Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра электротехники и электроники ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Лабораторный практикум для студентов неэлектротехнических специальностей Часть 2 М и н с к 2 0 0 8 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра электротехники и электроники ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Лабораторный практикум для студентов неэлектротехничеcких специальностей В 3 частях Ч а с т ь 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ М и н с к 2 0 0 8 УДК [621.3+621.38](076.32) ББК 31.2я7 Э 45 С о с т а в и т е л и : И.В. Новаш, Т.Т. Розум, С.В. Домников, М.И. Полуянов, Р.Р. Мороз, Г.В. Згаевская, В.А. Устимович, Г.А. Михальцевич, Л.И. Новикова, Е.С. Счастная П о д р е д а к ц и е й Ю.А. Куварзина и Ю.В. Бладыко Р е ц е н з е н т ы : А.А. Мазуренко, Л.И. Сончик Э 45 Электротехника и электроника: лабораторный практикум для студен- тов неэлектротехнических специальностей. В 3 ч. Ч. 2. Электрические машины и аппараты / Сост.: И.В. Новаш [и др.]; под ред. Ю.А. Кувар- зина, Ю.В. Бладыко. – Минск: БНТУ, 2008. – 100 с. ISBN 978-985-479-709-0 (Ч.2). Настоящий лабораторный практикум предназначен для студентов не- электротехнических специальностей при выполнении лабораторных ра- бот по курсам «Электротехника», «Электротехника и основы электрони- ки», «Электротехника, электрические машины и аппараты» и включает 10 работ по разделам: «Трансформаторы», «Асинхронные машины», «Ма- шины постоянного тока», «Синхронные машины», «Электропривод». Каждая лабораторная работа содержит общие сведения, предвари- тельное задание к эксперименту, порядок выполнения работы, указа- ния о содержании отчета, контрольные вопросы. Расчет предварительного задания к эксперименту должен произ- водиться в период подготовки к занятиям; полученные результаты проверяются опытным путем в процессе выполнения работы. Лабораторные работы, вошедшие в настоящий практикум, подго- товили: Полуянов М.И., Счастная Е.С. – 2.1; Домников С.В. – 2.2.; Розум Т.Т. – 2.3, 2.8, 2.9; Михальцевич Г.А. – 2.4; Мороз Р.Р. – 2.5; Згаев- ская Г.В., Новикова Л.И. – 2.6; Устимович В.А. – 2.7; Новаш И.В. – 2.10. При подготовке некоторых лабораторных работ были использова- ны труды В.С. Лившица, являющегося разработчиком универсального стенда по электрическим машинам. Часть 1 данного издания «Электрические цепи» вышла в свет в БНТУ в 2008 году. ISBN 978-985-479-709-0 (Ч. 2) ISBN 978-985-479-304-7  БНТУ, 2008 ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ 1. К работе в лаборатории студенты допускаются только после инструктажа по технике безопасности. 2. Каждый студент должен подготовиться к занятию по данно- му учебному изданию и рекомендуемой литературе: выполнить предварительный расчет к эксперименту, начертить необходимые схемы, графики и таблицы. Не подготовившиеся студенты к заняти- ям не допускаются. 3. Перед сборкой электрической цепи необходимо убедиться в отсутствии напряжения на элементах цепи. 4. Сборку цепи следует начинать от зажимов источника, преж- де всего собрать цепи тока, а затем – цепи напряжения. 5. Перед включением источника питания на регулируемых эле- ментах должны быть установлены заданные параметры, а регулятор ЛАТРа должен находиться в нулевом положении. 6. Включение цепи под напряжение производится только после проверки ее преподавателем или лаборантом. 7. Изменения в структуре цепи производятся при отключенном источнике питания. 8. Согласно программе работы сделать необходимые измерения и заполнить соответствующие таблицы. 9. Показать результаты преподавателю и получить разрешение на разборку цепи. 10. Привести в порядок рабочее место: разобрать цепи, аккурат- но сложить провода. 11. Оформить отчет о выполненной работе согласно требовани- ям к содержанию отчета в конкретной работе. 12. Представить отчет о работе преподавателю, ответить на кон- трольные вопросы, получить зачет по выполненной работе и зада- ние к следующему занятию. 3 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА Цель работы: изучение устройства и принципа действия транс- форматора; построение схемы замещения и эксплуатационных ха- рактеристик трансформатора. Общие сведения Трансформатор – это электромагнитный аппарат для преобразо- вания в цепях переменного тока электрической энергии с одним соотношением напряжения и тока в электрическую энергию с дру- гим соотношением напряжения и тока при неизменной частоте. Он позволяет передавать от источника приемникам одну и ту же мощ- ность при разных напряжениях и токах S = U1I1 = U2I2. Трансформатор имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), на котором находятся две (или более) обмотки, выполненные изолиро- ванным медным или алюминиевым проводом (рис. 1.1). Сердечник, собранный из тонких пластин или лент электротехнической стали с хорошей магнитной проницаемостью, служит для усиления маг- нитной связи между обмотками. Обмотку, подключаемую к источ- нику преобразуемой энергии, называют первичной (w1), обмотку, к которой подключают приемник, – вторичной (w2). ~u Ф i2 u2 e2 e1 w1 w2 i1 zн Рис. 1.1 4 Переменное напряжение источника u1 вызывает в первичной об- мотке ток i1, который возбуждает магнитный поток. Основная часть потока (Ф) замыкается по магнитопроводу и наводит в обмотках ЭДС: dt dwe dt dwe Ф;Ф 2211 −=−= . При потоке, изменяющемся с угловой частотой ω = 2πf по сину- соидальному закону Ф = Фm sin ωt, действующие значения ЭДС mФfwE 11 44,4= ; mФfwE 22 44,4= . Отношение ЭДС обмоток ннвн EEn = = w1/ w2 называется коэффициентом трансформации. Для определения технико-экономических показателей, построе- ния характеристик отдельных трансформаторов и электропередач, в которых они используются, анализа аварийных режимов в таких системах и в других случаях необходима схема замещения транс- форматора (рис. 1.2), являющаяся его электрической моделью. Фи- зическая модель (см. рис. 1.1) с указанием номинальных параметров и конструктивных данных магнитопровода и обмоток трансформа- тора делает такие расчеты излишне сложными, неточными, а часто и невозможными. X1 2R′ 2X ′ R1 Rx Xx 1I ′ 1хI 1 2E E= 2I ′ 2U ′ 1U Рис. 1.2 5 Параметры схемы замещения трансформатора (см. рис. 1.2) вычис- ляются по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. В опыте холостого хода к первичной обмотке подводится номи- нальное напряжение U1ном = U1х, а вторичная обмотка размыкается (I2х = 0). В опыте измеряются ток первичной обмотки I1х, потери мощ- ности в трансформаторе Рх и напряжение на вторичной обмотке U2х. Ток холостого хода I1х у мощных трансформаторов составляет 1…5 % от номинального тока I1ном, у трансформаторов малой мощ- ности – до 40 %, и в паспортных данных трансформатора указыва- ют его процентное значение: ix % = (I1х / I1ном)⋅100 %. Такой небольшой ток создает ничтожно малые потери мощности в первичной обмотке (пропорциональные квадрату тока), следова- тельно, потери холостого хода Рх − это магнитные потери в стали сердечника, пропорциональные квадрату магнитного потока, а зна- чит, квадрату напряжения: Рх = Pст ≡ Ф2m ≡ U 21ном . Кроме того, небольшой ток холостого хода в небольших сопротивлениях пер- вичной обмотки создает незначительные падения напряжения, вследствие чего U1x = U1ном ≈ Е1ном (отличие между ними не пре- вышает 1 %), а U2x = E2ном, так как I2x = 0. По результатам измерений вычисляются: x2 x1 ннвн U UEEn ≈= ; x1 x1 x I UZ = ; 2 x1 x x I PR = ; 2x 2 xx RZX −= . Сопротивления Rx, Xx, Zx заменяют таким образом сердечник транс-форматора: Rx – потери мощности, а Хх – индуктивное сопро- тивление первичной обмотки, создаваемое основным магнитным по- током. В опыте короткого замыкания вторичную обмотку замыкают на- коротко, а на первичную обмотку подают такое пониженное напря- жение U1к, при котором токи в обмотках равны номинальным зна- чениям I1ном и I2ном. Относительное значение 6 uк = U1к ⋅ 100 % / U1ном называют напряжением короткого замыкания. Оно составляет 5…10 % и характеризует внутреннее падение напряжения в транс- форматоре. В опыте короткого замыкания измеряются токи обмоток I1к = I1ном, I2к = I2ном, а также напряжение U1к и потери мощности Рк. Так как U1к << U1ном, то потери мощности в магнитопроводе, пропорцио- нальные квадрату приложенного напряжения, ничтожны. И по- скольку токи в обмотках равны номинальным значениям, то потери Рк – это мощность потерь в обмотках трансформатора. По данным опыта короткого замыкания вычисляются: 1ном1кк IUZ = , 2 1номкк IPR = , 2 к 2 кк RZX −= . Данные сопротивления заменяют собой обе обмотки трансфор- матора. Чтобы разделить сопротивления обмоток, учитывают, что реальные сопротивления обмоток с разными номинальными напря- жениями и токами имеют различные значения, но потери мощности в них и относительные потери напряжения (отнесенные к номи- нальным величинам) примерно одинаковы. Следовательно, по зна- чимости, оцениваемой потерями мощности и относительными по- терями напряжения, обе обмотки равноценны. Эти обстоятельства позволяют приравнять сопротивления одной (обычно первичной) обмотки к приведенным сопротивлениям другой (обычно вторич- ной) обмотки: 2 221 nZZZ =′= ; 2 221 nRRR =′= ; 2 221 nXXX =′= . Кроме сопротивлений приводятся также напряжения, ЭДС и токи: nUU ⋅=′ 22 ; nEE ⋅=′ 22 ; nII 22 =′ . С учетом приведения сопротивления обмоток равны 2к21 ZZZ =′= ; 2к21 RRR =′= ; 2к21 XXX =′= . 7 По рассчитанным параметрам строится схема замещения транс- форматора (см. рис. 1.2). Так как для расчета схемы замещения ис- пользованы 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 каждо- го трансформатора. Эксплуатационные характеристики трансформатора строят в функции от коэффициента нагрузки. По паспортным данным расчет зависимости вторичного напряжения 2U , коэффициента мощности 1cosϕ , КПД η от тока нагрузки I2 или коэффициента нагрузки ном22 II=β выполняют по следующим формулам: 1) ( )     ϕ+ϕβ−= 100 1sincos1 2к.р2к.аx22 uuUU , где активная к.аu и реактивная к.рu составляющие напряжения ко- роткого замыкания равны ном к к.а 100 S Pu ⋅= ; 2к.а 2 кк.р uuu −= ; ϕ2 – угол сдвига фаз между напряжением и током приемника; 2) 21 2 11111cos QPPSP +==ϕ ; к 2 x2ном1 cos PPSP β++ϕβ= ; ном к.р2 ном x 2ном1 100100 sin S u SiSQ β++ϕβ= , 8 где Sном − полная номинальная мощность; 3) к 2 x2ном 2ном 1 2 cos cos PPS S P P β++ϕβ ϕβ ==η . Типичный вид этих характеристик приведен на рис. 1.3. КПД имеет наибольшее значение при равенстве постоянных Рх и пере- менных β2Pк потерь: кxmax PP=βη . Характеристики трансформаторов небольшой мощности, имею- щих обычно низкий КПД, можно получить методом непосредст- венной 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 11 1 1cos IU P =ϕ и КПД 1 2 P P =η (при актив- ной нагрузке 1 22 P IU =η ). Рис. 1.3 u2; η; cos ϕ1 I2 η cos ϕ1 u2 I2ном 9 Предварительное задание к эксперименту По паспортным данным трансформатора (табл. 1.1) определить коэффициент трансформации n, номинальные токи первичной и вторичной обмоток I1ном и I2ном, их активные R1, R2 и реактивные X1, Х2 сопротивления, сопротивления холостого хода Rх, Хx, а так- же коэффициент нагрузки maxηβ , при котором КПД трансформато- ра 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 maxη β β = (из табл. 1.3) U2, В η cosϕ1 Начертить Т-образную схему замещения трансформатора, запи- сать возле каждого элемента значение сопротивлений. 2. Для заданного вариантом в табл. 1.3 значения β рассчитать U2 , η , cosϕ1 при активной нагрузке трансформатора (ϕ2 = 0), резуль- таты записать в табл. 1.2. При расчете U2 значение U2х принять равным 130 В. Т а б л и ц а 1.3 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 β = I2/I2ном 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 10 Порядок проведения эксперимента 1. Ознакомиться с приборами и аппаратами лабораторной уста- новки. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 1.4 для испыта- ния трансформатора. Установить регулятор автотрансформатора AT в нулевое (крайнее левое) положение, отключить выключатель Вк. Рис. 1.4 2. После проверки цепи руководителем установить на зажимах пер- вичной обмотки номинальное напряжение U1ном = 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 β cosϕ1 η ХХ 1 2 3 4 5 КЗ 3. Подключить нагрузку Rн трансформатора и, поддерживая U1 = U1ном = const, изменять вторичный ток до значения I2ном. Ре- Rн PV PA1 АТ PV2 PA2 X Вк Т А х a  PW  ∼ 11 зультаты пяти опытов записать в табл. 1.4. Один из опытов выпол- нить для β, заданного вариантом табл. 1.3. 4. Установить регулятор автотрансформатора в нулевое положение, включить выключатель Вк и выполнить опыт короткого замыкания, для чего к первичной обмотке подать пониженное на- пряжение U1к, при котором I1к = I1ном. Показания приборов запи- сать в табл. 1.4. 5. По опытным данным определить коэффициент трансформации п, процентное значение тока холостого хода iх, %, потери в стали и обмотках трансформатора, напряжение короткого замыкания uк, %. 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(β), cosϕ1(β) и η(β) при U1 = const и cosϕ2 = 1. Здесь же показать рас- четные 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(β), cosϕ1(β) и η(β). 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 сер- дечник? Как он влияет на ток холостого хода? 4. Как определяется коэффициент трансформации? 5. Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и от че- го они зависят? 6. Как выполняют опыты XX и КЗ? Каково их назначение? 