ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО
СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Методические указания к лабораторной работе
по курсу «Электромеханика»
Новочеркасск
2011
УДК 621.313 (076.5)
Рецензент – канд. техн. наук Т. И. Феоктистова
Составители: Дувакина И. Е., Климов Е. А., Назикян Г. А.
Исследование трехфазного синхронного двигателя: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электромеханика» /Юж.-Рос. гос.
техн. ун-т. (НПИ) – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. – 14 с.
Дано описание схемы исследования, методов пуска трёхфазного синхронного двигателя, снятия рабочих характеристик, регулирования реактивной мощности.
Методические указания предназначены для проведения лабораторных
исследований трёхфазного синхронного двигателя студентами очной и заочной форм обучения специальностей 140106, 140203, 140211, 140601, 140602,
140604, 140204, 140205.
УДК 621.313 (076.5)
© Южно-Российский государственный технический университет, 2011
© Дувакина И. Е., Климов Е. А.,
Назикян Г. А., 2011
2
Цель работы: изучение конструкции трёхфазного синхронного двигателя, методов его пуска; снятие рабочих характеристик,
регулирование реактивной мощности.
Программа работы
1. Ознакомиться с конструкцией, принципом действия и
паспортными данными трёхфазного синхронного двигателя (СД).
2. Собрать схему исследования СД.
3. Пустить в ход синхронный двигатель.
4. Провести регулирование реактивной мощности.
5. Снять рабочие характеристики двигателя.
6. Обработать результаты исследования.
7. Оформить отчёт по работе.
Пояснение к выполнению работы
Объектом изучения является явнополюсная трёхфазная синхронная машина ГАБ-2Т/230-М2, исследуемая в режиме двигателя
( Pн = 2 кВт, U н = 230 В, nн = 3000 об/мин, I aн = 6,5 А, I вн = 6 А). Синхронный двигатель служит для преобразования электрической
энергии, поступающей из сети, в механическую энергию на валу.
Синхронный двигатель и синхронный генератор имеют одинаковую конструкцию. Основными являются две части: неподвижная – статор и вращающаяся – ротор (рис. 1, а, б). На статоре 1 в
пазах располагают трёхфазную обмотку переменного тока – обмотку якоря 2. На полюсах 3 ротора (индуктора) размещают обмотку
возбуждения 4, в которую подают через щётки 7 и контактные
кольца 5 постоянный ток от источника постоянного напряжения. В
полюсных наконечниках 8, как правило, располагают демпферную
(успокоительную) обмотку, которую в синхронных двигателях называют пусковой. Пусковая обмотка состоит из стержней 9 и сегментов 10, замыкающих стержни, и представляет собой фрагмент
короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя. В
3
крупных машинах в полюсах ротора выполняются радиальные вентиляционные каналы 11.
8
б)
а)
Рис. 1. Конструкция явнополюсного СД
а – поперечное сечение; б – ротор явнополюсного СД
При подключении обмотки якоря к трехфазной сети, в ней
начнут протекать токи, которые создадут на статоре круговое вращающееся магнитное поле, имеющее частоту вращения:
60 f1
.
n1 =
p
При подключении обмотки возбуждения к источнику постоянного тока, в ней тоже потечет ток, и на полюсах создастся постоянное (неподвижное) магнитное поле чередующейся полярности.
Если созданы условия, при которых ротор предварительно уже
имеет частоту вращения, близкую к частоте вращения поля статора,
то происходит «сцепление» полей и возникает электромагнитный
момент. Далее ротор будет продолжать вращаться под действием
данного рабочего момента.
В рабочем режиме нагрузка на валу двигателя создаёт тормозной момент, направленный в противоположную сторону по отношению к электромагнитному моменту двигателя. Нагрузка является потребителем механической энергии, и при её увеличении
двигатель увеличивает потребление электрической энергии, т.е.
