Методические указания к л.р. по электротехнике Часть 2

Лабораторная работа №8
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
в режиме пуска и холостого хода
Цель работы: ознакомиться с конструкцией, принципом действия и способами
запуска асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, изучить
работу таких двигателей в режиме холостого хода.
Основные теоретические положения
В состав неподвижной части (статора) двигателя входит магнитопровод 1,
изготовленный в виде полого цилиндра, набранного из листов стали электротехнической (рис. 1 а). В его пазы уложены стороны катушек, образующих три
фазы статорной обмотки 2. Начала и концы фаз этой обмотки присоединены к
зажимам, расположенным в коробке выводов, закрепленной на корпусе, в который запрессован магнитопровод. С корпусом соединяются два боковых щита с
подшипниками, в которых вращается ротор (подвижная часть АД).
Роторы асинхронных машин из цилиндрического магнитопровода 3, набранного из насаженных на вал стальных дисков с пазами, а также обмотки,
представляющей собой у машин большой мощности медные стержни 4 без
изоляции, вставленные в пазы магнитопровода. Все концы стержней на обоих
торцах ротора соединены между собой двумя медными кольцами 5. В машинах
мощностью менее 100 кВт стержни и кольца изготовляют прямой заливкой пазов
ротора расплавленным алюминием.
Такая обмотка называется "беличьей клеткой", не имеет соединения с
внешней сетью. Ротор с обмоткой этого типа называют короткозамкнутым.
Принцип действия машины рассмотрим, используя рис. 1 а. При подаче на
статорную обмотку трехфазной симметричной системы напряжений в ее катушках установятся синусоидальные токи, которые вызовут появление в статоре
вращающегося магнитного поля с полюсами N и S. При неподвижном роторе в
его стержнях вследствие пересечения их магнитными силовыми линиями
вращающегося поля наведутся ЭДС (их направление определяется правилом
правой руки). Так как обмотка ротора является короткозамкнутой, то под действием этих ЭДС по стержням пойдут токи, практически совпадающие по фазе с
ЭДС. Вследствие того, что эти стержни с токами находятся в магнитном поле
статора, на них будут действовать выталкивающие силы, направление которых
можно определить по правилу левой руки. Применив его, найдем, что электромагнитные силы создают пусковой момент и ротор получает ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля статора. По мере возрастания
скорости ротора уменьшаются величины ЭДС и тока. Их изменение прекратиться
при наступлении равновесия между вращающим и тормозным моментами
(последний создается устройством, которое АД приводит в движение). Ротор
будет вращаться со скоростью n, меньшей скорости n0 вращающегося магнитного
поля. Такое отличие в скоростях является непременным условием работы
двигателя, называемого в связи с этим асинхронным. Характерной величиной,
определяющей условия работы АД, является скольжение S, определяемое
отношением разности скоростей вращения магнитного поля и ротора к скорости
вращения поля
S=
n0  n
.
n0
Наиболее распространенным способом запуска АД от сети большой
мощности является непосредственное включение выводов статорной обмотки в
сеть (рис.1 б).
В тех случаях, когда требуется обеспечить плавный запуск АД, работающего
от мощной сети, или при питании двигателей от автономных генераторов,
применяются разнообразные схемы понижения, подводимого к двигателю. Это
позволяет уменьшить большие пусковые токи, возникающие при включении
питания. Однако при этом уменьшается пусковой момент Мп двигателя.
Одна из таких схем - схема автотрансформаторного пуска - приведена на рис.
1 б. Рубильник включается после того, как переключатель устанавливается в
положение "Пуск", При этом на двигатель подается пониженное напряжение. По
мере разгона АД переключатель переводится в положение "Работа", в котором на
двигатель подается полное напряжение сети. Недостатки способа - резкое
снижение пускового момента и наличие громоздкого автотрансформатора.
Одной из характерных особенностей работы асинхронной машины в режиме
холостого хода (х.х.) является весьма пониженное (до 0,1-^0,2) значение
коэффициента мощности (см. лабораторную работу №4), что ведет к недоиспользованию установленной мощности генераторов, трансформаторов, а также
распределительных электрических сетей.
Режимы работы ряда строительных машин часто предусматривают необходимость изменения направления вращения, т.е. реверсирования исполнительных механизмов. Реверсирование АД может быть осуществлено изменением
порядка следования фаз. Если поменять местами выводы любых двух фаз
двигателя, присоединенных к клеммам сети, например, В и С, то вращающееся
магнитное поле, создаваемое в статорной обмотке машины, изменит направление
вращения на противоположное. Следовательно, изменится на обратное и
направление вращения ротора АД. Одним из основных недостатков асинхронных
двигателей является ограниченная возможность регулирования скорости
вращения.
Согласно выражению
n = 60f / p,
скорость вращения регулируют либо изменением частоты f тока питающей сети,
либо изменением числа пар полюсов р обмотки статора. На рис.1 а показана
статорная обмотка, создающая 1 пару полюсов.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с паспортными данными асинхронного двигателя.
2. Собрать схему лабораторной установки, включающей в себя АД, однофазный
ваттметр W , предназначенный для измерения активной мощности в одной из фаз
этого двигателя, вольтметр V , измеряющий фазное напряжение сети,
двухнедельный амперметр А, позволяющий измерять пусковой ток и ток
холостого хода. Мнемоническая схема этой установки показана на рис.2 в.
