режиме холостого хода трансформатор испытывают при разомкнутой вторичной цепи и номинальном первичном напряжении Uном. На основании этого опыта определяют коэффициент трансформации k и потери мощности в стали Рст. Потери мощности при холостом ходе складываются из потерь мощности в магнитопроводе и потерь мощности в проводах первичной I10 R1 и вторичной I 20 R2 обмоток. Потери в проводниках обмоток полностью нагруженного трансформатора составляют 0,5 3 % номинальной мощности трансформатора (тем меньше, чем мощнее трансформатор), а при холостом ходе вследствие относительной малости тока I10 они ничтожны по сравнению с потерями в стали. Следовательно, вся мощность холостого хода трансформатора затрачивается лишь на потери в стали Рст. На этом основании опыт холостого хода служит для определения потерь мощности в стали трансформатора. Их можно определить по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора, работающего в режиме холостого хода при номинальном первичном напряжении Uном.

Для проведения опыта короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, подключая к ней амперметр. Режим короткого замыкания опасен для работы трансформатора, т. к. ведет к перегреву из-за большой величины тока короткого замыкания. В связи с этим, напряжение подводимое к первичной обмотке U1к повышают от нуля до такой величины, при которой в обмотках трансформатора устанавливаются номинальные токи I1ном и I2ном. Установившееся при этом напряжение называется напряжением короткого замыкания u1к. Его выражают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки, и оно обычно составляет величину ( 10)% Uном. При таком напряжении ток в первичной обмотке I1к будет равен номинальному I1ном. С помощью вольтметра, амперметра и ваттметра измеряются напряжение U1к ток I1к и мощность P1к, потребляемые трансформатором.

Электродвижущая сила Е2к вторичной обмотки при опыте короткого замыкания равна падению напряжения вторичной обмотки Е2к = I2 Z2, в то время как в рабочих условиях E2 = I2 Z2 + U2.

Причем при опыте короткого замыкания Е2к составляет (2 5)% от Е2. Прямо пропорционально ЭДС уменьшается поток в сердечнике, а вместе с ним и намагничивающий ток, возбуждающий его. В то же время при опыте короткого замыкания потери в проводах обмоток такие же, как и при нагрузке, а потери в сердечнике незначительны, т. к. они пропорциональны квадрату магнитного потока Фm.

В опыте короткого замыкания подводимое напряжение мало (по сравнению с номинальным) и это позволяет считать, что потери мощности происходят только в проводах обмоток трансформатора. Таким образом, мощность потерь в этом опыте Намагничивающим током ввиду его относительной малости в этом опыте можно пренебречь, тогда I 1 = I 2 (штрих означает, что ток I2 приведен к току I1). Тогда P1к = I12 R. Поэтому можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность P1к, подводимая к трансформатору, равна мощности потерь Рм в проводах первичной и вторичной обмоток, т. е. P1к = Рм.

Зная величину P1к, можно рассчитать потери мощности в меди для любой нагрузки трансформатора:

где – степень загрузки трансформатора, которая равна отношению тока нагрузки I2 к номинальному току вторичной обмотки I2ном, т. е. = I2/I2ном.

Полные потери мощности в трансформаторе будут равны С увеличением тока I2 увеличивается падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора I2 Z2, а напряжение U2, в соответствии с уравнением U 2 = E 2 I 2 Z 2, уменьшается. Величина Z 2 = R2 + jX 2 носит название комплексного сопротивления вторичной обмотки трансформатора. Зависимость вторичного напряжения U2ном от тока вторичной обмотки I2 при U1 = U1ном называется внешней характеристикой (рис. 9.4).

U2, В  Рис. 9.4. Внешняя характеристика U2нагр характеризует изменение вторичного трансформатора: а) cos = 1; б) cos напряжения при переходе от холостого хода к Первичное напряжение при этом должно поддерживаться неизменным, т. е. U1ном = const.

Данное изменение обычно выражают в процентах и называют процентным изменением напряжения трансформатора:

Метод определения потерь мощности в трансформаторе по опытам холостого хода и короткого замыкания удобен тем, что им можно определить КПД мощных трансформаторов при отсутствии необходимой мощности источника энергии и соответствующей нагрузки.

При испытании трансформатора в рабочем режиме определяется коэффициент полезного действия:

где Р = Рст + Рм.

Определить величину трансформатора можно двумя способами: а) прямым, измеряя Р и Р2, и б) косвенным, зная Р1 или Р2 и Р. В общем случае подведенная мощность Р превышает отдаваемую Р2 на величину потерь в самом трансформаторе:

= Р2/(Р2 + Рст + Рм).

Выражая активную мощность через полную Р2 = Sномcos и учитывая степень загрузки, получим формулу:

Рис. 9.5. Зависимость КПД от нагрузки исследуется трансформатор, в котором методом холостого хода и короткого замыкания, так и более точным способом в виде разности подводимой мощности Р1 и отдаваемой трансформатором мощности Р2. Во втором случае трансформатор испытывается под нагрузкой при номинальном первичном напряжении U1ном. Мощность нагрузки подсчитывается по формуле Коэффициент мощности cos2 зависит от характера нагрузки. Для активной нагрузки, применяемой в данной работе, cos2 равен единице.

Оборудование 1. Исследуемый трансформатор.

2. Амперметры, вольтметры, ваттметры.

3. Нагрузочный реостат.

4. Автотрансформатор ЛАТР.

1. Изучить устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

2. Провести испытание однофазного трансформатора в режиме холостого хода.

3. Провести испытание однофазного трансформатора в режиме короткого замыкания.

4. Провести испытание однофазного трансформатора под нагрузкой.

5. Научиться определять потери мощности по результатам испытаний и построить графики зависимостей, характеризующих работу трансформатора.

6. Привести данные используемых электроизмерительных приборов (табл. 9.1) и паспортные данные электрооборудования.

Данные измерений и вычислений полученные при исследовании I. Холостой ход Короткое II.

замыкание III. Под нагрузкой Порядок выполнения экспериментальной части работы I. Испытание трансформатора в режиме холостого хода для определения потерь мощности в стали Рст и коэффициента трансформации k.

1) Ознакомиться с устройством однофазного трансформатора, его паспортными данными:

тип, мощность, число фаз, частота сети, uк %, U1ном, U2ном, I1ном, I2ном.

2) Собрать схему испытания трансформатора согласно рис. 9.6.

3) После проверки схемы преподавателем подать номинальное напряжение U1ном на первичную обмотку трансформатора.