растёт ток статора. При работе двигателя можно предположить, что
поля статора и ротора связаны некоторой упругой связью в виде
4
силовых линий магнитного поля
n
(рис. 2). В режиме холостого хода, коΘ
Мнаг
гда нагрузка на валу отсутствует, угол
Θ между осями полей статора и ротора
практически равен нулю. С увеличением нагрузки упругие линии начинают растягиваться, и угол Θ растет,
при этом частота вращения полей n
остаётся неизменной.
Основным элементом СД большой мощности является пусковая обмотка. Конструкция данной обмотки
Рис.2. Взаимодействие полей аналогична беличьей клетке асинхронного двигателя. Назначение пусв синхронной машине
ковой обмотки заключается в том,
чтобы при пуске раскрутить ротор двигателя, а в рабочем режиме
погасить качания ротора (колебания частоты вращения ротора относительно синхронной частоты вращения).
Более подробное ознакомление с конструкцией и принципом
действия СД проводится во внеаудиторное время на стадии подготовки к выполнению работы по литературе [1, 2].
Описание схемы исследования
Схема исследования приведена на рисунке 3. На схеме обозначены:
С1 ⎯ С3 – выводы обмотки якоря СД;
И1 ⎯ И2 – выводы обмотки возбуждения;
Я1 ⎯ Я2 – выводы обмотки якоря генератора постоянного
тока;
Ш1 ⎯ Ш2 – выводы обмотки возбуждения генератора постоянного тока;
5
А1, А2, А3, V1, V2 – измерительные приборы, выбирают в соответствии с паспортными данными синхронного двигателя и генератора постоянного тока;
W1 – трехфазный ваттметр;
R1 – резистор, шунтирующий цепь возбуждения СГ;
R2 – регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения
двигателя постоянного тока;
R3 – R5 – нагрузочные резисторы;
Т- лабораторный автотрансформатор;
VD – выпрямительный мост;
QF – автоматический выключатель;
SA1, SA2 – переключатели.
QF
SA1
~
T
V1
W1
+
VD
R5
Ñ2
A1
R4
R1
R3
Ñ1
V2
ß1
R2
Ø1
Ø2
A3
È2
ß
Ñ3 SA2
È1
A2
ß2
Рис. 3. Схема исследования трехфазного синхронного двигателя
6
Пуск в ход синхронного двигателя
Процесс запуска СД осложнён тем, что при подключении
обмотки статора к сети вращение магнитного поля статора начинается мгновенно, а массивный ротор не успевает разогнаться, и синхронизм полей не достигается. Рабочий вращающий момент СД
может существовать только при условии равенства частот вращения полей статора и ротора. При несовпадении частот вращения
момент становится знакопеременным, и его среднее значение равно
нулю. Таким образом, для создания рабочего момента ротор необходимо предварительно привести во вращение с номинальной частотой вращения или с близкой к ней, отличающейся не более чем
на 5 %.
Существует три способа пуска СД:
1) асинхронный пуск;
2) пуск с помощью разгонного двигателя;
3) частотный пуск.
Асинхронный пуск
При этом способе пуска СД запускают как короткозамкнутый
асинхронный двигатель. Возможность асинхронного пуска обеспечивается наличием на роторе массивных полюсных наконечников.
Для создания бóльшего пускового момента применяют пусковую
обмотку.
В общем случае, пуск двигателя осуществляют при незапитанной обмотке возбуждения, зашунтированной дополнительным
сопротивлением. Двигатель запускают без нагрузки на валу. Статор
двигателя подключается к трехфазной сети. При подаче напряжения на обмотку якоря, в ней потекут токи, создающие вращающееся магнитное поле. Вращающееся поле, пересекая стержни демпферной обмотки, наводит в них ЭДС. Т.к. стержни замкнуты между
собой с торцов короткозамыкающими сегментами, то в них, как и в
клетке ротора асинхронного двигателя, потечет ток и возникнет поле ротора. Результатом взаимодействия полей будет вращающий
момент, который приведет ротор в движение. При достижении ротором частоты вращения, близкой к синхронной, на обмотку воз 7
буждения подают номинальное напряжение, и двигатель втягивается в синхронизм.