Таблица 1
Паспортные данные двигателя
Тип
Заводской номер
n, об/мин
IH, A
P2H, кВт
r, %
сosφН
3. Нажав кнопку "Измерения при пуске", подготовить схему к включению
(включается шунт, расширяющий пределы измерения амперметра, и закорачивается, для предохранения от перегорания, токовая обмотка ваттметра).
4. Включить рубильник "Р", нажав кнопку "Пуск" силового ящика и отметить
пусковой ток In, по показаниям амперметра.
5. Нажать кнопку "Измерения при холостом ходе" (отключается шунт у А и
раскорачивается токовая обмотка W). Снять показания А , V , и W , измерить
число оборотов тахометром (n'), записать эти данные в табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерений
IП, А
IХХ, А
Uф, В
P0, кВт
6.Реверсировать двигатель, поменяв местами клеммы В и С сети.
n’, об./мин
7.По показаниям ваттметра, измеряющего мощность одной фазы трехфазного
симметричного приемника, каким является двигатель, определить активную
мощность, потребляемую из сети,
p= 3p0.
8. Вычислить значение коэффициента мощности двигателя, работающего в
режиме х.х.
cosφ =
p
3U Ф I Ф
.
9. По паспортным данным АД и результатам измерений определить:
а) скорость вращения магнитного поля статора (синхронную скорость)
n0 =
60 f
,
P
где f - частота питающей сети, Гц ( f = 50 Гц);
Р - число пар полюсов АД (для данного случая Р = 1);
б) скольжение в режиме пуска Sn (n = 0), холостого хода Sx (n = nх), а также
при номинальной нагрузке SH (n = nн)
S=
n0  n
100%;
n0
в) номинальный и пусковой моменты АД
M H  9,55
P2 H
М
 10 3 ( Н  м), П  1,7
ПН
МН
г) кратность пускового IП и номинального IH токов
KП 
IП
IН
10. Результаты вычислений свести в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов
P,
кВт
n0,об/мин
SП, %
SХ , %
SX, %
SUX, %
SH, %
MH, %
MП, %
KП, %
11. По данным, полученным в п. 10 б, построить зависимость скольжения от
числа оборотов ротора S = f (n').
12. Сделайте выводы о величине cosφ двигателя, работающего на холостом
ходу, об изменении скольжения, о способах запуска и регулирования числа
оборотов.
Контрольные вопросы и задания
1. Расскажите об устройстве АД с короткозамкнутым ротором.
2. Каковы особенности конструкции двигателя с фазным ротором?
3. Поясните принцип действия асинхронного двигателя.
4. Как запускаются асинхронные двигатели?
5. Что такое скольжение? Нарисуйте график зависимости
S = f(n").
6. Расскажите о способах регулирования числа оборотов АД.
7. Как осуществляется реверсирование АД?
8. Где применяются асинхронные двигатели? Расскажите о достоинствах и
недостатках АД.
9. Как определить направление ЭДС, наведенной в проводнике, перемещающемся в магнитном поле?
10. Расскажите о правиле левой руки.
11. Как выполняется лабораторная работа?
Лабораторная работа № 9
Исследование синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов
Цель работы: изучение конструкции синхронного двигателя с
возбуждением от постоянных магнитов и экспериментальное исследование
его электромеханических свойств.
Основные теоретические положения
В схемах автоматики, приборах и битовых устройствах малой мощности
наибольшее
распространение
получили
бесконтактные
синхронные
микродвигатели с постоянными магнитами.
Статор этих двигателей не отличается от статоров обычных трехфазных
асинхронных машин, его выполняют набранным из листовой электротехнической
стали. В пазах статора располагает трехфазную распределительную обмотку,
создающую вращающееся магнитное поле.
Ротор двигателей с постоянными магнитами состоит из двух основных
частей: а) постоянного магнита, создающего магнитный поток возбуждения
ротора и обеспечивающего возникновение электромагнитного момента в
синхронном режиме; б) короткозамкнутой обмотки типа "беличьей клетки",
уложенной в сердечник из электротехнической стали и обеспечивающей
возникновение электромагнитного момента в процессе асинхронного пуска (рис.
3,а).
Рис. 3. Устройство синхронного двигателя(й), угловая (б), механическая (в),
рабочие (г) характеристики
Рис. 4. Схема опыта по определению рабочих характеристик синхронного
двигателя
При включении синхронного двигателя в сеть токи обмотки статора
создают вращающееся магнитное поле, которое, пересекая стержни
короткозамкнутой пусковой обмотки ротора, наводят в них э.д.с. Под действием
этих э.д.с. в стержнях протекают токи, которые, взаимодействуя с создавшим их
вращающимся магнитным полем, обуславливают появление электромагнитного
вращающегося момента. Происходит асинхронный запуск двигателя. После
достижения ротором скорости, близкой к синхронной, ротор в результате
взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся полем втягивается в
синхронизм и вращается со скоростью вращающегося магнитного поля n1. При
этом под действием собственных тормозящих усилий (трение, момент инерции)
ротор отстает от вращающегося поля на небольшой угол θ, называемый углом
рассогласования (рис. 3,а).
С увеличением нагрузки на валу этот угол увеличивается до 90 - 110°.