4) При измерении потерь мощности холостого хода Рст выключатель В1 должен быть разомкнут для того, чтобы ваттметр РW1 не учитывал мощность, потребляемую вольтметром РV2. Для измерения напряжения вторичной обмотки U2 выключатель В ~0  250 В  Рис. 9.7. Схема испытания однофазного трансформатора в режиме короткого замыкания определить номинальные значения токов первичной и вторичной обмоток I1ном и I2ном.

2) Собрать схему испытания трансформатора согласно рис. 9.7, использовав для этого ваттметр РW1, вольтметр РV1, амперметры РА1 и РА2.

3) После проверки схемы преподавателем подать на первичную обмотку трансформатора напряжение короткого замыкания u1к (5 % от номинального напряжения U1ном), тем самым установить номинальный ток вторичной обмотки I1ном и измерить его амперметром РА2.

Рис. 9.6. Схема испытания однофазного трансформатора 4) По показаниям ваттметра определить мощность Р1к, равную потерям мощности трансформатора в меди Рм, по вольтметру РV1 определить напряжение короткого замыкания U1к и, разделив его на 100, сравнить его с паспортными данными напряжения короткого замыкания. Данные замеров занести в табл. 9.1.

5) Определить коэффициент трансформации k по значениям токов первичной и вторичной обмоток.

Расчетные формулы:

Рис. 9.8. Схема испытания однофазного трансформатора III. Испытание трансформатора под нагрузкой.

1) Собрать схему испытания трансформатора согласно рис. 9.8, включив в его вторичную обмотку в качестве нагрузки реостат. При сборке схемы использовать следующие приборы: ваттметр РW1, амперметры РА1 и РА2, вольтметры РV1 и РV2.

2) Поддерживая в первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U1ном = const и, изменяя ток I2 во вторичной обмотке реостатом Rнагр от величины тока холостого хода до номинального тока вторичной обмотки I2ном, записать в табл. 9. показания приборов для шести опытов.

3) Вычислить P2, U2, (%), КПД.

4) Построить графики зависимостей U2, U2(%),, соs от тока нагрузки I2нагр.

вторичной обмотки трансформатора:

Расчетные формулы:

1. Объяснить устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

2. Можно ли включать трансформатор в цепь постоянного тока с напряжением, равным номинальному?

3. Перечислите потери в трансформаторе и объясните их физическую природу.

4. Какие потери мощности не зависят от нагрузки трансформатора и как их определяют?

5. Для чего нужен сердечник в трансформаторе? Будет ли работать трансформатор с деревянным сердечником?

6. Характеристики трансформатора. Объясните причины, вызывающие их изменение в зависимости от нагрузки.

7. Почему нельзя получить коэффициент трансформации k по показаниям вольтметров в первичной и вторичной обмотках при нагруженном трансформаторе?

8. Как проводится опыт короткого замыкания трансформатора, какой величины напряжение подводится к первичной обмотке и какие потери определяют этим опытом?

9. Укажите способы определения коэффициента полезного действия трансформатора.

Оформление отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Название и цель работы.

2. Экспериментальные расчетные схемы испытаний трансформатора.

3. Расчетные формулы и подробный процесс определения параметров трансформатора для всех трех опытов.

4. Таблицу с результатами экспериментально полученных и расчетных данных, форма которой приведена в данном описании.

5. Графики зависимостей:

6. Выводы по работе.

Изучение устройства и схем включения асинхронных двигателей Цель работы 1. Изучить устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным роторами.

2. Освоить метод маркировки начал и концов статорной обмотки.

3. Изучить схемы включения статорной обмотки и научиться пускать двигатель в ход.

Краткие теоретические сведения Перед выполнением лабораторной работы самостоятельно изучить теоретические вопросы, посвященные устройству и принципу действия асинхронных двигателей (АД).

При этом следует обратить внимание на основные части статора и ротора, а также конструкцию статорных и роторных обмоток.

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части ротора (рис. 10.1). Основой статора служит его внешняя часть станина, в которой закрепляется сердечник. В машинах относительно малых размеров станину изготавливают литой. В больших по мощности машинах оказывается более Рис. 10.1. Упрощенная конструктивная схема  4 –обмотка статора; 5 – обмотка ротора; 6 – вал;  удельную мощность. С торцов к корпусу подсоединяют к колодке зажимов, расположенной в коробке с крышкой. Коробка выводов находится сверху двигателя и при установке может быть повернута в удобное для питающего кабеля положение.

Ротор двигателя имеет вал, на котором укреплен цилиндрический сердечник. В пазах сердечника размещают обмотку. По типу роторной обмотки асинхронные двигатели делятся на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Первый тип двигателя имеет сердечник, выполненный из той же стали, что и сердечник статора. В спрессованном состоянии в пазы заливают расплавленный алюминий. Одновременно с заливкой пазов, отливают замыкающие кольца, которые замыкают обмотку ротора в виде стержней. Такая форма обмотки получила название обмотки «беличьей клетки».

Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют в пазах ротора изолированную от сердечника обмотку, число фаз которой равно числу фаз обмотки статора. Обычно обмотка выполняется медным проводом и соединяется «звездой», а начала ее фаз присоединяются к контактным кольцам. Кольца располагаются на консольном конце вала за подшипниковым щитом. При помощи щеток, прилегающих к контактным кольцам, обмотку ротора обычно соединяют с пусковыми реостатами (рис. 10.2). После пуска двигателя реостаты выводят, и обмотка становится короткозамкнутой.

асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с током в обмотке ротора. Ротор и магнитное поле асинхронного двигателя направлении, но с разными частотами. Частота вращения ротора n2 всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора n1. Отношение разности частот вращения магнитного поля n1 и ротора n к частоте вращения поля получило название скольжения Анализ формулы показывает, что в момент пуска двигателя, когда ротор неподвижен (n2 = 0), скольжение s = 1. При идеальном холостом ходе, когда = 0. В рабочем режиме скольжение изменяется в пределах от 3 до 7 %.

Статорная обмотка двигателя питается трехфазным током и создает вращающееся магнитное поле n1, скорость которого зависит от частоты тока в сети f и числа пар полюсов АД р:

Число пар полюсов вращающегося магнитного поля, в свою очередь, зависит от конструкции обмотки статора и выражается всегда целым числом: р = 1, 2, 3 и так далее.

При стандартной частоте f = 50 Гц магнитное поле, в зависимости от исполнения обмотки и числа пар полюсов, вращается с частотой, как показано в табл. 10.1.