12 7. Что называют схемой замещения трансформатора и как опре- делить 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 асин- хронного 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 электриче- ского двигателя. Он имеет простую конструкцию, сравнительно не- дорог, надежен и удобен в эксплуатации. АД преобразует электри- ческую энергию переменного тока в механическую энергию, отда- ваемую 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) электро- технической стали, толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируют друг от друга. Сердечник ста- тора имеет пазы, в которые помещена трехфазная обмотка из мед- ного 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 зависимо- сти от номинального напряжения фаз обмотки и питающей сети). Ротор представляет собой цилиндр, собранный из тонких изоли- рованных дисков электротехнической стали, насаженный и закреп- ленный на валу. В дисках выштампованы пазы, в которые заклады- вают медные или заливают алюминиевые стержни обмотки, соеди- няемые по торцам накоротко кольцами из того же материала. Полу- 13 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 простран- стве на 120°, возбуждать вращающееся магнитное поле. Подобные условия созданы в статоре АД, подключенном к трехфазной сети (рис. 2.1, а). Sном Sк 1 Mп S M Mном Mс Mmax S ~ 3 IB IC IA A B C Статор Ротор Неустойчивая работа Устойчивая работа а б Рис. 2.1 Протекание в фазах обмотки статора трех синусоидальных то- ков, сдвинутых во времени на 1/3 периода, возбуждает в АД маг- нитное поле, бегущее вдоль окружности статора (вращающееся) с постоянной скоростью. Число магнитных полюсов вращающегося поля зависит от конструкции обмотки статора (числа катушек в фа- зе 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 це- лом имеет p пар полюсов, каждая фаза обмотки состоит из р после- довательно соединенных катушек. Направление вращения поля совпадает с направлением чередо- вания токов по фазам обмотки. Для изменения направления враще- 14 ния достаточно переключить (поменять местами) провода, подаю- щие токи в любые две фазы обмотки. Частота вращения магнитного поля, называемая синхронной, вы- ражается формулой ,мин,60 111 −= p fn 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 уравно- вешивает основную часть напряжения питающей сети U1, а Е2 вы- зывает в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора токи I2. Взаимодействие токов ротора и вращающегося магнитного поля создает электромагнитный вращающий момент M, приводящий ро- тор 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 магнит- ного поля относительно ротора, т.е. при n < n1.В связи c этим рас- сматриваемый двигатель называют асинхронным. Относительную разность частот вращения магнитного поля и ро- тора называют скольжением: 1 1 n nnS −= . (2.1) 15 При холостом ходе двигателя частота вращения ротора n близка к частоте вращения магнитного поля n1 и S ≈ 0, с увеличением на- грузки на валу скольжение возрастает (п уменьшается), при номи- нальной нагрузке Sном = 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): ( )Snn −= 11 . При неизменных частоте и напряжении питающей сети вращаю- щий момент М однозначно определяется скольжением. График за- висимости М(S) показан на рис. 2.1, б. Наибольшему вращающему моменту Мmax соответствует критическое скольжение Sк, которое делит график М(S) на два участка: устойчивой работы ( )к0 SS ≤< и неустойчивой работы ( )1к ≤< SS . На устойчивом участке двига- тель автоматически развивает вращающий момент М, равный мо- менту сопротивления Мс рабочей машины. При возрастании Мс скольжение S и вращающий момент М будут увеличиваться до тех пор, пока не наступит новое равновесие М = Мс. При уменьшении Мс скольжение S и вращающий момент М соответственно умень- шаются. Это свойство АД называют саморегулированием вращаю- щего момента. На неустойчивом участке M(S) двигатель, не обладая свойством саморегулирования, работает кратковременно и, как правило, в ус- ловиях неравенства моментов М и Мс. При этом, если М > Мс, дви- гатель увеличивает скорость (уменьшает S) и переходит на устой- чивый участок (таков процесс пуска АД), если же М < Mс, скорость АД уменьшается до полной остановки. В установившемся режиме вращающий момент М (Н⋅м), меха- ническая мощность на валу Р (Вт) и частота вращения n (мин–1) свя- заны соотношением n P9,55М = . 16 Момент и мощность на валу, которые двигатель может длитель- но развивать, не перегреваясь сверх допустимой температуры, на- зывают номинальными (Мном, Рном). Номинальный режим характеризуют также номинальная частота вращения nном, номинальный КПД ном1номном PP=η , номиналь- ный коэффициент мощности номcos ϕ , номинальное линейное на- пряжение сети Uном, номинальный линейный ток: номномном ном ном cos3 ϕη = U PI . При кратковременных перегрузках (Мс > Мном) АД работает устой- чиво при условии, что наибольший момент сопротивления рабочей машины Мс.max не превышает Мmax АД. Отношение номmaxм ММK = называют перегрузочной способностью АД. Kм приводится в каталогах (K = 1,8...2,5) и используется для вычисле- ния Мmax: номмmax ММ K= . Пусковые свойства АД характеризуют пусковой момент Мп и пус- ковой ток Iп в начальный момент пуcка (при n = 0, S = 1). Для корот- козамкнутых АД Мп = (1…1,5) Мном, Iп = (5…7) Iном. Пусковой мо- мент должен быть достаточным, чтобы преодолеть Мс рабочей ма- шины 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: SSSS MM кк max2 + = , где критическое скольжение 17      −+= 12ммномк KKSS . Рабочие характеристики отражают эксплуатационные свойства АД и представляют зависимости величин n, М, I1, η, cosϕ от мощ- ности на валу Р. Выразив эти величины в относительных единицах (n∗ = n/n1, М∗ = М/Мном, I1∗ = I1/I1ном, Р∗ = Р/Рном), можно постро- ить рабочие характеристики в общей системе координат (рис. 2.2). 0,2 0,6 0,8 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 P* n* η cosφ I1* M* 0,4 0 Рис. 2.2 В данной работе в качестве короткозамкнутого используется АД с фазным ротором, обмотка которого замыкается накоротко. На- грузку на валу АД создает генератор постоянного тока, работаю- щий на регулируемый нагрузочный резистор. Предварительное задание к эксперименту Для трехфазного асинхронного двигателя заданы следующие номи- нальные величины: мощность на валу Pном = 750 Вт; частота вра- 18 щения ротора nном = 900 мин–1; коэффициент мощности cosϕном = 0,7; КПД ηном = 0,7; а также перегрузочная способность, Kм = Мmax/Мном = = 2,0 и зависимость ,30,60 2 +−=η ∗∗ PP , где номPPP =∗ . 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 Р1ном, потребляемую двигателем, и номинальный ток I1ном (линейное напряжение сети Uл = 220 В). 3. Номинальный Мном и максимальный Мmax моменты на валу, номинальное Sном и критическое SК 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/η. 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 Результаты расчета занести в табл. 2.2. Т а б л и ц а 2.2 n, мин–1 М, Н⋅м Р, Вт Р1, Вт I1, А Номинальный режим паспортные данные опыт Режим по п. 4 предварительного задания расчет опыт Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с оборудованием, приборами, электрической 19 схемой лабораторной установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 2.3. Пригласить преподавателя для проверки правильности сборки. N A B C a b c I I* К1 PA1 PW Pφ СГ PA2 M 3∼ PHz PV1 G ОВС + PmA PA3 ОВШ PV2 Rв Rн2 – K2 Rр + ИП1 – K3 Рис. 2.3 3. Подготовить установку к работе: а) вывести реостат Rp (кроме последней ступени, оставляемой для небольшого ограничения пускового тока); 20 б) ввести реостат возбуждения генератора постоянного тока (ГПТ) Rв (ручку Rв повернуть в крайнее левое положение); в) переключатель обмотки ОВС ГПТ установить в положение «Вкл. согл.» (по шкале G); г) переключатель нагрузки ГПТ Rн2 установить в положение «0»; д) подать напряжение на лабораторный стенд, включив трехфаз- ный автомат на питающем щитке; е) включить источник питания ИП1 и контактор К3, регулятором ИП1 установить ток, подаваемый в ротор при его синхронизации с вращающимся полем, Iр = 10 А (по амперметру A2); ж) контактором К2 подключить к цепи ротора реостат Rp. 4. Запустить АД включением контактора К1, проследить за бро- ском пускового тока I1 (по амперметру А1). Вывести последнюю ступень реостата Rр. Перевести ротор в синхронное вращение с полем, включив контактор К3, подающий в ротор постоянный ток. Сравнить измеренную синхронную частоту вращения n1 с вычисленной. Вернуть двигатель в асинхронный ре- жим (включить контактор К2). 5. Снять рабочие характеристики АД. Для этого возбудить рео- статом Rв ГПТ до наибольшего напряжения и, увеличивая нагрузку от нуля до максимальной (переключателем Rн2), записать показания приборов в табл. 2.3. В числе устанавливаемых режимов должны быть номинальный (установить nном) и заданный в п. 4 предвари- тельного задания (установить требуемую n). Плавная регулировка нагрузки в небольших пределах осуществляется реостатом Rв. Т а б л и ц а 2.3 И з м е р е н о В ы ч и с л е н о АД ГПТ Р, Вт М, Н⋅м η n, мин–1 U1, В I1, А Р1, Вт cosϕ U2, В I2, А Примечание. Мощность Р на валу АД вычислить приближенно по формуле, исходящей из равенства потерь в АД и ГПТ: 21 Р = 0,5(Р1 + Р2), где Р2 = U2⋅I2 – мощность, отдаваемая ГПТ нагрузке. 6. Построить в общей системе координат графики рабочих ха- рактеристик АД n∗(P∗), M∗(P∗), η(P∗), cosϕ(P∗). Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Расчет предварительного задания к эксперименту. 3. Схема лабораторной установки. 4. Таблицы результатов измерений и вычислений. 5. Графики рабочих характеристик двигателя. Контрольные вопросы 1. Как устроен АД с короткозамкнутым ротором? 2. Изложите принцип действия АД. 3. Что такое синхронная частота вращения и скольжение? На- пишите формулы для этих величин. 4. Как изменяются скольжение и частота вращения АД при рос- те момента нагрузки? 5. Как изменить направление вращения ротора АД? 6. Как выражается момент двигателя через мощность и частоту вращения? 7. Запишите формулу Клосса и охарактеризуйте входящие в нее величины. 8. Почему ток холостого хода АД относительно велик? 9. Как изменятся КПД и коэффициент мощности с увеличением нагрузки АД? 10. Какие достоинства и недостатки имеют АД с короткозамкну- тым ротором? Где эти двигатели используются? 22 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ Цель работы: изучение конструктивных особенностей, спосо- бов пуска и регулирования частоты вращения двигателя с фазным ротором; построение естественной и реостатной механических ха- рактеристик двигателя по его паспортным данным; снятие естест- венной и реостатной механических характеристик. Общие сведения Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют лучшие пус- ковые свойства (больший пусковой момент, меньший пусковой ток), чем короткозамкнутые АД, позволяют сравнительно просто (изменением сопротивления реостата в цепи ротора) регулировать частоту вращения. Вместе с тем, эти двигатели конструктивно сложнее и дороже короткозамкнутых, менее надежны и более тру- доемки в эксплуатации. Поэтому двигатели с фазным ротором при- меняют лишь в случаях, оправданных необходимостью: для приво- да оборудования с большим начальным моментом сопротивления и большим моментом инерции (молоты и прессы, снабженные махо- виками), при частых пусках, грозящих перегреть двигатель пуско- выми токами, при необходимости регулирования скорости (элек- трические краны). Устройство статора двигателя с фазным ротором не отличается от устройства статора АД с короткозамкнутым ротором: полый ци- линдрический сердечник набранный из изолированных друг от дру- га, листов электротехнической стали, имеет на внутренней поверх- ности пазы, в которых размещена трехфазная обмотка, включаемая непосредственно в сеть. Роторы у них различны. В пазах фазного ротора, называемого также ротором с контактными кольцами, на- ходится трехфазная обмотка, выполненная изолированным прово- 23 дом и размещенная в пазах ротора с пространственным смещением фаз на 120°, подобно обмотке статора. Фазы обмотки ротора соеди- няют звездой, а три свободных ее конца подключают к трем кон- тактным кольцам, укрепленным на валу машины, но изолирован- ным от вала. На кольца наложены медно-графитовые щетки, уста- новленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки, образующие при вращении скользящий контакт, в цепь ро- тора включается трехфазный реостат Rp (рис. 3.1, а), чем обеспечи- вается улучшение пусковых и регулировочных свойств машины. Щетки также позволяют замкнуть обмотку накоротко. Условное обозначение АД с фазным ротором приведено на рис. 3.1, в. ~ 3 IB IC IA A B C Статор Ротор Щетки Вал Контактные кольца 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Пускорегулирующий реостат а c e 2 3 b d f g 0 S Sк Sр Sк.р2 S M Mmax 1 M=Mc Mп3 Mп1 Mп2 1 a М б в 24 Рис. 3.1 Введение реостата в цепь ротора изменяет зависимость вращаю- щего момента М от скольжения S, не влияя на величину наибольше- го момента Мmax, который двигатель способен развить. На рис. 3.1, б показаны три характеристики М(S): естественная характеристика 1 соответствует замкнутой накоротко обмотке ротора (сопротивление реостата Rp = 0), реостатные характеристики 2 и 3 соответствуют введенным одной и двум ступеням реостата. Как естественная, так и реостатные характеристики М(S) описываются формулой Клосса: SSSS MM кк max2 + = ; рк.рк.рр max р 2 SSSS MM + = , где Sк – критическое скольжение при Rр = 0;      −+= 12ммномк KKSS ; Sк.р – критическое скольжение при данном Rр; ( )2ркк.р 1 RRSS += ; R2 – сопротивление фазы обмотки ротора; Kм = Мmax/Мном – перегрузочная способность двигателя. С увеличением сопротивления реостата Rp растет критическое скольжение Sк.р, кривая М(S) наклоняется вправо и возрастает пус- ковой момент Мп (рис. 3.1, б). При Sк.р = 1 (кривая 3) пусковой мо- мент достигает максимального: Мп3 = Мmax. Дальнейшее увеличе- ние Rp приводит к Sк.p > 1 и снижению пускового момента. Введе- ние реостата в цепь ротора положительно влияет также на пусковой ток, снижая его примерно в 2 раза по сравнению с короткозамкну- тым АД (до Iп/Iном = 2,5...4). Рассмотрим процесс пуска двигателя с фазным ротором, в цепь которого введен двухступенчатый реостат (рис. 3.1). При подаче на 25 статор напряжения сети двигатель под действием пускового момен- та Мп3 трогается с места и начинает разгон. Момент М и скольже- ние S изменяются по характеристике 3 (участок а – в). По мере уве- личения частоты вращения n (уменьшения S) выводят сначала пер- вую, а затем и вторую ступени реостата, чему соответствует последовательный переход на характеристики 2 (скачок в – с) и 1 (скачок d – е). Вывод ступеней реостата производят, ориентируясь на то, чтобы пуск происходил по возможности при больших значе- ниях М, что сокращает время пуска. Процесс пуска заканчивается на естественной характеристике в точке f, где момент двигателя М уравновешивается моментом сопротивления Мс на валу. С помощью реостата в цепи ротора можно регулировать частоту вращения двигателя. Регулировочный реостат в отличие от пуско- вого должен быть рассчитан на длительное протекание тока ротора. Например, двигатель работает на естественной характеристике при моменте М = Мс, скольжении S (точка f) и частоте вращения ( )Snn −= 11 , где p fn 11 60 = – частота вращения магнитного поля статора. Если ввести в ротор две ступени реостата, то двигатель перейдет на реостатную характеристику 3, где моменту М = Мс соответству- ют точка g, возросшее скольжение Sp и более низкая частота вра- щения )1( р1p Snn −= . В регулировочном реостате имеются потери энергии, поэтому КПД двигателя снижается. При расчете предварительного задания и проведении эксперимен- та помимо приведенных формул используются также следующие: 1 1 n nnS −= ; n PM ,559= , где M в Н⋅м, n в мин–1. Предварительное задание к эксперименту 26 По паспортным данным асинхронного двигателя: Pном = 750 Вт, nном = 900 мин–1, Kм = Мmax/Мном = 2. 