Электромагнитный момент с ростом угла θ также растет и достигает Mmax при
значениях θ = 90 - 110° (рис. 3,б). При значениях тормозящего момента на валу,
превышающих Mmax, двигатель выпадает из синхронизма и быстро
останавливается. Быстрая остановка при МTOPM > Mmax объясняется тем, что с
увеличением угла θ(θ до 110°) полюса ротора настолько отстают от
вращающегося поля статора, что проходят своей серединой мимо середины
одноименных полюсов поля статора. В результате этого они получают сильный
толчок в сторону, противоположную направлению вращения ротора.
При выходе из синхронизма двигатель необходимо отключить от сети,
чтобы исключить перегрев статорной обмотки большими токами (пусковыми).
Механическая характеристика синхронного двигателя n = f(М) имеет вид
прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 3,в).
Информацию о рабочих свойствах синхронного двигателя и степени
пригодности к работе в электроустановках дают его рабочие характеристики. Они
представляют собой зависимости потребляемого тока I1 ,скорости вращения n,
потребляемой и отдаваемой мощности Р1 и Р2, коэффициента мощности cosφ и
к.п.д. ŋ от момента на валу М2 при постоянном напряжении U1 и частоте тока f1.
I1, n, Р1, Р2, cosφ, ŋ = f(M2) при U1 = const, f1 = const.
Примерный вид рабочих характеристик синхронного двигателя изображен не рис. 3,г.
Ток I1, потребляемый двигателем из сети при синхронном режиме, сначала падает с ростом
момента M2, а затем увеличивается.
Необходимый рост потребляемой мощности Р1 обеспечивается за счет роста
коэффициента мощности cosφ.
Мощность Р2 с ростом момента растет, максимум Р2 имеет место при M2 = Mmax.
С ростом моменте на валу двигателя равномерно повышается и потребляемая мощность
Р1 .
Наличие максимума у функциональной зависимости мощности на валу от момента
определяет также и максимум к.п.д. ŋ,. при этом максимумы указанных функций примерно
совпадают.
Для проведения опыта по определению рабочих характеристик синхронного двигателя
в условиях нашей лаборатории используются два однотипных микродвигателя, валы
которых соединены между собой. Один двигатель - испытуемый, а другой - используется в
качестве тормозного. Для этого на статорные обмотки последнего подается постоянный ток,
измеряемый амперметром A2. Регулируя величину тока реостатом R1, меняем тормозной
момент, приложенный к валу испытуемого двигателя (рис, 4). Тормозной двигатель работает
в режиме динамического торможения. Синхронная скорость ротора испытуемого двигателя
контролируется с помощью стробоскопа (неоновая лампа и диск с метками, укрепленный на
валу двигателя).
Порядок выполнения работы
1. Изучить конструкцию синхронного двигателя с постоянными магнитами и записать
его паспортные данные.
Таблица 4
Тип двигателя
Мощность двигателя
Напряжение питания
Скорость вращения
2. Собрать схему в соответствии с рис. 4 и после проверки преподавателем правильности
соединений пустить в ход синхронный двигатель.
3. Постепенно нагружать испытуемый двигатель, увеличивая ток в цепи тормоза до
выхода двигателя из синхронизма (изменять значение тока в цепи А2 от 0 до
2А реостатом R1).
Показания U1, I1, I2, P1 записать в табл.5 для 5-6 отсчетов. При этом
контролировать частоту вращения с помощью стробоскопа
f  60
,
P
n
где Р - число пар полюсов в обмотке двигателя ( Р = _);
f - частота тока питающей сети.
Для исследуемого двигателя n = 3000 об/мин.
Таблица 5
Результаты измерений и расчетов
Измеряется
№
п/п
Вычисляется
U1
I1
P1
n
I2
P
Pэл
Pдоб
P2
S
В
A
Вт
об/мин
А
Вт
Вт
Вт
Вт
,ВА
4. Вычислить для всех ступеней нагрузки:
а) подводимую к электродвигателю активную мощность Р
Р = 3Р1;
б) полезную мощность на валу Р2
Р2 = Р1 – (Рэл+ Рс + Рмех +Рдоб),
где Рэл = 3I12 r1 - потери в меди обмотки статора;
сosφ
М2
Нм
r1 - активное сопротивление фазной обмотки статора;
Рс - потери в стали двигателя (Рс = 2,2 Вт);
Рмех - механические потери на трение (Рмех =3,4 Вт;
Рдоб - добавочные потери;
Рдоб = 0,005 Р1;
в) коэффициент полезного действия ŋ
ŋ=
P2
;
P1
г) полезную мощность двигателя S
S = 3U1*I1;
д) коэффициент мощности двигателя
сosφ =
P1
;
S
е) вращающий момент двигателя М2
М2 =
P2
;
w
5. Построить рабочие характеристики.
6. Сделать выводы о результатах работы.
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите основные типы синхронных двигателей.
2. Расскажите об устройстве синхронного двигателя.
3. Расскажите о принципе действия синхронного двигателя.
4. Как осуществляется пуск синхронного двигателя?
5. Чем определяется угол между осью вращающегося магнитного поля статора и
осью постоянного магнита?
6. Поясните характер изменения рабочих характеристик синхронного двигателя.
7. Как определяется к.п.д. синхронного двигателя?
8. Что произойдет, если вследствие большого нагрузочного момента двигатель
выйдет из синхронизма?
