Лабораторная работа №9 Испытание синхронного двигателя

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10
ИСПЫТАНИЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Изучить принцип действия и устройство трехфазного синхронного двигателя.
Ознакомиться с особенностями и порядком пуска в ход синхронного двигателя.
Снять и построить U-образные характеристики. Убедиться, что перевозбужденный синхронный двигатель одновременно служит источником реактивной энергии и может использоваться для повышения коэффициента
мощности электроустановок.
Снять и построить механическую и рабочие характеристики. Выявить
основные свойства синхронного двигателя и области его применения
Указания к работе
Используя рекомендованную литературу, ознакомиться с принципом работы, конструкцией и назначением основных частей трехфазного синхронного двигателя.
Синхронным двигателем называется двигатель переменного тока, у которого
частота вращения т.е. скорость ротора, равна частоте вращения магнитного поля и не зависит от нагрузки на валу.
Статор синхронного двигателя не отличается по конструкции от статора
асинхронного двигателя. В пазы сердечника статора укладывается трехфазная
обмотка. Каждая фаза занимает 1/3 пазов. Таким образом, все три фазы А,В и С
обмотки статора смещены в пространстве под углом 120 0 друг к другу. Обмотка
соединяется по схеме ”звезда” или ”треугольник” и включается в сеть трехфазного тока. При этом создается вращающееся магнитное поле. Частота вращения
магнитного поля no называется синхронной. Синхронная частота вращения определяется числом пар полюсов статорной обмотки р и частотой изменения тока в
сети f:
60f
(1)
no 
p
Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит постоянного тока. Он может иметь ярко выраженные и неявновыраженные полюсы. Постоянный ток в обмотку ротора подается от постороннего источника (возбудителя) через щетки и два контактных кольца.
Следует обратить внимание на особенности пуска двигателя. Как известно,
синхронный двигатель не имеет собственного пускового момента и не может
разогнаться без посторонней помощи. В связи с этим на роторе устанавливается
дополнительная пусковая обмотка, выполненная по типу ”беличьего колеса”
асинхронного двигателя. Пуск двигателя производится в два этапа. Сначала осуществляется асинхронный запуск, при котором ротор разгоняется до скорости
близкой к синхронной (0,95no), благодаря пусковой обмотке. Затем подается постоянный ток в обмотку возбуждения ротора и двигатель автоматически втягивается в синхронизм.
Достоинства синхронного двигателя:
 высокие технико-экономические показатели (КПД и);
 абсолютно жесткая механическая характеристика;
 возможность генерирования реактивной энергии;
 возможность конструирования тихоходных двигателей (с частотой вращения 94 - 100 об/мин) при сохранении высоких технико-экономических
показателей;
 сравнительно высокая перегрузочная способность (т.е. отношение максимального вращающего момента к номинальному).
Недостатки:
*
сложность конструкции и дороговизна;
*
сложность регулирования скорости;
*
необходимость в источниках переменного и постоянного тока;
*
сложность пуска и реверсирования.
Применение. Синхронные двигатели применяют в установках средней и
большой мощности (более 100 кВт), не требующих частых пусков, реверсирования и регулирования скорости. К ним относятся привода мощных насосов, компрессоров, воздуходувок, вентиляторов, аэродинамических труб и т.д.
Рабочее задание
1. Ознакомиться со схемой лабораторной установки, приведенной на рисунке 1. На схеме приняты следующие обозначения:
СД
— синхронный двигатель;
ОВД
— выводы обмотки возбуждения синхронного двигателя;
RД
— резистор для регулирования тока возбуждения IB синхронного
двигателя;
Г
— генератор постоянного тока. Служит нагрузкой для синхронного
двигателя;
ОВГ
— обмотка возбуждения генератора;
RГ
— резистор для регулирования тока возбуждения нагрузочного генератора;
АГ
— амперметр. Измеряет ток нагрузочного генератора IГ;
— нагрузочный резистор. Величину сопротивления отдельных ступеней резистора RH можно изменять с помощью тумблеров
1,2,3...7. При этом изменяется ток генератора IГ и, следовательно,
нагрузка на валу;
VГ
— вольтметр. Измеряет напряжение генератора;
К
— трехполюсный выключатель. Служит для включения статорной
обмотки в сеть при пуске синхронного двигателя;
АВД
— автомат для подачи возбуждения в ротор СД;
АВГ
— автомат для включения обмотки возбуждения нагрузочного генератора;
VC
— вольтметр. Измеряет линейное напряжение UC, подводимое к статорной обмотке синхронного двигателя;
АС
— амперметр. Измеряет линейный ток IC статорной обмотки СД;
АВ
— амперметр. Измеряет ток возбуждения IB обмотки ротора СД;
— фазометр. Измеряет коэффициент мощности синхронного двигаcos 
теля;
n
— тахометр. Служит для измерения частоты вращения двигателя.
2. Записать паспортные данные синхронного двигателя и основные сведения об электроизмерительных приборах.
Паспортные данные, указанные на корпусе двигателя, для удобства вынесены на лабораторный стенд.
В паспорте указать: тип двигателя —;
UH
— номинальное напряжение двигателя в В;
РН
— номинальная мощность на валу в кВт;
IСН
— номинальный ток статора в А;
n0
— номинальная (синхронная) скорость в об/мин;
— номинальный К.П.Д. в %;
Н
IBH
— номинальный ток возбуждения в А;
— номинальный коэффициент мощности;
cos H
f
— частота сети в Гц.
Определить число пар полюсов р, используя выражение (1).
Определить номинальный момент на валу:
(2)
Р
М Н  9550 Н .
n0
Основные сведения об электроизмерительных приборах внести в таблицу 1.
Таблица 1