Соотношение числа пар полюсов р и скорости вращения магнитного поля В паспорте двигателя указывается скорость вращения ротора n2 (об/мин), соответствующая номинальному напряжению Uном (В) и номинальной мощности Рном (кВт). По величине этой скорости можно определить число полюсов магнитного поля, если учесть, что магнитное поле вследствие скольжения вращается немного быстрее ротора:

Пусковой ток Iпуск, потребляемый двигателем с короткозамкнутым ротором в момент включения, превышает номинальное значение Iном от 4 до 7 раз. При этом происходит недопустимое понижение напряжения сети при питании АД от источника соизмеримой мощности. Для устранения этих недостатков применяют следующие методы:

1. Включение в цепь статора индуктивного сопротивления реактора (рис. 10.3).

После разгона двигателя реактор выключают. Пусковой ток Iпуск уменьшается пропорционально напряжению, а пусковой момент Мпуск пропорционально квадрату напряжения на статоре.

2. Пуск через автотрансформатор (рис. 10.4). Пусковой момент уменьшается пропорционально линейному пусковому току.

3. Переключением обмотки статора со «звезды» на «треугольник» (рис. 10.5).

Рис. 10.3. Схема управления АД Этот способ применяют для АД, обмотки которого соединены «треугольником». Все приведенные примеры снижения пусковых токов пригодны только для случаев, когда двигатели запускают без нагрузки на валу, т. к. со снижением пусковых токов происходит снижение пусковых моментов. Номинальный ток Iном, потребляемый АД из сети, можно определить по формуле:

где Рном номинальная мощность, Вт; Uлин линейное напряжение сети, В.

Выводы обмоток электрических машин обозначают следующим образом. Начало Рис. 10.6. Схема соединения обмоток статора асинхронного двигателя а) «звездой»; б) «треугольником»

Рис. 10.7. Зажимы статорных трехфазных обмоток: а) указаны на паспортной табличке соединение «звездой»; б) соединение «треугольником» двигателя. Например, Uном = 220/ соединяют «треугольником». Тогда на каждую фазу обмотки будет подано напряжение 220 В. Если линейное напряжение сети Uлин = 380 В, то обмотки двигателя надо соединять «звездой». Тогда каждая фаза обмотки будет находиться под одним и тем же напряжением:

Ротор АД вращается в ту же сторону, что и вращающийся магнитный поток статора.

Направление вращения зависит от порядка чередования фаз С1, С2, С3. Обычно для прямого пуска асинхронного двигателя применяют схему с использованием нереверсивного магнитного пускателя (рис. 10.8). Чтобы изменить направление вращения двигателя, т. е. произвести «реверс», достаточно поменять местами две любые фазы.

Обычно реверсируют асинхронные двигатели, нажимая кнопки «вперед» и «назад»

реверсивных магнитных пускателей. Схема управления асинхронным двигателем при прямом пуске реверсивным магнитным пускателем приведена на рис. 10.9.

Рис. 10.8. Схема прямого пуска АД нереверсивным магнитным Случай, когда АД плохо набирает обороты и при этом издает сильный гул, соответствует тому, что токи во всех фазах, даже при холостом ходе, различны и превышают номинальные значения. Это является следствием неправильного соединения фаз обмотки статора, когда одна из фаз обмотки «перевернута», т. е. конец и начало одной из фаз поменялись местами. Обычно это случается у АД с шестью выводами обмотки статора при неправильной маркировке фаз или их отсутствии по тем или иным причинам.

В данной лабораторной работе для нахождения выводов обмоток статора исследуемого асинхронного двигателя, а также определения начал и концов обмоток применяют метод «трансформации», который заключается в следующем. Используя мегомметр, отыскивают парные выводы трех фаз обмоток статора. Произвольно обозначают начала и концы каждой фазы соответственно: первая, начало – С1, конец – С4; вторая, начало – С2, конец – С5; третья, начало – С3, конец – С6. Затем первую и вторую фазу соединяют в последовательную цепь, т. е. С1 – С4 – С2 – С5 и включают в сеть переменного тока согласно рис. 10.10а.

При такой схеме две последовательно соединенные фазы статора выполняют роль первичной обмотки трансформатора, а третья фаза имитирует вторичную обмотку. Если в последовательной цепи конец одной фазы окажется соединенным с началом другой, то магнитные потоки Ф1 и Ф2 этих фаз в АД будут направлены в одну сторону и в сумме образуется результирующий поток Фс, который, пересекая витки третьей фазы, будет индуцировать в ней переменную ЭДС. Эту ЭДС можно обнаружить вольтметром РV1, если его соединить с выводами третьей фазы. Вместо вольтметра можно использовать лампу накаливания или амперметр.

Если в третьей фазе ЭДС не обнаружена, то это означает, что магнитные потоки первой и второй фаз в двигателе направлены встречно и взаимно уравновешивают друг друга, т. е. эти фазы соединены между собой одноименными выводами, например, концами фаз (рис. 10.10б).

Рис. 10.10. Маркировка выводов трехфазных обмоток АД методом «трансформации» а) при согласном включении двух обмоток; б) при встречном включении двух обмоток Таким же образом находятся С2 и С5 второй фазы по предварительно выполненной произвольной маркировке выводов первой фазы С1, С4. Третью фазу можно промаркировать, включив ее последовательно с первой фазой и питать переменным током, а вольтметр, амперметр или лампу накаливания соединить с выводами второй фазы.

Рис. 10.11. Схема включения АД для измерения пускового и номинального токов Программа выполнения работы 1. Изучить устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Освоить метод «трансформации» для отыскания начал и концов статорных обмоток асинхронного двигателя.

3. Изучить схемы включения обмоток статора асинхронного двигателя в трехфазную сеть, пустить двигатель в ход, затем произвести реверс.

4. Привести данные используемых электроизмерительных приборов и паспортные данные электрооборудования. Уметь пояснить паспортные значения исследуемого асинхронного двигателя Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться и изучить устройство асинхронного двигателя и его основные части на макете.

2. Записать паспортные данные исследуемого асинхронного двигателя и определить число пар полюсов р.

3. Отыскать выводы фаз статорных обмоток исследуемого АД на макете клеммного щитка, расположенного на стенде при помощи мегомметра. Изобразить эскиз щитка с обозначением парных выводов обмоток статора, при этом начала и концы каждой фазы маркируются произвольно.

4. Собрать схему рис. 10.10а для согласования начал и концов обмоток статора АД и произвести маркировку начал и концов трех фаз.