9. Как контролируется частота вращения ротора
двигателя с помощью
стробоскопа?
10. Расскажите о порядке выполнения лабораторной работы.
Лабораторная работа № 10
Коэффициент полезного действия и коэффициент
мощности асинхронного двигателя
Цель работы: познакомиться с понятиями "коэффициент полезного действия" и
"коэффициент мощности" АД, определить характер изменения этих коэффициентов в зависимости от нагрузки и способы их увеличения.
Основные теоретические положения
Процесс преобразования электрической энергии в механическую сопровождается в асинхронном двигателе потерей определенной части энергии, которая, обращаясь в тепло, рассеивается отдельными частями машины. Потери в
АД рассмотрим при помощи энергетической диаграммы (рис. 5 а), записав
уравнение баланса активной мощности асинхронного двигателя:
P1 = 3U1I1 cosφ1 = Р1Э +Р1М + Р2Э + Р2М + РМХ + Р2 = ∆Р +Р2
где Pi - мощность, потребляемая АД из сети;
Р1Э и Р2Э - мощности электрических потерь в обмотках статора и ротора,
соответственно;
P1M и Р2М - мощности магнитных потерь в пакете магнитопровода статора
и ротора, (Р2м - очень малы);
Рмх - мощность механических потерь;
Р2 - полезная мощность на валу АД.
Мощность электрических потерь характеризует нагрев обмоток статора и
ротора. Мощность магнитных потерь определяется нагревом сердечников этих же
частей машины. Механические потери слагаются из потерь механической энергии
на трение в подшипниках и на вентиляцию машины. Для предотвращения
чрезмерного нагревания и выхода машины из строя потери, выделяющиеся в ней
в виде тепла, должны быть удалены во внешнюю среду с помощью системы
охлаждения.
Коэффициент полезного действия электрического двигателя, в том числе и
асинхронного, определяется отношением полезной мощности на валу Р 2 к
мощности P1 , потребляемой из сети
ŋ=
P2
P2
.

P1 P  P2
Значение P1 всегда больше Р2 , причем чем меньшую долю составляют
потери, тем ближе к.п.д. машины к единице.
Коэффициент полезного действия не постоянен, а меняется в зависимости от
нагрузки. Максимум КПД имеет место при равенстве переменных потерь,
зависящих от квадрата тока (электрические потери), и постоянных потерь, не
зависящих от нагрузки (потери в стали, механические и вентиляционные потери).
При расчете двигателей стремятся получить такое соотношение этих видов
потерь, чтобы КПД достигал максимума при нагрузке, несколько меньше
номинальной, т.к. большинство двигателей эксплуатируются с некоторой недогрузкой.
Коэффициент полезного действия достаточно высок в широком диапазоне
нагрузок (рис. 5 б). Для большинства современных АД КПД имеет значение
0,8÷0,9, а для мощных двигателей 0,9÷0,96.
Кроме активной мощности, асинхронный двигатель потребляет из сети еще и
реактивную, которая необходима для создания вращающего магнитного поля
машины. Соотношение между активной и реактивной мощностями АД
оценивают коэффициентом мощности, характеризующим степень использования
полной мощности, выработанной генераторами электрических станций
cosφ =
P1

S1
P1
P1  Q1
2
2

1
1  Q1 / P1
2
2
.
Этот коэффициент зависит от нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе
машины активная мощность АД мала (расходуется только на покрытие
незначительных механических потерь и потерь в статоре), а реактивная велика,
т.к. на двигатель подается номинальное напряжение. При этом возбуждается
вращающееся магнитное поле с максимальным потоком полюсов, практически
не отличающимся от потока при номинальной нагрузке. Коэффициент мощности
при холостом ходе, поэтому мал. Он равен 0,1÷0,2.
С возрастанием нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная
остается практически постоянной. Коэффициент мощности, поэтому растет и при
нагрузке, близкой к номинальной, достигает наибольшего значения 0,75÷0,95.
При дальнейшем росте нагрузки значительно увеличиваются магнитные потоки
рассеяния и cosφ вновь падает.
На рис. 5 б приведена типичная зависимость cosφ от относительной мощности
Р2/ Р2н- Так как асинхронные двигатели используются в народном хозяйстве
наиболее широко, рациональная эксплуатация их, исключающая работу с низким
коэффициентом мощности, приобретает важное значение для экономичного
электроснабжения предприятий.
В частности предусматриваются следующие мероприятия:
а) отключение АД, работающих длительно на холостом ходу;
б) загрузка двигателей до мощности, близкой к номинальной;
в) замена АД, загруженных до 45% от Р2Н, электродвигателями меньшей
мощности;
г) переключение статорной обмотки с треугольника на звезду. Такой спо соб используют, когда работа двигателя при полной нагрузке сочетается с ра ботой при Р2 < 0,5 Р2н.
В этом случае двигатель при номинальной нагрузке включается " ∆ ", а при
понижении нагрузки - переключается в ” Y ”. При этом уменьшается фазное
напряжение, а, следовательно, и реактивная мощность, потребляемая машиной. В
результате угол φ уменьшается, а cosφ возрастает;
д) установка батарей конденсаторов или синхронных машин, работающих в
перевозбужденном режиме, которые являются источниками реактивной
мощности и вырабатывают ее в месте установки асинхронных двигателей,
разгружая ЛЭП от реактивного тока.
