Файл: Электротехника и электроника Лабораторный практикум Часть 2-1 Новаш Розум.doc

По данным опыта короткого замыкания вычисляются:

, , .

Данные сопротивления заменяют собой обе обмотки трансформатора. Чтобы разделить сопротивления обмоток, учитывают, что реальные сопротивления обмоток с разными номинальными напряжениями и токами имеют различные значения, но потери мощности в них и относительные потери напряжения (отнесенные к номинальным величинам) примерно одинаковы. Следовательно, по значимости, оцениваемой потерями мощности и относительными потерями напряжения, обе обмотки равноценны. Эти обстоятельства позволяют приравнять сопротивления одной (обычно первичной) обмотки к приведенным сопротивлениям другой (обычно вторичной) обмотки:

; ; .

Кроме сопротивлений приводятся также напряжения, ЭДС и токи:

; ; .

С учетом приведения сопротивления обмоток равны

; ; .

По рассчитанным параметрам строится схема замещения трансформатора (см. рис. 1.2). Так как для расчета схемы замещения использованы данные опытов холостого хода и короткого замыкания, то потери мощности в этих опытах, ток холостого хода (в процентах от номинального тока первичной обмотки) и напряжение короткого замыкания являются обязательными паспортными данными каждого трансформатора.

Эксплуатационные характеристики трансформатора строят в функции от коэффициента нагрузки. По паспортным данным расчет зависимости вторичного напряжения , коэффициента мощности , КПД  от тока нагрузки I₂ или коэффициента нагрузки выполняют по следующим формулам:

1) ,

где активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания равны

; ;

₂ – угол сдвига фаз между напряжением и током приемника;

2) ;

;

,

где S_ном  полная номинальная мощность;

3) .

Типичный вид этих характеристик приведен на рис. 1.3. КПД имеет наибольшее значение при равенстве постоянных Р_х и переменных ²P_к потерь:

.

Характеристики трансформаторов небольшой мощности, имеющих обычно низкий КПД, можно получить методом непосредственной нагрузки (рис. 1.4), что и предполагается в данной работе. Измерительные приборы в цепях первичной и вторичной обмоток позволяют измерить напряжения, токи, мощности, затем рассчитать коэффициент мощности и КПД (при активной нагрузке ).

Предварительное задание к эксперименту

По паспортным данным трансформатора (табл. 1.1) определить коэффициент трансформации n, номинальные токи первичной и вторичной обмоток I_1ном и I_2ном, их активные R₁, R₂ и реактивные X₁, Х₂ сопротивления, сопротивления холостого хода R_х, Х_x, а также коэффициент нагрузки , при котором КПД трансформатора максимален. Результаты расчета записать в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.1

Данные	S, ВА	U1, В	U2, В	Рx, Вт	Рк, Вт	uк, %	ix, %
Паспортные	1000	220	127	25	30	3,5	20
Опытные	1000	220

---

Т а б л и ц а 1.2

n

I1ном, А

I2ном, А

R1, Ом

X1, Ом

R2, Ом

X2, Ом

Rх, Ом

Хx, Ом

 = (из табл. 1.3)

U2, В



cos1

Начертить Т-образную схему замещения трансформатора, записать возле каждого элемента значение сопротивлений.

2. Для заданного вариантом в табл. 1.3 значения  рассчитать U₂ ,  , cos₁ при активной нагрузке трансформатора (₂ = 0), результаты записать в табл. 1.2. При расчете U₂ значение U_2х принять равным 130 В.

Т а б л и ц а 1.3

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
 = I2/I2ном	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0

Порядок проведения эксперимента

1. Ознакомиться с приборами и аппаратами лабораторной установки. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 1.4 для испытания трансформатора. Установить регулятор автотрансформатора AT в нулевое (крайнее левое) положение, отключить выключатель В_к.

Рис. 1.4

2. После проверки цепи руководителем установить на зажимах первичной обмотки номинальное напряжение U_1ном = 220 В и записать показания приборов в табл. 1.4 при холостом ходе трансформатора.

Т а б л и ц а 1.4

Опыты	Измерено					Вычислено
	U1, В	I1, А	Р1, Вт	U2, В	I2, А		cos1	
ХХ
1
2
3
4
5
КЗ

3. Подключить нагрузку R_н трансформатора и, поддерживая
U₁ = U_1ном = const, изменять вторичный ток до значения I_2ном. Результаты пяти опытов записать в табл. 1.4. Один из опытов выполнить для , заданного вариантом табл. 1.3.

4. Установить регулятор автотрансформатора в нулевое положение, включить выключатель В_к и выполнить опыт короткого замыкания, для чего к первичной обмотке подать пониженное напряжение U_1к, при котором I_1к = I_1ном. Показания приборов записать в табл. 1.4.

5. По опытным данным определить коэффициент трансформации п, процентное значение тока холостого хода i_х, %, потери в стали и обмотках трансформатора, напряжение короткого замыкания u_к, %. Сравнить полученные значения с номинальными (см. табл. 1.1).