5. Выбрать схему соединения обмоток статора «звездой» или «треугольником»

соответственно его паспортным данным и напряжением сети. Затем собрать схему согласно рис. 10.11, использовав для этого приборы: амперметр РА1 на 10 А; вольтметр РV1 на 500 В. Включить двигатель в сеть для пробного пуска и зафиксировать по амперметру пусковой ток Iпуск и номинальный ток Iном.

6. Изменить направление вращения ротора, поменяв местами на клеммном щитке двигателя два любых линейных провода, идущих от сети. Проверить двигатель в работе.

Контрольные вопросы 1. На каком принципе основана работа асинхронного двигателя?

2. Чему равна частота тока f в роторной обмотке асинхронного двигателя?

3. По какой схеме следует соединять обмотку статора, если в его паспорте указано напряжение 127/220 В, а линейное напряжение сети Uл = 220 В?

4. Перечислите возможные способы определения выводов обмоток статора асинхронного двигателя.

5. Объясните устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором.

6. Объяснить принцип действия схем прямого пуска асинхронного двигателя (рис.

10.3; 10.4; 10.5; 10.8; 10.9) по выбору преподавателя.

Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Цель работы 1. Изучить устройство и принцип действия асинхронного двигателя.

2. Освоить методику испытания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

3. Получить опытным путем рабочие характеристики исследуемого двигателя.

Краткие теоретические сведения Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора n2 зависит от нагрузки. Магнитное поле статора создается переменным током на его обмотках. При этом скорость вращения ротора n2 отличается от скорости вращения магнитного поля статора n1 на величину скольжения s. Эти величины (n2, n1 и s) связаны выражением:

Асинхронные машины по типу делятся на бесколлекторные машины, которые используются чаще всего в двигательном режиме и имеют большое распространение, и коллекторные, имеющие более разнообразные характеристики, но ограниченное применение.

Основной тип бесколлекторной машины трехфазный асинхронный двигатель.

Обмотки статора, выполненные в виде трех катушек, уложенные в пазы сердечника статора и смещенные в пространстве на 120° относительно друг друга, при питании трехфазной системой токов создают вращающееся магнитное поле. Для простоты изобразим каждую из катушек А–Х; В–Y; С–Z одним витком (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Векторная диаграмма (а) и графики (б) токов в обмотках А–Х, В–Y, С–Z; упрощенная картина возбуждаемого этими токами магнитного поля (в) и векторные диаграммы вращения магнитного потока (г) Направление тока будем считать положительным, когда он направлен от начала катушки к ее концу. Направление токов соответствует моментам времени t0; t1; t2 и t3 = 0,02 c. Период равен Т = 0,02 с. Например, в момент времени t0 ток в фазе А–Х положительный и направлен от начала катушки А к ее концу X. В фазах В–Y и С–Z токи в этот момент времени имеют отрицательное значение и направлены от концов катушек Y, Z к их началам В и С. Токи в катушках создают магнитное поле. Направление магнитных силовых линий определяют по правилу «буравчика». В момент времени t0 северный магнитный полюс N находится справа, южный S – слева. К следующему моменту времени t1, соответствующему фазовому углу t = 120°, токи в фазах изменили направления. В фазе В–Y – ток положительный, в фазах А–Х, С–Z – отрицательный, и магнитный поток Ф повернулся на 120°. Моментам времени t2 и t3 = 0,02 c соответствуют новые направления магнитного потока.

Таким образом, за время одного периода Т = 0,02 с магнитный поток Ф повернулся на один оборот. Тогда за одну секунду он сделает f1 оборотов, а за минуту где f1 частота тока, Гц.

Катушки индуктивности, смещенные на 120°, при включении в трехфазную цепь создают двухполюсное магнитное поле. Направление вращения будет зависеть от чередования фаз, что легко доказать, поменяв местами две фазы. Если каждую фазу обмотки статора выполнить из нескольких последовательно соединенных катушек, то мы получим многополюсное магнитное поле, скорость вращения которого определяется по формуле где р число пар полюсов.

Принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с индуктированным им током в замкнутой обмотке ротора. Ротор и магнитное поле асинхронного двигателя вращаются в одном направлении, но с разными частотами. Частота вращения ротора n2 всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора n1. Отношение разности частот вращения магнитного поля n1 и ротора n2 к частоте вращения поля получило название скольжения s:

В зависимости от соотношения скоростей вращение n2, n1 и их взаимного направления различают несколько режимов работы асинхронной машины:

противоположную сторону от вращения магнитного поля статора:

Режимы работы асинхронной машины можно представить в виде шкалы скольжений (рис. 11.2). Режим тормоза применяют для быстрой остановки асинхронного двигателя путем противовключения, т. е. переключения двух проводов, питающих статорную обмотку, или для торможения приводного механизма, например, в крановых или подъемных устройствах при спуске грузов.

Кроме того, применяют динамическое торможение, схема которого приведена на рис. 11.3. Продолжительность процесса торможения определяется временем срабатывания реле времени КТ.

Электрическую мощность Р1, потребляемую из сети асинхронным двигателем, можно определить по формуле где U1 фазное напряжение, В; I1 фазный ток, А.

Часть этой мощности теряется в обмотке статора на электрические потери PЭ1 и в сердечнике статора на магнитные потери PМ1. Оставшаяся электромагнитная мощность вращающегося магнитного поля PЭЛ.М будет равна:

В свою очередь через воздушный зазор ротор получает эту мощность, где она преобразуется в механическую мощность РМХ вращения, которая находится по формуле:

где PЭ2 мощность электрических потерь в обмотке ротора.

Вместе с тем, полезная механическая мощность на валу двигателя Р2 меньше РМХ на величину PМХ от трения в подшипниках, сопротивления воздуха и на величину добавочных потерь PД, вызванных пульсациями магнитного потока. Таким образом, Отношение механической мощности на валу двигателя Р2 к мощности Р1, потребляемой из сети, определяет величину коэффициента полезного действия:

Механическая мощность ротора РМХ асинхронного двигателя, вращающегося с угловой скоростью 2, связана с моментом М известной формулой:

где 2 = 2n2/60 угловая скорость ротора, 1/с; n2 частота вращения ротора, об/мин.

Вращающий момент асинхронного двигателя М пропорционален активной составляющей тока ротора I2 и находится по формуле где СМ конструктивная постоянная асинхронного двигателя.