Рис. 5. Диаграмма мощностей (а); Рэм - электромагнитная мощность
РМЕХ - механическая мощность; б) зависимости cosφ = f (КНД), ŋд = f (КНД).
Порядок выполнения работы
1.Собрать схему лабораторной установки (рис. 7), используя для определения напряжения, тока и мощности на стороне переменного тока измерительный комплект К-505 (К-50). Записать паспортные данные асинхронного двигателя и генератора постоянного тока.
Таблица 6
Паспортные данные двигателя и генератора
Тип двигателя
UН,
B
IН,
A
P2НД
,
кВт
nН,
об/мин
ŋ ,%
сosφ
Тип
генератора
UН,
B
IН,
A
P2НД,
кВт
nН,
об/мин
2. Поставить переключатель фаз комплекта в любое из трех положении "0",
отключив тем самым приборы на время запуска. Включить тумблеры нагрузки
генератора (Р2 , РНАГР) И тумблер цепи обмотки возбуждения Р1 .
3. После проверки преподавателем правильности сборки схемы подать
напряжение на асинхронный двигатель, включив кнопку "Пуск" силового ящика стенда.
4. После разгона двигателя поставить переключатель фаз измерительного
комплекта в положение "А", подключив тем самым измерительные приборы к
фазе А статорной обмотки АД.
5. Подключив тумблер P1 с помощью реостата, стоящего в цепи обмотки
возбуждения, выставить на зажимах генератора напряжение, соответствующее
номинальному.
6. Снять для этой ступени нагрузки на асинхронный двигатель (нагрузкой
является генератор, якорь которого вращает АД) показания амперметра (I1Д),
вольтметра (U1Д), ваттметра (Р1Д) на стороне переменного тока, а также вольтметра (U2г) и амперметра (I2г) - на стороне постоянного тока. Полученные
данные занести в табл. 7.
Таблица 7
Результаты измерений и расчетов
Измерено
№
п/п
Переменный ток
U1Д,В I1Д,A
Pфд,
Вт
Вычислено
Постоянный
ток
U2Г,
I2Г,
В
А
Генератор
P2Г,
Вт
KНГ
Асинхронный двигатель
ŋГ
P1Д,Вт
S Д,
сosφ
ВА
P2Д,
Вт
ŋД
7. Подключить тумблер Р2 и с помощью тумблера присоединить первый
резистор к обмотке якоря, увеличив тем самым нагрузку на генератор, а следовательно, и на асинхронный двигатель.
8. При помощи тумблера увеличивать нагрузку на АД. Для всех ступеней
нагрузки записать показания приборов в табл. 7.
9. Выключить в обратном порядке тумблеры и нажать кнопку "Стоп" си-
KНГ
лового ящика, отключив АД от сети. Показать полученные данные преподавателю.
10. Для каждой ступени нагрузки на АД определить:
а) активную мощность, потребляемую двигателем от сети:
Р1Д = 3РФД;
б) полную мощность, подводимую к АД:
SД=3U1I1;
в) коэффициент мощности асинхронного двигателя:
cosφ =
P1 Д
SД
;
г) полезную мощность, отдаваемую генератором постоянного тока на на
грузку:
P2г = U2г I2г;
д) коэффициент нагрузки генератора, используя соотношение
КНГ =
P2 Г
,
P2 ГН
где Р2гн - номинальная мощность генератора (по паспорту);
е) значение КПД генератора ŋг по найденной величине Кнг с использованием
зависимости ŋг = f(Кнг), показанной на рис. 6;
ж) мощность P1Г, подводимую к генератору постоянного тока, которая равна
полезной мощности на валу электродвигателя Р2Д
P1Г 
Р2 Г
Г
; Р2Д = P1Г
з) КПД двигателя по известным значениям Р1Д и Р2Д
ŋД =
Р2 Д
Р1 Д
;
и) Коэффициент нагрузки АД
КНД =
Р2 Д
Р2 НД
,
где Р2нд - номинальная мощность асинхронного двигателя (по паспорту).
11. По полученным данным построить в масштабе зависимости коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от коэффициента нагрузки
асинхронного двигателя:
ŋд = f (КНД); cosφ = f (КНД).
12. Сделать выводы о характере изменения ŋ и cosφ в зависимости от
нагрузки на АД.
Контрольные вопросы и задания
1. Нарисуйте энергетическую диаграмму асинхронного двигателя.
2. Запишите уравнение баланса активной мощности АД.
3. Что такое коэффициент полезного действия электрического двигателя? Как
он зависит от нагрузки?
4. Как определяется коэффициент мощности АД? Постройте график изменения cosφ в зависимости от нагрузки на двигатель.
5. Почему при работе асинхронного двигателя в режиме холостого хода cosφ
мал?
6. Перечислите основные мероприятия, направленные на повышение коэффициента мощности.
7. Расскажите о том, как выполняется лабораторная работа.
8. Расскажите о двигателе, который изучается в данной работе.
Лабораторная работа №11
Испытание генератора постоянного тока параллельного возбуждения
Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия
генератора постоянного тока параллельного возбуждения; экспериментальное
получение и построение характеристики холостого хода и внешней
характеристики генератора.
Основные теоретические положения
Генератор состоит из двух основных частей: неподвижного статора,
предназначенного для создания основного магнитного поля машины, и вращающегося якоря, где происходит процесс преобразования механической
энергии в электрическую.
