Данные методические указания предназначены для студентов

Негосударственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московский институт энергобезопасности и энергосбережения
Кафедра
Электротехника и Электроника
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Методические указания,
лабораторные работы
для студентов заочной формы
обучения по специальности 140211
«Электроснабжение»
Учебно-методический комплекс
Часть 3
Москва 2008
Электромеханика. Методические указания, лабораторные работы
для студентов заочного обучения. - М.: МИЭЭ, 2007, 43 с.
Данные методические указания предназначены для студентов
заочного отделения специальности «Электроэнергетика», изучающих дисциплину «Электромеханика». Целью данной работы является оказание помощи студентам при выполнении лабораторных
работ по отдельным разделам дисциплины.
В указаниях приведены методики проведения лабораторных
работ, краткие теоретические сведения по разделам дисциплины,
расчетные формулы, векторные диаграммы и экспериментальные
схемы лабораторного стенда. Кроме того, приведены указания по
безопасному проведению лабораторных работ.
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании
кафедры Электротехники и электроники МИИЭ 12 марта 2007 г.
Автор: к.т.н., доцент Котеленец Н.Ф.
Вычитка и корректура автора.
Формат 60×90 1/16. Тираж ….
Отпечатано в типографии
производственно-торговой фирмы
Московского института энергобезопасности и энергосбережения.
105043, Москва, ул. 4-я Парковая, д. 27,
тел. 965-3790, 652-2412, факс 965-3846.
www.mieen.ru, e-mail: [email protected]
©МИЭЭ, 2008
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Целью лабораторного практикума по электромеханике является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях
и результате самостоятельной работы, а также приобретение навыков в исследовании электрических машин и трансформаторов.
Настоящий лабораторный практикум включает четыре лабораторный работы:
1. Опытное определение параметров схемы замещения
трансформатора.
2. Исследование несимметричной нагрузки трансформатора.
3. Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора.
4. Исследование генератора постоянного тока.
Выполнение каждой лабораторной работы включает в себя
следующие этапы:
а) самостоятельная подготовка к работе (знакомство с описанием работы, ее программой, порядком выполнения и подготовкой ответов на все контрольные вопросы, приведенные в описании
лабораторной работы);
б) выполнение экспериментальной части работы (сборка
схемы для проведения опыта, обязательная проверка собранной
схемы преподавателям во избежание выхода из строя экспериментального стенда, проведение самого опыта с занесением его
результатов в журнал лабораторных работ); результаты эксперимента предъявляются преподавателю и подписываются им;
в) обработка опытных данных ― проведение необходимых
расчетов по результатам эксперимента, построение векторных диаграмм и характеристик (проводится в журнале лабораторных работ);
г) защита лабораторной работы ― принимается преподавателем в объеме контрольных вопросов после выполнения предыдущих этапов.
3
Внимание!
Приборы и установки, используемые в лабораторных
работах, подключены к сети 380 вольт. При подаче питания на
стенд на его лицевой панели загорается красная лампа.
Перед проведением лабораторной работы каждый
студент обязан пройти инструктаж по технике безопасности.
Помните, что нарушение правил техники безопасности приводит к утрате здоровья и гибели людей.
Студенты, нарушившие правила техники безопасности удаляются из лаборатории.
4
Введение
Исследование трансформаторов проводится на базе сухих
однофазных трансформаторов с расщепленной фазой (имеют две
одинаковые обмотки НН) типа ОСМ1-016У3 мощностью 0,16 кВА,
UВН = 220 В, UНН = 29 В, IВН = 0,8 А, IНН = 2x2,75 А. На стенде
смонтировано три таких трансформатора, что позволяет проводить
исследование как однофазных, так и трехфазных схем.
Сердечник трансформатора Ш-образный ленточный. Обмотки ВН имеют маркировку A-X, B-Y, C-Z; а обмотки НН ― a1-x1,
a2-x2, b1-y1, b2-y2, c1-z1, c2-z2, соответственно. Обмотки ВН и НН расположены на среднем стержне сердечника.
Для измерения напряжений, токов и мощностей на лабораторном стенде установлены цифровой мультиметр марки UPM305
и тестер марки М838.
Исследование асинхронных двигателей проводится на базе
серийного трехфазного 4-полюсного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора типа 4А56В4У3 с высотой оси
вращения 56 мм. Номинальная мощность двигателя Рн = 180 Вт,
напряжение Uн = 220/380 В, номинальный ток Iн = 1,15/0,66 А, номинальная скорость nн = 1370 об/мин, ηн = 64%, cosφн = 0,64.
Для измерения броска тока при прямом пуске асинхронного
двигателя предусмотрен амперметр переменного тока; мультиметр
в этой работе служит для измерения токов, напряжений и мощностей в цепи статора двигателя при снятии рабочих характеристик.
Для контроля тока и напряжения нагрузочного генератора постоянного тока предназначены установленные на стенде вольтметр и
амперметр постоянного тока.
Исследование генераторов постоянного тока проводится
на базе 2 полюсного генератора малой мощности марки ПЛ-072.
Номинальная мощность Рн = 180 Вт, номинальное напряжение Uн =
220В, ηн = 63%, номинальная скорость nн = 1500 об/мин. Возбуждение независимое.
5
Лабораторная работа №1
Опытное определение параметров схемы замещения
трансформатора
Краткие теоретические сведения
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство для преобразования электрической энергии (мощности) одного уровня напряжения и тока в электрическую энергию
(мощность) другого уровня напряжения и тока.
Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом М.Фарадеем в 1831 году, согласно которому любое изменение потокосцепление контура (катушки) вызывает появление в ней ЭДС, пропорциональной скорости изменения потокосцепления.
Математическое выражение этого закона имеет вид
e = dψ/dt,
(1.1)
где ψ – потокосцепление обмотки, Вб; t – время, с; e – наводимая в обмотке ЭДС, В.
Эта ЭДС направлена так, что вызванный ею ток препятствует изменению потокосцепления (правило Ленца). Поэтому уравнение (1.1) записывается в виде
e = – dψ/dt.
(1.2)
При синусоидальном изменении потокосцепления во времени уравнение (1.1) может быть записано в действующих значениях в виде
E = 4,44fФmax w,
(1.3)
где E – действующее значение ЭДС, В; f – частота сети, Гц;
Фmax – максимальное (амплитудное) значение потока, Вб; w – число
витков обмотки, с которой сцеплен поток Фmax.
Если первичную обмотку трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением u1 , по обмотке потечет ток i10 .
Магнитодвижущая сила обмотки F1  i10 w1 создает поток Ф1, который наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e . Все
названные величины изменяются во времени синусоидально. Перечисленную последовательность физических явлений можно изобразить так:
u1  i10  F1  1  1  e.
6
Полный поток Ф1, созданный первичной обмоткой, делится
на две принципиально различные части
1  12  1 ,
где 12 — поток взаимной индукции, замыкающийся по
сердечнику и сцепленный с контуром вторичной обмотки; 1 —
поток рассеяния первичной обмотки, сцепленный только с ее витками и замыкающийся по воздуху; 1 является потоком самоиндукции.
Магнитное сопротивление воздушных участков намного
больше сопротивления сердечника, поэтому 12  1 . Соответствующее соотношение получается, поэтому и между индуктивными сопротивлениями обмотки
х12 >> х1σ.
Когда по вторичной обмотке трансформатора будет протекать ток, она также создаст свою МДС F2 и потоки взаимной индукции Ф21 и рассеяния Ф2σ. Поток Ф2σ обусловит индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки х2σ. В итоге уравнения
баланса напряжений для первичной и вторичной обмоток для комплексных величин будут иметь вид
U1   E1  I1 z1 ,
U 2  E2  I 2 z 2 .
(1.4)
В силовых трансформаторах ЭДС E1 и напряжение U1 практически равны не только в режиме холостого хода, но и при номинальной нагрузке. Их отношение ke = Eн/Uн = 0,98―0,99. Поэтому
можно считать, что рабочий поток Ф12 неизменен и не зависит от
величины нагрузки. Тогда из закона полного тока вытекает третье
основное уравнение, описывающее работу трансформатора - уравнение баланса МДС
I1w1+I2w2 = I10w1,
(1.5)
где I10 – ток холостого хода трансформатора.