Момент, развиваемый на валу асинхронного двигателя, зависит от величины скольжения. При условии U1 = const; f1 = const появляется возможность построить данную зависимость М = f(s), называемую механической характеристикой (рис. 11.4). В нормальных условиях эксплуатации напряжение U = const и, следовательно, момент является функцией скольжения.

Начальная точка характеристики соответствует идеальному холостому ходу (s = 0; n2 = n1; М = 0). При увеличении скольжения момент увеличивается. Определенному скольжению sкр, называемому критическим, соответствует наибольший вращающий момент Мкр – критический момент. Значение критического скольжения лежит в пределах sкр = 10 25 %.

При значениях скольжения больше sкр величина момента начинает уменьшаться. В момент пуска s = 1 (n2 = 0) двигатель обладает пусковым моментом. Рабочая часть характеристики двигателя, то есть зона устойчивой работы, соответствует скольжению s < sкр.

Скольжение s связано с частотой вращения ротора n2 зависимостью (11.1):

Поэтому график функции М = f(s) можно построить в виде n2 = f(M) (рис. 11.5).

Данная зависимость нашла применение в электроприводах и получила название механической характеристики. Устойчивая часть механической характеристики обозначена сплошной линией. Ее можно рассчитать по упрощенной формуле Клосса:

Зная для данного двигателя Мкр и sкр, Для расчета применяют следующие зависимости:

где µк = Мкр/Мном – кратность максимального момента; Мном = 9555Рном/n2 – вращающий момент на валу двигателя, Н м.

где sном – номинальное скольжение асинхронного двигателя приводится в справочниках, или sном = (n1 – nном)/n1.

Асинхронный двигатель работает устойчиво лишь при скольжении меньше критического. При скольжении s > sкр, что соответствует неустойчивой части характеристики (рис. 11.4), двигатель работать не может. Например, из точки b он либо разгоняется, переходя на устойчивую часть характеристики (точка а), либо останавливается, если тормозной момент превышает вращающий момент двигателя.

Номинальный вращающий момент Мном должен быть меньше критического Мкр, чтобы при случайном увеличении тормозного момента не произошло перехода двигателя на неустойчивую часть, характеристики с дальнейшей остановкой. Обычно его принимают Мном = (0,4 0,6)Мкр. Таким образом, двигатель допускает кратковременную перегрузку до Мmах = 1,65Мном. При этом отношение критического момента Мкр к номинальному моменту Мном называется перегрузочной способностью двигателя.

s, M, n2, I1, , cos   0  Рис. 11.6. Рабочие характеристики 3. I1 = f(Р2). Величина тока холостого хода 0,2. Так как магнитный поток в двигателе постоянный, то увеличение нагрузки двигателя сопровождается увеличением только активной составляющей тока статора и, следовательно, увеличением cos до значения 0,8 0,9. Отсюда ясно значение нагрузки двигателя для улучшения cos питающей сети.

5. = f(Р2). Коэффициент полезного действия при холостом ходе равен нулю. При 0,9)max. При этом max соответствует P2 = 3/4P2ном и почти не изменяется при P2 = (0, 1,5)P2ном.

6. s = f(Р2). Скольжение при холостом ходе sхх = (0,4 0,5)%.

Асинхронные машины применяются в приводах, не требующих регулирования частоты вращения, обладая надежностью, экономичностью, простотой конструкции, высоким коэффициентом полезного действия, относительно малой массой. Поэтому объяснимо стремление использовать эти машины в приводах, требующих регулирования частоты вращения. Известны следующие способы регулирования.

1. Включение активного сопротивления в цепь фазного ротора. В цепь обмотки фазного ротора включается трехфазный реостат, рассчитанный на длительную нагрузку током ротора. Увеличение активного сопротивления ротора меняет механическую характеристику согласно рис. 11.7 и делает ее более «мягкой». Недостатками такого способа является увеличение потерь мощности и возможность при незначительных изменениях нагрузки на валу ротора значительно изменять частоту вращения ротора.

Рис. 11.7. Механическая характеристика 1 – с фазным ротором (естественная);

2 – при включении трехфазного реостата Рис. 11.8. Механическая характеристика при изменении напряжения на статоре 2. Плавное регулирование частоты вращения ротора возможно при изменении напряжения на обмотках статора. Такая регулировка применяется в асинхронных машинах с короткозамкнутым ротором. Так как вращающий момент М асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения U2, то ординаты механической характеристики изменяются в отношении (U1/Uном)2, как показано на рис. 11.8.

Недостатком этого способа является то, что из-за «жесткости» механической характеристики понижение напряжения на 30 % уменьшает частоту вращения ротора только на 15 % при одновременном снижении перегрузочной способности и пускового момента.

3. Ступенчатое изменение скорости вращения ротора в широких пределах осуществляют путем изменения числа пар полюсов в многоскоростных машинах, что приводит к значительному удорожанию машины, усложнению конструкции, и, как следствие, снижению надежности в эксплуатации. Промышленностью выпускаются 2-, 3-, 4-скоростные асинхронные двигатели.

4. Наиболее перспективным способом регулирования частоты вращения ротора асинхронной машины является изменение частоты переменного тока f, питающего двигатель.

Однако при таком способе необходимо одновременно регулировать напряжение.

Способ осуществим при использовании тирристорных схем управления частотой вращения ротора асинхронной машины путем изменения частоты тока.

Рис. 11.9. Схема для построения рабочих характеристик при испытании асинхронного двигателя методом непосредственной нагрузки Программа выполнения работы 1. Изучить устройство и принцип действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Провести испытание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором методом непосредственной нагрузки. Осуществить реверсирование.

3. Получить опытным путем и построить рабочие характеристики исследуемого двигателя.

4. Привести данные используемых электроизмерительных приборов и паспортные данные электрооборудования.

Порядок выполнения работы 1. Собрать схему согласно рис. 11.9, используя для этого приборы: вольтметры РV на 500 В, РV2 на 250 В, амперметры РА1, РА2 на 10 А, ваттметр РW1 на 2500 Вт;

фазометр Р1. Испытываемый асинхронный двигатель ТИП АО 42-4: /Y; Uном [220/380] В; Iном [28/18] А; Рном = 2,8 кВт; n = 1420 об/мин; соs = 0,85; = 83,5 %.

2. После проверки схемы в присутствии преподавателя произвести автоматическим выключателем QF1 пуск асинхронного двигателя на холостом ходу, обратив при этом внимание на направление вращения ротора исследуемого двигателя (SА1 SА выключены).