Основой статора является станина - полый цилиндр, отлитый из чугуна или
стали (рис. 8). К внутренней поверхности станины болтами крепятся сердечники
главных полюсов. На сердечники надеты катушки из изолированной медной
проволоки, соединенные электрически между собой и составляющие обмотку
возбуждения. Якорь представляет собой стальной цилиндр, набранный из листов
электротехнической стали и надетый на вал генератора. На наружной
поверхности якоря имеются пазы, в которых размещается обмотка якоря,
присоединенная к коллектору. Коллектор вместе с прижимаемыми к нему
неподвижными медно-графитовыми щетками выполняет роль механического
выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную
ЭДС на щетках, с которыми связана внешняя цепь нагрузки.
В исследуемом генераторе обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены
параллельно. Поэтому такой генератор иногда называется генератором с
самовозбуждением, поскольку наводимая в обмотке якоря ЭДС вызывает ток в
обмотке возбуждения.
При прохождении постоянного тока по обмотке возбуждения создается
(возбуждается) основное постоянное магнитное поле, характеризуемое магнитным потоком ф. При приведении якоря во вращение с частотой п привода его
обмотки будут вращаться (перемещаться) в созданном магнитном поле то под
северным N , то под южным S полюсом, вследствие чего в обмотке якоря будет
наводиться переменная ЭДС, которая при помощи коллектора и щеток выпрямляется:
Е = Ce * n * ф,
где Се - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров
генератора;
Из формулы (1) следует, что величина ЭДС Е, наводимая в обмотке якоря,
зависит от величины магнитного потока ф главных полюсов, который в свою
очередь пропорционален току обмотки возбуждения I . Зависимость E=f(IВ),
снятая при отключенной внешней цепи генератора (ток нагрузки 1=0) и при
постоянной частоте вращения якоря (n = const), называется характеристикой
холостого хода (сокращенно - х.х.х.) и имеет вид, показанный на рис.9.
Даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения (Iв = 0) во вращающейся
обмотке якоря наводится небольшая по величине начальная ЭДС EOCT за счет
наличия остаточного магнитного поля в стали магнитной системы генератора.
Затем, пока нет магнитного насыщения стали магнитопровода, ЭДС Е якоря
возрастает почти прямо пропорционально с увеличением тока возбуждения 1в, но
по мере насыщения стали ее рост замедляется. Кривая зависимости Е = f(IВ),
соответствующая возрастающему току возбуждения, лежит ниже кривой для
убывающего тока. Это объясняется явлением гистерезиса магнитной
системы генератора, имеющей стальной магнитопровод. За практическую х.х.х.
может быть принята линия, показанная на рисунке пунктиром. Характеристика
холостого хода имеет такой же вид, что и кривая намагниченной стали, и позволяет судить о магнитных свойствах генератора. Обычно рабочая точка генератора лежит на колене (перегибе) кривой х.х.х. В этом случае при небольшом
колебании величины номинального тока возбуждения 1в из-за каких-либо причин
напряжение генератора изменяется незначительно.
Для электрической цепи (рис.11), содержащей обмотку якоря и нагрузку
генератора RH может быть записано следующее уравнение электрического состояния, вытекающее из 2-го закона Кирхгофа:
U = E – Iя* Rя = Е – (I + IB)*Rя,
где I - ток внешней цепи или нагрузки;
IB - ток возбуждения (обычно составляет несколько процентов от тока
якоря);
Iя - ток якоря;
Rя - сопротивление цепи якоря;
U=I*RH - напряжение на зажимах генератора или на нагрузке.
Уравнение (2) позволяет нам провести анализ одной из важнейших характеристик генератора - внешней характеристики (рис. 10), которая представляет
собой зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока нагрузки I, т.е. U
= f (I), при условии постоянства сопротивления цепи обмотки возбуждения (RB =
RaB ÷ RRB=соnst) и частоты вращения якоря (n=const).
Присоединение к генератору нагрузки вызывает заметное увеличение тока
якоря 1я — I + 1в? который возбуждает сам соответствующее магнитное поле
якоря. Последнее влияет на основное магнитное поле главных полюсов и вызывает ослабление его воздействия на обмотку якоря, в результате чего ЭДС Е
генератора уменьшается (1), что снижает и величину напряжения U (2).
При возрастании тока нагрузки I, а следовательно, и тока якоря 1я, увеличивается величина падения напряжения в цепи обмотки якоря 1я^я> что также
приводит к дополнительному снижению напряжения генератора U (2).
Уменьшение напряжения U на зажимах генератора от указанных выше двух
причин вызывает, в свою очередь, снижение тока возбуждения IB = U: RB в
параллельно присоединенной цепи обмотки возбуждения. Снижение тока Iв
приводит к уменьшению величины магнитного потока ф главных полюсов, а,
следовательно, и к уменьшению наводимой ЭДС Е (1), что еще больше снижает
величину напряжения U.
Таким образом, увеличение тока нагрузки I генератора параллельного
возбуждения сопровождается заметным снижением напряжения U на его
зажимах. Поэтому такой генератор можно нагружать током до известного предела, до так называемого критического тока нагрузки IКР (рис. 10). Дальнейшее
уменьшение сопротивления внешней цепи RH вызывает быстрое снижение напряжения U вплоть до нуля и установление в цепи нагрузки тока короткого
замыкания I кз = EOCT : Rя.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с устройством генератора и записать его паспортные
данные.