Уравнения (1.4) и (1.5) являются основными уравнениями, описывающими работу трансформатора в установившихся режимах работы.
В трансформаторах широко применяется система относительных единиц, позволяющая получать инвариантные результаты
расчетов независимо от того, используется трансформатор в качестве повышающего или понижающего. В качестве независимых ба-
7
зисных единиц принимаются номинальное фазное напряжение и
номинальный фазный ток первичной обмотки трансформатора –
Uбаз = Uн.ф, Iбаз = Iн.ф. В качестве производной (зависимой) базисной
величины принимается сопротивление первичной обмотки трансформатора – zбаз = xбаз = rбаз = Uбаз/Iбаз = Uн.ф/Iн.ф .
Программа работы
Экспериментальная часть
1. Выполнить опыт холостого хода.
2. Выполнить опыт короткого замыкания.
Обработка опытных данных
1. По данным опыта холостого хода рассчитать коэффициент трансформации, построить характеристики холостого хода,
*
*
рассчитать параметры z*
12 , x12 и r12 Г-образной схемы замещения
трансформатора, ток i10н (%) и коэффициент мощности холостого
хода.
2. По данным опыта короткого замыкания построить характеристики короткого замыкания, рассчитать параметры z*к , x*к и
r *к Г-образной схемы замещения трансформатора, номинальное
напряжение короткого замыкания uк.н (%) и коэффициент мощности
короткого замыкания.
3. Нарисовать Г-образную схему замещения трансформатора и проставить на ней полученные значения сопротивлений.
Пояснения и указания к работе
Экспериментальная часть
1. Опыт холостого хода проводится с целью определения
тока и потерь холостого хода, а также соответствующих параметров схемы замещения трансформатора. Номинальным током холостого хода I0н (А) называется установившийся ток в одной из обмоток трансформатора при приложении к ней номинального синусоидального напряжения при разомкнутых остальных обмотках. Ток
холостого хода i0н принято выражать в процентах от номинального
8
тока этой обмотки. Потери в трансформаторе, возникающие при
этом, называются номинальными потерями холостого хода P0н (Вт).
Опыт холостого хода проводится по схеме, представленной
на рис.1.1, где В – трехфазный выключатель, с помощью которого
подается напряжение на собранную схему; ЛАТР1 – лабораторный
трехфазный автотрансформатор, с помощью которого регулируется
напряжение, подаваемое на обмотки трансформатора; Т – испытуемый однофазный трансформатор; М1 – цифровой мультиметр; М2
– тестер.
380
B
M2
A B C N
4
A B C N
T
A
a1
x1
a2
3
2
X
x2
1
M1
5
6
ATP1
A B C N
A B C N
Рис.1.1. Схема опыта холостого хода
Перед включением стенда следует убедиться, что ручка
автотрансформатора ЛАТР1 установлена в нулевое положение, а
выключатель В находится в положении «откл» (off). После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему. С помощью трехфазного автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают на обмотке ВН
(обмотка A-X) однофазного трансформатора Т напряжение 240 В.
Контроль величины напряжения осуществляют с помощью мультиметра М1 (см. табл. 1.1). Им же после установления напряжения измеряют мощность Р10н (Вт) и ток I10н (А). С помощью тестера М2 измеряют напряжение U20 = UНН обмотки НН (параллельно соединенные
обмотки a1-x1 и a2-x2). Повторяют опыт при напряжениях 220 (номинальное), 200 и 180 В.
Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.
9
Таблица 1.1.
ПОКАЗАНИЯ МУЛЬТИМЕТРА
Измеряемая величина
Обозначение
Напряжение фазы А
U1
Напряжение фазы В
U2
Напряжение фазы С
U3
Напряжение линейное А-В
U12
Напряжение линейное В-С
U23
Напряжение линейное А-С
U31
Ток фазы А
A1
Ток фазы В
A2
Ток фазы С
A3
Ток в нейтрали
An
Частота напряжения
F
Активная мощность фазы А
Р1
Активная мощность фазы В
Р2
Активная мощность фазы С
Р3
Реактивная мощность фазы А
rP1
Реактивная мощность фазы В
rP2
Реактивная мощность фазы С
rP3
Полная мощность фазы А
AP1
Полная мощность фазы В
AP2
Полная мощность фазы С
AP3
Активная мощность трех фаз
P
Реактивная мощность трех фаз
rP
Полная мощность трех фаз
AP
По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В – в положение «откл») и установить в нулевое
положение ручку автотрансформатора ЛАТР1.
2. Опыт короткого замыкания проводится с целью определения напряжения uк.н (%) и потерь Рк.н (Вт) короткого замыкания, а
также соответствующих параметров схемы замещения трансформатора. Номинальным напряжением короткого замыкания Uк.н называется напряжение, подаваемое на одну из обмоток трансформатора, при замкнутой накоротко другой обмотке; при этом по обеим
10
обмоткам трансформатора протекают номинальные токи. Напряжение короткого замыкания uк.н принято выражать в процентах от номинального напряжения.
Опыт короткого замыкания проводится по схеме, представленной на рис.1.2 (обозначения на схеме те же, что на рис.1.1).
380
B
A B C N
T
A
a1
x1
a2
3
2
X
x2
1
A B C N
4
M1
5
6
ATP1
A B C N
A B C N
Рис.1.2. Схема опыта короткого замыкания
После включения стенда выключателем В подают напряжения на собранную схему. С помощью автотрансформатора ЛАТР1
плавно увеличивают c нуля подаваемое на обмотку ВН (обмотка AX) однофазного трансформатора Т напряжение, пока вторичный
ток в параллельно соединенных накоротко замкнутых обмотках
(обмотки a1-x1, a2-x2) не достигнет номинального значения I2н = 5,5
А. Контроль напряжения U1к и тока I1к первичной обмотки и тока I2к
вторичной обмотки осуществляют с помощью мультиметра М1. Им
же измеряют потребляемую трансформатором мощность P1к. Повторяют опыт при значениях тока вторичной обмотки I2к = 0,8, 0,6 и
0,5 от исходного значения.
Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.
По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В – в положение «откл») и установить в нулевое
положение ручку автотрансформатора ЛАТР1.
11
Обработка опытных данных
1. По данным опыта холостого хода для точки номинального напряжения рассчитывают:
коэффициент трансформации k ≈ U10/U20 = UAX/Uax,
коэффициент мощности холостого хода cosφ0 = P10/(U10I10),
номинальный ток холостого хода i0н = 100 (I10 /I1н), где I1н = Iн.ВН
- номинальный ток обмотки ВН трансформатора;
сопротивления схемы замещения (в Омах)
z12 ≈ z10 = U10/I10, r12 ≈ r10 = P10/(I102), x12 ≈ x10 = z10 sinφ0,
сопротивления схемы замещения (в относительных единицах)
*
*
z*
12 = z12/zбаз , x12 = x12/zбаз, r12 = r12/zбаз.
Базисное сопротивление для первичной обмотки (ВН) рассчитывают по формуле zбаз = Uн.ВН/Iн.ВН (номинальные данные трансформатора приведены во Введении.
2. По данным опыта холостого хода строят характеристики
холостого хода: P10, I10, cosφ10 = f(U10).
3. По данным опыта короткого замыкания для точки номинального тока рассчитывают:
напряжение короткого замыкания
uк.н = 100 (U1к/U1н), %;
коэффициент мощности короткого замыкания
cosφк = P1к/(U1кI1к);
сопротивления схемы замещения в Омах
z1к = U1к/I1к, r1к = P1к/I1к2, x1к = z1к sinφк;
сопротивления схемы замещения в относительных единицах
z*к = z1к/zбаз, x*к = x1к/zбаз, r *к = r1к/zбаз,
где zбаз рассчитано в п.1, первичная обмотка ― обмотка ВН;
изменение напряжения (β = 1) и cosφ2 = 0,9 в относительных
единицах
∆u = (uк.аcosφ2 + uк.рsinφ2) = ( r *к cosφ2 + x*к sinφ2), о.е;
изменение напряжения при номинальной нагрузке в вольтах
∆U = U20 ∆u, В.