3. Осуществить реверс асинхронного двигателя. Для этого необходимо автоматическим выключателем QF1 отключить двигатель от сети и произвести смену питающих проводов электрической схемы, поменяв чередование фаз любых двух проводов. Произвести пуск асинхронного двигателя, обратив внимание на направление вращения ротора исследуемого двигателя.

4. Пользуясь собранной схемой, произвести пуск асинхронного двигателя на холостом ходу (SА1 SА4 выключены).

5. Поочередно подключая тумблерами SА1 SА4 и присоединенные к цепи генератора постоянного тока дополнительные сопротивления R1 R4, осуществить испытание исследуемого двигателя методом непосредственной нагрузки. Произвести пять измерений, начиная от нагрузки, равной нулю (все выключатели отключены), т. е.

холостого хода, до максимальной нагрузки, поочередно подключая дополнительные сопротивления R1 R4 выключателями SА1 SА4, фиксируя при этом следующие параметры: n – разность скоростей вращения магнитного поля статора и ротора, об/мин (методика определения n изложена ниже); U1 – напряжение сети, В (РV1); I1 – ток сети, А (РА1); P1 – потребляемая двигателем из сети активная мощность, Вт (РW1); U2 – напряжение нагрузки, В (РV2); cos – коэффициент мощности Р1. Данные опытных измерений занести в табл. 11.1.

Данные измерений и вычислений испытания асинхронного двигателя методом непосредственной нагрузки для построения рабочих характеристик 6. Используя приведенные ниже расчетные формулы, произвести вычисления и результаты занести в табл. 11.1.

а) n2 = n1 – n [об/мин]; n2 – скорость вращения ротора, об/мин; n1 – скорость вращения магнитного поля статора, об/мин (n2 = 1500 об/мин);

б) s = [(n1 – n2)/n1]100 % – скольжение;

в) P2 = U2 I2 – полезная механическая мощность на валу ротора, Вт;

г) М = 9550P2/n2 – вращающий момент на валу двигателя, Н м;

д) = Р2/P1 – коэффициент полезного действия.

7. По данным табл. 11.1 построить рабочие характеристики исследуемого двигателя:

Методика определения скорости вращения ротора при помощи стробоскопа Для определения n – разности скоростей вращения магнитного поля статора и ротора используется стробоскоп. Стробоскопический метод измерения скорости вращения n вала двигателя основан на инерции зрительного ощущения человеческого глаза. На конце вала прибора укреплен диск, разделенный на равные сектора, число которых равно числу полюсов вращающегося магнитного поля статора. Одна часть секторов, чередуясь, окрашивается в черный цвет, другая – в белый. Ориентируясь по черным секторам, можно сказать, что число черных секторов равняется числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Диск освещается световыми импульсами неоновой лампы, число которых равно частоте питающего тока f = 50 Гц. Если число оборотов диска стробоскопа (ротора двигателя) за единицу времени равно числу световых импульсов лампы, то диск кажется неподвижным. При меньшей или большей скорости оборотов диска, чем количество световых импульсов неоновой лампы, по одному из черных секторов диска можно за единицу времени подсчитать разность скоростей вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора. Для этого по известной синхронной скорости вращения магнитного поля статора n1 и измеренной разности скоростей n можно определить скорость вращения ротора:

Для определения n необходимо вал стробоскопа приставить к валу ротора и подсчитать разность вращения скорости магнитного поля статора n1 и вала ротора n2 как число оборотов одного из четырех световых пятен неоновой лампы на диске стробоскопа за одну минуту.

Контрольные вопросы 1. Чему равняется скольжение s при номинальной скорости nном вращения двигателя и при пуске?

2. Назовите характерные точки зависимости момента от скольжения?

3. Почему с увеличением нагрузки двигателя растет ток статора?

4. Как изменяется частота тока f в роторе от скольжения s?

5. Как изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя?

Испытание генератора постоянного тока со смешанным возбуждением 1. Изучить устройство и принцип действия генератора постоянного тока со смешанным возбуждением.

2. Освоить методику испытания исследуемого генератора.

3. Получить экспериментальные данные для построения характеристик исследуемого генератора.

Краткие теоретические сведения Машина постоянного тока состоит из неподвижного электромагнита, создающего основное магнитное поле машины, статора и ротора, вращающейся части, в обмотках которой возникает электродвижущая сила. Статор, в свою очередь, состоит из станины и главных полюсов с размещенной на ней обмоткой возбуждения. На обмотку возбуждения подают постоянное напряжение, при этом возникает магнитный поток. Под действием постоянного тока, протекающего по обмоткам, главные полюсы намагничиваются. Полюс заканчивается полюсным наконечником, который распределяет магнитный поток в воздушном зазоре. Ротор, называемый якорем в машинах постоянного тока, состоит из сердечника, обмотки якоря и коллектора. Якорная обмотка через коллекторные пластины и прилегающие к ним контактные щетки соединяется с внешней цепью.

Принцип действия машины постоянного тока основан на явлениях электромагнитной индукции и электромагнитной силы. Рассмотрим его на примере машины постоянного тока с кольцевым якорем (рис. 12.1). На сердечнике якоря находится обмотка, состоящая из четырех витков. Все витки соединены последовательно, образуя замкнутый контур. Начало одного и конец следующего витка подсоединены к одной и той же пластине коллектора. Щетки коллектора делят обмотку на две равные части – две Рис. 12.1: а) схема замещения обмотки; б) графики ЭДС;

количество параллельных ветвей.

Электромагнитный момент, развиваемый машиной постоянного тока, определяется где СМ = рN/(2а) конструктивная постоянная машины по вращающему моменту.

Таким образом, электромагнитный момент машин постоянного тока пропорционален произведению магнитного потока и тока якоря, имеющий тормозной характер в генераторах. При вращении якоря наружные (активные) стороны витков пересекают магнитные силовые линии и в витках наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу «правой руки», а изменение ЭДС в витках за один оборот показано на рис. 12.1б. Причем ЭДС в витках изменяется по синусоидальному закону. Для пояснения изменения напряжения на щетках нужно рассмотреть рис. 12.1а. Так как витки сдвинуты по окружности якоря на 90°, то ЭДС в них сдвинуты на четверть периода.