6. Рассчитать для проведенных опытов коэффициент мощности и КПД трансформатора, результаты записать в табл. 1.4.

7. Построить в общей системе координат характеристики U₂(), cos₁() и () при U₁ = const и cos₂ = 1. Здесь же показать расчетные точки предварительного задания (см. табл. 1.2).

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Полный расчет предварительного задания к эксперименту, вклю-чая табл. 1.1, 1.2 и схему замещения трансформатора.

3. Схема цепи для испытаний трансформатора.

4. Таблица измерений и вычислений 1.4.

5. Графики зависимостей U₂(), cos₁() и ().

6. Анализ результатов и выводы.

---

Контрольные вопросы

1. Объясните устройство и принцип действия однофазного транс-сформатора.

2. От чего зависят ЭДС обмоток трансформатора?

3. Для какой цели в трансформаторе используют стальной сердечник? Как он влияет на ток холостого хода?

4. Как определяется коэффициент трансформации?

5. Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и от чего они зависят?

6. Как выполняют опыты XX и КЗ? Каково их назначение?

7. Что называют схемой замещения трансформатора и как определить ее параметры?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО

ДВИГАТЕЛЯ С короткозамкнутым ротором

Цель работы: изучение устройства и принципа действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; освоение расчета основных электрических и механических величин; снятие и анализ рабочих характеристик двигателя.

Общие сведения

Асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором – наиболее распространенный в народном хозяйстве тип электрического двигателя. Он имеет простую конструкцию, сравнительно недорог, надежен и удобен в эксплуатации. АД преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, отдаваемую посредством вала рабочей машине. Основными частями АД являются неподвижный статор и вращающийся ротор, разделенные воздушным зазором (0,25…1 мм).

Статор состоит из литого корпуса (стального, чугунного или алюминиевого), внутрь которого вмонтирован сердечник статора – полый цилиндр, набранный из отдельных пластин (колец) электротехнической стали, толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируют друг от друга. Сердечник статора имеет пазы, в которые помещена трехфазная обмотка из медного или алюминиевого изолированного провода. Фазы обмотки (А, В, С) смещены друг относительно друга по окружности статора на 120 и могут соединяться звездой или треугольником (в зависимости от номинального напряжения фаз обмотки и питающей сети).

Ротор представляет собой цилиндр, собранный из тонких изолированных дисков электротехнической стали, насаженный и закрепленный на валу. В дисках выштампованы пазы, в которые закладывают медные или заливают алюминиевые стержни обмотки, соединяемые по торцам накоротко кольцами из того же материала. Полу-ченная таким образом короткозамкнутая обмотка ротора напоминает по конфигурации «беличье колесо» (ее часто так называют).

Работа АД основана на способности трехфазной системы токов, протекающей по трем катушкам, оси которых смещены в пространстве на 120°, возбуждать вращающееся магнитное поле.

Подобные условия созданы в статоре АД, подключенном к трехфазной сети (рис. 2.1, а).

а б

Рис. 2.1

Протекание в фазах обмотки статора трех синусоидальных токов, сдвинутых во времени на 1/3 периода, возбуждает в АД магнитное поле, бегущее вдоль окружности статора (вращающееся) с постоянной скоростью. Число магнитных полюсов вращающегося поля зависит от конструкции обмотки статора (числа катушек в фазе обмотки). При выполнении каждой фазы в виде одной катушки, вращающееся поле будет двухполюсным (число пар полюсов р = 1). Для получения вращающегося поля с р парами полюсов окружность статора разбивают на р частей и на каждой из них размещают три катушки разных фаз. В этом случае одна пара полюсов образуется на каждой части окружности, занятой тремя катушками, поле в целом имеет p пар полюсов, каждая фаза обмотки состоит из р последовательно соединенных катушек.

---

Направление вращения поля совпадает с направлением чередования токов по фазам обмотки. Для изменения направления вращения достаточно переключить (поменять местами) провода, подающие токи в любые две фазы обмотки.

Частота вращения магнитного поля, называемая синхронной, вы-ражается формулой

где f₁ – частота питающего тока, Гц;

р – число пар полюсов статора.

При промышленной частоте тока f₁ = 50 Гц синхронная частота вращения определяется числом пар полюсов:

p	1	2	3	4	5	6
n1, мин–1	3000	1500	1000	750	600	500

Принцип действия АД. В обмотку статора от трехфазной сети подается трехфазная система токов, возбуждающая вращающееся магнитное поле. Магнитные линии вращающегося поля пересекают обмотки статора и ротора и по закону электромагнитной индукции индуктируют в них синусоидальные ЭДС Е₁ и Е₂. ЭДС Е₁ уравновешивает основную часть напряжения питающей сети U₁, а Е₂ вызывает в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора токи I₂. Взаимодействие токов ротора и вращающегося магнитного поля создает электромагнитный вращающий момент M, приводящий ротор в движение в направлении вращения поля. Частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n₁, так как ЭДС Е₂, ток I₂ и момент М появляются только при условии перемещения магнитного поля относительно ротора, т.е. при n  n_1.В связи c этим рассматриваемый двигатель называют асинхронным.