2. Собрать схему для испытания генератора, изображенную на рис.11, и
предъявить ее для проверки преподавателю.
3. Разомкнув предварительно выключатели P1 и Р2, включить в работу
выключателем АВ асинхронный электродвигатель, который подает механическую мощность на генератор и приводит якорь во вращение с постоянной скоростью.
4.Снять характеристику холостого хода генератора Е = f (IВ) для чего:
а) при разомкнутых выключателях Р, и Р2 записать в табл. 8 значение
тока возбуждения IВ (показание амперметра А1 и значение ЭДС ЕОСт (пока зание вольтметра V);
б) замкнуть выключателем Р1, цепь обмотки возбуждения ОВ и, пере мещая ручку регулирующего реостата RPB, ступенями только увеличивать ток
возбуждения IВ от нуля до наибольшего значения IВ max, при котором на пряжение на зажимах генератора достигнет величины U0 = 1,2UH. Записать в
табл. 8 6-8 значений тока Iв и соответствующие им величины ЭДС Е;
в) не производя переключений в схеме, с помощью реостата RPB только
уменьшать ток возбуждения Iв от значения Iв МАХ ДО нуля (разомкнуть выключатель Pi). Также записать в табл. 8 6-8 значений тока 1в и ЭДС Е, соответствующие уже размагничиванию магнитной системы генератора;
Таблица 8
I = 0; n = const
1
2
3
4
5
6
7
8
IB, A от 0 до IB
MAX
Е, В
IB, A от 0 до IB
MAX
Е, В
г) по полученным данным (табл. 8) в масштабе построить характеристику
холостого хода генератора (см. рис. 9).
6. Снять внешнюю характеристику генератора U = f (I), для чего:
а) не отключая установку при замкнутом выключателе P1 установить с
помощью реостата RPB такой ток возбуждения Iв, чтобы напряжение на за
жимах генератора стало U0 = 1,2UH при I = 0, и записать показания ампер
метра А2 и вольтметра V в табл. 9.
В дальнейшем
р е о с т а т не т р о г а т ь !
б) замкнуть выключателем Р2 цепь нагрузки генератора и, уменьшая
ступенями величину сопротивления нагрузки RH, увеличивать ток нагрузки I
от нуля до Iн. Снять и записать в табл. 9 6-8 значений тока I и напряжения U.
Таблица 9
RB = const; n = const
I, A
U, B
P, Bт
в) по данным (табл. 9) построить в масштабе внешнюю характеристику
генератора (см. рис. 10);
г) рассчитать величину электрической мощности Р, отдаваемой генера
тором нагрузке, и записать ее значения в табл. 9.
7) По результатам работы сделать выводы:
а) о полученной характеристике холостого хода генератора;
б) о внешней характеристике генератора.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие электрические машины называются генераторами?
2. Каково устройство и назначение основных частей генератора постоянного
тока?
3. От чего зависит величина ЭДС генератора постоянного тока?
4. Что называется характеристикой холостого хода генератора и как она
снимается?
5. Объясните возникновение ЭДС EOCT В генераторе при отключенной
обмотке возбуждения?
6. Каково назначение регулировочного реостата RPB В цепи обмотки
возбуждения генератора?
7. Как и почему влияет на величину ЭДС генератора ток обмотки
возбуждения?
8. Объясните причины снижения напряжения на зажимах генератора при
увеличении тока нагрузки?
9. Почему с увеличением тока нагрузки уменьшается ток обмотки возбуждения генератора?
10. Почему исследуемый генератор называется генератором параллельного
возбуждения или самовозбуждением?
11. Как можно определить величину сопротивления нагрузки RH?
12. Расскажите об электрической схеме лабораторной установки.
Лабораторная работа №12
Испытание схемы управления и защиты электродвигателя
Цель работы: изучить устройство и работу схемы управления и защиты
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; произвести испытание
магнитного пускателя и теплового реле.
Основные теоретические положения
Наиболее распространенной схемой управления асинхронным двигателем с
короткозамкнутым ротором является схема с магнитным пускателем,
применяемым в установках 3-фазного тока напряжением до 500 В.
Магнитный пускатель - электромагнитный аппарат, позволяющий осуществлять пуск в ход, остановку, защиту двигателя при перегрузке и снижении
напряжения. Состоит магнитный пускатель из 2 реле: электромагнитного и теплового.
Конструкция магнитного реле показана на рис. 12, а
При протекании по катушке (2) тока создается магнитный поток, благодаря
которому якорь (3) притягивается к сердечнику катушки (1), и контакты реле (5)
замыкаются.
Тепловое реле предназначено для защиты, т.е. отключения, двигателя при
длительных перегрузках.
Устройство теплового реле показано на рис. 12, б.
Нагревательный элемент теплового реле включается последовательно с
обмоткой двигателя в силовую цепь. При перегрузке двигателя по его обмоткам, а
значит, и по нагревательному элементу начинает протекать ток больше
номинального, что приводит к большому выделению тепла. Расположенная рядом
с нагревательным элементом (1) биметаллическая пластина (2), представляющая
собой сплав двух металлов с различным тепловыми коэффициентами удлинения,
при нагревании изгибается и рычаг (3) и тягу (4) размыкает контакты (5),
разрывая тем самым цепь намагничивающей катушки электромагнитного реле.
