Обработка результатов испытания

По данным опытов:

1. Промаркировать выводные концы обмоток трансформатора Т1.

2. Построить в масштабе топографические векторные диаграммы линейных напряжений обеих обмоток трансформатора для всех заданных схем соединений обмоток.

3. Построить зависимость токов каждого из трансформаторов от общего тока нагрузки ;  и вторичного напряжения:

; ; .

4. Определить напряжения короткого замыкания трансформаторов  и (см. работу № 1).

 

Анализ результатов лабораторной работы

Проанализировать полученные результаты, дать ответы на вопросы и выполнить задания:

1. Как проверить выполнение условия включения на параллельную работу для исследуемых трансформаторов?

2. Имеет ли место уравнительный ток в условиях холостого хода, какова его величина, чем он вызван?

3. Дать критическую оценку результатов, проанализировав графики ;  ; .

4. Как будут распределяться токи нагрузки параллельно работающих трансформаторов, если напряжения короткого замыкания не одинаковы, а остальные условия включения соблюдаются?

5. Как распределится нагрузка мощностью  кВА между трансформаторами Т1 и Т2? Номинальные данные и напряжения короткого замыкания см. в работах № 1 и № 2.

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
 С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Цель работы

Исследование эксплуатационных свойств трехфазного двигателя с фазным ротором и ознакомление с косвенными методами построения характеристик посредством круговой диаграммы.

Предварительные сведения

Принцип работы асинхронной машины основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля и проводника с током. При подключении трехфазной обмотки статора к сети переменного тока возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по формуле

,

где  – частота питающей сети; – число пар полюсов.

При вращении магнитное поле индуцирует в проводниках обмотки ротора ЭДС, под действием которой в замкнутой обмотке ротора возникнут токи. На проводники с током в магнитном поле действует электромагнитная сила. Создается электромагнитный момент, который направлен в сторону вращения магнитного поля и пропорционален результирующему магнитному потоку и активной составляющей тока ротора. Если этот момент больше тормозного на валу, ротор приходит во вращение.

В двигательном режиме работы частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, так как процесс индуцирования ЭДС, возникновения токов в проводниках замкнутой обмотки ротора и появления электромагнитного момента имеет место только при наличии разницы в частотах вращения магнитного поля и проводников ротора. Эту разницу принято выражать в относительных единицах в долях от частоты вращения магнитного поля (или в процентах) и называть скольжением:

 или ,

где – частота вращения ротора.

Скольжение является одним из важнейших параметров асинхронной машины. В двигательном режиме работы . У современных трехфазных асинхронных двигателей нормального исполнения при номинальной нагрузке скольжение составляет 0,015 0,07.

ЭДС и токи в обмотке ротора имеют частоту , которую называют частотой скольжения:

.

Магнитный поток, созданный обмоткой ротора, также будет вращающимся. Частота вращения его относительно ротора

,

а так как сам ротор имеет частоту вращения, равную

,

то магнитное поле ротора относительно неподвижного статора перемещается с частотой вращения

,

т.е. при любом скольжении магнитные поля, созданные обмотками статора  и ротора , неподвижны относительно друг друга.

В машине образуется результирующий магнитный поток :

.

Магнитное состояние стального сердечника, а также величины ЭДС в обмотках статора и ротора определяются величиной результирующего магнитного потока.

 

Указания по подготовке к лабораторной работе

Для подготовки к лабораторной работе необходимо:

Изучить материал по одному из учебников:

1) [1, §5.2; §5.6; §5.9];

2) [2].

 

Ответить на вопрос и выполнить задания:

1. Дайте описание конструкции испытуемого асинхронного двигателя.

2. Объясните порядок проведения опыта холостого хода и короткого замыкания АД.

3. Объясните процесс пуска в ход АД с контактными кольцами, последовательность отдельных операций.

4. Почему зависимость между приложенным к АД напряжением и током холостого хода носит нелинейный характер?

5. Почему в опыте короткого замыкания на АД следует подавать пониженное напряжение?

6. Почему пусковой ток больше номинального?

7. Как из опыта холостого хода определяются потери в стали и механические потери?

8. Покажите на рисунке построение круговой диаграммы АД по данным опытов холостого хода и короткого замыкания

9. Почему коэффициент мощности холостого хода зависит от величины приложенного напряжения?

 

Программа работы

1. Ознакомиться с конструкцией двигателя и записать паспортные данные машины.

2. Измерить сопротивление обмоток и привести его к температуре .

3. Снять характеристики холостого хода двигателя:

; ;  при .

4. Снять характеристики короткого замыкания:

; ;  при .

5. Снять рабочие характеристики при работе в режиме двигателя:

; ; ; ; ;  

при ; .