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ро-тора называют скольжением:

. (2.1)

При холостом ходе двигателя частота вращения ротора n близка к частоте вращения магнитного поля n₁ и S  0, с увеличением нагрузки на валу скольжение возрастает (п уменьшается), при номинальной нагрузке S_ном = 0,02...0,08 (малые значения относятся к мощным двигателям). В момент пуска п = 0 и S = 1.

Скольжение играет важную роль в теории АД. Частота вращения ротора n выражается через S формулой, вытекающей из (2.1):

.

При неизменных частоте и напряжении питающей сети вращаю-щий момент М однозначно определяется скольжением. График зависимости М(S) показан на рис. 2.1, б. Наибольшему вращающему моменту М_max соответствует критическое скольжение S_к, которое делит график М(S) на два участка: устойчивой работы и неустойчивой работы . На устойчивом участке двигатель автоматически развивает вращающий момент М, равный моменту сопротивления М_с рабочей машины. При возрастании М_с скольжение S и вращающий момент М будут увеличиваться до тех пор, пока не наступит новое равновесие М = М_с. При уменьшении М_с скольжение S и вращающий момент М соответственно уменьшаются. Это свойство АД называют саморегулированием вращающего момента.

На неустойчивом участке M(S) двигатель, не обладая свойством саморегулирования, работает кратковременно и, как правило, в условиях неравенства моментов М и М_с. При этом, если М > М_с, двигатель увеличивает скорость (уменьшает S) и переходит на устойчивый участок (таков процесс пуска АД), если же М  M_с, скорость АД уменьшается до полной остановки.

---

В установившемся режиме вращающий момент М (Нм), механическая мощность на валу Р (Вт) и частота вращения n (мин^–1) связаны соотношением

.

Момент и мощность на валу, которые двигатель может длительно развивать, не перегреваясь сверх допустимой температуры, называют номинальными (М_ном, Р_ном).

Номинальный режим характеризуют также номинальная частота вращения n_ном, номинальный КПД , номинальный коэффициент мощности , номинальное линейное напряжение сети U_ном, номинальный линейный ток:

.

При кратковременных перегрузках (М_с  М_ном) АД работает устойчиво при условии, что наибольший момент сопротивления рабочей машины М_с.max не превышает М_max АД. Отношение называют перегрузочной способностью АД. K_м приводится в каталогах (K = 1,8...2,5) и используется для вычисления М_max:

.

Пусковые свойства АД характеризуют пусковой момент М_п и пус-ковой ток I_п в начальный момент пуcка (при n = 0, S = 1). Для короткозамкнутых АД М_п = (1…1,5) М_ном, I_п = (5…7) I_ном. Пусковой момент должен быть достаточным, чтобы преодолеть М_с рабочей машины и обеспечить быстрый (в течение нескольких секунд) разгон до рабочей скорости. Начальный пусковой ток по мере разгона АД быстро уменьшается и поэтому не опасен для двигателя. Зависимость M(S) приближенно выражается упрощенной формулой Клосса:

,

где критическое скольжение

.

Рабочие характеристики отражают эксплуатационные свойства АД и представляют зависимости величин n, М, I₁, , cos от мощности на валу Р. Выразив эти величины в относительных единицах (n_ = n/n₁, М_ = М/М_ном, I_1 = I₁/I_1ном, Р_ = Р/Р_ном), можно построить рабочие характеристики в общей системе координат (рис. 2.2).

Рис. 2.2

В данной работе в качестве короткозамкнутого используется АД с фазным ротором, обмотка которого замыкается накоротко. Нагрузку на валу АД создает генератор постоянного тока, работающий на регулируемый нагрузочный резистор.

Предварительное задание к эксперименту

Для трехфазного асинхронного двигателя заданы следующие номи-нальные величины: мощность на валу P_ном = 750 Вт; частота вращения ротора n_ном = 900 мин^–1; коэффициент мощности cos_ном = 0,7; КПД _ном = 0,7; а также перегрузочная способность, K_м = М_max/М_ном =
= 2,0 и зависимость , где .

Необходимо определить:

1. Синхронную частоту вращения n₁ (при частоте питающего тока f₁ = 50 Гц) и число пар полюсов р вращающегося магнитного поля.

2. Номинальную мощность Р_1ном, потребляемую двигателем, и номинальный ток I_1ном (линейное напряжение сети U_л = 220 В).

3. Номинальный М_ном и максимальный М_max моменты на валу, номинальное S_ном и критическое S_К скольжение.

4. Для режима со скольжением S, заданным по вариантам из табл. 2.1, определить частоту вращения ротора n, момент М (по формуле Клосса), мощность на валу Р, потребляемую мощность
P₁ = Р/.

Т а б л и ц а 2.1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
Скольжение	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,11	0,12

---