1. Рассчитать номинальный Мном, максимальный Мmax и пусковой Мп моменты на валу двигателя; номинальное Sном, критическое Sк скольжения и соответствующую скольжению Sк частоту вращения ротора nк. Результаты расчетов записать в табл. 3.1 (Rp = 0) и на их основе построить естественную механическую характеристику n(М). Т а б л и ц а 3.1 Величина Режим Rp = 0 Rp/R2 = (из табл. 3.2) М, Н⋅м S n, мин–1 Мр, Н⋅м Sр np, мин–1 Идеальный ХХ 0 0 1000 0 0 1000 Номинальный 900 Критический Пуск 1 0 1 0 2. Определить величины п. 1 при введении в цепь ротора реоста- та Rp. Число ступеней реостата и относительное сопротивление Rp/R2 приведены в табл. 3.2, где R2 – активное сопротивление фазы ротора. Результаты расчетов записать в табл. 3.1. Расчетные формулы: ( )2рномном.р 1 RRSS += , ( )ном.р1ном.р 1 Snn −= ; ( ),1 2ркрк RRSS +=. ( )к.р1к.р 1 Snn −= ; Мном.р = Мном; Мmax.р = Мmax; 11 2 к.рк.р max п.р SS MM + = . Примечание. При двух и более ступенях регулировочного рео- стата Rp Sк.р > 1. Т а б л и ц а 3.2 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 27 Число ступеней реостата 1 2 3 4 1 2 3 4 Rp/R2 1,2 2,4 3,8 5,5 1,2 2,4 3,8 5,5 3. По расчетам п. 2 построить реостатную механическую харак- теристику двигателя np(Мp), совместив ее с ранее полученной есте- ственной характеристикой n(М). Определить кратность пускового момента Мп.р/Мп. Порядок выполнения эксперимента 1. Ознакомиться с оборудованием, приборами, электрической схемой лабораторной установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 3.2. Пригласить преподавателя для проверки правильности сборки. 28 N A B C a b c I I* PA2 К1 PA1 PW Pφ Rр K2 СГ M 3∼ PHz PV1 ОВС + PmA PA3 ОВШ PV2 Rв Rн2 – G Рис. 3.2 3. Подготовить установку к пуску: а) ввести пусковой реостат АД Rp; б) ввести реостат возбуждения Rв генератора постоянного тока (ГПТ) (ручку регулятора Rв установить в крайнее левое положе- ние); в) переключатель обмотки ОВС ГПТ установить в положение «Вкл. согл.» (по шкале G); г) переключатель нагрузки ГПТ Rн2 установить в положение «0»; 29 д) подать напряжение на лабораторный стенд, включив трехфаз- ный автомат на питающем щитке; е) контактором К2 подключить к цепи ротора АД реостат Rp. 4. Запустить АД включением контактора К1, обратить внимание на величину пускового тока (амперметр A1). По мере разгона дви- гателя выводить реостат Rp. 5. Снять естественную и реостатную механические характери- стики n(М). Для этого, возбудив ГПТ реостатом Rв до наибольшего напряжения, увеличивать переключателем Rн2 нагрузку от нуля до максимальной вначале при выведенном реостате Rp, затем при вве- денном (согласно варианту из табл. 3.2). Результаты измерений записать в табл. 3.3. Т а б л и ц а 3.3 Число введенных ступеней Rp Ступени нагрузки Rн2 Измерено Вычислено АД ГПТ ГПТ АД U1, В Р1, Вт n, мин–1 U2, В I2, А Р2, Вт Р, Вт М, Н⋅м 0 0  5 Rp/R2 (см. табл. 3.2) 0  5 Примечание. Мощность Р на валу АД принять Р = 0,5(Р1 + Р2), где Р2 = U2 I2 – мощность, отдаваемая ГПТ нагрузке. 6. На построенные в предварительном задании естественные и искусственные механические характеристики нанести эксперимен- тальные точки (М; n) из табл. 3.3. Сопоставить расчетные и опыт- ные значения частоты вращения nном и nном.р, соответствующие моменту Мном. 7. Снять зависимость частоты вращения n от сопротивления рео- стата Rp. С этой целью ввести 4 ступени Rp, установить переключа- телем Rн2 2-ю ступень нагрузки ГПТ и, поддерживая реостатом Rв напряжение ГПТ неизменным (для получения неизменной мощно- сти Р2 = U2 I2), выводить реостат Rp. 30 Значения n для каждой ступени Rp записать в табл. 3.4. Т а б л и ц а 3.4 Число ступеней Rp 0 1 2 3 4 Относительное сопротивление Rp/R2 0 1,2 2,4 3,8 5,5 Частота вращения n, мин–1 Построить график n(Rp/R2). Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Расчет предварительного задания к эксперименту. 3. Схема лабораторной установки. 4. Таблицы результатов измерений и вычислений (см. табл. 3.1, 3.3, 3.4). 5. Графики естественной и реостатной механических характери- стик и зависимость n(Rp/R2). Контрольные вопросы 1. Как устроен АД с фазным ротором? 2. Каким образом и с какой целью в цепь обмотки ротора вклю- чается реостат? 3. Изложите принцип действия АД с фазным ротором. 4. Будет ли вращаться ротор АД, если разомкнуть его обмотку? 5. Как изменяются критическое скольжение, пусковой момент и пусковой ток при введении реостата в цепь ротора? 6. Объясните изменение частоты вращения АД при изменении сопротивления реостата в цепи ротора. 7. Каковы достоинства и недостатки АД с фазным ротором? Где эти двигатели применяются? 31 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.4 ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Цель работы: изучение устройства, принципа действия, спосо- бов пуска и регулирования коэффициента мощности синхронного двигателя; исследование работы двигателя под нагрузкой; снятие и анализ основных характеристик двигателя. Общие сведения Синхронными называют электрические машины переменного то- ка, ротор которых в установившемся режиме вращается с той же частотой, что и вращающееся магнитное поле статора: p fn 60= , где f – частота электрического тока в обмотке статора, Гц; р – число пар полюсов синхронной машины. Синхронные машины применяют в качестве генераторов и дви- гателей. Синхронные двигатели используют для привода машин, работающих с неизменной скоростью: крупных компрессоров, на- сосов, прокатных станов и др. Синхронные микродвигатели приме- няют в устройствах, требующих строгого постоянства скорости вра- щения: электрочасах, самопишущих измерительных приборах, ап- паратах записи и воспроизведения звука, устройствах автоматики. Основными частями синхронной машины являются статор и ро- тор. Статор синхронной машины устроен так же, как у асинхрон- ной. В литой корпус запрессован цилиндрический сердечник стато- ра, набираемый из тонких изолированных друг от друга листов (ко- лец) электротехнической стали. На внутренней стороне сердечника имеются пазы, в которых размещена трехфазная обмотка статора. Ротор синхронной машины представляет двух- или многополюс- ный электромагнит, возбуждаемый постоянным током, который по- дают в обмотку ротора (обмотку возбуждения). Ротор может быть неявнополюсным и явнополюсным (рис. 4.1). 32 Неявнополюсный ротор (рис. 4.1, а) имеет два магнитных полю- са (р = 1, п = 3000 мин–1) и представляет собой цилиндрическую по- ковку из специальной стали, на поверхности которой выфрезеро- ваны пазы для обмотки возбуждения. При числе пар полюсов 2≥p ( 1500≤n мин–1) ротор выполняют явнополюсным (рис. 4.1, б). Яв- но выраженные полюсы набирают из листовой стали и закрепляют на ободе ротора, обмотку возбуждения выполняют в виде катушек, насаженных на полюсы. Число полюсов ротора и магнитного поля статора делают одинаковым. S S N N а б Рис. 4.1 ~ 3 - + Iв 1 2 3 4 Рис. 4.2: 1 – обмотка статора; 2 – обмотка возбуж- дения; 3 – контактные кольца; 4 – щетки Концы обмотки возбуждения присоединены к двум контактным кольцам, закрепленным на валу, изолированно от него. К кольцам прилегают неподвижные щетки, образующие с кольцами скользя- щие контакты, позволяющие по- давать в обмотку возбуждения вращающегося ротора постоян- ный ток от внешнего источника (возбудителя). Электрическая схе- ма синхронной машины приве- дена на рис. 4.2. Синхронный двигатель (СД), как и всякий электродвигатель, преобразует электрическую энер- гию в механическую. 33 Принцип действия СД состоит в следующем. Выводы обмотки статора подключают к трехфазной сети. Трех- фазная система токов, протекающая в фазах статорной обмотки, создает, как и в асинхронном двигателе, вращающееся магнитное поле с частотой вращения n и магнитным потоком полюса яΦ . Предположим, что ротор разогнан до скорости nn 95,02 ≈ (о пуске СД см. ниже) и в его обмотку подан постоянный ток вI , который возбуждает магнитное поле ротора с потоком Φ0. Полюсы вра- щающегося магнитного поля статора будут медленно перемещаться относительно магнитных полюсов ротора, при сближении разно- именных полюсов они притягиваются, на ротор действует синхро- низирующий электромагнитный момент, и он втягивается в син- хронное вращение с полем статора. Возникает результирующее вращающееся магнитное поле машины я0 ФФФ += . Уподобляя магнитные силовые линии упругим нитям, можно представить образование электромагнитного момента М как резуль- тат натяжения упругих «нитей», связывающих магнитные полюсы ротора и статора. Ведущим является магнитное поле статора. При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов ротора и статора совпадают. Если двигатель нагрузить моментом Мс (момент сопротивления), то ротор будет смещаться относительно вращаю- щегося поля статора в сторону отставания до тех пор, пока М за счет растяжения упругих «нитей» не возрастет до значения М = Мс, после чего синхронное вращение восстанавливается. При этом ме- жду полюсами статора и ротора образуется угол рассогласования θ . При снижении Мс после короткого переходного периода соот- ветственно уменьшаются θ и М. Способность СД автоматически развивать вращающий момент, равный моменту сопротивления ( cMМ = ), называют саморегулированием вращающего момента. На рис. 4.3, а приведена схема замещения одной фазы статора. Здесь 0E – ЭДС, индуктируемая в обмотке статора магнитным по- током ротора Ф0, пересекающим обмотку статора при вращении ро- тора; Х – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора, обусловленное собственными потоками статора: вращающимся яФ 34 и небольшим пульсирующим пото- ком рассеяния расФ . Активным сопротивлением обмотки статора обычно пренебрегают. Схема за- мещения соответствует уравнению электрического состояния обмотки статора: IjXEU += 0ф , на основании которого построена векторная диаграмма (рис. 4.3, б). Угол между векторами Е0 и Uф ра- вен углу рассогласования θ . Электромагнитный момент и электромагнитная мощность СД вы- ражаются формулами θ Ω = sin 3 0ф X EU M ; θ=Ω= sin 3 0ф эм X EU MP , где Ω – синхронная угловая скорость вращения, рад/с; X EU M Ω = 0фmax 3 – наибольший электромагнитный момент. При постоянных значениях Uф и const момент max0 =ME , а M определяется углом θ . Зави- симость М(θ), представляющая в этих условиях синусоиду (рис. 4.4), называется угловой характери- стикой СД. Двигатель работает устойчи- во, если θ находится в пределах I E0 Uф jX Рисунок 4.3 а б jXI Uф I θ φ E0 Рис. 4.3 maxM θ М 180° 90° Рис. 4.4 35 90...0=θ (в номинальном режиме 30...25ном =θ ). Именно в этом диапазоне М автоматически уравновешивает момент сопро- тивления сM при его изменениях. При увеличении сM соответст- венно растут θ и М. При угле 90=θ двигатель развивает макси- мальный момент maxM . Если сM превысит maxM , то θ перейдет в область 90>θ , М снизится и не сможет больше уравновешивать сM . В этом случае двигатель выпадает из синхронного вращения, что проявляется в качаниях или полной остановке ротора. Отноше- ние номномmax sin1 θ=MM называется перегрузочной способно- стью двигателя и для различных СД находится в пределах от 2 до 3. Чем выше перегрузочная способность, тем устойчивее работает двигатель при случайных перегрузках. Перегрузочную способность можно повысить, увеличив ток возбуждения Iв, что приводит к рос- ту 0E и maxM . Пуск синхронного двигателя сопряжен с определенными труд- ностями. Это вызвано тем, что при неподвижном роторе СД не раз- вивает начального пускового момента, так как силы, действующие на полюсы неподвижного ротора со стороны вращающегося маг- нитного поля статора, изменяют направление 100 раз в секунду, и среднее значение момента равно нулю. Для пуска СД ротор необхо- димо предварительно разогнать до скорости, близкой к синхронной, а затем подать постоянный ток в обмотку возбуждения. Раньше для разгона СД использовали небольшой вспомогательный электродви- гатель. В настоящее время, как правило, применяют асинхронный пуск СД. Для этого в полюсные наконечники ротора закладывают короткозамкнутую пусковую обмотку по типу «беличьего колеса». Запускают СД как асинхронный двигатель, а по достижении скоро- сти, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подают посто- янный ток, и двигатель втягивается в синхронизм. Важным достоинством СД является способность изменять по- требляемую реактивную мощность и коэффициент мощности ϕcos при изменении тока возбуждения ротора. Если ток возбуждения, отвечающий 1cos =ϕ , обозначить в1I , то при токе в1в II < (недо- 36 возбуждение) двигатель наряду с активной мощностью будет по- треблять индуктивную мощность, а при токе в1в II > (перевозбуж- дение) – емкостную мощность. Активная мощность при этом не изменяется, так как определяет- ся нагрузкой на валу. Обычно СД работают без потребления реак- тивной мощности, при этом 1cos =ϕ , или с потреблением емкост- ной мощности, что позволяет частично компенсировать индуктив- ную мощность, потребляемую другими потребителями электроэнер- гии предприятия, это – асинхронные двигатели, сварочные трансфор- маторы и другие. При токе возбуждения Iв1 )1cos( =ϕ СД потреб- ляет минимальный ток, равный активной составляющей тока. При изменении тока возбуждения вI в сторону уменьшения или увели- чения потребляемый ток СД возрастает, так как появля- ется реактивная составляю- щая (индуктивная или ем- костная). Зависимость тока статора I1 от тока возбужде- ния вI при неизменной на- грузке на валу по форме на- поминает букву U (рис. 4.5), поэтому кривые I1 ( вI ) на- зывают U-образными харак- теристиками. Допустимый диапазон изменения вI ограничен снизу пределом устойчивой работы СД (при уменьшении вI снижается maxM ), а сверху – наибольшим maxвI , на который рассчитан СД. Обычно СД рассчитаны на работу с коэффициентом мощности 90,cos ном =ϕ в режиме перевозбуждения при номинальной на- грузке на валу. В данной лабораторной работе в качестве СД используется асин- хронный двигатель с фазным ротором, который переводится в син- хронный режим путем подачи в обмотку ротора постоянного тока (синхронизируемый АД). Момент сопротивления на валу двигателя Рисунок 4.5 Iв I1 cos φ = 1 P2 > P1 P1 Рис. 4.5 37 создает генератор постоянного тока, работающий на регулируемую нагрузку. Предварительное задание к эксперименту Для синхронного двигателя с обмоткой статора, соединенной звездой, заданы: линейное напряжение сети лU = 220 В; мощность P = 600 Вт; ток возбуждения ротора вI (табл. 4.1); синхронное ин- дуктивное сопротивление X = 70 Ом; зависимость ЭДС фазы от то- ка возбуждения вв0 1630)( IIE += , В. Т а б л и ц а 4.1 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 Ток возбуждения СД вI , А 7 8 9 10 11 12 13 14 1. Вычислить угол рассогласования θ, пренебрегая потерями в статоре, т.