В малых двигателях без пусковой обмотки вихревые токи
могут протекать в полюсных наконечниках, и поэтому условия для
пуска также существуют.
Последовательность действий при асинхронном пуске следующая:
1) Устанавливают номинальный ток возбуждения синхронного двигателя. Для этого при отключенной обмотке якоря двигателя (автоматический выключатель QF, см. рис. 3) и отключенной
нагрузке генератора постоянного тока (резисторы R3 – R5 отключены) переключателем SA2 подают питание на обмотку возбуждения и при помощи автотрансформатора T по амперметру А2 устанавливают номинальный ток.
2) Обмотку возбуждения замыкают на активное сопротивление R1, примерно в 10 раз превышающее её собственное сопротивление (переключатель SA2 в положении «Пуск»). Это необходимо
для защиты обмотки от перенапряжений и для того, чтобы исключить «провал» в моменте при разгоне двигателя.
3) Подают напряжение на выводы обмотки якоря двигателя
(автоматический выключатель QF). При достижении двигателем
подсинхронной скорости подают питание на обмотку возбуждения
(переключатель SA2 в положении «Ход», питание от диодного моста).
После пуска двигателя автотрансформатором T необходимо
отрегулировать ток возбуждения по минимуму тока якоря (амперметр А1).
Для останова двигателя необходимо отключить обмотку якоря выключателем QF, а затем, во избежание повреждения изоляции
от перенапряжения, обмотку возбуждения надо отключить от питающего напряжения в следующем порядке: вначале автотрансформатором Т уменьшают ток возбуждения до нуля, а затем переводят переключатель SA2 в положение «Пуск» (подключение к резистору R1).
8
Пуск с помощью разгонного двигателя
При этом способе синхронный двигатель разгоняют до номинальной частоты вращения с помощью другого двигателя (в лабораторной работе возможно использование машины постоянного тока). Для безаварийного включения в сеть синхронную машину синхронизируют с сетью методами точной и грубой синхронизации.
Точная синхронизация
Выполняют при запитанной обмотке возбуждения и отключенной обмотке якоря. Точная синхронизация заключается в выполнении следующих условий:
1) Синхронная машина должна иметь одинаковый с сетью
порядок чередования фаз.
2) Действующее значение ЭДС якоря должно быть равно действующему значению напряжения сети: Ея = Uc.
3) Частоты напряжений генератора и сети должны быть равны: fя = fс.
4) Напряжения генератора и сети должны совпадать по фазе:
φя = φс.
Контроль за выполнением условий осуществляют в соответствии с указаниями, приведенными в работе [4], с применением
синхроноскопа. При использовании лампового синхроноскопа,
включенного по схеме на погасание, подключение машины к сети
осуществляются в интервале времени, когда лампы не горят. Возникшее вращающееся поле статора «сцепляется» с полем ротора.
Грубая синхронизация
Для выполнения грубой синхронизации перед пуском проверяют порядок чередования фаз. В исходном состоянии обмотки
машины должны быть отключены от сети, и обмотка возбуждения
зашунтирована резистором. Синхронную машину разгоняют до номинальной частоты вращения, а затем одновременно подключают
обмотку якоря к сети и подают постоянный ток в обмотку возбуждения. Возникшее вращающееся поле статора «подхватывает» поле
ротора и синхронная машина «входит в синхронизм».
После синхронизации разгонный двигатель отключают от сети и устанавливают ток возбуждения синхронного двигателя, соответствующий минимуму тока якоря.
В данной лабораторной работе пуск с помощью разгонного
двигателя не производится.
9
Частотный пуск
В предыдущих способах пуска: асинхронном и пуске со
вспомогательным двигателем – ротор разгоняют до частоты вращения поля. При частотном пуске обмотку якоря питают от частотного преобразователя или генератора, у которого в процессе пуска
постепенно меняют частоту питающего напряжения от нуля до номинальной частоты, а следовательно, медленно увеличивают частоту вращения поля статора.