Система
Класс точности
Диапазон измерения
Наименование и
измерения
прибора
прибора
марка прибора

RH
110 B
+
-
~ 220 B 50 Г ц
АВГ
К
IГ
UC
IC
IB
АГ
V
А
АB
C
C
АС
cos 
VС
cos 
cos 
RH
UГ
n
СД
Г
VГ
+
ОВГ
ОВД
+
RГ
Рис. 1. Схема лабораторной установки
АВД
RД
+
110 B
3. Пуск синхронного двигателя.
Собрать цепь обмотки возбуждения, показанную пунктиром на схеме рис. 1
и под наблюдением преподавателя осуществить пуск синхронного двигателя.
Порядок операций при пуске:
* убедиться, что автоматы АВД и АВГ отключены;
* поворотом ключа К (по часовой стрелке) подать напряжение на обмотку
статора двигателя;
* когда стрелка тахометра n приблизится к отметке 1500 об/мин (зеленая метка), подать возбуждение автоматом АВД;
* для остановки двигателя отключить статор двигателя ключом К. Затем
обесточить обмотку возбуждения ротора автоматом АВД.
4. U-образные характеристики.
Снять и построить U-образные характеристики IC = f(IB) при холстом ходе и
в нагрузочном режиме.
Характеристики снимаются для трех значений нагрузочного момента.
а) М1 = 0
(холостой ход)
б) М2 = 0,3МН
(нагрузочный режим)
в) М3 = 0,6 МН
По указанию преподавателя
M
>
M
значения моментов могут быть
3
2
IC
M 2> M 1
изменены.
Общий
вид
Uобразных характеристик показан
M 1= 0
на рис. 2.
С особой тщательностью
должна быть снята точка характеристики, соответствующая минимальному току статора. По показаниям фазометра этой точке
"C"
"L"
cos  = 1
должен соответствовать cos  = 1.
Н едовозбуждение I
П еревозбуждение
IB
BH
Следовательно, ток статора имеет
только активную составляющую.
Рис. 2. U-образные характеристики
При моменте М = 0 этот ток обусловлен только потерями в двигателе. Указанный режим работы называется режимом нормального возбуждения.
При этом ток возбуждения равен IBH.
При уменьшении тока возбуждения IB < IBH наступает режим недовозбуждения. Он характеризуется потреблением из сети не только активной, но и индуктивной составляющей тока. В результате ток статора растет (левая часть Uобразной характеристики).
При увеличении тока возбуждения IB > IBH наступает режим перевозбуждения. Он характеризуется потреблением из сети дополнительной емкостной составляющей тока. Ток статора снова растет (правая часть характеристики), а дви-
гатель, подобно конденсатору, становится источником реактивной энергии. Этот
режим имеет важное значение для повышения коэффициента мощности электроустановок.
При снятии U-образной характеристики в режиме холостого хода М 1 = 0
должна соблюдаться следующая последовательность операций:
а) убедиться, что двигатель вращается в режиме холостого хода (ток генератора IГ = 0, автомат АВГ отключен);
б) изменяя ток ротора IB перемещением движка резистора RД из одного
крайнего положения в другое, записать в таблицу 2 результаты 10-12 измерений.
В таблицу вносятся значения тока ротора IB, тока статора IC и cos с указанием
характера (”емк.” или ”инд.”). При зашкаливании стрелки фазометра указать
лишь характер cos .
Последовательность операций при снятии U-образной характеристики в
режиме нагрузки:
а) получить у преподавателя значения нагрузочного тока генератора I Г = IГ1
и IГ = IГ2;
б) осуществить пуск двигателя (см. пункт 3);
в) включить АВГ и движком резистора RГ установить напряжение генератора UГ = 110 В;
г) тумблерами 1,2,3...7 установить заданный ток генератора IГ = IГ1;
д) изменяя ток возбуждения IB резистора RД, записать в таблицу 2 результаты 10-12 измерений (следить за напряжением генератора и при необходимости
поддерживать UГ = 110 В);
е) повторить измерения при токе нагрузочного генератора I Г = IГ2. Результаты записать в таблицу 2.
Таблица 2
Холостой ход
IГ = 0
М1 = 0
IB, A
IC, A
cos 
Режим нагрузки
IГ = IГ1
М2 =
IB, A
IC, A
cos 
Режим нагрузки
IГ = IГ2
М3 =
IB, A
IC, A
cos 
5. Момент на валу синхронного двигателя, соответствующий заданному току генератора IГ, следует определять с помощью градуировочной кривой М =
f(IГ). Эта кривая приведена на рис. 3.
10
M [Н м]
8
6
4
2
0
I Г [A]
0
2
4
6
8
10
Рис. 3. Градуировочная кривая M = F(IГ)
6. Снять и построить рабочие характеристики. Общий вид рабочих характеристик n, IC, P1, %, cos  = f(P2) при UC= const, IB= const приведен на рис. 4.
Последовательность операций при снятии рабочих характеристик:
а) осуществить пуск двигателя (см. пункт 3);
б) включить АВГ и движком резистора RГ установить напряжение генератора UГ = 110 В;
в) перемещением движка RД установить cos  = 1;
г) постепенно увеличивая число включенных тумблеров 1,2,3...7, записать
показания всех приборов в таблицу 3.
Таблица 3
№ п/п
1
...
7
IГ
A
UГ
B
IC
A
Измерено
UC cos 
n
B
об/мин
IB
A
M
Нм
Вычислено
P2
P1
Вт
Вт