е. принимая электромагнитную мощность эмP равной потребляемой 1P . 2. Начертить схему замещения и построить векторную диаграм- му СД. 3. Используя векторную диаграмму, определить падение напря- жения XI1, вычислить ток 1I , потребляемый СД. 4. Определить коэффициент мощности ϕcos СД в заданном ре- жиме (из формулы ϕ= cos3 1л1 IUP ). Результаты расчета занести в табл. 4.4. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с оборудованием, приборами, электрической схемой лабораторной установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 4.6. Пригласить преподавателя для проверки правильности сборки. 38 Pφ PW PA1 N A B C М 3~ СГ сеть a b c I* I PA2 + ИП1 – G PmA ОВС PA3 ОВШ Rн2 PV2 Rв + – K3 K1 Phz PV1 СГ Rр K2 Рис. 4.6 3. Подготовить установку к асинхронному пуску СД. Для этого: а) ввести реостат рR ; 39 б) ввести реостат вR (ручку вR установить в крайнее левое по- ложение); в) переключатель обмотки ОВС ГПТ установить в положение «Вкл. согл.» (по шкале G); г) включить трехфазный автомат на питающем щитке; д) включить источник питания ИП1 и контактор К3, регулято- ром ИП1 установить ток ротора вI = 6 А (по амперметру А2); е) контактором К2 подключить к цепи ротора реостат рR . 4. Осуществить асинхронный пуск СД. Включив контактор К1, подать напряжение на статор СД, по мере разгона двигателя выво- дить реостат Rр. После полного вывода рR подать постоянный ток в обмотку ротора СД (включить контактор К3). Проследить за из- менением частоты вращения двигателя, тока статора I1 и коэффи- циента мощности при переходе от асинхронного к синхронному режиму. Результаты наблюдений занести в табл. 4.2. Т а б л и ц а 4.2 Режим f, Гц n, мин–1 I1, А ϕcos Асинхронный Синхронный 5. Изменяя регулятором ИП1 ток возбуждения ротора в пределах от 6 до 20 A, проследить, как он влияет на ϕcos и ток статора I1. 6. Установить ток возбуждения ротора СД A15в =I . Возбудить генератор постоянного тока, установив с помощью реостата вR ток в цепи обмотки возбуждения ОВШ такой, чтобы на выходе генератора было напряжение В1202 =U . Изменяя нагрузку генератора посто- янного тока (ГПТ) переключателем н2R от нуля до максимальной, убедиться, что частота вращения СД не зависит от нагрузки. 7. Снять зависимость тока статора I1 и ϕcos от тока возбуждения ротора СД при холостом ходе ГПТ и при нагрузке (1-я ступень Rн2). Для этого при неизменной нагрузке ГПТ и, следовательно, фикси- 40 рованной нагрузке на валу СД P = const изменять ток возбуждения ротора СД от наибольшего (Iв = 20 А) до наименьшего, определяе- мого устойчивостью СД (Iв = 5…6 A при холостом ходе, Iв = 7…8 A при нагрузке). В числе устанавливаемых режимов должен быть отвечающий 1cos =ϕ . Результаты измерений занести в табл. 4.3. Т а б л и ц а 4.3 № п/п Измерено Вычислено СД ГПТ ϕ ϕtg Q1, вар Iв, А I1, А P1, Вт ϕcos U2, В I2, А Холостой ход ГПТ 1 2 3 4 5 ГПТ нагружен (Р = ) 1 2 3 4 5 Примечания: а) мощность Р на валу СД определить приближенно по формуле P = 0,5(P1 + P2), где P1 – мощность, потребляемая СД при ( )1cos =ϕ ; P2 = U2I2 – мощность, отдаваемая ГПТ нагрузке; б) потребляемая реактивная мощность ϕ= tg11 PQ . 8. Регулируя нагрузку и возбуждение ГПТ, установить указан- ные в предварительном задании мощность Р1, потребляемую СД, и ток возбуждения СД Iв. Сопоставить опытные данные с расчетом (табл. 4.4). 41 Т а б л и ц а 4.4 P1, кВт I1, А ϕcos Расчет Опыт 9. По данным табл. 4.3 построить U-образные характеристики I1(Iв) и (в общей системе координат) зависимости ϕcos (Iв), Q1(Iв). Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Расчет предварительного задания. 3. Электрическая схема лабораторной установки. 4. Таблицы результатов измерений. 5. Графики U-образных характеристик, зависимостей cosϕ (Iв), Q1(Iв). Контрольные вопросы 1. Как устроена синхронная машина? 2. Изложите принцип действия синхронного двигателя. 3. Что такое угол рассогласования θ? В каком диапазоне θ работа СД устойчива? 4. В чем заключается свойство саморегулирования вращающего момента СД? 5. Как осуществляется асинхронный пуск СД? 6. Какую зависимость дает угловая характеристика СД? 7. Как увеличить устойчивость работы СД в синхронном режиме? 8. Как регулируют ϕcos СД? При каких значениях ϕcos СД обычно работают? 9. Что представляют собой U-образные характеристики СД? 10. Для чего используется способность СД работать с потребле- нием емкостной мощности? 42 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Цель работы: изучение устройства, электрической схемы и принципа действия генератора; ознакомление с самовозбуждением и регулированием напряжения генератора; снятие и анализ характе- ристик холостого хода, внешних и регулировочной. Общие сведения Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока. Неподвижная часть машины – статор – представляет цилиндри- ческий стальной корпус, внутри которого расположены магнитные полюсы с обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током. Вращающаяся часть – якорь – это насаженный на вал барабан, на- бранный из тонких, изолированных друг от друга листов (дисков) электротехнической стали. На внешней поверхности якоря имеются пазы, в которых размещена обмотка якоря из медного изолированно- го провода. Отводы обмотки якоря присоединяются к коллектору – цилиндру из клинообразных изолированных друг от друга медных пластин. Коллектор укрепляется на валу и вращается вместе с якорем. К коллектору прилегают неподвижные графитовые щетки. Щеточно- коллекторное устройство образует скользящий контакт между вра- щающейся обмоткой якоря и внешней цепью. Кроме того, оно позво- ляет получать постоянное по направлению напряжение на щетках. Принцип действия генератора основан на явлении электромаг- нитной индукции. Якорь приводится во вращение первичным дви- гателем, обмотка якоря пересекает неподвижное магнитное поле, создаваемое главными полюсами, и в ней индуктируется перемен- ная ЭДС, выпрямляемая с помощью коллектора и щеток. ЭДС гене- ратора пропорциональна частоте вращения n и магнитному потоку пары полюсов Φ: 43 E = CE n Φ, где CE – конструктивная постоянная машины. Если к генератору подключена нагрузка, то в обмотке якоря те- чет ток Iя. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем создает тормозной электромагнитный момент, уравновешивающий вращаю- щий момент первичного двигателя. Генераторы параллельного и смешанного возбуждения являются машинами с самовозбуждением. Генератор параллельного возбуж- дения имеет на главных полюсах обмотку возбуждения ОВШ (шун- товую), подключаемую параллельно якорю (рис. 5.1, а). Генератор смешанного возбуждения, кроме обмотки ОВШ, являющейся основ- ной, имеет еще обмотку возбуждения ОВС (сериесную), размещен- ную на тех же полюсах и включаемую последовательно с якорем. Обмотка ОВС улучшает работу генератора в нагрузочном режиме. Самовозбуждение генератора происходит за счет остаточной намагниченности полюсов машины. При вращении якоря остаточ- ный поток полюсов Φост наводит в обмотке якоря небольшую ЭДС Еост = (2...6) % Еном, которая вызывает ток возбуждения Iв в обмот- ке ОВШ. Ток усиливает магнитное поле, что приводит к увеличе- нию ЭДС и тока Iв. Процесс нарастает до некоторых установив- шихся значений Iв, Φ, Е, при которых падение напряжения в цепи ОВШ RшIв равно ЭДС якоря Е (точка А на рис. 5.1, б). Самовозбу- ОВС ОВ Rв + G – Iн а Iя Iв Rн Rш Iв Iв.ном Еном Iв Rш.кр Iв Еост Е Е А 0 б Рис. 5.1 44 ждение генератора возможно, если сопротивление цепи возбужде- ния Rш = = Rв + Rовш меньше некоторого критического значения Rш.кр, при котором самовозбуждение не происходит. Зависимость Е(Iв) при n = const, Iя = 0 называют характеристи- кой холостого хода (рис. 5.1, б). Так как при n = const ЭДС Е ∼ Φ, то зависимость Е(Iв) в другом масштабе является также магнитной характеристикой машины. При подключении к генератору нагрузки возникает ток якоря Iя = Iв + Iн, который возбуждает магнитное поле якоря. Воздействие магнитного потока, созданного током якоря, на основной поток по- люсов называют реакцией якоря. Реакция якоря несколько искажает результирующее поле машины, а при больших токах нагрузки – ос- лабляет его. Напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения яяяя IRnСIREU Е −Φ=−= с ростом нагрузки значительно снижается вследствие увеличения па- дения напряжения в якоре RяIя и уменьшения магнитного потока Φ. Причем последнее вызывается частично реакцией якоря, но глав- ным образом – уменьшением тока возбуждения Iв в связи с пони- жением напряжения U на зажимах генератора, к которым подклю- чена обмотка ОВШ. 3 Iв.х Iв Iном Iн 0 б U Uном Iном Iн 0 а 2 1 Рис. 5.2 45 Зависимость U(Iн) при Rв = const и n = const называют внешней характеристикой генератора. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения показана на рис. 5.2, а (кривая 1). Ос- новной недостаток этого генератора – значительные колебания на- пряжения (до 20 %) при изменениях тока нагрузки Iн, в то время как для нормальной работы приемников электроэнергии отклонения напряжения от номинального не должны превышать ±5 %. Этот недостаток устранен в генераторе смешанного возбужде- ния, имеющего две обмотки возбуждения ОВШ и ОВС, которые могут включаться согласно или встречно. При согласном включе- нии результирующая магнитодвижущая сила (МДС) равна сумме МДС обеих обмоток, магнитный поток полюсов Φ = Φовш + Φовс, напряжение генератора .)()()( яовсяовсовшяовся IRRnСIRREU E +−Φ+Φ=+−= С ростом нагрузки и тока якоря Iя поток Φовс возрастает так, что вызванное им увеличение ЭДС Е приблизительно компенсирует снижение напряжения (из-за падения напряжения яовся )( IRR + и реакции якоря), вследствие чего напряжение генератора изменяется незначительно (кривая 2, рис. 5.2, а). При встречном включении ОВШ и ОВС их МДС вычитаются, что дает круто падающую внешнюю характеристику (кривая 3, рис. 5.2, а). Подобные генераторы используются в электродуговой сварке, где требуется постоянство тока при изменении сопротивления и напря- жения на дуге. Для поддержания напряжения генератора параллельного или смешанного возбуждения неизменным регулируют ток параллель- ной обмотки возбуждения Iв реостатом Rв. Зависимость Iв(Iн) при U = const, n = const называют регулировочной характеристикой (рис. 5.2, б). В данной работе используется генератор постоянного тока сме- шанного возбуждения, обмотка ОВС которого с помощью пере- ключателя может отключаться либо включаться согласно или встречно с обмоткой ОВШ. Генератор работает на регулируемую 46 нагрузку. Вращение генератора производится синхронизированным асинхронным двигателем, обеспечивающим постоянную частоту вращения. Предварительное задание к эксперименту Для генератора постоянного тока смешанного возбуждения за- даны: сопротивление цепи якоря (Rя + Rовс = 6 Ом); характеристика холостого хода Еш(Iв), Еш = 12 + 570⋅Iв – 1400⋅Iв3 В. Ток возбужде- ния Iв в обмотке ОВШ, ток нагрузки Iн, коэффициент увеличения результирующего магнитного потока Kф = Φ/Φовш выбираются в соответствии с вариантом из табл. 5.1. Т а б л и ц а 5.1 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 Iв, А 0,15 0,2 0,25 0,3 0,1 0,15 0,25 0,35 Iн, А 2,5 4,5 4,0 4,0 2,2 4,2 2,0 4,2 Kф = Φ/Φовш 1,4 1,3 1,15 1,1 1,7 1,5 1,1 1,1 Включение обмоток возбуждения – согласное, частота вращения n = const. Требуется определить напряжение U на выводах генератора. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с оборудованием, приборами, электрической схемой лабораторной установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 5.3. Пригласить преподавателя для проверки правильности сборки. 3. Подготовить установку к работе: а) ввести реостат Rp; б) ввести реостат Rв ГПТ (ручку Rв установить в крайнее левое положение); в) переключатель обмотки ОВС ГПТ установить в положение «ОВС откл.» (по шкале G); г) переключатель нагрузки ГПТ Rн2 установить в положение «0»; д) подать напряжение на лабораторный стенд, включив трехфаз- ный автомат на питающем щитке; 47 е) включить источник питания ИП1 и контактор К3, регулятором ИП1 установить ток, подаваемый в ротор двигателя, Iр = 6 А (по амперметру А2); ж) контактором К2 подключить к ротору реостат Rр. N A B C a b c I I* PA2 К1 PA1 PW Pφ K2 СГ M 3∼ PHz PV1 G ОВС + PmA PA3 ОВШ PV2 Rв Rн2 – Rр + ИП1 – K3 Рис. 5.3 48 4. Запустить двигатель и вывести его на синхронную частоту вращения, для чего включить контактор К1. По мере разгона двига- теля выводить реостат Rp, затем включить контактор К3, подающий постоянный ток в ротор двигателя. 5. Увеличивая реостатом Rв в цепи ОВШ ток возбуждения Iв от нуля до наибольшего значения, снять характеристику холостого хода ГПТ E(Iв). Результаты измерений записать в табл. 5.2. Т а б л и ц а 5.2 Iв, A E, B 6. Снять внешние характеристики генератора U(Iн) при трех спо- собах возбуждения: параллельном и смешанном с согласным и встречным включением ОВС. Для этого переключателем ОВС осу- ществить необходимую схему включения ОВС, реостатом Rв уста- новить напряжение генератора при холостом ходе U = Uном = 110 В и, увеличивая переключателем Rн2 ток нагрузки от нуля до наи- большего при Rв = const, записать показания приборов в табл. 5.3. Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя при росте на- грузки ГПТ, необходимо при отключенной и включенной согласно ОВС регулятором ИП1 увеличить ток, подаваемый в ротор двигате- ля, до Iв = 10…14 А. Т а б л и ц а 5.3 ОВС отключена ОВС вкл. согласно ОВС вкл. встречно U, B Iн, А Iв, А U, B Iн, А Iв, А U, B Iн, А Iв, А 7. Снять регулировочную характеристику Iв(Iн) при U = const гене- ратора параллельного возбуждения в случаях, когда ОВС отключена, 49 ОВС включена согласно, ОВС включена встречно. Для этого при хо- лостом ходе генератора установить напряжение U = Uном = 110 В и, поддерживая его неизменным с помощью реостата Rв, увеличивать нагрузку. Результаты опыта записать в табл. 5.4. Т а б л и ц а 5.4 ОВС отключена Iв, А Iн, А ОВС вкл. согласно Iв, А Iн, А ОВС вкл. встречно Iв, А Iн, А 8. Выполнить опытную проверку расчета предварительного за- дания (табл. 5.5). Т а б л и ц а 5.5 Iв, А Iн, А U, B Расчет Опыт 9. По результатам измерений построить характеристики холостого хода, внешние (в одной системе координат) и регулировочные. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Расчет предварительного задания; 3. Электрическая схема лабораторной установки. 4. Таблицы результатов измерений; 5. Графики характеристик холостого хода, внешних и регулиро- вочных; 6. Выводы о влиянии последовательной обмотки возбуждения и способа ее включения на внешнюю характеристику генератора. 50 Контрольные вопросы 1. Объясните устройство генераторов параллельного и смешан- ного возбуждения, принцип их работы. 2. Как происходит самовозбуждение генератора? При каких ус- ловиях генератор может не возбудиться? 3. Каково назначение коллектора и щеток? 4. От чего зависит ЭДС генератора? 5. Как получают характеристику холостого хода генератора? Ка- ковы ее особенности? 6. Какие факторы вызывают снижение напряжения генератора параллельного возбуждения с ростом нагрузки? 7. Как можно регулировать напряжение генератора параллельно- го возбуждения при переменной нагрузке? 8. Какие преимущества имеет генератор смешанного возбужде- ния по сравнению с генератором параллельного возбуждения? 51 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.6 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА СМЕШАННОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Цель работы: изучение устройства и принципа действия двига- теля постоянного тока; освоение приемов расчета основных элек- трических и механических величин; снятие и анализ рабочих харак- теристик двигателя. Общие сведения Двигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из неподвижной час- ти (статора) и вращающейся части (якоря), разделенных воздушным зазором. Статор имеет станину, на внутренней поверхности которой крепятся основные и дополнительные полюсы. Основные полюсы с обмотками возбуждения служат для создания в машине магнитного потока, а дополнительные – для улучшения коммутации. Вращаю- щаяся часть машины (якорь) состоит из сердечника, обмотки и кол- лектора. Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сер- дечника укладываются секции, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку яко- ря. Коллектор набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга и от корпуса изолирующими про- кладками, образующих в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря. Электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. обладают свой- ствами обратимости. В режиме двигателя осуществляется преобра- зование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию, снимаемую на валу. 52 По способу возбуждения различают: двигатели независимого воз- буждения; двигатели параллельного возбуждения; двигатели после- довательного возбуждения; двигатели смешанного возбуждения. На рис. 6.1 приведена схема включения двигателя смешанного возбуждения. Магнитное поле двигателя возбуждается двумя об- мотками: обмоткой параллельного возбуждения ОВШ и обмоткой последовательного возбуждения ОВС. В двигательном режиме ра- боты обмотки включены согласно. Двигатель параллельного возбу- ждения имеет только обмотку ОВШ. При подаче на щетки двигателя напряжения U от внешнего источ- ника электроэнергии по обмот- кам якоря и возбуждения проте- кают токи, которые возбуждают магнитный поток Ф двигателя дву- мя обмотками: обмоткой парал- лельного возбуждения Фовш и об- моткой последовательного возбу- ждения Фовс: овсовш ФФ=Ф + . В результате взаимодействия то- ка якоря Iя и магнитного потока Ф создается вращающийся момент ямФ ICM = , (6.1) где Cм – постоянная машины, зависящая от ее конструктивных данных. Вращающий момент М двигателя уравновешивается моментом сопротивления Мс рабочей машины. В данной работе нагрузкой на валу двигателя является трехфазный синхронный генератор (СГ) переменного тока, к которому подключается регулируемое нагру- зочное сопротивление Rн1. При вращении якоря с частотой n его Рис. 6.1 53 обмотка пересекает магнитный поток Ф и в ней согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС: nCE Фe= , (6.2) где Cе – конструктивная постоянная машины. Ток якоря Iя и ЭДС E направлены навстречу друг другу (см. рис. 6.1), поэтому E обычно называют противо-ЭДС. Напряжение на зажимах якоря U равно сумме противо-ЭДС и падения напряже- ния на внутреннем сопротивлении якоря: яя IREU += . (6.3) Из выражений (6.3) и (6.2) ток якоря определяется по формуле я e я Ф R nCUI −= . (6.4) В момент пуска, когда 0=n , ЭДС в обмотке якоря также равна нулю, и ток якоря достигает значения ( ) я.ном я я 3010 IR UI == , что недопустимо. Для ограничения пускового тока Iп.я в цепь якоря включается пусковой реостат Rп (см. рис. 6.1). Величина пускового тока в этом случае пя п.я RR UI + = . Искусственное (с помощью пускового реостата) снижение пус- кового тока приводит, как это видно из формулы (6.1), к снижению 54 пускового момента Мп. Чтобы сохранить достаточную величину Мп, необходимо запускать двигатель при максимальном потоке, для че- го регулировочный реостат Rв в цепи ОВШ должен быть в момент пуска полностью выведен, 0в =R . При разгоне двигателя возрастает частота вращения n, противо- ЭДС nCE Фe= увеличивается, а ток якоря я я R EUI −= уменьшает- ся, поэтому реостат Rп постепенно выводится. В установившемся режиме, когда cMM = , пусковой реостат Rп полностью выведен, ток якоря достигает значения, определяемого нагрузкой двигателя. С ростом нагрузки Мс > М, что вызывает уменьшение частоты вра- щения n и соответствующее увеличение тока якоря Iя (формула (6.4)) и вращающего момента М (формула (6.1)) до тех пор, пока не на- ступит новое равенство сMM = при сниженной частоте вращения n. При уменьшении нагрузки на валу двигателя Мс < М частота вра- щения n увеличивается, а ток якоря уменьшается. Таким образом, всякое изменение нагрузки на валу двигателя вызывает в нем авто- матическое изменение n, Iя, М. Подставляя в уравнение (6.3) выражение ЭДС и полагая, что в цепь якоря может быть включено добавочное сопротивление Rд (в данной работе пд RR = ), получаем уравнение скоростной характе- ристики двигателя: ( ) Фе пяя С RRIUn +−= . (6.5) Основной характеристикой двигателя является механическая ха- рактеристика, выражающая зависимость n(М). Используя соотноше- ния (6.1) и (6.5), запишем уравнение механической характеристики: ( ) nnМ СС RR C Un ∆−⋅+−= х2 мe пя e = ФФ . 55 Как видно, частоту вращения двигателя можно регулировать тремя способами: включением реостата Rд в цепь обмотки якоря (реостатное регулирование); изменением магнитного потока Ф, т.е. изменением Iв (полюсное регулирование); изменением питающего напряжения U (якорное регулирование). Механическую характеристику n(М), получаемую при 0п =R , номФФ = и номUU = , называют естественной. При реостатном способе регулирования искусственные механические характеристи- ки более мягкие, чем естественные, так как с введением Rд в цепь обмотки якоря увеличивается наклон характеристик n(М). При по- люсном регулировании, которое обычно состоит в уменьшении то- ка возбуждения Iв, увеличиваются скорость идеального холостого хода пх и наклон характеристик n(М). В случае якорного регулиро- вания изменится только величина пх, а наклон характеристик оста- нется неизменным. Эксплуатационные свойства двигателя опреде- ляются рабочими характеристиками n, I, M, f(P) при const=U и constв =R . Для построения рабочих характеристик двигателя используются следующие соотношения. Мощность, потребляемая двигателем из сети: 111 IUP = . Мощность, отдаваемая генератором: 222 3 IUP = , так как нагрузка синхронного генератора (СГ) чисто активная. Коэффициент полезного действия двигателя 1 η P P = . Полезная мощность на валу двигателя PPP ∆−= 1 , 56 где 2 21 PPP −=∆ . Ток возбуждения двигателя параллельного и смешанного возбу- ждения определяется по закону Ома: овшв ном в RR UI + = и не зависит от нагрузки двигателя (Rв принять равным 0). Ток I, потребляемый из сети двигателем параллельного или смешанного возбуждения, определяется по первому закону Кирхгофа: вя III += и изменяется при изменении нагрузки. Номинальный момент двигателя ном ном ном 55,9 n P М = . Момент М на валу двигателя для заданного варианта определя- ется по уравнению (6.1): я.ном ном мФ I МC = . Номинальный ток якоря: вномяном III −= . Противо-ЭДС Eном определяется из уравнения (6.3). Частота вращения якоря n для заданного варианта определяется по уравнению (6.5) при 0п =R . Предварительное задание к эксперименту Для двигателя постоянного тока в табл. 6.1 заданы номинальные величины: мощность на валу Pном, номинальное напряжение Uном, 57 частота вращения якоря nном, КПД ηном, сопротивление обмотки якоря Rя, сопротивление обмотки возбуждения Rв. Определить: 1. Номинальные значения мощности и тока P1ном, Iном, потреб- ляемые двигателем из сети. 2. Номинальный ток якоря Iяном, ток возбуждения Iв, а также но- минальную противо-ЭДС Eном. 3. Ток I1, потребляемый двигателем из сети, согласно своему ва- рианту, заданному в табл. 6.1. 4. Номинальный момент Мном, а также момент М на валу двига- теля для своего варианта. 5. Частоту вращения якоря n для заданного в табл. 6.1 относи- тельного значения тока якоря при номинальном напряжении сети Uном и номинальном потоке Фном обмотки ОВШ (потоком ОВС пренебречь). 6. Результаты предварительного расчета к эксперименту запи- сать в табл. 6.3. Т а б л и ц а 6.1 № вари- анта Тип двига- теля (ДПТ) Pном, кВт Uном, В nном, мин–1 ηном Rя, Ом Rовш, Ом яном я я I II =∗ 1 П31УЧ 0,88 220 1070 0,8 7,3 390 0,3 2 П31-С1-УЧ 0,88 220 1180 0,8 4,3 564 0,4 3 П31М 0,88 220 1088 0,8 5,7 415 0,5 4 П31УЧ 0,82 220 1080 0,75 5,1 386 0,6 5 П31М 0,61 130 1197 0,74 1,7 158 0,7 6 П418-5 2,7 230 1450 0,82 2,8 217 0,8 7 П55Л183 0,8 130 1450 0,74 2,1 163 0,9 8 П31 1,0 230 1450 0,75 4,9 378 1 Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с лабораторным стендом, приборами, электро- машинным агрегатом. 58 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 6.2. Пригласить преподавателя для проверки правильности сборки электрической цепи. 3. Подготовить установку к работе: а) ввести пусковой реостат Rп; б) переключить обмотку возбуждения ОВС двигателя, устано- вить в положение «Вкл. согл.» (по шкале М); в) вывести реостат возбуждения Rв (ручку Rв установить в край- нее правое положение); г) регуляторы источников питания ИП1 и ИП2 установить в крайнее левое положение; д) подать напряжение на лабораторный стенд, включив трехфаз- ный автомат на питающем щитке; е) выключатели нагрузки Rн1 включить в верхнее положение; ж) переключатель «сеть/СГ» установить в положение «СГ»; з) включить ИП2 и установить напряжение 220 В (контролируя вольтметром PV2); и) включить источник ИП1 и контакторы К1 и К3. 59 b + – ОВС ОВШ Rв + – K3 N I K1 PV1 а I * сеть PW PA1 Pφ c Rн1 P PHz G 3~ M ИП1 PA2 PA3 PV2 PmA Rп K4 + – ИП2 Рис. 6.2 4. Запустить ДПТ включением контактора К4, по мере разгона ДПТ вывести пусковой реостат Rп. 5. Выполнить: а) реостатное регулирование и проследить как изменяется часто- та вращения двигателя с изменением сопротивления Rп, включен- ного в цепь обмотки якоря; б) полюсное регулирование и проследить как изменяется частота вращения двигателя с изменением Iв и магнитного потока Ф. 6. Снять рабочие характеристики ДПТ смешанного возбуждения. Для этого, изменяя ток возбуждения СГ регулятором ИП1, записать 60 в табл. 6.2 не менее пяти измерений (при токе возбуждения 0; 4; 8; 12; 16 А). Т а б л и ц а 6.2 Двигатель (ДПТ) Генератор (СГ) Измерено Вычислено Измерено U1, В I1, А Iв, А n, мин–1 P1, Вт М, Н⋅м η P, Вт U2, В I2, А Iв, А P2, Вт 7. Сопоставить результаты расчета предварительного задания с экспериментом, установив ток I, потребляемый двигателем из сети, согласно расчету, и записать в табл. 6.3. Т а б л и ц а 6.3 I, А Iв, А М, Нм n, мин–1 Расчет Эксперимент 8. Построить совмещенные графики рабочих характеристик ДПТ смешанного возбуждения η, n, I, ( )PfМ = . Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Расчет предварительного задания к эксперименту. 3. Схема лабораторной установки. 4. Таблицы результатов измерений и вычислений. 5. Графики рабочих характеристик двигателей смешанного и па- раллельного возбуждения. Контрольные вопросы 61 1. Объяснить устройство двигателя параллельного и смешанного возбуждения, принцип их работы. 2. Какова роль коллектора при работе машины в режимах двига- теля и генератора? 3. Почему пусковой ток Iп при отсутствии реостата Rп значи- тельно превышает Iном? 4. Почему с увеличением нагрузки двигателя уменьшается час- тота вращения n? 5. Какие возможны способы регулирования частоты вращения? 6. Почему с уменьшением тока возбуждения Iв возрастает n? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.7 ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА Цель работы: Изучение устройства и принципа действия син- хронного генератора; включение синхронного генератора на парал- лельную работу с сетью; исследование работы синхронного генера- тора в автономном режиме и построение по опытным данным ха- рактеристик генератора. 