Регулирование реактивной мощности синхронного двигателя
Регулирование реактивной мощности характеризуется зависимостями тока якоря Iя и коэффициента мощности cosφ от тока
возбуждения Iв при постоянном значении полезной мощности P2 и
напряжении сети Uc, т.е. Iя, cosφ = f(Iв) при P2 = const, Uc = const.
Регулирование реактивной мощности синхронного двигателя
осуществляют путем изменения тока в обмотке возбуждения.
Регулирование реактивной мощности можно проводить в
двух режимах: на холостом ходу и под нагрузкой (рис. 4, кривые 1
и 2).
В режиме холостого хода нагрузочный генератор должен
быть не возбужден (регулировочный реостат R2 установлен в положение, соответствующее минимальному значению) и не нагружен (резисторы R3 – R5 отключены).
В ходе опыта уменьшают ток возбуждения синхронного двигателя автотрансформатором T до величины, при которой ток якоря
повысится примерно до номинального значения. Эта точка служит
исходной. Затем увеличивают ток возбуждения до значения, при
котором ток якоря, пройдя минимум, опять станет номинальным. В
указанном интервале делают 8 – 10 отсчетов тока якоря Iя (один
обязательно при минимальном токе якоря), тока возбуждения Iв и
активной мощности P2 (ваттметр W1). Значение cosφ вычисляют по
данным опыта. Примерный вид зависимостей Iя, cosφ = f(Iв) в относительных единицах показан на рис. 4. Результаты отсчетов заносят
в табл. 1.
10
cosφ
Iя,
о.е.
1,0
cosφ
2
1
0,75
Iя
0,5
2
0,25
1
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Iв
Рис. 4. Характеристики трехфазного синхронного двигателя при
регулировании реактивной мощности
Таблица 1
№
п/п
Iя, А
Iв, А
Р2, Вт
U, В
cosφ
Снятие рабочих характеристик двигателя
Рабочие характеристики СД представляют собой зависимости тока якоря Iя, момента М, подводимой мощности P1, коэффициента мощности cosφ и КПД от полезной мощности на валу P2 при
постоянном напряжении Uc на зажимах двигателя и постоянном токе возбуждения Iв, т.е. Iя, М, P1, ηдв, cosφ = f(P2) при Uc = const,
Iв = const.
11
В качестве нагрузки для двигателя в данной работе используют генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.
Запустив СД и установив номинальный ток возбуждения (он должен соответствовать минимуму тока якоря), возбуждают генератор
постоянного тока, уменьшая сопротивление регулировочного реостата R2.
Если напряжение на выходе генератора отсутствует, необходимо поменять местами зажимы Ш1, Ш2, что обеспечит согласованное направление остаточного магнитного потока и потока обмотки возбуждения генератора.
Включением резисторов R3 – R5 нагружают генератор постоянного тока, а он, в свою очередь, создает тормозной момент
для синхронного двигателя. Для тока якоря двигателя в диапазоне
от 0,25 до 1,25 от номинального значения делают 5 – 6 отсчетов
значений тока якоря Iя, активной мощности P1, а также тока якоря
нагрузочного генератора Iяг и напряжения Uяг. Ток возбуждения Iв
двигателя поддерживают постоянным с помощью автотрансформатора Т.
Значение полезной мощности Р2, момента М, cosφ и КПД вычисляют по данным опыта. Результаты измерений и расчётов заносят в табл. 2.
Таблица 2
№
п/п
Опытные данные
Р1, Вт
Iя, А
Iяг, А
Uяг, В
Расчетные данные
Р2, Вт М, Н·м
cosφ
ηдв, %
Примерный вид зависимостей Iя, М, P1, ηдв, cosφ = f(P2) в относительных единицах показан на рис. 5.
12
η,
cosφ
1,0
о.е.
P1,
о.е.
Iя,
о.е.
M,
о.е.
cosφ
0,75
η
Iя
0,5
M
0,25
P1
0
0,25
0,5
0,75
1,0
P2, о.е.
Рис. 5. Характеристики СГ, работающего параллельно с сетью, при
регулировании активной мощности
Обработка результатов исследований
Все построения экспериментальных зависимостей выполняют в именованных единицах. Располагают полученные зависимости так, как показано на рисунках 4, 5. Для построения зависимостей расчеты производят по следующим формулам.