6. По опытным данным пп.2, 3, 4 построить круговую диаграмму. Пользуясь круговой диаграммой, построить рабочие характеристики для режима двигателя. Сравнить рабочие характеристики, полученные методом непосредственной нагрузки (п.5), с рабочими характеристиками, полученными из круговой диаграммы.

7. По круговой диаграмме определить перегрузочную способность двигателя  и кратность пускового момента :

 ; ,

где – максимальный момент, развиваемый двигателем;

 – номинальный момент;

 – пусковой момент, развиваемый двигателем.

 

Экспериментальная установка

Исследование трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором проводится на универсальном лабораторном стенде (УЛС), состоящем из силового пульта управления (рис. 1).

Силовое оборудование: асинхронный двигатель с фазным ротором и сочлененный с ним генератор постоянного тока – является объектом изучения. АД-ГПТ размещены на отдельно стоящем фундаменте.

Схема установки представлена на рис. 2.

Обмотка статора соединяется треугольником, т.к. питающее напряжение в лаборатории ~220 В, 50 Гц. Обмотка ротора соединена звездой и стационарно подключена к . Для регулирования напряжения питания используется регулятор напряжения трехфазный типа РНТ-220-12 или индукционный регулятор, схемы включения которых приведены на рис. 3.

Для нагрузки ГПТ используется ступенчатый металлический реостат. Начала и концы обмоток двигателя АК-51/4 С1, С2, С3, С4, С5, С6 и генератора Я1, Я2, Ш1, Ш2 выведены на наборное поле лабораторного стенда.

Питание на стенд подается включением автоматов АП-50, расположенных на стенде напротив, при этом на опытном стенде. загораются сигнальные лампы HL1 и HL3.

Питание ~220 В на двигатель АК-51/4 и =220 В на обмотку возбуждения Ш1-Ш2 ГПТ подается включением автоматов QF1 и QF3, расположенных на лицевой части стенда.

Для измерения напряжения, токов и мощности на наборном поле расположены электромагнитные приборы, кроме того, при исследовании АД можно использовать измерительный комплект
К 51 или К 505.

 

 

Рис. 2. Принципиальная схема испытания асинхронного двигателя с фазным ротором

  а)                                                           б)

Рис. 3. Схема соединений обмоток фазорегулятора
в режиме индукционного регулятора (а)
и трехфазного автотрансформатора (б) типа РНТ-220-12

 

Проведение исследований

 Измерение сопротивлений обмоток

Сопротивление фазы статора двигателя АК-51/4 измеряют мостом постоянного тока типа МО-62 или методом амперметра-вольтметра каждой обмотки отдельно и приводят к температуре :

,

где  – 0,004 1/град.;  – температура окружающей среды.

 Пуск двигателя и изменение направления вращения

Пуск двигателя осуществляется следующим образом.

Прежде чем подключить к сети обмотку статора, необходимо установить рукоятку пускового реостата в положение «Пуск», в этом положении реостат полностью введен, т.е. в каждую фазу обмотки ротора будет включено наибольшее сопротивление.

При подключении обмотки статора к сети двигатель приходит во вращение. Следует плавно вывести пусковой реостат, передвигая рукоятку в положение «Ход». В этом случае кольца ротора будут замкнуты накоротко. Для перемены направления вращения двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля.

Для этого достаточно поменять местами два любых провода, идущих к обмотке статора.

  Опыт холостого хода

Режимом холостого хода называется такой режим, когда двигатель вращается при отсутствии механической нагрузки на валу. В этом случае скорость ротора близка к синхронной, а его ток – к нулю.

Режим холостого хода описывается характеристиками, представляющими собой зависимость тока, мощности и коэффициента мощности от подводимого напряжения:

, , .

Схема для проведения опыта представлена на рис. 2.

Измерительные приборы, замеряющие ток и мощность, выбирают по току холостого хода, который у асинхронных двигателей составляет () % от номинального тока. При снятии характеристики холостого хода подводимое к двигателю напряжение изменяется от значения, примерно равного , до величины , при котором еще возможна устойчивая работа двигателя (дальнейшее снижение напряжения ведет к заметному снижению скорости и увеличению потребляемого тока).

Результаты измерения и расчетов заносят в табл. 1.

По данным табл. 1 строятся графики зависимостей:

, , .

Форма таблицы 1

№ п/п	Из опыта						Из расчета
	U 10 B	IA A	IB A	IC A	IO A	P x.x Вт	Р эл1 Вт	Р 0 Вт

 

В таблице ток холостого хода находят как среднее значение линейных токов:

;

– мощность, покрывающая все потери в двигателе при холостом ходе (берется по ваттметру);

– электрические потери в обмотке статора;

– потери в стали сердечника статора;

– механические потери.

Потерями в обмотке ротора и добавочными потерями при холостом ходе пренебрегают, поэтому

.

При соединении обмотки статора в треугольник

.

При соединении обмотки в звезду

.