62 Общие сведения Синхронный генератор (СГ) преобразует механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока (рис. 7.1). Неподвижная часть машины – статор – представляет собой стальной или чугунный корпус 1, в котором закреплен ци- линдрический магнитопровод 2 (сердечник), набранный из отдель- ных, изолированных друг от друга пластин электротехнической стали. В пазах магнитопровода размещена трехфазная обмотка 4. а б Рис. 7.1 Вращающаяся часть машины – ротор – это электромагнит по- стоянного тока 3. Обмотка возбуждения ротора питается от внеш- него источника постоянного тока через контактные кольца 5, рас- положенные на валу ротора, и неподвижные щетки (угольные или медные), укрепленные на щеткодержателях на корпусе статора и прилегающие к кольцам. Роторы синхронных генераторов могут быть явнополюсными и неявнополюсными. Явнополюсный ротор (рис. 7.1, б) представляет собой массивное стальное колесо, насаженное на вал. По внешней стороне колеса крепятся сердечники полюсов с обмоткой возбуж- дения. Такая конструкция позволяет размещать на роторе большое число полюсов, что необходимо для машин с небольшой частотой вращения (гидрогенераторы). Неявнополюсный ротор (рис. 7.1, а) 63 представляет стальной массивный цилиндр, насаженный на вал. На внешней поверхности цилиндра имеются пазы, в которые уклады- вается обмотка возбуждения. Такая конструкция ротора допускает большие окружные скорости, что необходимо для машин с большой частотой вращения (турбогенераторы). Для синхронных генераторов характерна жесткая связь между частотой тока статора (f) и частотой вращения ротора (n): 60 pnf ⋅= , где p – число пар полюсов. Принцип действия генератора основан на явлении электромаг- нитной индукции. Первичный двигатель (например, турбина) при- водит ротор во вращение. Постоянное магнитное поле ротора, соз- данное током возбуждения, пересекает обмотку статора и индуци- рует в каждой ее фазе синусоидальные ЭДС, одинаковые по ампли- туде и частоте, но сдвинутые по фазе на 1/3 периода. Действующее значение ЭДС 00 Φ44,4 ⋅⋅⋅= fwE , где w – число витков фазы обмотки статора; 0Φ – магнитный поток полюса ротора. Если к обмотке статора подключить нагрузку, то под действием ЭДС 0E в фазах статора и нагрузке потечет ток I. Таким образом, потребляя механическую энергию первичного двигателя, генератор отдает в нагрузку электрическую энергию. Магнитное поле, возбужденное током статора, складывается с магнитным полем полюсов ротора и образует результирующее маг- нитное поле машины. Магнитный поток результирующего поля Φ , взаимодействуя с током обмотки статора I, образует тормозной элек- тромагнитный момент эмM , который противодействует вращающе- му моменту первичного двигателя врM . В установившемся режиме 64 эмвр MM = . Электромагнитная мощность, развиваемая синхронным генерато- ром, sinθ X 3 cos3 ф00эм UE IEP ⋅ =Ψ⋅⋅= , где Ψ – угол между векторами 0E и I ; θ – угол рассогласования. Электрическая мощность, отда- ваемая генератором в нагрузку: ϕ=∆−= cos3 фстэм IUPPP , где стP∆ – потери мощности в обмотках статора. Пренебрегая потерями мощности в статоре )0( ст =∆P , можно считать, что электромагнитная мощность и отдаваемая генератором в нагрузку электрическая мощность приближенно равны: PP ≈эм . Схема замещения фазы статора синхронного генератора приве- дена на рис. 7.2, а. Этой схеме соответствуют уравнение электриче- ского состояния фазы обмотки статора: IjXEU −= 0ф и векторная диаграмма (рис. 7.2, б), где X – синхронное индуктивное сопротивление фазы обмотки статора. На электрических станциях обыч-но устанавливается несколько Zн I E0 Uф jX Рис. 7.2 I E0 jXI Uф ψ θ φ φ а) б) 65 синхронных генераторов, работающих параллельно на общую элек- трическую сеть, а отдельные электрические станции объединяются в мощные энергосистемы. Для включения синхронного генератора на параллельную работу с электрической сетью необходимо выполнить следующие условия: 1. Частота ЭДС подключаемого генератора гf должна быть рав- на частоте сети сf . Это достигается регулированием частоты вра- щения ротора генератора первичным двигателем. 2. ЭДС подключаемого генератора 0E должна быть равна на- пряжению сети U и совпадать с ним по фазе. 3. Порядок чередования фаз генератора и сети должен быть оди- наковым. Включение генератора на параллельную работу с соблюдением указанных условий называется синхронизацией. Это весьма ответ- ственная операция, так как при неправильном включении могут возникнуть недопустимо большие токи, представляющие опасность как для самих генераторов, так и для других элементов сети. Контроль выполнения указанных условий может осуществляться с помощью лампового (рис. 7.3) или стрелочного синхроноскопа. Включение контактора (К) производится в момент полного пога- сания всех трех ламп. На современных электростанциях пуск гене- раторов полностью автоматизирован. Для того чтобы генератор по- сле включения в сеть начал отдавать активную мощность, необхо- димо увеличить момент первичного двигателя. 66 В автономном режиме синхронные генераторы работают в тех случаях, когда отсутствуют питающие сети энергосистемы, напри- мер, удаленные строительные площадки, нефтяные и газовые про- мыслы, лесозаготовительные пункты, морские и речные суда, авто- мобили и т.д. Для оценки свойств генераторов используют ряд характеристик. К основным относятся характеристики холостого хода и внешняя характеристика. Характеристика холостого хода представляет зависимость )( в0 IE при const=n и 0=I (рис. 7.4, а). Поскольку 00 ~ ΦE , то зависи- мость )( в0 IE определяется свойствами магнитной цепи машины. Внешняя характеристика – это зависимость )(IU при constв =I (рис. 7.4, б). A B C Рис. 7.3 K G 3~ 67 Рис. 7.4 Предварительное задание к эксперименту Для синхронного генератора с обмоткой статора, соединенной звездой, заданы: линейное напряжение сети лU = 220 В; мощность P = 600 Вт, отдаваемая генератором в сеть; ток возбуждения ротора вI (табл. 7.1); синхронное индуктивное сопротивление X = 70 Ом; за- висимость вв0 1630)( IIE += В. Т а б л и ц а 7.1 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 Ток возбуждения СГ вI , А 7 8 9 10 11 12 13 14 Требуется: 1. Определить угол рассогласования θ, учитывая, что эмPP = . 2. Построить в масштабе векторную диаграмму СГ. 3. Найти коэффициент мощности ϕcos , падение напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении X·I и ток статора I, вос- пользовавшись векторной диаграммой. Порядок выполнения эксперимента 1. Ознакомиться с лабораторным стендом и электрической схе- мой установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7.5. Пригласить E0 E0 ном Eост Iв ном Iв U Uх Uном Iном I cos φ < 1; φ < 0 cos φ = 1 cos φ < 1; φ > 0 0 0 68 преподавателя для проверки правильности сборки цепи. Rн1 I b c + ИП2 – PA1 PW Pφ N A B C G 3~ СГ сеть a b c I* I PA2 + ИП1 – M PmA ОВС PA3 ОВШ Rп K4 PV2 Rв + – K3 K1 ЛС PHz PV1 Рис. 7.5 3. Подготовить установку к работе: а) регуляторы ИП1 и ИП2 установить в крайнее левое положение; б) ввести пусковой реостат ДПТ пR ; в) переключатель обмотки возбуждения OBС ДПТ установить в положение «Вкл. согл.» (по шкале М); г) выключатели нагрузки н1R отключить; 69 д) реостат возбуждения вR ДПТ полностью вывести (ручку вR установить в крайнее правое положение); е) переключатель « СГ сеть » установить в положение «СГ»; ж) подать напряжение на лабораторный стенд, включив трех- фазный автомат на питающем щитке; з) включить ИП1 и ИП2. 4. Регулятором ИП2 установить напряжение 150…180 В (по вольт- метру PV2), запустить двигатель включением контактора К4, по мере разгона ДПТ вывести пусковой реостат пR . 5. Для включения СГ на параллельную работу с сетью необхо- димо: а) включить контактор К3 и регулятором ИП1 установить на- пряжение 200…220 В (по вольтметру PV1); б) регулятором ИП2 установить частоту f = 50 ± 0,2 Гц (по час- тотомеру PHz); в) регулятором ИП1 установить напряжение ссг UU = (контроль равенства напряжений осуществляется по вольтметру PV1 с помо- щью переключателя « СГ сеть »; г) регулятором ИП2 добиться полной синхронизации СГ и сети. В момент, когда стрелка синхроноскопа совпадает с меткой на шка- ле, а лампы погаснут, необходимо включить контактор K1. 6. Выполнить опытную проверку предварительного задания. Ре- гулятором ИП1 установить ток в роторе вI (по амперметру PA2), а регулятором ИП2 загрузить СГ на мощность P (по ваттметру PW), заданные вариантом. Данные измерения занести в табл. 7.2. Т а б л и ц а 7.2 Iв, А P, Вт I, А cos φ Расчет Эксперимент 7. Для исследования работы СГ в автономном режиме необходимо: 70 а) отключить трехфазный автомат на питающем щитке; б) к зажимам I, b, c СГ подключить нагрузку н1R ; в) последовательно выполнить все этапы пп. 3, 4. 8. Снять характеристику холостого хода СГ )( в0 IE . Изменяя регулятором ИП1 ток возбуждения вI (по амперметру РА2) от нуля до наибольшего значения, снять 6…8 значений фазной ЭДС Е0 (по- казания вольтметра PV1 необходимо делить на 3 ), регулятором ИП2 поддерживать синхронную частоту вращения. Данные экспе- римента занести в табл. 7.3. Т а б л и ц а 7.3 E0, В I0, А 9. Снять внешнюю характеристику СГ U(I). Регулятором ИП1 установить на зажимах СГ напряжение Uл = 220 В. Увеличивая на- грузку н1R и поддерживая с помощью регулятора ИП2 синхронную частоту вращения n, снять показания приборов. Результаты измере- ний записать в табл. 7.4. Т а б л и ц а 7.4 U, В I, А Iв, А P, Вт 10. По результатам измерений построить характеристику холо- стого хода и внешнюю характеристику. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Расчет предварительного задания. 3. Электрическая схема лабораторной установки. 4. Таблицы результатов измерений. 71 5. Графики характеристик холостого хода и внешней. 6. Выводы об особенностях работы синхронного генератора па- раллельно с сетью и в автономном режиме. Контрольные вопросы 1. Объясните устройство синхронного генератора и принцип его работы. 2. Как подразделяются синхронные генераторы в зависимости от устройства ротора? Назначение обмотки возбуждения. 3. Назовите условия включения синхронного генератора на па- раллельную работу с энергосистемой. 4. Когда используется автономная работа синхронного генератора? 5. Как снимается характеристика холостого хода? 6. Как снимается внешняя характеристика? 7. Каким образом поддерживается неизменным напряжение у генератора, работающего на автономную нагрузку? 8. Как регулируют активную мощность, отдаваемую синхрон- ным генератором в энергосистему? 9. Каким образом регулируются частота и амплитуда индуциро- ванной в статоре ЭДС? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.8 72 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ Цель работы: ознакомление с аппаратами и схемами автомати- зированного управления электродвигателями. Общие сведения Аппараты ручного управления (рубильники, пакетные выключа- тели, разъединители, тумблеры, переключатели, кнопки, кнопочные станции – блоки из двух и более кнопок и др.) служат для нечастого включения и отключения электрических цепей небольшой мощно- сти. Включение и отключение аппаратов ручного управления осу- ществляются ручным или механическим способом путем воздейст- вия на рычаги с укрепленными на них подвижными контактами. При автоматизированном управлении электродвигателем пере- ключения в его цепи производят аппаратами, контакты которых приводятся в действие силой тяги электромагнитов. Роль оператора сводится к воздействию на кнопки управления. В результате обес- печиваются быстрота и легкость управления, возможность управле- ния на расстоянии. К простейшим аппаратам, обеспечивающим автоматизированное управление асинхронными двигателями с короткозамкнутым рото- ром, относятся контакторы. Контактор представляет электромаг- нитный аппарат, который служит для переключений в главной цепи электродвигателя. Он состоит из собранного из листов электротехни- ческой стали неподвижного сердечника с катушкой и подвижного якоря. Имеет главные и вспомогательные контакты. Главные контак- ты служат для переключений в силовой цепи двигателя, а вспомога- тельные – для переключений в цепи управления. При включении катушки контактора на переменное напряжение контактор срабаты- вает – якорь притягивается к полюсам сердечника и замыкает глав- ные контакты, которые присоединяют двигатель к сети. Одновре- менно с главными происходит переключение и вспомогательных контактов, которые отличаются от главных меньшими размерами. 73 Если катушка контактора отключается от питающей сети, то якорь под действием пружины отпадает от сердечника, а вместе с ним и подвижные контакты, двигатель отключается. Управление контактором выполняют с помощью кнопочной станции, которая имеет пусковую кнопку КнП с замыкающими контактами и остановочную кнопку КнС с размыкающими контак- тами. Обе кнопки имеют автоматический возврат в исходное поло- жение после их нажатия благодаря возвратным пружинам. Так как контактор не защищает двигатель от коротких замыка- ний и перегрузок, то в цепь питания двигателя включают автома- тический воздушный выключатель, часто называемый просто авто- матом. Воздушный выключатель производит отключение цепи ав- томатически при нарушении нормальных условий работы, когда ток переходит установленное предельное значение (максимальные и минимальные автоматы). Для воздействия на защелку отключаю- щего механизма в автоматах применяются электромагнитные, теп- ловые и комбинированные расцепители. В комбинированном рас- цепителе электромагнитный и тепловой элементы могут независи- мо отключать автомат. Наиболее распространенным является автомат максималь- ного тока (рис. 8.1). Когда ток в защищаемой цепи превышает до- пустимые значения, катушка 1 втягивает стальной сердечник 2 и защелка 3 освобождает пру- жину 4, которая размыкает кон- такты 5 и отключает цепь тока I. Обратное включение автомата производится от руки. Автома- ты максимального тока приме- няются и в осветительных цепях жилых зданий взамен плавких предохранителей. Чтобы избежать отключения двигателя при кратковременном увеличении тока (например, пускового тока двигателя) автоматы снабжают устройством выдержки времени. Автоматы применяют в сетях переменного и постоянного тока напряжением до 1000 В. Рис. 8.1 74 Для защиты от токов перегрузок применяют автоматы с тепло- выми расцепителями. Основным элементом этого расцепителя яв- ляется биметаллическая пластинка, охваченная спиралью, по кото- рой протекает потребляемый двигателем ток. Если ток длительно превышает номинальное значение, пластинка от нагрева деформи- руется и механически воздействует на устройство, размыкающее электрическую цепь. Тепловой расцепитель не реагирует на кратко- временные превышения тока в защищаемой цепи. Когда необходи- мо защищать установку и от кратковременных, но значительных перегрузок, применяют автомат с комбинированным расцепителем. Аппараты управления и защиты, а также электрические машины состоят из однотипных элементов: катушек, контактов, обмоток машин и т.