12
4. По данным опыта короткого замыкания строят характеристики короткого замыкания: P1к, U1к, cosφ1к = f(I1к).
5. Рисуют упрощенную Г-образную схему замещения
трансформатора, представленную на рис.1.3 и проставляют на ней
значения сопротивлений (параметров) схемы замещения и тока холостого хода в относительных единицах в виде:
z12 = …+ j…, Ом; zк = …+ j…, Ом; i10 = …, %.
Zk= rk + jxk
U
1
Z
12
=
r + jx
12
12
U
2
Рис.1.3. Упрощенная Г-образная схема замещения
трансформатора
Контрольные вопросы
1. Объясните принцип работы трансформатора. Что происходит с током первичной обмотки трансформатора при изменении
тока во вторичной обмотке?
2. Что такое коэффициент трансформации? Как определить
коэффициент трансформации расчетным и опытным путем?
3. Какие потери определяют потребляемую в режиме холостого хода активную мощность и в каких конструктивных элементах трансформатора они выделяются?
4. В опыте холостого хода первичной обмоткой являлась
обмотка ВН. Как изменятся потери и ток холостого хода, если в качестве первичной обмотки использовать обмотку НН (на обмотку
НН подается номинальное ее напряжение)?
13
5. Какие параметры схемы замещения трансформатора
определяются по результатам опыта холостого хода? Как рассчитываются значения этих параметров?
6. Какие потери определяют потребляемую в режиме короткого замыкания активную мощность и в каких конструктивных
элементах трансформатора они выделяются?
7. Что называется номинальным напряжением короткого
замыкания и в каких единицах оно выражается?
8. Из каких соображений выбирается большее или меньшее
значение напряжения короткого замыкания при проектировании
систем электроснабжения?
9. Какие параметры схемы замещения трансформатора
определяются по результатам опыта короткого замыкания? Как
рассчитываются значения этих параметров?
10. Какие данные необходимы для расчета изменения
напряжения трансформатора в функции его нагрузки?
Лабораторная работа №2
Исследование несимметричной нагрузки
трансформатора
Краткие теоретические сведения
Нагрузка трехфазного трансформатора называется несимметричной, если не равны токи фаз, если сдвиг токов по фазе во
времени не равен 120° или если наблюдается и то и другое. Это
может происходить при включении мощных однофазных потребителей энергии, в аварийных режимах однофазных и двухфазных
коротких замыканий в линии электропередачи или на зажимах
трансформатора, а также, когда сопротивления нагрузки в фазах
различны — по модулю, по фазе или по обеим этим величинам.
Анализ и расчет характеристик трансформаторов в несимметричных режимах проводится с помощью метода трехфазных
симметричных составляющих. Сущность метода состоит в том, что
любая несимметричная система трехфазных величин (токов,
напряжений и т. д.) может быть представлена в виде суммы трех
систем. Две из них симметричные трехфазные (прямая и обратная
последовательности), а третья содержит переменные, равные по ве-
14
личине и совпадающие по фазе во всех фазах трехфазной обмотки
трансформатора (нулевая последовательность).
Для симметричной составляющей прямой последовательности справедливо выражение
1
I a1   I a  aIb  a 2 I c 
3
,
(2.1)
где a  e j120 , a2  e j 240 , Ia,b,c – токи фаз.
Для симметричной составляющей обратной последовательности справедливо выражение
1
I a 2   I a  a 2 Ib  aI c  .
3
(2.2)
Для симметричной составляющей нулевой последовательности справедливо выражение
1
I0   I a  Ib  I c .
3
(2.3)
При расчете характеристик методом симметричных составляющих решаются уравнения для каждой последовательности в отдельности. В трансформаторе магнитные потоки разных последовательностей не влияют друг на друга, если не учитываются насыщение и гистерезис стали сердечника. Ясно, что для определения
симметричной составляющей любой переменной достаточно решить уравнения одной фазы трансформатора. После того как
найдены симметричные составляющие, результирующие значения
переменных определяются их геометрическим сложением .
Таким образом, метод симметричных составляющих основан на использовании принципа наложения, а он справедлив только
для линейных систем. Поэтому принимается допущение, что сердечник трансформатора имеет линейные характеристики.
Все, что говорилось о симметричных режимах, в равной мере относится к прямой и обратной последовательностям по отдельности. То есть для них одинаковы и равны параметры схемы замещения, которые соответствуют параметрам схемы замещения в
симметричном режиме работы (см. лабораторную работу №1).
Иначе обстоит дело с нулевой последовательностью. Параметры и все переменные нулевой последовательности зависят от
схемы соединения обмоток трансформатора. Возможны два принципиально различных случая: когда токи нулевой последовательно-
15
сти протекают в одной обмотке трансформатора и когда они протекают в обеих обмотках. К первому случаю относится схема соединения У/У0, ко второму — Д/У0. В первом случае токи нулевой последовательности протекают только во вторичной обмотке, так как
первичная обмотка является трехпроводной. Поэтому составляющая нулевой последовательности МДС вторичной обмотки F20 не
компенсируется МДС первичной обмотки. Это приводит к появлению больших некомпенсированных магнитных потоков нулевой
последовательности  0 , совпадающих по величине и фазе во всех
стержнях. В стержневом трансформаторе такие потоки могут замыкаться только по воздуху и металлическим частям конструкции
трансформатора. По сердечнику поток Ф0 замыкаться не может, потому что в любом контуре, замыкающемся по сердечнику, сумма
МДС от токов I0 равна нулю. Поток Ф0 индуцирует во всех фазах
обмотки высшего напряжения одинаковую ЭДС нулевой последовательности E 0 , что приводит к искажению симметрии звезды первичных и вторичных фазных напряжений и ЭДС, как показано на
рис.2.1. Из рис.2.1 видно, что симметричная тройка фазных напряжений Ua10, Ub10, Uc10 превращается в несимметричную  Ua10',
Ub10', Uc10'. На рис.2.1 ЭДС E0 численно равна отрезку 00'.
Во втором случае поток нулевой последовательности вторичной обмотки индуцирует в фазах первичной обмотки ЭДС нулевой последовательности. Поскольку эти ЭДС совпадают по величине
и фазе, то в замкнутом контуре треугольника возникнет ток нулевой
последовательности. Этот ток почти на 90° отстает по фазе от вызвавшей его ЭДС, а создаваемый им поток нулевой последовательности находится практически в противофазе с потоком вторичной
обмотки. Поэтому результирующий поток нулевой последовательности и наведенные им ЭДС в фазах обмоток будут малы, а искажение
звезды фазных напряжений и ЭДС будет незначительным.
Программа работы
Подготовка к работе
Рассчитать распределение линейных токов в первичной обмотке трансформатора при однофазной нагрузке для номинального
тока вторичной обмотки Ia = Iн = 2,75 А и занести результаты расчетов в журнал лабораторных работ.
16
Экспериментальная часть
1. Определить распределение токов в первичной обмотке
трансформатора и искажение вторичных фазных напряжений для
случая однофазной нагрузки при схеме соединения обмоток трансформатора Y/Y0.
2. Определить распределение линейных токов в первичной
обмотке трансформатора и искажение вторичных фазных напряжений для случая однофазной нагрузки при схеме соединения обмоток трансформатора D/Y0.
b1
z1
0'
0
y1
x1
a1
c1
Рис.2.1. Векторная диаграмма напряжений для случая
несимметричной нагрузки, соединенной по схеме Y0.
Обработка опытных данных
1. По данным опытов построить векторные диаграммы вторичных фазных и линейных ЭДС и определить искажение фазных
напряжений ∆Uф (В) и ∆Uф* (о.е).
17
2. Сравнить полученные значения ∆ Uф* для двух схем соединения обмоток и сделать вывод о предпочтительности применения одной из них.
Пояснения и указания к работе
Подготовка к работе
Расчет распределения линейных токов в первичной обмотке, если пренебречь током холостого хода (справедливо для силовых трансформаторов), проводится по следующим формулам.
Схема Y/Yo
Во вторичной цепи трансформатора в этом случае будут токи всех трех последовательностей. Значение тока нулевой последовательности любой фазы равно
Ia0 = Ib0 = Iс0 = ⅓Iнг,
а токи в фазах вторичной обмотки равны
Ia = Iнг, Ib = Ic = 0.