Кнопка (6) (самовозврата) служит для возврата системы после остывания в
рабочее состояние.
Тепловое реле срабатывает при длительных перегрузках и не реагирует на
значительные, но кратковременные превышения тока в защищаемой цепи,
которые не представляют опасности для целостности электродвигателя.
Принципиальная схема управления двигателем с помощью магнитного
пускателя представлена на рис. 13.
Схема состоит из двух цепей: силовой (1) и цепи управления (И).
В силовую цепь входят главные контакты электромагнитного реле КМ 1.1,
КМ 1.2, КМ 1.3 и нагревательные элементы тепловых реле КК1 и КК2. По этой цепи
трехфазный ток подается в обмотки статора двигателя.
В цепь управления включены кнопки "Пуск" и "Стоп", обозначенные на
схеме соответственно SB2 и SB1 , катушка электромагнитного реле КМ1, блокконтакт КМ 1.4 для шунтирования кнопки SB2 и контакты тепловых реле КК1.1 и
КК1.2.
Рис. 12. Конструкции реле:
а - электромагнитное: 1 - магнитопровод; 2 - катушка; 3 - якорь;
4 - пружина; 5 - контакты;
б - тепловое: 1 - нагревательный элемент; 2 - биметаллическая
пластина; 3 - рычаг; 4 - тяга; 5 - контакты
Рис. 13. Принципиальная схема управления двигателем с помощью
магнитного пускателя: I - силовая цепь; II - цепь управления
Для запуска двигателей нажимают кнопку управления. По катушке КМ1
проходит ток, срабатывает электромагнитное реле, главные контакты КМ 1.1,
КМ1.2, КМ1.3 замыкаются, ток из сети поступает к двигателю, и он начинает
работать. Одновременно замыкается блок-контакт КМ 1.4, что позволяет не держать кнопку SB2 в нажатом состоянии.
Для отключения двигателя достаточно нажать кнопку SB1. При этом
размыкается цепь питания катушки КМ1 и главные контакты КМ 1.1, КМ 1.2,
КМ1.3 размыкают силовую цепь.
В случае перегрузки электродвигателя срабатывают тепловые реле, цепь
управления размыкается с помощью размыкающих контактов тепловых реле, и
двигатель отключается.
При уменьшении напряжения в сети до определенного значения примерно до
80% от нормального, уменьшается соответственно ток в цепи управления,
уменьшается магнитное поле, притягивающее якорь, последний отпадает,
главные контакты размыкаются, отключая тем самым двигатель.
Плавкие предохранители FU защищают сеть от коротких замыканий в
двигателе.
Порядок выполнения работы
1. Изучить конструкцию магнитного пускателя.
2. Подключить измерительные приборы и реостат в схему магнитного
пускателя, собранного на стенде.
3. После разрешения преподавателя включить рубильник (1).
4. Нажать на кнопку "Пуск" (SB2) и, удерживая ее рукой, постепенно увеличить напряжение, подводимое к цепи управления при помощи потенциометра
R . Установить по вольтметру, при каком напряжении произойдет включение
двигателя, т.е. определить напряжение включения якоря.
5. Уменьшая с помощью потенциометра напряжение, определить напряжение
отпадания якоря и отключения двигателя.
6. Увеличивая нагрузку двигателя с помощью тормоза, определить ток, при
котором срабатывает тепловое реле. Измерить время срабатывания, т.е. интервал
времени от начала торможения до полного отключения двигателя.
7. Все измеренные величины занести в табл. 10.
8. Сделать выводы о работе магнитного пускателя.
Таблица 10
Результаты измерений
Испытания электромагнитного реле пускателя
Напряжение
притяжения якоря, В
Напряжение отпадания
якоря, В
Испытания теплового реле пускателя
Ток срабатывания,
А
Время
срабатывания, А
Контрольные вопросы и задания
1. Расскажите об устройстве магнитного пускателя.
2. Для чего предназначен магнитный пускатель?
3. Из каких элементов состоит и как работает электромагнитное реле
пускателя?
4. Объясните устройство теплового реле пускателя. Как оно работает?
5. Для чего предназначены: блокировочный контакт, главные контакты?
6. Из каких элементов состоит цепь управления АД?
7. Какие элементы включаются в силовую цепь?
8. Для чего в схему включены предохранители?
9. Расскажите о работе схемы управления:
а) при запуске асинхронного двигателя?
б) при остановке АД, в т.ч. и при остановке от перегрузки.
10. Как выполняется лабораторная работа?
Литература
1.Электротехника /Под ред. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1985.
2.ГОСТ 11828-75. Машины электрические вращающиеся. Общие методы
испытаний.
3.Методические указания к лабораторным работам по курсу "Общая
электротехника" /Сост. Г.С. Селезнев, И.М. Эршон, В.В. Кононенко и др. - Ростов
на/Д: РИСИ, 1972.
4.Методические указания к лабораторным работам по электротехнике /
В.В.Кононенко, В.Е. Столярчук, В.И. Мишкович и др. - Ростов н/Д: РИСИ, 1982.
Ч. 2.
5.Кононенко В.В., Чеголин П.М., Муханов В.В. и др. Электротехника и
электроника: Учебное пособие. - Ростов н/Д: "Феникс", 2004.