д. Для возможности чтения схем необходимо знать ус- ловные графические обозначения. Некоторые используемые обо- значения приведены в табл. 8.1. Т а б л и ц а 8.1 Наименование Обозначение 1 2 Контакты коммутирующего устройства: а) замыкающие б) размыкающие в) переключающие Замыкающий контакт для коммутации сильно- точной цепи Замыкающие контакты реле времени с выдержкой: а) при замыкании б) при размыкании Замыкающий контакт с механической связью 75 Окончание табл. 8.1 1 2 Выключатель трехполюсный с автоматическим отключением Выключатель кнопочный нажимной: а) с замыкающим контактом б) с размыкающим контактом Катушка электромеханического устройства (кон- тактора, реле) Контакт теплового реле с возвратом посредством нажатия кнопки Нагреватель теплового реле Трехфазный асинхронный двигатель с коротко- замкнутым ротором Принципиальные схемы управления электроустановками содер- жат полный состав элементов устройств, входящих в установку. Схемы дают представление о принципе работы электроустановки. На принципиальных схемах отдельные элементы аппаратов изо- бражают раздельно для удобства отражения принципа действия установки в целом. При этом буквенное обозначение элементов од- ного и того же аппарата обязательно должно быть одинаковым, на- пример, катушка контактора, его главные и вспомогательные кон- такты обозначаются одинаково К (рис. 8.2). M 3∼ 76 Кроме того, на принципиальной схеме все контакты кнопок и аппаратов принято изображать в том состоянии, в котором они на- ходятся при отсутствии электромагнитного или механического воз- действия на кнопки и рычаги аппаратов. В качестве примера рассмотрим простейшую принципиальную схему управления асинхронным короткозамкнутым двигателем с помощью контактора (см. рис. 8.2), позволяющую производить дис- танционное включение и отключение двигателя. При нажатии пус- ковой кнопки КнП замыкается цепь управления: линейное напря- жение UCА питает катушку контактора К через кнопки КнП и КнС. Контактор срабатывает, замыкаются его главные и вспомогатель- ные контакты К и двигатель включается в сеть. Вспомогательный контакт К, шунтирующий кнопку КнП, сохраняет цепь управления замкнутой после отпускания кнопки. Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку КнС. При этом цепь управления разрывается и якорь контактора под действи- ем силы тяжести или пружины отпадает, размыкая главные и вспо- могательные контакты К. После отпускания кнопки, цепь остается разомкнутой. Разрыв цепи образует кнопка КнП. Повторное вклю- чение двигателя возможно только нажатием пусковой кнопки КнП. Кнопочные станции из двух кнопок КнП и КнС могут устанавли- ваться вместе с контактором или раздельно. В последнем случае дос- тигается дистанционное управление двигателем. С помощью двух M 3∼ A B C К AB К К КнП КнС Рис. 8.2 77 комплектов кнопочных станций, установленных в разных местах, обеспечивается дистанционное управление из двух мест. При этом кнопки КнП включаются параллельно, а КнС – последовательно. На рис. 8.3 приведена принципиальная схема управления ревер- сивным асинхронным двигателем. Автоматическим выключателем АВ установка вручную подклю- чается к трехфазной сети. Этот выключатель защищает установку от перегрузок, автоматически отключая ее. Контактор КB предна- значен для включения в условном направлении «Вперед», а контак- тор КН – в условном направлении «Назад». При срабатывании кон- тактора КB линейные провода подключаются к зажимам двигателя в порядке А, В, С; при срабатывании контактора КН – в порядке С, В, А. Таким образом, магнитное поле и ротор двигателя будут вра- щаться соответственно «Вперед» или «Назад». В обоих контакторах кроме главных контактов, обозначенных так же, как и катушки (КB и КН), использованы по два вспомога- тельных контакта – один замыкающий, другой – размыкающий. За- мыкающий подключен параллельно соответствующей кнопке, а размыкающий включен последовательно в цепь катушки «чужого» контактора, например, контакт КB в цепь катушки контактора КН. A B C AB КВ М 3∼ КН КнС КН КВ КнВ КВ КВ КН КнН КН Рис. 8.3 78 Такое включение называют электрической блокировкой. Она ис- ключает одновременное включение обоих контакторов во избежа- ние короткого замыкания. Запуск двигателя осуществляется с помощью кнопок КнВ или КнН, остановка – кнопкой КнС. При нажатии кнопки КнВ цепь ка- тушки контактора КВ питается линейным напряжением UAB через кнопку КнС и размыкающий контакт КН. Якорь контактора КB втянется и его главные контакты замкнутся. Обмотка статора под- ключается к сети, ротор начнет вращаться «Вперед». Для изменения направления вращения сначала отключают двига- тель нажатием кнопки КнС, а затем включают кнопку КнН. При этом катушка контактора КН получает питание (через кнопку КнС и раз- мыкающий контакт КB) и обмотка двигателя подключается к линей- ным проводам С, В, А – ротор изменит направление вращения. Предварительное задание к эксперименту По рекомендуемой литературе изучить устройство и назначение аппаратов ручного и автоматического управления асинхронными двигателями: пакетного выключателя, автоматического воздушного выключателя (автомата), контактора переменного тока. Письменно дать обоснованный ответ на вопрос соответствующего варианта из табл. 8.1. Т а б л и ц а 8.1 Вариант Вопрос 1 2 1 Какие нежелательные последствия вызовет отсутствие вспомогательного контакта контактора КB, шунтирую- щего пусковую кнопку КнВ, при управлении асинхрон- ным двигателем по схеме рис. 8.3? 2 Начертите схему дистанционного управления асинхрон- ным двигателем с двух мест, используя два комплекта кнопочных станций и контактор. 3 Почему в схемах автоматизированного управления дви- гателем (см. рис. 8.2, 8.3) используются нажимные кноп- ки, но не пакетные выключатели? 79 Окончание табл. 8.1 1 2 4 Какие нежелательные последствия может вызвать замена остановочной кнопки КнС пакетным выключателем при управлении двигателем по схеме рис. 8.2? 5 Какие нежелательные последствия вызовет отсутствие вспомогательного контакта КН, включенного параллель- но кнопке КнН, при управлении асинхронным двигате- лем по схеме рис. 8.3? 6 Каково назначение вспомогательного размыкающего кон- такта контактора КН в цепи катушки контактора КB в схе- ме рис. 8.3? 7 Возможно ли одновременное включение контакторов КB и КН в схеме рис. 8.3? 8 Каково назначение вспомогательного размыкающего кон- такта контактора КB в цепи катушки контактора КН в схе- ме рис. 8.3? Порядок выполнения эксперимента 1. Ознакомиться с аппаратами управления и оборудованием экс- периментальной установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 8.2 и после про- верки цепи руководителем осуществить запуск и остановку двига- теля. 3. В присутствии преподавателя экспериментально проверить пра- вильность ответа на вопрос предварительного задания. 4. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 8.3 и после про- верки цепи руководителем включить двигатель, затем остановить его и снова включить, изменив направление вращения с помощью реверсивного контактора. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Схемы экспериментальных установок (см. рис. 8.2 и 8.3). 80 3. Обоснованный ответ на вопрос предварительного задания. 4. Сравнительный анализ использованных аппаратов ручного и автоматизированного управления двигателем. Контрольные вопросы 1. Каковы устройство и назначение автоматического воздуш- ного выключателя, контактора, пакетного выключателя, нажимных кнопок? 2. Какие типы расцепителей используются в автоматических воз- душных выключателях? Для каких целей служат расцепители? 3. Возможно ли автоматическое управление двигателем с помо- щью автоматического воздушного выключателя? 4. Почему в схемах автоматизированного управления двигателем используются нажимные кнопки, но не пакетные выключатели? 5. Объясните условные обозначения элементов на схемах (см. рис. 8.2 и 8.3). 6. Как работают схемы автоматизированного управления рис. 8.2 и 8.3? 7. Объясните, что такое электрическая блокировка в схеме рис. 8.3. 8. Произойдет ли реверс АД без использования кнопки КнС в схеме рис. 8.3? Почему? 81 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.9 ЗАЩИТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ И ОБРЫВА ФАЗЫ Цель работы: изучение устройства магнитного пускателя, теп- лового реле, электромагнитного реле максимального тока, реле времени; изучение и анализ работы защиты асинхронного двигателя от перегрузки и обрыва фазы. Общие сведения Электротехнические устройства должны быть защищены от пе- регрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках. При коротком замыкании резко увеличивается ток, тепловое действие которого может вызвать разрушение изоляции и пожар, возникают опасные электродинамические силы взаимодействия токов. Про- стейшую защиту от коротких замыканий обеспечивает плавкий пре- дохранитель, отключающим элементом которого является плавкая вставка – сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увели- чении тока свыше определенного значения. Так как вставки не должны плавиться при кратковременных перегрузках, например, от пусковых токов электродвигателей, то плавкий предохранитель на- дежно не защищает электроустановки от длительных перегрузок. Перегрузка электродвигателя возникает, если момент на его валу больше номинального, в результате токи в питающих проводах и обмотке двигателя превышают номинальные значения. Кроме того, опасный для трехфазного двигателя режим наступает при обрыве одной из фаз. Так как двигатель работает на двух фазах, а момент на валу сохраняется прежним, то токи возрастают. Защита двигате- лей от перегрузки и от обрыва фазы осуществляется с помощью те- пловых или электромагнитных реле. Тепловое реле (рис. 9.1) состоит из биметаллической пластинки 1, резистора-нагревателя 2, рычага 3, пружины 4, контактов 5, кнопки возврата 6. Для защиты двигателя от перегрузки и от обрыва фазы в контактор встраивают два тепловых реле. Полученный аппарат называют маг- нитным пускателем. Применение двух тепловых реле необходимо для отключения двигателя при обрыве любого соединительного провода. 82 Рис. 9.1 На рис. 9.2 приведена схема управления и защиты двигателя с помощью магнитного пускателя. Схема имеет две цепи: силовую и цепь управления. Рис. 9.2 Силовая цепь содержит три главных контакта пускателя К, на- греватели тепловых реле PT1, PT2 и обмотку двигателя, а цепь управления – катушку контактора К, пусковую КнП и остановоч- ную КнС кнопки, вспомогательный контакт контактора К и контак- ты тепловых реле PT1 и РТ2. A B C В2 К AB К ОВШ G Rн ОВС В1 РТ2 РТ1 M 3~ PA К РТ1 РТ2 КнП КнС 83 При нажатии пусковой кнопки КнП замыкается цепь управления – от фазы А сети через контакты тепловых реле, контакты кнопок КнС и КнП, катушку контактора к фазе С сети (выключатель B1 замкнут). Под действием тока в катушке К электромагнит контак- тора притянет подвижный якорь, при этом замыкаются главные и вспомогательный контакты К. Посредством трех главных контактов включается силовая цепь и двигатель запускается. Вспомогатель- ный контакт, шунтирующий кнопку КнП, сохраняет замкнутой цепь управления, когда названная кнопка будет отпущена. Отключение двигателя обеспечивается кнопкой КнС, нажатием которой разрывается цепь управления. При отсутствии тока в ка- тушке контактора якорь отпадает и размыкаются главные контакты К, вызывая автоматическое отключение двигателя. Нагреватели тепловых реле включены последовательно с обмот- кой двигателя и по ним протекают линейные токи. При перегрузке или обрыве фазы токи превышают номинальные значения и биме- таллическая пластинка теплового реле под влиянием тепла, излу- чаемого нагревателем, изгибается вверх и освобождает рычаг 3 (см. рис. 9.1), после чего под действием пружины 4 размыкается контакт теплового реле 5, чем разрывается цепь управления, ток в катушке контактора К исчезает, якорь отпадает и размыкает главные контак- ты пускателя, отключая двигатель (см. рис. 9.2). В исходное поло- жение рычаг теплового реле можно вернуть нажатием кнопки воз- врата 6 после охлаждения биметаллической пластинки, на что тре- буется примерно 0,5...3 мин. Время срабатывания теплового реле зависит от тока нагревателя, предварительного режима нагрузки и температуры окружающей среды. Вследствие значительной тепловой инерции тепловые реле не срабатывают от кратковременных пусковых токов двигателей, но и не обеспечивают защиту от токов короткого замыкания. Поэтому для защиты от коротких замыканий в силовой цепи устанавливают плавкие предохранители или автоматический выключатель АВ с максимальным электромагнитным расцепителем (см. рис. 9.2). Схема защиты двигателя с применением электромагнитных реле изображена на рис. 9.3. Управление двигателем осуществляется с по- мощью контактора. В один из линейных проводов (фаза А) последова- тельно включена катушка максимального токового реле КА электро- магнитной системы. В реле между полюсами электромагнита установ- 84 лен на оси Z-образный стальной якорь, который удерживается в ис- ходном положении пружиной. Когда ток в катушке реле (линейный ток двигателя) превышает допустимые значения, якорь поворачивает- ся и замыкаются контакты – реле срабатывает. Ток срабатывания реле можно регулировать, изменяя натяжение пружины. Через контакты токового реле включается реле времени КТ, которое спустя некоторый промежуток времени, называемый выдержкой времени, замкнет свои контакты и включит промежуточное реле КL. Промежуточное реле размыкает свои нормально замкнутые контакты и разрывает цепь ка- тушки контактора К, в результате чего двигатель автоматически от- ключается. Реле времени необходимо для того, чтобы пусковые токи не вызывали отключения двигателя. Для должной чувствительности и четкости работы подвижный контакт реле времени выполняют легким, рассчитанным на малый ток. Чтобы контакты реле времени не обгора- ли, отключение катушки контактора К осуществляется достаточно мощными контактами промежуточного реле. Рис. 9.3 КА G ОВШ Rн ОВС B C A В2 M 3~ K PA КТ КL К В1 К КнП КнС КА КТ КL 85 Релейная защита двигателя имеет сравнительно высокую стои- мость, поэтому применяется для двигателей большой мощности. Предварительное задание к эксперименту По литературным источникам изучить устройство, принцип дей- ствия и назначение всех элементов схем рис. 9.2 и 9.3. Письменно дать обоснованный ответ на вопрос соответствующего варианта из табл. 9.1. Т а б л и ц а 9.1 Вариант Вопрос 1 Как работает трехфазный асинхронный двигатель при подключе- нии его к трехфазной сети в случае обрыва фазы В питающей сети (характер магнитного поля, момент, ток, частота вращения)? Сра- ботает ли при этом режиме защита двигателя по схеме рис. 9.3? 