Коэффициент мощности при холостом ходе

.

В этих формулах берется неприведенное сопротивление одной фазы обмотки статора, так как опыт холостого хода проводится в начале работы, когда машина еще не нагрета. Если опыт производится при нагретой машине, то в формулу подставляют сопротивление обмотки, приведенное к .

Характеристики холостого хода АД мощностью 3,0 кВт показаны на рис. 4.

Мощность , при холостом ходе с увеличением напряжения возрастает приблизительно по квадратичной зависимости, так как потери в стали пропорциональны квадрату индукции и, следовательно, квадрату ЭДС . Изменение тока холостого хода  при изменении напряжения определяется главным образом изменением его реактивной составляющей. Можно считать, что реактивная составляющая тока идет на создание основного поля, так как поля рассеяния при холостом ходе незначительны.

Р0, Вт

I0, A

 

Рис. 4. Характеристики холостого хода
асинхронного двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

Основная часть намагничивающей силы, создаваемой током холостого хода, идет на преодоление воздушного зазора. При малых напряжениях насыщением стали можно пренебречь и зависимость  представляет собой прямую линию. По мере увеличения напряжения, подводимого к статору, сталь машины насыщается, МДС, необходимая на проведение потока через стальные участки, растет и кривая тока начинает отклоняться в сторону оси ординат в соответствии с кривой намагничивания стали:

.

Коэффициент мощности при холостом ходе с увеличением подводимого напряжения уменьшается. Это объясняется тем, что кажущаяся мощность с насыщением стали растет значительно быстрее активной мощности.

 Разделение потерь холостого хода

Пользуясь зависимостью , можно произвести разделение потерь холостого хода на потери в стали и механические (рис. 5).

Рис. 5. Разделение потерь холостого хода асинхронного двигателя

Зависимость  представляет собой почти параболу, так как потери в стали пропорциональны квадрату индукции  и, следовательно, пропорциональны , а механические потери постоянны, поскольку в опыте холостого хода скорость двигателя изменяется незначительно.

Поэтому зависимость  будет представлять собой прямую, продолжение которой до оси ординат дает отрезок аб, равный  при =0, =0, а отрезок ас =  при .

 Опыт короткого замыкания

В опыте короткого замыкания ротор двигателя должен быть замкнут накоротко и заторможен. Напряжение, подводимое к статору от источника регулируемого напряжения, снижают почти до нуля и после этого выключателем QF1 (рис. 2) подают напряжение  на обмотку статора. Величина индуктивного сопротивления , а также величина тока короткого замыкания зависят от взаимного расположения зубцов статора и ротора. Поэтому следует, медленно поворачивая ротор, отметить по амперметру
наибольшее и наименьшее значения тока. После этого ротор закрепляют неподвижно в положении, соответствующем среднему значению тока.

Затем напряжение кратковременно повышают до значения, при котором ток короткого замыкания достигает величины, равной () , и записывают показания приборов. Это будет первая точка характеристики короткого замыкания. Затем подводимое напряжение уменьшают, делая при этом 5–6 замеров. Электроизмерительные приборы в схеме (рис. 2) должны быть выбраны с учетом тех величин напряжения и тока, которые имеют место в опыте короткого замыкания.

Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 2 следующей формы:

Форма таблицы 2

№ п/п	Из опыта						Из расчета
	U кл, В	IA , A	IB , A	IC , A	I к, A	P к, Вт		Z к, Ом	r к, Ом	X к, Ом

 

По данным табл. 2 строятся характеристики короткого замыкания:

, , .

По данным характеристики короткого замыкания определяют сопротивление короткого замыкания для .

При соединении обмоток статора в треугольник

; ; .

При соединении обмоток статора в звезду

; ; .

Значения  и  для  берутся из построенных графиков. Примерный вид зависимостей , , представлен на рис. 6.

Рк, Вт

Iк, A

Рис. 6. Характеристики короткого замыкания асинхронного двигателя
(3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

Ток короткого замыкания  при номинальном напряжении, необходимый для построения круговой диаграммы, необходимо пересчитать по формуле

.

 Снятие рабочих характеристик асинхронного двигателя

Рабочие характеристики представляют зависимость , , , , , при постоянном значении напряжения на зажимах машины  и постоянной частоте питания сети .

Для снятия рабочих характеристик асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, необходимо сочлененную с ней машину постоянного тока использовать в качестве нагрузочного генератора. Для этого (см. схему рис. 2) запускают асинхронную машину как двигатель и возбуждают машину постоянного тока. Увеличивая затем ток генератора, нагружают испытуемый асинхронный двигатель в пределах от  до . При этом записывается потребляемый ток, мощность , число оборотов или скольжение двигателя.

Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 3.