Здесь Iнг – ток нагрузки, А.
Токи нулевой последовательности в первичной обмотке
протекать не могут, так как схема Y – трехпроводная. Поэтому в
первичную обмотку трансформируются только токи прямой и обратной последовательности
IA = ⅔Iнг/k, IB = ⅓Iнг/k, IC = ⅓Iнг/k,
(2.4)
где k – коэффициент трансформации, полученный в лабораторной работе №1.
Схема D/Y0
В первичную обмотку будут трансформироваться токи всех
трех последовательностей, но токи нулевой последовательности будут
замыкаться только внутри треугольника (будут в фазных токах). В линейных токах токов нулевой последовательности, как и в предыдущем
случае, не будет, поскольку сеть осталась трехпроводной. Поэтому
линейные токи при такой схеме соединения обмоток будут равны
IA = Iнг/k, IB = Iнг/k, IC = 0.
(2.5)
Поскольку трансформаторы, установленные на лабораторном стенде, имеют мощность всего 0,16 кВА и ток холостого хода
около 20%, то расчет токов по приведенным формулам также имеет
погрешность порядка 20%.
Экспериментальная часть
Целью исследования несимметричной нагрузки трансформатора является изучение влияния токов нулевой последовательно-
18
сти на искажение симметрии фазных напряжений при различных
схемах соединения первичной обмотки.
Объектом исследования является трехфазный групповой
трансформатор, собранный из трех однофазных, описание которых
приведено во введении. В качестве первичной трехфазной обмотки
используются обмотки ВН однофазных трансформаторов, собранные по схеме Y или Д. В качестве вторичной трехфазной обмотки
используются обмотки НН однофазных трансформаторов, собранные по схеме Y0. Однофазная активная нагрузка подключается к фазе «a» трансформатора – обмотка a1-x1.
1. Схема Y/Y0. Опыт проводится по схеме, представленной
на рис.2.2, где Т – испытуемый 3-фазный групповой трансформатор, А~ – щитовой амперметр переменного тока; остальные обозначения соответствуют работе №1.
380
A
T
B
a1
X
x1
A B C N
M2
A B C N
A
B
b1
ATP1
Y
y1
A B C N
C
3
c1
Z
4
2
z1
1
B1
M1
5
6
A B C N
Рис.2.2. Соединение обмоток группового
трехфазного трансформатора по схеме Y/Y0
Перед включением стенда следует убедиться, что ручка
автотрансформатора ЛАТР1 установлена в нулевое положение,
а выключатель В находится в положении «откл» (off). После
включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа)
выключателем В подают напряжение на собранную схему. С по-
19
мощью автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают на обмотке ВН
(обмотка A-X, B-Y, C-Z) трехфазного трансформатора Т номинальное линейное напряжение 380 В. Затем с помощью встроенного
выключателя В1 к фазе «a» трансформатора подключают активную
нагрузку и, изменяя ее, устанавливают по амперметру А~ ток, близкий к номинальному (2,75 А).
Контроль величины напряжения обмотки ВН осуществляют
с помощью мультиметра М1 (см. табл. 1.1). Им же после установления номинального напряжения измеряют линейные токи первичной обмотки IА,В,С (А). С помощью тестера М2 измеряют фазные
(Uа0,в0,с0) и линейные (Uab,bc,ca) напряжения обмотки НН. Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.
По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В), установить в нулевое положение ручку автотрансформатора ЛАТР1 и отключить активную нагрузку.
2. Схема D/Y0. По сравнению с предыдущим опытом необходимо лишь изменить схему соединения обмотки ВН в соответствии с рис.2.3. После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему. С помощью автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают на обмотке ВН (обмотка A-X, B-Y, C-Z) трехфазного трансформатора Т номинальное линейное напряжение 220 В. Затем с
помощью встроенного выключателя В1 к фазе «а» трансформатора
подключают активную нагрузку и устанавливают по амперметру А~
ток, близкий к номинальному (2,75 А).
Контроль величины напряжения обмотки ВН осуществляют
с помощью мультиметра М1. Им же после установления номинального напряжения измеряют линейные токи первичной обмотки
IА,В,С (А). С помощью тестера М2 измеряют фазные (Uа0,в0,с0) и линейные (Uab,bc,ca) напряжения обмотки НН. Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.
По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В), установить в нулевое положение ручку автотрансформатора ЛАТР1 и отключить активную нагрузку.
Обработка опытных данных
1. Сравнить расчетные и экспериментальные значения токов в
первичной обмотке.
20
2. Векторные диаграммы вторичных линейных напряжений
представляют собой треугольники, построенные по имеющимся
значениям линейных напряжений с помощью циркуля. Рекомендуемый размер 100 мм на сторону треугольника линейных напряжений Uab,bc,ca (В). Тогда масштаб напряжений равен mU = 100/Uлин.
Центр звезды вторичных фазных напряжений (точка О’ на
рис.2.1) определяют графически. Для этого откладывают циркулем
в выбранном масштабе известные фазные напряжения из соответствующих вершин треугольника линейных напряжений.
380
A
T
B
a1
X
x1
A B C N
M2
A B C N
A
B
b1
ATP1
Y
y1
A B C N
C
3
c1
Z
4
2
z1
1
B1
M1
5
6
A B C N
Рис.2.3. Соединение обмоток группового
трехфазного трансформатора по схеме Д/Y0
3. Смещение нулевой точки звезды фазных напряжений
∆U2ф определяется графически как расстояние (в мм) между центром тяжести треугольника линейных напряжений (т. О) и центром
звезды фазных напряжений (т. О’), как показано на рис.2.1. Тогда

∆U2ф = OO mU , В,
где mU ― выбранный для построения векторной диаграммы
масштаб напряжений, В/мм.
Относительное значение этого смещения равно
∆ Uф* = 100(∆U2ф/ U2ф.ср), %.
Здесь U2ф.ср = ⅓(Ua0 + Ub0 + Uc0) , В.
21
Контрольные вопросы
1. Что понимается под термином «несимметричная нагрузка» трансформатора?
2. К каким неприятным последствиям для потребителей и
для трансформатора приводит несимметрия нагрузки?
3. В каких случаях при несимметричной нагрузке появляется ток нулевой последовательности?
4. Как и почему первичная обмотка трансформатора, соединенная по схеме треугольник, влияет на величину искажения фазных напряжений при несимметричной нагрузке?
5. В чем состоит метод симметричных составляющих? Для
каких систем он применим?
6. Какой должна быть схема соединения первичной обмотки, чтобы в нее трансформировался (не трансформировался) ток
нулевой последовательности из вторичной обмотки?
7. Какие магнитные системы трехфазных трансформаторов
Вы знаете? По какому пути замыкаются потоки нулевой последовательности в этих магнитных системах?
8. Применение какой трехфазной магнитной системы дает
минимальное искажение фазных напряжений?
Лабораторная работа №3
Исследование асинхронного двигателя
Краткие теоретические сведения
Обмотка статора асинхронного двигателя подключается к
сети переменного тока. Под действием напряжения сети в ней протекает переменный ток, создается МДС и вращающееся магнитное
поле. Рабочий поток взаимной индукции проходит по ярму (спинке
сердечника) и зубцам статора, через воздушный зазор, по зубцам и
ярму (спинке сердечника) ротора, замыкаясь через полюс другой
полярности (рис. 8-2). Поле при вращении пересекает проводники
обмотки ротора, цепь которой всегда замкнута. В каждом проводнике наводится ЭДС, под действием которой в проводнике возникает ток. В результате взаимодействия этого тока с вращающимся
полем статора появится тангенциальная сила, действующая на проводник.
22
Проводники обмотки ротора распределены по пазам сердечника ротора Произведение тангенциальной силы на плечо — расстояние до оси вращения — равно моменту. Суммирование моментов от
всех проводников даст результирующий электромагнитный момент,
действующий на ротор. Если электромагнитный момент больше момента сопротивления нагрузки, то ротор начнет вращаться.