Результирующая ЭДС ветви при вращении якоря равна сумме мгновенных значений ЭДС двух витков, которые окажутся в этот момент времени в одной ветви. Заметим, что в одной ветви находятся витки только с одинаковым направлением ЭДС. Результирующая ЭДС ветви ерез постоянна по направлению. Коллектор в этом случае играет роль механического переключателя. Он переключает витки обмотки при изменении знака ЭДС в витке из одной параллельной ветви в другую и превращает переменные ЭДС отдельных витков в постоянное напряжение на щетках. Токи нижней IН и верхней IВ ветвей складываясь, образуют ток якоря IЯ:

В общем случае, если число ветвей 2a (где а число пар ветвей), ток якоря находим как Если к щеткам, скользящим по коллектору вращающегося якоря, подключить сопротивление, то электродвижущая сила создает ток IЯ в цепи якоря. Машина будет работать в качестве генератора. Напряжение U на его зажимах меньше ЭДС Е на величину падения напряжения в сопротивлении RЯ обмотки якоря:

На проводник с током в магнитном поле будет действовать сила. Применив правило «левой руки» (рис. 12.1в), найдем, что электромагнитные силы создают тормозной момент. Направление сил противоположно направлению вращения якоря. Первичный двигатель, приводящий во вращение якорь, преодолевает это противодействие.

В зависимости от того, откуда подводится напряжение к обмотке возбуждения от постороннего источника электрической энергии или от самого генератора, различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

В генераторах с независимым возбуждением, когда обмотка возбуждения имеет питание от постороннего выпрямительного устройства, ток возбуждения IВ не зависит от тока в якоре IЯ. В генераторах с самовозбуждением обмотку возбуждения подключают к обмотке якоря. В зависимости от способа подключения обмоток параллельно или последовательно различают генераторы с параллельным возбуждением и генераторы с последовательным возбуждением. Иногда применяется смешанное возбуждение – все обмотки возбуждения разделены на две части: одна включена параллельно якорю, а другая – последовательно с ним. В этом случае характеристики генератора зависят от способа самовозбуждения.

Для пояснения принципа самовозбуждения необходимо в одних координатных осях построить две характеристики:

а) холостого хода Е0:

б) зависимости напряжения обмотки возбуждения UВ от тока возбуждения IВ:

ЕОН.  IВ1       IВ3      IВ5  IВ7  Рис. 12.2. Самовозбуждение генератора При вращении якоря невозбужденного возбуждения Ш1–Ш2 и якорной Я1–Я генератора в якорной обмотке, вследствие остаточной индукции полюсов индуцируется ЭДС остаточного намагничивания ЕОН.

В обмотке возбуждения, согласно характеристике UB = IBRB, возникает ток возбуждения IВ1, который создает магнитный поток. Если этот поток направлен встречно по отношению к остаточному потоку, то машина размагничивается, и самовозбуждение не происходит. В том случае, когда потоки направлены одинаково, то суммарный поток машины усиливается, и току возбуждения IВ1 по характеристике холостого хода соответствует напряжение, равное ординате точки 2 (рис. 12.2). При напряжении U2 ток возбуждения IВ увеличивается до значения IВ3 (точка 3 на характеристике цепи возбуждения, рис. 12.2). В свою очередь, при токе возбуждения IВ3 напряжение на якоре увеличивается до U4 и так далее. В точке, где характеристики якорной цепи и цепи обмотки возбуждения пересекаются, самовозбуждение заканчивается. Процесс самовозбуждения в генераторах происходит плавно. Причем, изменяя сопротивление в цепи возбуждения RВ, мы можем изменять наклон характеристики UB = IBRB и, как следствие, напряжение холостого хода. Сопротивление RВ, при котором характеристика Рис. 12.4. Схема генератора постоянного тока со смешанным соединением обмоток поток;

2) магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения, должен совпадать по направлению с направлением остаточного магнитного потока полюсов;

3) сопротивление электрической цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического.

У генератора постоянного тока со смешанным возбуждением на полюсах размещаются две обмотки возбуждения: одна, параллельная Ш1–Ш2, включаемая в цепь параллельно обмотке якоря Я1–Я2, и вторая, последовательная С1–С2, включаемая последовательно с обмоткой якоря (рис. 12.4). На клеммной колодке такого генератора имеются три пары клемм, принадлежащие якорной обмотке Я1, Я2 (белый цвет);

параллельной обмотке Ш1, Ш2 (зеленый цвет); последовательной обмотке С1, С (красный цвет).

Если маркировка клемм на колодке отсутствует, то отыскать клеммы той или иной обмотки можно при помощи контрольной лампы и внешнего источника тока, а также при помощи мегаомметра или прибора выпрямительной системы. При этом нужно иметь в виду, что клеммы якорной обмотки Я1–Я2 через щеточный контакт соединены с коллектором. Параллельная обмотка Ш1–Ш2, в отличие от последовательной обмотки возбуждения С1–С2, имеет большее число витков, изготовлена из провода малого сечения и поэтому обладает большим сопротивлением.

Наиболее полное представление о работе исследуемого генератора постоянного тока со смешанным возбуждением могут дать его характеристики:

1) характеристика холостого хода: E0 = f(IB), n = const, Iнагр = 0;

2) внешняя характеристика U = f(Iнагр), IВ = const;

3) регулировочная характеристика IB = f(Iнагр), U = const.

Характеристика холостого хода (рис. 12.5.) зависимость E0 = f(IB), n= const, Iнагр = 0. При работе генератора его якорь обычно вращается с постоянной скоростью. Поэтому ЭДС генератора регулируют за счет величины магнитного потока, изменяя ток IВ в шунтовой обмотке возбуждения. Величина магнитного потока определяется по характеристике холостого хода генератора, которая снимается опытным путем при отсутствии нагрузки, и при постоянной скорости вращения якоря. При холостом ходе последовательная обмотка возбуждения не оказывает влияния на работу генератора. Магнитный поток наводит ЭДС остаточного магнитного потока ЕОН = ( %)Uном.

Внешняя характеристика зависимость U = f(Iнагр), IВ = const (рис. 12.6.) строится на основании опытов, проводимых при постоянной скорости вращения якоря n и неизменном токе обмотки возбуждения. Внешняя характеристика при согласном включении обмоток, т.

е. таком, когда магнитные потоки обмоток возбуждения имеют одинаковое направление (рис. 12.6, кривая 1), показывает, что снижение напряжения, наблюдавшееся у генератора с параллельным возбуждением, здесь компенсируется подмагничивающим действием сериесной обмотки. Напряжение генератора практически неизменно в пределах от холостого хода до номинальной нагрузки. Чтобы получить крутопадающую внешнюю характеристику (рис. 12.6, кривая 2), последовательную и параллельную обмотки возбуждения включают встречно. С ростом нагрузки уменьшается результирующий магнитный поток и, как следствие, уменьшаются электродвижущая сила и напряжение:

Рис. 12.6. Внешняя характеристика Встречное включение обмоток возбуждения применяется в сварочных генераторах и других специальных машинах, где нужно ограничить ток короткого замыкания.