1. Полезная мощность, Вт:
P2 =
U яг ⋅ I яг
,
ηг
где η г = 0,825 – КПД генератора постоянного тока.
2. Момент на валу двигателя, Н·м:
9,57 ⋅ P2
,
n
где n = 3000 об/мин – частота вращения двигателя.
M =
3. Коэффициент мощности:
cos φ =
P1
.
3U ф I я
13
4. КПД двигателя:
P
η= 2.
P1
Оформление отчета
Отчет оформляют в соответствии с нижеприведенными требованиями и выполняют рукописным способом чернилами (пастой)
на бумаге формата А4 (210x297мм) без основной надписи и дополнительных граф к ней. Текст отчета можно располагать на обеих
сторонах листа. Листы отчета должны быть сброшюрованы. Размер
поля на подшивку 35 мм, противоположного – не менее 10 мм, размер верхнего и нижнего полей не менее 20 мм. Расстояние между
строками должно быть равным 8 – 10 мм. Абзац начинают отступом на расстоянии 15 – 17 мм от левого поля.
Нумерация страниц отчета должна быть сквозной, первой
страницей является титульный лист. Номер страницы проставляют
с точкой в верхнем правом углу. На титульном листе отчета номер
страницы не ставят. Рисунки, которые располагают на отдельных
листах, включают в общую нумерацию.
Рисунки допускается выполнять на белой, клетчатой или
миллиметровой бумаге. На поле рисунка должна быть нанесена координатная сетка сплошными тонкими линиями. Рисунки и таблицы должны иметь наименования и в случае необходимости поясняющий текст. Нумерацию рисунков выполняют сквозной в пределах отчета.
Титульный лист отчета должен быть оформлен в соответствии со стандартами [3].
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
- название работы;
- программу работы;
- паспортные данные машины;
- электрические схемы исследований;
- результаты исследований;
- формулы для обработки результатов;
- результаты расчетов;
- графики полученных зависимостей.
14
Контрольные вопросы
Перед выполнением лабораторной работы необходимо знать
ответы на первые шесть вопросов, ответы на все вопросы – к защите выполненной работы.
1. Назовите основные элементы конструкции синхронного
двигателя.
2. Как создается вращающий момент в синхронном двигателе (принцип действия СД)?
3. Как производят асинхронный пуск синхронного двигателя?
4. Как происходит пуск с разгонным двигателем?
5. Как производят регулирование реактивной мощности
синхронного двигателя?
6. Что понимают под рабочими характеристиками синхронного двигателя?
7. Как экспериментально снимают рабочие характеристики?
8. Объясните характер U-образных характеристик.
9. Каковы преимущества и недостатки синхронного двигателя в сравнении с короткозамкнутым асинхронным?
Библиографический список
1. Токарев Б.Ф. Электрические машины. – М.: Энергоатомиздат,
1990. – 624 с.
2. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. –
Л.: Энергоатомиздат, 1984. – 408 с.
3. Общие требования и правила оформления текстовых документов
в учебном процессе / Е.П. Теняков. Новочерк. гос. техн. ун-т.- Новочеркасск:
НГТУ, 1994.– 24 с.
4. Исследование параллельной работы трёхфазного синхронного
генератора с сетью бесконечно большой мощности / Дувакина И. Е.,
Климов Е. А., Назикян Г. А. // Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск:
ЮРГТУ (НПИ), 2009.
15
Учебно-практическое издание
Исследование трехфазного синхронного двигателя
Составители: Дувакина Ирина Евгеньевна,
Климов Евгений Анатольевич,
Назикян Георгий Артемович.
__________________________________________________________________
Редактор Н. А. Юшко
Темплан 2011 г. Подписано в печать 3.06.2011.
Бумага офсетная. Формат 60×84 1 . Ризография.
16
Усл. печ. л 0,93. Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 50.
__________________________________________________________________
Южно-Российский государственный технический университет
Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ
Адрес университета:
346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132
16