 

Форма таблицы 3

№

Из опыта

Из расчета

U 1 В

IA А

IB А

IC А

I ср А

P 1 Вт

n об/мин

S

cosj1

P 2 Вт

M кг×м

h %

В таблице 3:

– среднее значение линейных токов; – потребляемая мощность, подводимая к двигателю из сети и измеряемая ваттметром; – полезная мощность на валу при работе асинхронной машины в режиме двигателя.

Для режима работы двигателя

,

где – из характеристики холостого хода при  
(см. рис. 4); – потери в обмотке статора асинхронной машины.

 

При соединении обмоток статора звездой

.          

При соединении обмоток статора треугольником

,

где – электрические потери в обмотке ротора.

Для двигательного режима

,

,

где – потери в стали, которые находят путем разделения потерь (рис. 5);

– добавочные потери. Для асинхронных двигателей в соответствии с ГОСТ 183–55 их принимают условно;

.

Коэффициент полезного действия двигателя

 

 

M – момент на валу двигателя, кг×м:

.           

Коэффициент мощности

.

Вид рабочих характеристик представлен на рис. 7.

	cosj1 h

M 2

M 2

P ном ном

P 2, кВт

Pном

Рис. 7. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
(3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

 Построение круговой диаграммы

При расчетах и построении круговой диаграммы берут фазные значения токов и напряжений. В данной работе производится построение упрощенной круговой диаграммы.

При построении предполагается, что от холостого хода до короткого замыкания на зажимах статора сохраняется номинальное напряжение. Однако опыт короткого замыкания производится при пониженном напряжении, и поэтому результаты измерений должны быть пересчитаны на номинальное напряжение.

Выполняя пересчет тока короткого замыкания, вводят поправку на насыщение машины при номинальном напряжении.

U к

U н

I к = I н

I к

I n

I к

О

В

А

С

Б

Рис. 8. Характеристика короткого замыкания

На рис. 8 построена кривая . Предполагается, что, начиная с точки А, соответствующей току короткого замыкания  при наибольшем напряжении, этот ток растет с увеличением напряжения по прямой линии. Поэтому через точку А проводят касательную к кривой  до пересечения с осью абсцисс. Тогда (из подобных треугольников)

.

Мощность короткого замыкания также следует рассчитывать на ток , соответствующий номинальному напряжению:

. 

Для построения круговой диаграммы требуются следующие величины:

1) ток холостого хода  и потери , которые находят по кривым холостого хода для номинального напряжения ;

2) ток короткого замыкания  и мощность , полученные по опыту короткого замыкания;

3) сопротивление одной фазы статора , приведенное к ;

4) активное сопротивление короткого замыкания , которое находят из опыта короткого замыкания.

В целях удобства построения диаграммы выбирают масштаб для тока .

Размер листа миллиметровой бумаги по длине должен соответствовать масштабу .

Масштаб мощности по диаграмме при выбранном масштабе тока будет .

Все значения токов и мощности откладывают на диаграмме в соответствии с принятыми масштабами. Построение диаграммы показано на рис. 9.

Построение точек холостого хода,
 короткого замыкания и центра окружности

Для номинального напряжения находят по кривой  ток . Его составляющие  и откладывают на рис. 9.

Так получают точку холостого хода О, лежащую на окружности. Через точку О параллельно оси ОЕ проводят линию ОА. Точку короткого замыкания  находят по составляющим тока короткого замыкания , , которые вычисляются на основании результатов опыта короткого замыкания, причем

.

Соединив точки О и , получают хорду окружности .

 

 

Перпендикуляр, восстановленный в середине хорды , пересечет линию ОА в точке , которая будет центром искомой окружности.

Построение линий , ,  и момента

На диаграмме отрезок  делят в отношении  и :

,

где – активное сопротивление короткого замыкания, равное сумме  и ; его находят из опыта короткого замыкания.

При соединении обмоток статора в звезду

.

Сопротивление  определяется измерением по методу амперметра и вольтметра. Линия ОВ, проведенная через точку , будет линией электромагнитной мощности | | и моментов | |; линия – линией полезной мощности | | при ; линия – линией подведенной мощности | |.

Если из точки  радиусом , равным , сделать засечку на окружности и из точки D опустить перпендикуляр на ось , то

; ; .

Определение скольжения

Скольжение находят следующим образом. Любую точку кривой Т круговой диаграммы соединяют с точками В, где ();
О, где (); , где (). Параллельно прямой ТВ проводят шкалу скольжения . Точка пересечения шкалы скольжения с прямой ОТ соответствует скольжению . Точка  пересечения прямой ТС со шкалой скольжения соответствует скольжению . Точка  пересечения прямой DT со шкалой скольжения  дает значение скольжения , соответствующее заданному току I:

.

 Определение коэффициента мощности

Коэффициент мощности

,

где – радиус окружности, равный 100 мм.

Вращающийся момент находят по электромагнитной мощности: