Лабораторная работа № 1. Исследование электродинамических

Лабораторная работа №6
Исследование электродинамических усилий в
электрических аппаратах
1.Цель работы
Для ограничения токов короткого замыкания в электрических цепях
устанавливаются катушки индуктивности (реакторы), которые в этом режиме
испытывают воздействие значительных электродинамических усилий как
внутри отдельно взятого реактора, так и между реакторами.
Целью работы является исследование электродинамических усилий,
возникающих
между реакторами
в виде дисков. Экспериментально
определяется зависимость усилий от величины тока в реакторах и от
расстояния между ними. Результаты эксперимента сопоставляются с
результатами, полученными расчетом. Исследования проводятся при
относительно небольших токах, результаты этих исследований затем
распространяются на режим короткого замыкания в сети.
2.Предмет исследования
Предметом
взаимодействие
исследования
двух
дисковых
является
реакторов,
электродинамическое
расположенных
соосно
относительно друг друга (Рис. 1). Нижний реактор I жестко закреплен на
основании 6,верхний 2 может свободно перемещаться по направляющей 5
под действием электродинамических сил. Расстояние в свету между
реакторами отсчитывается непосредственно по шкале 3 на направляющей.
Реакторы включены встречно и поэтому при протекании по ним тока
отталкиваются. Электродинамические силы уравновешиваются силой веса
набора
текстолитовых
дисков
4
и
реактора
2.
В
работе
также
экспериментально снимается зависимость взаимной индуктивности от
расстояния
между
реакторами,
позволяющая
электродинамические силы по энергетической формуле.
рассчитать
3
5
4
2
1
6
Рис.1. Установка для определения электродинамических сил между
дисковыми реакторами
2
Рис.2. Электрическая схема установки
3.Описание установки
Принципиальная электрическая схема установки приведена на рис. 2.
Схема питается от сети напряжением 220 В. Плавное регулирование тока в
реакторах осуществляется с помощью автотрансформатора АТ. Пускатель
КМ1, включенный за автоматическим выключателем QF1 , подает
напряжение на установку. Блок-контакт SQ, связанный с ограждением,
обесточивает
установку,
если
экспериментатор
сделает
попытку
соприкоснуться с реакторами, находящимися под напряжением. После
3
включения КМ1 в зависимости от положения переключателя SA включаются
пускатели КМ2 (II положение) или КМ3 (I положение переключателя).
Для исследования электродинамических сил включается пускатель
КМ3. При этом реакторы L1 и L2 соединяются последовательно. Вольтметр
PV1 измеряет падение напряжения на реакторах.
При определении взаимной индуктивности включается пускатель КМ2.
При этом ток обтекает только реактор L2. В этом опыте вольтметр PV1
подключается к реактору L1, автоматически переключившись на шкалу 10 В,
и
измеряет
падение
напряжения,
пропорциональное
взаимной
индуктивности.
4.Техника безопасности при выполнении работы
Установка питается напряжением 220 В, опасным для жизни, поэтому
перед ее включением необходимо тщательно изучить электрическую схему и
последовательность работы на установке.
Не разрешается включение каких-либо других устройств, находящихся
на стенде и не относящихся к данной работе.
При изменении силы веса (числа дисков, накладываемых на ректор)
необходимо отключать установку пускателем КМ1.
После серии опытов с одним значением силы веса необходима 5минутная пауза для охлаждения реакторов.
В случае возникновения аварийной ситуации отключить установку
автоматическим выключателем QF1 и обратиться к преподавателю или
дежурному работнику.
4
5.Задание
1.
Экспериментально снять зависимости электродинамических сил
от расстояния между реакторами для различных значений тока (25, 30, 35, 40
А).
2.
Рассчитать зависимость электродинамических сил от расстояния
между реакторами при I = 30 А и Х, изменяющимся от 10 до 50 мм.
С этой целью:
а) аналитически с использованием кривых Рис. 3. и экспериментально
определить зависимость взаимной индуктивности реакторов от
расстояния между реакторами M = f(x) при Х = 10-50 мм.
Построить графически M = f(x) и
, провести расчет силы
и сопоставить результаты, полученные опытным и расчетным путем.
3.
Рассчитать максимальную величину
электродинамической силы взаимодействия между реакторами при
протекании по ним тока двухфазного короткого замыкания в сети с
номинальным напряжением 380В. Короткое замыкание произошло
непосредственно за реакторами. Сопротивлением сети до реакторов
пренебречь. Расстояние между реакторами X = 30 мм.