Поле статора всегда вращается с постоянной скоростью n1,
не зависящей от нагрузки. Начав вращаться под действием электромагнитного момента, ротор будет «догонять» поле статора. Но
скорость вращения ротора n не может стать равной синхронной
скорости вращения поля n1. Предположим, что эти скорости стали
равны; тогда проводники ротора (и сам ротор) будут неподвижны
относительно поля статора. В этом случае ЭДС проводника станет
равной нулю, а, следовательно, нулю станут ток проводника, действующая на него сила и электромагнитный момент. Под действием момента сопротивления нагрузки ротор начнет тормозиться.
Таким образом, у асинхронного двигателя всегда n < n1, т.е.
ротор «отстает» от поля статора, вращается медленнее его. Это несинхронное вращение ротора и стало причиной происхождения
названия «асинхронный» двигатель. Скорость относительного
скольжения ротора и поля статора равна nск = n1 — n. На практике
обычно используется ее относительная величина, называемая
скольжением
s = nск/n1 = (n1 —n)/n1.
(3.1)
Отметим некоторые характерные значения скольжения. При
пуске асинхронного двигателя в первый момент после включения в
сеть ротор еще неподвижен, n = 0, s = 1. При холостом ходе, т.е.
работе без нагрузки на валу, скорость ротора n весьма близка к n1 ,
но не равна ей, т.е. s ≈ 0. Работе с номинальным моментом нагрузки
соответствует номинальное скольжение sном = 0,02 —0,05.
Частота ЭДС в обмотке ротора f2. определяется скоростью
nск и равна
f2 = p nск/60 = sf1,
(3.2)
где f1 – частота токов в статоре, Гц.
Таким образом, поле статора наводит в роторе ЭДС переменной частоты f2, которую называют частотой скольжения. Преобразование частоты — одно из полезных свойств асинхронной машины,
23
используемое на практике. При пуске асинхронного двигателя частота в роторе наибольшая, так как при n = 0, s = 1 и f2 = f1.
При холостом ходе двигатель преодолевает только незначительный момент трения в подшипниках, момент сопротивления
собственного вентилятора, находящегося на валу двигателя, щеток
о контактные кольца у двигателя с фазным ротором, и трения поверхности ротора о воздух. В сумме этот момент называется моментом холостого хода. По принципу действия электромагнитный
момент M в асинхронном двигателе создается за счет взаимодействия вращающегося поля с током ротора. Следовательно, M ~ ФI2.
Рабочий магнитный поток в асинхронном двигателе, как и в
трансформаторе, определяется приложенным напряжением, он
практически одинаков при любой нагрузке. Для преодоления момента холостого хода нужен маленький ток в роторе. Токи ротора и
статора связаны между собой таким же соотношением, как в трансформаторе. Поэтому при холостом ходе ток в каждой фазе обмотки
статора I10 тоже мал, он содержит намагничивающую (реактивную)
составляющую и небольшую активную, обусловленную потерями
холостого хода. С увеличением момента нагрузки на валу асинхронного двигателя скорость вращения ротора снижается, а скольжение растет. При переходе от холостого хода к режиму номинальной нагрузки у серийных асинхронных двигателей это снижение
скорости невелико. Одновременно с возрастанием скольжения увеличиваются ЭДС и ток в роторе, а также развиваемый двигателем
электромагнитный момент.
Физический смысл приведения обмотки ротора к статору
такой же, как в трансформаторе. При этом также выравнивают количества витков и обмоточные коэффициенты статора и ротора, а
инвариантами остаются МДС, мощности и потери в роторе. Из этого следует, что приведенная ЭДС в фазе обмотки ротора E2' равна
ЭДС фазы статора E1.
После приведения роторные величины стали иметь те же
порядки, что и статорные. Замена вращающегося ротора на эквивалентный неподвижный выровняла их частоты, они равны частоте
сети. Теперь можно описать асинхронную машину единой системой комплексных уравнений. Основные уравнения асинхронной
машины с короткозамкнутым ротором после приведения имеют вид
24
I  I  I ,
1 2 10
U   E  I Z   E  I ( r  jx ),
1
1 1 1
1 1 1
1

 r
E   I  Z   I   2  jx  .
2
2 s
2 2
2


(3.3)
Поскольку основные уравнения асинхронной машины (3.3)
и трансформатора – (1.4), (1.5) подобны, то аналогичными оказываются и их схемы замещения. Различие состоит в том, что в двигателе помимо магнитных и электрических потерь существуют механические потери (учитываются в сопротивлении r12), а его вторичная обмотка ― обмотка ротора ― замкнута накоротко (в схеме замещения двигателя вместо сопротивления нагрузки стоит сопротивление r2'(1 ― s)/s, потери в котором численно равны его механической мощности.
Физический процесс возбуждения асинхронного двигателя,
т.е. образования в нем магнитного поля, не отличается от процесса
в трансформаторе и тоже требует реактивного намагничивающего
тока. Асинхронный двигатель забирает реактивную мощность из
сети для создания, как рабочего магнитного потока, так и потоков
рассеяния. Она равна
Q1 = m1U1I1 sinφ1.
(3.4)
Кстати, подчеркнутое произведение полного тока статора
на sinφ1 как раз и является реактивной составляющей этого тока. А
намагничивающим током машины называется геометрическая сумма (т.е. арифметическая разность) реактивных составляющих токов
статора и ротора. Из-за наличия воздушного зазора между статором
и ротором намагничивающий ток в асинхронном двигателе значительно больше, чем в трансформаторе. По этой причине у асинхронных двигателей с бóльшим числом полюсов более низкий cosφ,
т.к. рабочий поток в машине пересекает воздушный зазор 2p раз.
КПД и cosφ асинхронного двигателя называются его энергетическими показателями. Они решающим образом влияют на количество электроэнергии, которую двигатель потребляет за время
эксплуатации. Поэтому энергетические показатели определяют
экономичность и потребительский уровень качества асинхронных
двигателей. Даже незначительное повышение энергетических показателей может дать существенный экономический эффект потому,
25
что они потребляют около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Этим объясняется большое внимание, уделяемое сейчас различным методам компенсации реактивной мощности в асинхронных двигателях и созданию высокоэффективных машин с повышенным КПД.
Программа работы
Экспериментальная часть
1. Осуществить пуск АД при пониженном напряжении.
2. Снять рабочие характеристики АД.
Обработка опытных данных
1. Определить кратность пускового тока при прямом пуске.
2. Построить рабочие характеристики АД и определить номинальные значения КПД и cosφ.
Пояснения и указания к работе
Экспериментальная часть
1. Пуск АД при пониженном напряжении проводится с целью определения кратности пускового тока и его соответствия требованиям стандарта. В соответствии с ГОСТ Р51689-2000 и ГОСТ
19523-81 кратность пускового тока для испытуемого двигателя ki =
Iп/Iном ≤ 5.
Опыт проводится по схеме, представленной на рис. 3.1.
Здесь АД – испытуемый асинхронный двигатель типа 4А56В4У3,
обмотка статора которого соединена по схеме Y (соответствует номинальному напряжению 380 В); ГПТ – нагрузочный генератор
постоянного тока типа ПЛ-072 с независимым возбуждением (ОВ
ГПТ – его обмотка возбуждения); В – трехфазный выключатель, с
помощью которого подается напряжение на собранную схему; А –
амперметр переменного тока (с его помощью измеряется пусковой
ток двигателя).
Перед включением стенда следует убедиться, что ручки
автотрансформаторов ЛАТР1 и ЛАТР2 установлены в нулевое
положение, выключатель В находится в положении «откл»
(off), а выключатель В1 – в положении «стоп».
26
380
M2
B
A B C N
A B C N
A B C N
A
A B C N
B1
Рис.3.1. Схема пуска АД при пониженном напряжении
После включения стенда (на лицевой панели загорается
красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную
схему. Автотрансформатором ЛАТР1 увеличивают линейное
напряжение до 200―220 В, контролируя напряжение на его выходе
тестером М2. Выключателем В1 подают напряжение на асинхронный двигатель и по амперметру А определяют бросок пускового
тока. Значения напряжения и пускового тока заносят в журнал. После разгона двигателя отключают его от сети (выключатель В1 – в
положение «стоп»), ручку автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают в нулевое положение и выключателем В обесточивают схему.
2. Снятие рабочих характеристик двигателя проводится с
целью подтверждения его энергетических показателей (КПД и
cosφ). В соответствии с ГОСТ 19523-81 для испытуемого двигателя
эти показатели равны : η = 64%, cosφ = 0,64.
Снятие рабочих характеристик проводят по схеме, представленной на рис. 3.2. Здесь АД – испытуемый асинхронный двигатель, ЛАТР2 –автотрансформатор со встроенным выпрямителем,
вход которого жестко соединен с выходом выключателя В; М1 –
цифровой мультиметр; М2 – тестер. Регулирование нагрузки осуществляют изменением тока возбуждения ГПТ с помощью автотрансформатора ЛАТР2. При этом изменяется ток якоря ГПТ и
развиваемый им тормозной момент.
27
После включения стенда (на лицевой панели загорается
красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную
схему, выключателем В1 подключают АД к автотрансформатору
ЛАТР1 и плавно увеличивают напряжение на его выходе, что приводит к запуску двигателя. Продолжают увеличивать напряжение
до номинального значения (380 В), контролируя его значение мультиметром М1 (показания U12, U23, U13). Во время снятия рабочих
характеристик поддерживают номинальное значение напряжения.
380
B
M2
A B C N
A B C N
3
4
2
1
M1
A B C N
5
6
A BC N
+
A B C N
B1
_
0 - 220B
OB
V
A
Рис.3.2. Схема для снятия рабочих характеристик АД
По окончании разгона двигателя измеряют ручным тахометром его скорость (n, об/мин). Мультиметром М1 измеряют линейные токи (А1, А2, А3) и потребляемую двигателем активную
мощность (Р). Полученные данные заносят в журнал лабораторных
работ.
28
Затем увеличивают напряжение на обмотке возбуждения
ГПТ и заносят в журнал новые значения скорости, токов и потребляемой активной мощности. Опыт повторяют несколько раз, пока
скорость двигателя не уменьшится до 1350 об/мин.
После окончания опыта двигатель отключают от сети
(выключатель В1 – в положение «стоп»), выключателем В
обесточивают схему и устанавливают в нулевое положение
ручки автотрансформаторов ЛАТР1 и ЛАТР2.
Обработка опытных данных
1. Кратность пускового тока определяют по формуле
ki = (Iп/Iном) (Uном/Uп ),
где Iп, Uп – пусковой ток и напряжение опыта, соответственно; Iном = 0,66 А, Uном = 380 В  номинальные ток и напряжение двигателя (см. раздел Введение).
Сравнивают полученную кратность пускового тока ki с
нормированным значением, равным 5,5.
2. Под рабочими характеристиками АД понимаются зависимости I1, M, n, P1, η, cosφ = f(P2) при U1 = Uном = const.
По результатам опыта рассчитывают:
среднее значение тока статора I1ср= ⅓(I1 + I2 + I3),
механический момент М (кг.см) – по известной из опыта
скорости n и номограмме, приведенной на рис.3.3;
механическую мощность P2 = 1,028 Mn.10-2, Вт;
коэффициент полезного действия η = 100(P2/P1), %;
коэффициент мощности cosφ = P1/( 3 U1I1ср), о.е.
Результаты расчетов заносят в журнал лабораторных работ
и строят рабочие характеристики. Затем откладывают на оси абсцисс мощность Р2 = 180 Вт (соответствует Рном) и определяют соответствующие ей значения номинального коэффициента мощности
(cosφн) и КПД (ηн).
Сравнивают полученные энергетические показатели с их
нормированными значениями, приведенными во Введении.
29
1480
1460
1440
n, об/мин
1420
1400
1380
1360
1340
1320
1300
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
M, кг.см
Рис. 3.3. Номограмма зависимости M = f(n)
Контрольные вопросы
1. Какие основные типы конструкций АД Вы знаете? Каково
назначение основных элементов конструкции АД?
2. Как работает АД? Почему он называется асинхронным?
3. Что означают два значения напряжения, указанные в паспорте АД?
4. Назовите способы пуска АД с короткозамкнутой обмоткой
ротора. В чем основные преимущества и недостатки этих способов?
5. В каких случаях необходимо применять пуск при пониженном напряжении? При каких условиях можно применять пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник?
6. Почему увеличивается скольжение АД при увеличении его
нагрузки?
7. Объясните характер изменения энергетических показателей
АД (КПД и коэффициент мощности), полученные в работе.
8. Какие потери мощности (энергии) возникают при работе АД,
и в каких элементах конструкции они выделяются?
9. Как рассчитывают потери в короткозамкнутой обмотке ротора?
30
Лабораторная работа №4
Исследование генератора постоянного тока
Введение
Привод генератора осуществляется от двигателя постоянного тока, представляющего такую же 2 полюсную машину постоянного тока малой мощности марки ПЛ-072 с номинальной мощностью 180 Вт (номинальное напряжение 220В, номинальный ток Iн =
1,3 А, номинальная скорость nн = 1500 об/мин. Возбуждение генератора можно сделать как независимым, так и параллельным.
Краткие теоретические сведения
В настоящее время наиболее широкое применение имеют машины постоянного тока с механическим коммутатором — коллектором.
Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации
в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока
(МПТ) является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.
МПТ можно рассматривать как обращенную синхронную
машину, т.е. как машину, на статоре которой расположена часть
постоянного тока (индуктор), а на роторе - часть переменного тока
(якорь). На неподвижной части машины (статоре) размещаются
полюса с обмотками возбуждения. Эти обмотки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по ним постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.).
Поток Ф, создаваемый обмотками возбуждения, неизменен во времени. Так же как в синхронных машинах индуктор имеет две
оси симметрии: продольную ось d и поперечную ось q.
На вращающейся части машины располагается обмотка
якоря, в которой индуктируется основная ЭДС. Принципиальным отличием якорных обмоток машин постоянного тока является то, что они замкнуты сами на себя. То есть конец последнего витка обмотки соединен с началом первого и, таким образом,
обмотка не имеет ни начала, ни конца. Обмотка якоря имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. От обмотки якоря выполняются ответвления к пласти-
31
нам коллектора, который располагается на валу якоря и представляет собой полый цилиндр, состоящий из электрически изолированных между собой медных пластин. Число коллекторных пластин
равно числу секций обмотки якоря.
Если машина работает в режиме генератора, то переменная
ЭДС обмотки выпрямляется с помощью коллектора, т.е. коллектор является выпрямителем. Если машина работает в режиме двигателя, то
к щеткам подводится постоянный ток. Коллектор в этом случае
преобразует постоянный ток внешней сети в переменный ток,
протекающий по обмотке якоря, т.е. является инвертором.
С коллектором соприкасаются неподвижные щетки, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Щетки
делят обмотку якоря на параллельные ветви. Поэтому ЭДС между
щетками разной полярности равна ЭДС параллельной ветви обмотки
якоря, т.е. сумме ЭДС секций, находящихся в параллельной ветви. Поэтому для получения максимальной ЭДС на выводах машины щетки
устанавливают на поперечной оси q (на геометрической нейтрали).
Поскольку число нейтралей равно числу пар полюсов, то число
мест установки щеток равно числу полюсов. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть.
Пусть i-й проводник обмотки якоря (всего в обмотке якоря N
последовательно соединенных проводников) имеет активную длину l
и вращается в магнитном поле с окружной скоростью va. Тогда
наводимая в нем ЭДС будет равна
ei = Bilva,
г д е Bi — магнитная индукция в точке нахождения i-го проводника обмотки.
ЭДС машины можно записать в виде
E = pN/(2πa) ωФ или E = cωФ ,
(4.1)
где C = pN/(2πa) — коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины, ω — частота вращения якоря, рад/с;
Da — диаметр якоря, м;  = Da/(2р) — полюсное деление, м; 2p число полюсов машины.
При нагрузке машины по проводникам обмотки якоря протекает ток параллельной ветви Ia = I/(2a), где I — сетевой ток машины.
При взаимодействии тока Ia с магнитным полем возникает электромагнитная сила. При установке щеток на поперечной оси на все N
32
проводников обмотки якоря эти силы будут действовать в одну сторону. Тогда сила, действующая на i-й проводник, и развиваемый ей
момент будут равны
f i = B iI al  , mi = ½ f i Da .
Так как длина l  всех проводников одинакова и через
них протекает один и тот же ток Ia, то электромагнитный момент,
развиваемый машиной, будет равен
M = (pN / 2a) IaФ = c IaФ = c' IФ,
(4.2)
где c = pN/2a, c' = pN/ - коэффициенты, определяемые конструктивными данными машины.
При нагрузке машины по обмотке якоря будет протекать
ток Ia. Этот ток создает свое магнитное поле, которое, накладываясь на поле возбуждения, образует результирующий магнитный поток.
Воздействие поля якоря на поле машины носит название реакции
я к о р я . Х ар а к те р реакции якоря в МПТ зависит от места установки щеток, так как оно определяет распределение тока по проводникам
обмотки якоря и созданного им магнитного поля якоря. При щетках,
расположенных на геометрической нейтрали, ток якоря Iа создает
магнитное поле, ось которого совпадает с геометрической нейтралью
(поперечной осью). В результате действия поперечного поля якоря
происходит искажение магнитного поля. Под одним краем полюса поле усиливается, а под другим ослабляется. Такую реакцию якоря
называют поперечной.
Влияние реакции якоря на работу МПТ состоит в следующем.
1. При нагрузке машины под влиянием поперечной реакции якоря происходит искажение магнитного поля. Под одним
краем полюса оно ослабляется, а под другим - усиливается. При
работе машины в генераторном режиме ослабление поля происходит на набегающем крае полюса, а его усиление — на сбегающем. В двигательном режиме картина будет обратной.
2. Точки, в которых кривая результирующего поля проходит через ноль, смещаются с геометрической нейтрали. Эти точки определяют положение так называемой физической нейтрали.
По отношению к геометрической нейтрали физическая нейтраль
смещается в сторону вращения якоря (при работе в режиме генератора) и против вращения якоря (при работе в режиме двигате-
33
ля). Так как индукция Bqx зависит от тока якоря, то положение
физической нейтрали меняется с изменением нагрузки. При холостом ходе физическая и геометрическая нейтрали совпадают.
3. В машине с ненасыщенной магнитной цепью поток сохраняет то же значение, что и при холостом ходе, поскольку
ослабление магнитного поля под одной половиной полюса компенсируется усилением магнитного поля под другой половиной
полюса.
4. В машине с насыщенной магнитной цепью из-за насыщения одного края полюсного наконечника магнитный поток при нагрузке
оказывается меньше потока при холостом ходе. Поэтому считается,
что поперечная реакция якоря в машине с насыщенной магнитной
цепью оказывает размагничивающее действие, тем большее, чем
больше ток якоря. Помимо указанных факторов реакция якоря влияет
и на искрение машины.
Генераторы постоянного тока (ГПТ) являются источниками
постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в энергию электрическую. Классификация ГПТ
производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на
генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы первого типа выполняются с электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным
возбуждением обмотка возбуждения, расположенная на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания. Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, которые устанавливаются на его полюсах. У
ГПТ с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание
от обмотки якоря. В зависимости от схемы включения этих обмоток генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
У генераторов смешанного возбуждения на полюсах размещаются две обмотки. Одна из них, имеющая большое число
витков и выполненная из проводников относительно небольшого
сечения, включается параллельно с обмоткой якоря, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения последовательно с ней. У этих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены как согласно, так и встречно
34
друг с другом. В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного
включения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой.
У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от обмотки якоря. Поэтому при вращении ротора ЭДС
в обмотке якоря наводиться не будет. Для ее появления в машине
должен сохраняться остаточный магнитный поток Фост, для чего
она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания
тока через обмотку возбуждения от постороннего источника.
Процесс самовозбуждения протекает следующим образом.
Остаточный магнитный поток наводит в обмотке вращающегося якоря
остаточную ЭДС Eост, которая составляет 1 — 3 % номинального
напряжения машины. Так как обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря, то Eост создает в ней небольшой ток возбуждения, который создает начальный поток возбуждения. В зависимости от
направления этого потока возможны два варианта развития процесса самовозбуждения: если поток возбуждения направлен
встречно с остаточным потоком, то результирующий поток
уменьшается, и машина не возбуждается. Если поток возбуждения
направлен согласно с остаточным потоком, то результирующий
поток увеличивается, что приводит к увеличению ЭДС. Увеличение ЭДС вызывает увеличение тока возбуждения и результирующего потока и т.д.
При некотором “критическом” сопротивлении цепи возбуждения Rв.кр еще возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления цепи возбуждения самовозбуждения
происходить не будет. Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих условий:
1. В машине должен существовать остаточный магнитный поток.
2. Поток возбуждения должен быть направлен согласно с
остаточным потоком.
3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть
меньше критического.
Рабочие свойства электрических машин определяются их
характеристиками. Для ГПТ основными характеристиками являются: характеристика холостого хода, нагрузочная, внешняя и регу-
35
лировочная. Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря.
Характеристика холостого хода ГПТ - E = f(Iв) при ω =
const.
Внешняя характеристика ― U = f(I) при ω = const и Iв =
const (для генератора с независимым возбуждением) или при rв =
const (для генераторов с самовозбуждением).
Регулировочная характеристика ― Iв = f(I) при ω = const и
U = Uном.
Способы и условия пуска ДПТ. При пуске двигателя
наводимая в обмотке якоря ЭДС равна нулю, а ток равен
Iaп = U/ Ra .
(4.3)
Поскольку сопротивление цепи якоря Ra невелико, то
при прямом пуске с номинальным напряжением (U = Uном) ток
якоря в 10 — 50 раз будет превышать свое номинальное значение.
Такой ток недопустим ни для щеток (из-за чрезмерных плотностей
тока и сильного искрения под ними), ни для обмоток (из-за больших
электродинамических усилий, пропорциональных квадрату тока
якоря), ни для сети (из-за больших падений напряжения в ней).
Кроме того, поскольку пропорционально росту тока возрастает
электромагнитный момент двигателя, то большой момент может
привести к поломке узла, соединяющего вал двигателя и приводимого механизма. По допустимым условиям работы коллекторнощеточного узла пусковой ток ограничен - Iaп  (2 ― 2,5) Iaном.
Поэтому прямой пуск (прямое включение в сеть) допускается
только для двигателей малой мощности с относительно большим сопротивлением цепи якоря. Для более мощных двигателей необходимо уменьшать пусковой ток до указанных выше значений. Достигнуть этого можно или снижением подводимого напряжения,
или включением последовательно с обмоткой якоря активного добавочного сопротивления (пускового реостата).
Пуск при пониженном напряжении можно осуществить, если двигатель подключен к отдельному регулируемому источнику
постоянного тока. В этом случае напряжение источника при включении двигателя плавно увеличивают, что позволяет избежать больших
толчков тока. Начальное напряжение при пуске выбирается так,
чтобы в первый момент пуска ток в цепи якоря не превышал указанных выше значений.
36
Пуск с помощью пускового реостата. Максимальное значение сопротивления пускового реостата выбирается так, чтобы в
первый момент пуска ток в цепи якоря Iaп  (2 - 2,5) Iaном. По мере
разгона двигателя растет наводимая в его обмотке ЭДС, вследствие
чего ток якоря будет уменьшаться. Поэтому по мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают, а
когда частота вращения достигнет установившегося значения — выводят полностью, поскольку пусковые реостаты по условиям охлаждения
рассчитаны на кратковременное протекание тока. Этот способ пуска
имеет наибольшее распространение.
Частоту вращения ДПТ можно регулировать тремя способами согласно уравнению для этой величины
ω = c(U ― I a R a)/Ф;
(4.4)
а именно: изменением напряжения якоря U, изменением сопротивления цепи якоря Ra, изменением потока Ф.
Регулирование частоты вращения путем изменения подводимого напряжения позволяет регулировать частоту вращения
вниз от частоты вращения, соответствующей естественной характеристике.
Регулирование частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря позволяет уменьшать частоту вращения
вплоть до нулевого значения. Однако при низких частотах вращения механические характеристики оказываются круто падающими,
что приводит к нестабильной работе двигателя.
Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока (тока возбуждения) осуществляется путем уменьшения тока возбуждения, что приводит к увеличению частоты вращения от частоты вращения, соответствующей естественной характеристике.
Программа работы
Экспериментальная часть
1. Осуществить пуск ДПТ и снять характеристики ГПТ с независимым возбуждением: характеристику холостого хода и внешнюю.
2. Осуществить пуск ДПТ и проверить условия самовозбуждения ГПТ с параллельным возбуждением.
37
Обработка опытных данных
1. Построить характеристику холостого хода и внешнюю
характеристику ГПТ с независимым возбуждением.
2. Рассчитать напряжение холостого хода ГПТ с параллельным возбуждением и сравнить его с полученным экспериментальным значением.
Пояснения и указания к работе
Экспериментальная часть
Испытуемый блок состоит из двух одинаковых машин постоянного тока, одна из которых работает в режиме двигателя, а
вторая – в режиме генератора. Паспортные данные этих машин
приведены в разделе Введение.
1. Общая схема для снятия характеристик ГПТ с независимым возбуждением приведена на рис. 4.1, где ЛАТР1―ЛАТР3 –
автотрансформаторы со встроенными выпрямителями на выходе,
входы которых жестко соединены с выходом выключателя В;
В1―В3 – выключатели на выходе этих автотрансформаторов.
380
B
B2
A
V
A
B3
V
A
B1
V
A
V
Рис.4.1. Схема для снятия характеристик ГПТ с независимым возбуждением
38
Перед включением стенда следует убедиться, что ручки
автотрансформаторов ЛАТР1, ЛАТР2 и ЛАТР3 установлены в
нулевое положение, а выключатели В, В1, В2 и В3 находятся в
положении «откл» (off).
А. Характеристика холостого хода – зависимость Е0 = f(Iв)
при I1 = 0 и n = const. Для снятия этой характеристики собирают
схему рис.4.1, не подключая нагрузку ГПТ.
Пуск ДПТ производится в следующем порядке:
- выключателем В подают напряжение на собранную схему;
- включают выключатель В3 и автотрансформатором ЛАТР3
увеличивают напряжение на обмотке возбуждения ДПТ до номинального 220 В;
- включают выключатель В1 и автотрансформатором ЛАТР1
увеличивают напряжение на обмотке якоря ДПТ, осуществляя его
плавный запуск; прекращают увеличивать напряжение, когда скорость ГПТ достигнет номинального значения 1500 об/мин (скорость контролируется ручным тахометром).
Измеряют остаточную ЭДС Еост и заносят ее в журнал лабораторных работ (соответствует Iв = 0). Далее включают выключатель В2 и автотрансформатором ЛАТР2 увеличивают ток возбуждения ГПТ, доводя ЭДС генератора до 230―240 В. Значения тока
возбуждения и ЭДС ГПТ заносят журнал. Во время опыта скорость
генератора поддерживают постоянной и равной номинальной (1500
об/мин) путем регулирования напряжения на обмотке якоря ДПТ.
После снятия характеристики холостого хода по ней определяют ток возбуждения Iв0, соответствующий номинальному
напряжению, и приступают к снятию внешней характеристики генератора.
Б. Внешняя характеристика – зависимость U1 = f(I1) при n, Iв
= const (n = nн = 1500 об/мин, Iв = Iв0).
Сначала автотрансформатором ЛАТР2 снижают напряжение возбуждения ГПТ до нуля и подключают к обмотке якоря ГПТ
регулируемое активное сопротивление (нагрузку), как показано на
рис.4.1. Величину сопротивления устанавливают максимальной путем поворота ручки регулятора против часовой стрелки до упора.
После этого автотрансформатором ЛАТР2 плавно увеличивают напряжение на обмотке возбуждения до номинального значе-
39
ния 220 В, устанавливают номинальную частоту вращения 1500
об/мин и заносят в журнал первую точку внешней характеристики
ГПТ. Затем, изменяя сопротивление нагрузки, снимают 4-5 точек
внешней характеристики. Как и в предыдущем случае, скорость генератора поддерживают номинальной (1500 об/мин) путем регулирования напряжения на обмотке якоря ДПТ.
Поскольку ДПТ и ГПТ являются одинаковыми машинами,
то во избежание перегрузки двигателя при стабилизации скорости
следует следить за тем, чтобы ток якоря двигателя не превосходил 1,1I1н = 1,4 А.
После окончания опыта ручки автотрансформаторов
ЛАТР1, ЛАТР2 и ЛАТР3 следует установить в нулевое положение, а выключатели В, В1, В2 и В3 ― в положении «откл» (off).
При отключенной схеме с помощью тестера определяют
сопротивление обмотки возбуждения rв и заносят его в журнал.
2. Общая схема для снятия характеристик ГПТ с параллельным возбуждением приведена на рис. 4.2, где Rв – регулируемый
резистор в цепи возбуждения, остальные обозначения те же, что на
рис. 4.1.
Сначала, как и в предыдущем случае, производят пуск двигателя. После установления номинальной скорости (1500 об/мин)
сопротивление резистора Rв устанавливают равным нулю, измеряют напряжение генератора U1 и заносят его в журнал. Если генератор не возбуждается, это означает, что второе условие самовозбуждения не выполняется.
В этом случае отключают стенд и изменяют полярность обмотки возбуждения. Затем повторно производят запуск двигателя и
определяют напряжение на выходе генератора при нулевом сопротивлении резистора Rв.
После окончания опыта ручки автотрансформаторов ЛАТР1,
ЛАТР2 и ЛАТР3 следует установить в нулевое положение, а
выключатели В, В1, В2 и В3 ― в положении «откл» (off).
Обработка опытных данных
1. Обработка опытной характеристики холостого хода
Характеристику холостого хода (ХХХ) снимают при независимом возбуждении ГПТ и разомкнутой обмотке якоря.
40
380
B
A
V
b
A
A
V
V
Рис.4.2. Схема для исследования ГПТ с параллельным возбуждением
Процентное значение остаточной ЭДС (%) определяют по
формуле
eост = 100Eост/Uн.
Для получения расчетной (преобразованной) ХХХ 2 опытную характеристику 1 смещают по оси абсцисс на величину ОА
(см. рис. 4.3). Кроме того, строят касательную 3 к расчетной ХХХ,
которая является спрямленной ХХХ.
По расчетной (преобразованной) ХХХ 2 определяют ток
возбуждения холостого хода Iв0, а по спрямленной ХХХ 3 ― критическое сопротивление цепи возбуждения ГПТ с параллельным
возбуждением (рис.4.3). Оно пропорционально tgα и рассчитывается по формуле
Rв.кр = Uн/(mi.ab), где mi – масштаб тока возбуждения, А/мм.
41
Е, В
3
b
Uн a
2
1
1
Еост
α
α
0
Iв0, А
Iв, А
Рис.4.3. Характеристика холостого хода:
1 – опытная ХХХ, 2 – преобразованная ХХХ, 3 - спрямленная ХХХ
2. Строят на характеристике холостого хода прямую, соответствующую сопротивлению обмотки возбуждения rв и определяют для этого случая напряжение холостого хода ГПТ с параллельным возбуждением.
3. Сравнивают расчетное и экспериментальное значение
напряжений холостого хода ГПТ с самовозбуждением.
4. Строят внешнюю характеристику ГПТ с независимым
возбуждением.
Контрольные вопросы
1. Опишите конструкцию МПТ. Каково назначение основных элементов конструкции МПТ? В чем отличие якорной обмотки
МПТ от якорной обмотки синхронной машины?
42
2. Назовите способы пуска ДПТ. В чем основные преимущества и недостатки этих способов?
3. Почему при пуске ДПТ необходимо ограничивать ток
якоря?
4. Объясните принцип работы генератора (двигателя) постоянного тока.
5. Какие способы возбуждения ГПТ Вы знаете? Нарисуйте
упрощенную электрическую схему этих генераторов.
6. Каковы условия самовозбуждения ГПТ? Что понимается
под термином «критическое сопротивление цепи возбуждения»?
7. Как влияет реакция якоря на работу ГПТ?
8. Каково взаимное положение внешних характеристик ГПТ
с независимым и параллельным возбуждением?
9. Какие существуют способы регулирования частоты вращения ГПТ? Какой из них Вы применяли в этой работе?
43