n IC M P1 % cos
n
n0

1,0
cos
IС
I0
P1
M
P0
0
P2Н
P2
Рис. 4. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Расчетные формулы
Момент синхронного двигателя М определяется по градуировочной кривой
М = F(IГ) рис 3.
Полезная мощность на валу:
(3)
Мn
P2 
, Вт.
9,55
Потребляемая мощность:
(4)
P1  3U C I C cos  , Вт.
КПД двигателя:
% 
Р2
100 , %
Р1
n [об/мин]
n0
M [Н м]
MН
Рис.5. Механическая характеристика
(5)
7. Построить механическую характеристику двигателя n = F(M) при UC=
const, f = const. Механическая характеристика изображена на рис. 5, она строится
по данным таблицы 3.
Механическая характеристика называется абсолютно жесткой поскольку скорость вращения синхронного двигателя не
зависит от нагрузки на валу.
Содержание отчета
1.Наименование и цель работа.
2.Технические данные электроизмерительных приборов и паспортные данные
двигателя.
3.Схема экспериментальной установки.
4.Таблицы экспериментальных и расчетных данных.
5.Расчетные формулы.
6.U-образные , рабочие и механическую характеристики.
7.Заключение:
 об основных свойствах и о пригодности двигателя к работе;
 об особенностях пуска.
Контрольные вопросы
На чем основан принцип работы синхронного двигателя?
Какова конструкция синхронного двигателя?
Как осуществляется пуск синхронного двигателя?
Чем определяется скорость вращения двигателя?
Как снимают и какой вид имеют U-образные характеристики?
Как регулируется скорость синхронного двигателя?
Почему механическую характеристику синхронного двигателя называют абсолютно жесткой?
Какой вид имеют рабочие характеристики синхронного двигателя?
Какими достоинствами и недостатками обладают синхронные двигатели?
Где применяются синхронные двигатели?
Техника безопасности
1. Приступая к выполнению лабораторной работы, следует помнить об опасности поражения электрическим током и быть внимательным и осторожным.
2. Перед сборкой схемы убедиться, что напряжение на стенде отсутствует (автоматы АВГ и АВД отключены).
3. Не допускается использование неисправных приборов и проводов с поврежденной изоляцией.
4. Наконечники проводов должны быть надежно закреплены клеммами.
5. Собранную схему необходимо предъявить для проверки преподавателю или
лаборанту. Включение схемы без проверки категорически запрещается.
6. Несмотря на ограждение вращающихся частей электрических машин, следует соблюдать осторожность, т.к. даже гладкие валы способны захватывать волосы, косынки, развевающиеся части одежды.
7. Не касаться оголенных клемм, проводов и токоведущих частей оборудования, находящихся под напряжением.
8. В случае неисправности или опасности немедленно отключить стенд поворотом ключа К против часовой стрелки и нажатием на красные кнопки автоматов
АВГ и АВД.
9. Ставить в известность преподавателя о всех неполадках в работе стенда.