Чтобы поддерживать напряжение постоянной величиной U = const, при любой нагрузке необходимо регулировать ток возбуждения IВ (рис. 12.7). Зависимость IB = f(Iнагр) IВ0  Рис. 12.7. Регулировочная характеристика генератора 1. Изучить устройство и принцип действия генератора постоянного тока со смешанным возбуждением.

2. Освоить методику испытания исследуемого генератора.

постоянного тока со смешанным возбуждением электрооборудования.

Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с паспортными данными исследуемого генератора.

2. По имеющимся на лабораторном стенде выводам якорной Я1–Я2, сериесной С1– С2, шунтовой Ш1–Ш2 обмоток исследуемого генератора при помощи мегомметра или прибора выпрямительной системы отыскать одноименные выводы обмоток, учитывая, что якорная обмотка имеет щеточный контакт с коллектором, а шунтовая обмотка возбуждения имеет большее сопротивление, чем сериесная. Затем в тетради для выполнения лабораторных работ изобразить эскиз клеммной колодки с предварительно обозначенными выводами обмоток исследуемого генератора постоянного тока для проверки преподавателем.

3. Собрать схему для испытания генератора со смешанным возбуждением согласно рис. 12.8, используя при этом электроизмерительные приборы: вольтметр РV1 на 250 В;

амперметры РА1 на 1 А, РА2 на 5 А. При подключении в схему амперметров следует учесть, что ток IB в шунтовой обмотке возбуждения исследуемого генератора не превышает 1 А, а ток Iнагр в цепи нагрузки будет достигать номинального значения, указанного в паспорте генератора.

4. Снять характеристику холостого хода. Для этого выключатели выключить, SА5 включить. Включить автоматический выключатель QF1, тем самым пустить в ход первичный двигатель. В этом качестве служит асинхронный двигатель. Ток нагрузки Iнагр (РА2) равен нулю, т. к. SА1 SА4 выключены. Регулировочным реостатом Rрег добиться изменения тока возбуждения IВ (РА1), фиксируя при этом значение Е0 по вольтметру (РV1). Первый замер произвести при отключении шунтовой обмотки, выключив выключатель SА5, то есть IB = 0. Затем произвести не менее пяти замеров, включив при этом SА5. Результаты измерений занести в табл. 12.1.

Данные измерений испытания генератора постоянного тока со смешанным возбуждением для построения характеристики холостого хода 5. По данным табл. 12.1 для генератора постоянного тока со смешанным возбуждением построить характеристику холостого хода E0 = f(IB), при n= const, Iнагр = 0.

6. Снять внешнюю характеристику исследуемого генератора, собрав соответствующую схему в следующих режимах работы:

а) при отключении сериесной обмотки возбуждения С1–С2 (рис. 12.9);

б) при согласном включении обмоток возбуждения, шунтовой и сериесной, то есть Ш1–Ш2–С1–С2 (рис. 12.10);

в) при встречном включении обмоток возбуждения, шунтовой и сериесной, то есть Ш1–Ш2–С2–С1 (рис. 12.11).

Рис. 12.9. Схема для снятия внешней характеристики исследуемого генератора при отключении сериесной обмотки С1–С Для этого необходимо собрать соответствующую исследуемому режиму работы схему.

Выключатель SА5 включить. Включением автоматического выключателя QF1 пустить в ход первичный двигатель. Установить по вольтметру РV1 номинальное напряжение Uном генератора постоянного тока регулировочным реостатом Rрег при выключенной нагрузке (SА SА4 выключены). Затем, поочередно включая нагрузку выключателями SА1 SА4, снять показания тока нагрузки Iнагр (РА2) и напряжения U (РV1). Результаты измерений занести в табл. 12.2. Произвести не менее пяти измерений в разных режимах работы.

Данные измерений испытания генератора постоянного тока со смешанным возбуждением для построения внешней характеристики 7. По данным табл. 12.2 построить внешние характеристики U = f(Iнагр), IВ = const для трех случаев работы исследуемого генератора в одних координатных осях: а) С1–С2 отключена; б) согласное включение Ш1–Ш2–С1–С2; в) встречное включение Ш1–Ш2–С2–С1.

8. На основе анализа данных пункта 6 для построения внешних характеристик исследуемого генератора в трех режимах дать заключение о правильности определения начал и концов выводов сериесной С1–С2 и шунтовой Ш1–Ш2 обмоток при выполнении п. 2.

9. Снять регулировочную характеристику (рис. 12.8). Для этого выключатели SА SА4 выключить, SА5 включить. Включить автоматический выключатель QF1, тем самым пустить в ход первичный двигатель. Ток нагрузки Iнагр (РA2) равен нулю. Регулировочным реостатом Rрег установить по вольтметру РV1 номинальное напряжение Uном генератора, зафиксировав при этом ток возбуждения IВ (РА1).

Затем включить выключателем SА1 нагрузку, при этом происходит изменение параметров U (РV1); Iнагр (РА2); IB (РА1). Регулировочным реостатом Rрег установить первоначальное номинальное напряжение Uном (РV1), зафиксировав при этом значение Iнагр (РА2); IB (РА1). Далее, поочередно подключая нагрузки выключателями SА2...SА4, снять показания приборов РА1, РА2 измеряющих токи IB, Iнагр, поддерживая регулировочным реостатом Rрег ранее установленное напряжение Uном по вольтметру РV1. Данные измерений занести в табл. 12.3.

Данные измерений испытания генератора постоянного тока со смешанным возбуждением для построения регулировочной характеристики Iнагр, А 10. По данным табл. 12.3 построить регулировочную характеристику генератора постоянного тока со смешанным возбуждением IB = f(Iнагр), Uном = const, n = const.

Контрольные вопросы 1. Каким образом происходит самовозбуждение генератора?

2. Как можно возбудить генератор, если индуктор окажется размагниченным?

3. Чем отличаются по своей форме внешние характеристики генератора параллельного возбуждения и генератора последовательного возбуждения?

4. Почему ток короткого замыкания у генератора параллельного возбуждения относительно велик?

5. Какие переключения нужно сделать в цепи генератора смешанного возбуждения, если в результате замены первичного двигателя, направление вращения якоря изменяется на противоположное?