6.Методические указания
П. I. Переключатель SA поставить в положение I. Рукоятку АТ
установить в крайнее положение, вращая ее по часовой стрелке. Включить
QF1, нажать кнопку «пуск» SB1 и увеличивая автотрансформатором ток,
5
измерять ток и расстояние между реакторами. Для фиксированного
значения сила тяжести устанавливать значения тока 25, 30, 35, 40 а и
регистрировать расстояние между реакторами. За Х принято расстояние
между серединам реакторов. Оно равно Х + 10 мм. Увеличение тока
происходит при вращении рукоятки против часовой стрелки.
После проведения опыта установка отключается нажатием кнопки
«стоп» SB2, рукоятка автотрансформатора устанавливается в исходное
положение, реакторы охлаждается вентилятором в течение 5 минут. На
верхний реактор накладывается текстолитовый диск и опыт повторяется.
Опыты проводить при нагрузке верхнего реактора:
23; 25; 27,5; 29,5; 32; 34 Н.
П. 2. Если реакторы обтекаются переменным током, то среднее
значение электродинамической силы, действующей между ними, может
быть найдено с помощью выражения
Где
- действующее значение токов в реакторах, А
– производная взаимной индуктивности по расстоянию между
реакторами,
;
Р – сила, Н.
6
В нашем случае оба реактора обтекаются одним м тем же током,
поэтому
Величина взаимной индуктивности находится по формуле
Где N – число витков реактора;
d – средний диаметр реактора, м;
Ф – коэффициент, значение которого можно определить по рис.3,
рассчитав параметры
и
;
Х – расстояние между реакторами, м.
Экспериментальное определение M = f(x) проводится в следующей
последовательности. Поставить переключатель SA в положение II.
Зафиксировать верхний реактор на определенной высоте, включить
автоматический выключатель QF1 и нажать кнопку «пуск». Установить
величину тока 15 А и снять показания вольтметра PV1. Так как реакторы
не имеют стального сердечника, взаимная индуктивность от тока не
зависит. Величина тока 15 А выбрана для уменьшения нагрева реактора.
Затем
установка
отключается
кнопкой
«стоп»,
верхний
реактор
фиксируется на следующей отметке и опыт повторяется.
Величина M может быть найдена по формуле
,
7
Рис.3. Номограмма для определения взаимной индукции между
реакторами
Рис.4. Размеры реакторов: d = 0.13 мм; N = 136; r = 0.08 м; h = 0.01
м.
Где
U- действующее значение ЭДС на зажимах реактора L1, В.
I – действующее значение тока в реакторе L2, А.
f – частота, равная 50 Гц.
Определение взаимной индуктивности провести в 4-5 положениях
подвижного реактора.
8
Построив зависимость M = f(x), графическим дифференцированием
. Зная для данного расстояния между
построить кривую
реакторами величину
находится сила по формуле
П.3. При выполнении этого пункта задания переключатель SA
ставится в положение I. Верхний реактор фиксируется на расстоянии Х =
30мм. Включить установку кнопкой «пуск», установить ток 25 А,
измерить
падение
напряжения
на
двух
реакторах
вольтметром.
Пренебрегая активным сопротивлением реактора по сравнению с
индуктивным
;
Где
,
- индуктивность реактора, Гн;
М – взаимная индуктивность между реакторами, Гн.
Сила взаимодействия между реакторами в режиме короткого
замыкания
;
где расчетная величина тока короткого замыкания с учетом
апериодической составляющей для двухфазного короткого замыкания
рассчитывается по формуле
,
где
- номинальное (линейное) напряжение сети, равное 380 в,
9
– индуктивное сопротивление фазы, Ом;
Величина
берется из предыдущего пункта для расстояния между
реакторами Х = 30 мм.
7.Контрольные вопросы
1.
Объяснить работу установки при выполнении практической
части задания.
2.
Сформулировать правила определения сил, действующих
между шинами и между катушками.
3.
Объяснить порядок расчета электродинамических усилий
по формуле, полученной из энергетического баланса.
4.
Что
индуктивность
такое
двух
индуктивность
реакторов?
Чему
реактора,
равно
взаимная
индуктивное
сопротивление одного реактора при встречном и согласном включении
двух реакторов?
5.
Что такое динамическая стойкость аппарата?
6.
Что такое ударный ток и от чего он зависит?
7.
Изобразите изменение во времени электродинамической
силы в двухфазной цепи при отсутствии и наличии апериодической
составляющей в токе короткого замыкания.
8.Литература
Чунихин А.А. Электрические аппараты. М. : Энергоатомиздат,
1988. с. 31-58
10