2 Изменится ли время срабатывания защиты двигателя от пере- грузки в цепи рис. 9.2 при увеличении тока перегрузки? 3 Сработает ли защита двигателя от перегрузки в цепи рис. 9.3 при замкнутом выключателе B1 и разомкнутом В2, если момент на валу двигателя равен номинальному? 4 Как изменится режим работающего с номинальной нагрузкой на валу двигателя после обрыва фазы B питающей сети? Срабо- тает ли при этом защита по схеме рис. 9.2? 5 Сработает ли защита двигателя от перегрузки в цепи рис. 9.2 при замкнутом выключателе B1 и разомкнутом В2, если момент на валу двигателя равен номинальному? 6 Изменится ли время срабатывания защиты двигателя от перегруз- ки в цепи рис. 9.3 при увеличении тока перегрузки? 7 Сработает ли защита двигателя от перегрузки в цепи рис. 9.3 при замкнутых выключателях B1 и В2, если двигатель развивает мощность Р = 1,2 Рном? 8 Сработает ли защита двигателя от перегрузки в цепи рис. 9.3 при разомкнутых выключателях B1 и В2, если момент на валу дви- гателя равен номинальному? 86 Порядок выполнения эксперимента 1. Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием экс- периментальной установки. 2. Собрать электрическую цепь по схеме рис 9.2, замкнуть вы- ключатели B1 и В2, переключатель нагрузки установить в положе- ние «холостой ход». 3. После проверки руководителем правильности соединений вклю- чить цепь управления и убедиться в нормальной работе всех аппа- ратов. 4. В присутствии преподавателя экспериментально проверить пра- вильность ответа на вопрос предварительного задания. 5. Загрузить двигатель до номинальной мощности, записать но- минальный ток Iном в табл. 9.2. Увеличив нагрузку двигателя до Р = 1,2 Рном, зафиксировать ток перегрузки I и время срабатывания теплового реле t1. Т а б л и ц а 9.2 Режим Iном = I, А t1, с t2, с Р = 1,2 Рном Обрыв провода Р = Рном 6. При номинальной мощности на валу двигателя выключателем В2 оборвать линейный провод питающей цепи. Записать значение тока при обрыве I и время срабатывания защиты t1 в табл. 9.2. 7. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 9.3, выключатель В1 разомкнуть, а В2 – замкнуть. 8. После проверки руководителем правильности соединений включить цепь управления и обратить внимание на работу реле то- ка и времени при запуске двигателя. 9. Загрузить двигатель до мощности Р = 1,2 Рном и зафиксировать время срабатывания защиты t2 в табл. 9.2. 10. При номинальной мощности на валу двигателя оборвать ли- нейный провод питающей цепи (В2 – разомкнут) и зафиксировать время срабатывания защиты t2 в табл. 9.2. 87 Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Схемы экспериментальной установки (см. рис. 9.2 и 9.3). 3. Обоснованный ответ на вопрос предварительного задания. 4. Таблица измерений (см. табл. 9.2). 5. Анализ полученных результатов и выводы. Контрольные вопросы 1. Какие аппараты управления и защиты использовались в работе? 2. Каково устройство и назначение магнитного пускателя? Чем он отличается от контактора? 3. Каково назначение главных контактов магнитного пускателя? 4. Для чего применяют вспомогательные контакты магнитного пускателя в цепях рис. 9.2 и 9.3? 5. Как устроены кнопочная станция и тепловое реле? 6. Почему в цепях с магнитными пускателями необходимо еще устанавливать плавкие предохранители или автоматические выклю- чатели с максимальными электромагнитными расцепителями? 7. Как устроены токовое реле, реле времени и промежуточное реле? Каково их назначение в цепи рис. 9.3? 8. Почему большой пусковой ток двигателя не вызывает сраба- тывания защиты в цепях рис. 9.2 и 9.3? 9. Почему при обрыве одного провода двигатель потребляет ток больше номинального, когда момент на валу двигателя равен номи- нальному? 88 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.10 ВЫБОР АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ПО НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЕ РАБОЧЕГО МЕХАНИЗМА Цель работы: расчет мощности электродвигателя и выбор по каталогу асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Общие сведения Выбор мощности электродвигателей определяет затраты и стои- мость эксплуатационных расходов промышленных установок. При- менение двигателей недостаточной мощности не обеспечивает нор- мальной работы механизма, приводит к снижению производитель- ности, возникновению аварий и преждевременному выходу двига- теля из строя. Применение двигателей чрезмерной мощности ухуд- шает экономические показатели установки, приводит к ее удорожа- нию и большим потерям энергии. Правильно выбранный двигатель должен быть полностью загру- жен и при этом работать, не перегреваясь сверх допустимых преде- лов. Также двигатель должен обеспечивать нормальную работу при возможных временных перегрузках и обладать достаточным пуско- вым моментом для обеспечения требуемой длительности пуска ра- бочего механизма. Режим рабочего механизма может быть определен нагрузочной диаграммой (рис. 10.1), под которой понимается зависимость вра- щающего момента (мощности, тока) двигателя от времени. В большинстве случаев выбор мощности электродвигателя про- изводится по нагреву, а затем осуществляется его проверка по пере- грузочной способности. По условиям нагревания различают три основных режима работы. Продолжительный режим работы (рис. 10.1, а) – это режим, при котором за рабочий период tр температура двигателя достигает своего установившегося значения. В таком режиме работают двига- тели вентиляторов, насосов, электроприводы зубофрезерных, зубо- шлифовальных, тяжелых токарных, карусельных и некоторых дру- гих станков, периоды работы которых могут измеряться часами и даже сутками. 89 Рис. 10.1 М2 М3 М4 М1 t1 t2 t3 t4 М М·н t c М2 М3 М1 t1 t2 t3 tо М М·н t c М1 tр Мр tр tо tр М М·н t c Мр tр а б в 88 Кратковременный режим работы (рис. 10.1, б) – это режим, когда рабочие периоды tр нагрузки, за которые температура двига- теля не достигает установившегося значения, чередуются с перио- дами отключения tо, за которые двигатель полностью остывает. В таком режиме работают двигатели разводных мостов, шлюзов и т.п. Повторно-кратковременный режим работы (рис. 10.1, в) – это режим, когда ни в одном из периодов работы температура дви- гателя не достигает установившегося значения, а в период времени отключения tо двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. В таком режиме работают двигатели подъем- ных механизмов, лифтов, транспортных устройств, некоторых ме- таллорежущих станков и т.п. Время цикла tц повторно-кратковре- менного режима определяется суммой времени периода работы двигателя tр и периода отключения tо. Время цикла не должно быть больше 10 минут. Если tц > 10 мин, то режим считается продолжи- тельным. Условия работы двигателя в повторно-кратковременном режиме зависят от соотношения времени работы двигателя и вре- мени отключения. Для нагрузочной диаграммы этого режима ис- пользуется понятие продолжительности включения (ПВ %), под которой понимают отношение времени работы двигателя к времени цикла, выраженное в процентах: %100%ПВ ор р ⋅ + = tt t . Для повторно-кратковременного режима работы предназначены специальные электродвигатели, номинальная мощность которых оп- ределена в паспорте для стандартных значений ПВ% (15, 25, 40 или 60 %). Если по нагрузочной диаграмме получается нестандартное значение ПВ %, то мощность двигателя пересчитывается по формуле ст эквст расч. %ПВ %ПВPP = , где Ррасч. ст – расчетная мощность электродвигателя для стандартно- го значения продолжительности включения; 89 Рэкв – мощность по нагрузочной диаграмме; ПВ % – продолжительность включения по нагрузочной диа- грамме; ПВ %ст – стандартное значение продолжительности включения. По каталогу выбирают двигатель из условия ст расч.ном PP ≥ . Если ПВ % > 60 %, то режим считается продолжительным. При ПВ % < 10 % режим работы можно считать кратковременным. Методика расчета мощности электродвигателя для каждого из трех указанных режимов работы имеет свои особенности из-за различий нагревания в каждом режиме. Рассмотрим расчет мощ- ности электродвигателя при продолжительном режиме работы с переменной нагрузкой рабочего механизма (см. рис. 10.1, а). Для продолжительного режима работы обычно применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Наиболее удобными и простыми являются методы расчета сред- неквадратичных или эквивалентных величин. При использовании нагрузочной диаграммы рабочего механизма в виде зависимости момента на валу двигателя от времени можно получить формулу для эквивалентного момента: n nn tttt tМtМtMM ++++ ⋅++⋅+⋅ = ... ... 321 2 2 2 21 2 1 экв , Н·м, где М1, М2, …, Мn – моменты на валу двигателя от рабочего меха- низма на интервалах времени t1, t2, …, tn. Формулой эквивалентного момента можно пользоваться и для повторно-кратковременного режима работы с учетом того, что вре- мя периода отключения tо двигателя в формулу не включается, так как период отключения учитывается величиной продолжительности включения ПВ %. Пренебрегая изменением частоты вращения вала электродвига- теля при изменении нагрузки рабочего механизма, можно опреде- лить его мощность, соответствующую эквивалентному моменту: 9550 номэкв экв nMP = , кВт, 90 где nном – номинальная частота вращения вала рабочего механизма (мин–1). Для повторно-кратковременного режима работы, когда ПВ % > > 60 %, можно использовать асинхронный электродвигатель с ко- роткозамкнутым ротором, расчетная мощность двигателя пересчи- тывается по формуле %100 %ПВ экврасч PP = . По каталогу выбирают асинхронный двигатель с короткозамк- нутым ротором серии 4А из условия эквном PP ≥ или расчном PP ≥ для повторно-кратковременного режима работы и определяют его паспортные данные: == пномmaxмномномном ,/,,, kMMknUP номпус / MM к= . Выбранный двигатель проверяют по перегрузочной способно- сти. Проверку проводят при номинальном напряжении электропи- тания и при снижении напряжения питающей сети на 10 % от но- минального. При номинальном напряжении питания проверку выполняют ис- ходя из условия Ммакс ≤ Ммакс. доп, где Ммакс – максимальный момент на валу рабочего механизма по нагрузочной диаграмме (на рис. 10.1, а Ммакс = М2), Ммакс. доп – максимально допустимый момент двигателя, равный максдоп макс. 9,0 MM ⋅= . Максимальный момент двигателя может быть определен с ис- пользованием паспортных данных: Ммакс = kм⋅Мном, где Мном = 9550⋅Рном / nном. 91 При снижении напряжения питающей сети на 10 % от номи- нального (0,9Uном) максимальный момент на валу двигателя опре- деляют с учетом того, что М ∼ 2фU , соответственно развиваемый двигателем максимальный момент уменьшается до значения макс 2 доп макс. 9,0)9,0( MM ⋅⋅=′ . В случае если условие допмакс.макс MM ′≤ не выполняется для пониженного напряжения питания, то необходимо по каталогу вы- брать двигатель с большей на ступень номинальной мощностью и повторить проверку по перегрузочной способности. Работа выполняется на ПЭВМ с использованием расчетной про- граммы ADMX.EXE. Программа позволяет строить нагрузочную диаграмму M(t) рабочего механизма для заданных интервалов вре- мени tk и моментов Mk, (рис. 10.5), определить для построенной диаграммы максимальный и эквивалентный моменты (Ммакс и Мэкв), режим работы механизма и продолжительность включения ПВ%, эквивалентную и расчетную мощности электродвигателя (Рэкв и Ррасч) для заданной частоты вращения вала рабочего механизма. Программа содержит каталог асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором серии 4А. Для выбранного в каталоге двигателя может быть построена механическая характеристика M = f(S) в виде графика зависимости момента M от скольжения S для номинального напряжения электропитания и для пониженного на- пряжения на 10 % от номинального. Предварительное задание к эксперименту Построить нагрузочную диаграмму рабочего механизма по дан- ным табл. 10.1. Определить режим работы производственного ме- ханизма. Рассчитать мощность асинхронного электродвигателя. Из- менением частоты вращения ротора двигателя при изменениях на- грузки на валу рабочего механизма пренебречь. 92 Т а б л и ц а 10.1 Вари- ант Интервалы времени, с Моменты на валу АД, Н⋅м Частота враще- ния n, мин-1 t1 t2 t3 t4 t5 M1 M2 M3 M4 M5 1 100 180 80 100 120 10 20 0 10 15 720 2 50 150 100 200 50 30 40 20 10 20 700 3 120 100 180 10 60 60 70 50 10 40 1460 4 60 100 90 50 150 0 70 80 60 40 700 5 100 120 150 80 100 150 10 120 80 100 730 6 120 50 180 250 150 200 160 20 120 180 990 7 80 220 40 110 150 250 80 0 170 220 1480 8 100 140 260 100 200 180 210 140 250 10 2970 Порядок выполнения эксперимента 1. Запустить на выполнение программу ADMH.EXE. На экране монитора после загрузки программы появится титульная экранная заставка (рис. 10.2) с основным рабочим меню программы, содержа- щим четыре раздела. Вызов нужного раздела осуществляется вводом номера соответствующего раздела без нажатия клавиши «Enter». Рис. 10.2 93 2. Вызвать раздел «3» – «Каталог асинхронных двигателей». На экране монитора после загрузки раздела «3» появится экранная заставка «Каталог асинхронных двигателей» (рис. 10.3). Ввести синх- ронную частоту электродвигателя Nsin, которая подходит для часто- ты вращения вала рабочего механизма заданного варианта предва- рительного задания, и нажмите клавишу «Enter». В нижнем окне экрана появятся паспортные данные электродвигателей: активная номинальная мощность (Pном, кВт), номинальное напряжение элек- тропитания (Uном, В), номинальная частота вращения вала двигате- ля (Nном, мин–1), синхронная частота электродвигателя (Nsin, мин–1), кратность максимального момента (Kм), кратность пускового мо- мента (Kп). В верхнем правом окне отображается тип асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, паспортные данные кото- рого находятся в первой строке нижнего окна, помеченной симво- лами «>», «<» по краям. Первую строку нижнего окна будем назы- вать «активной строкой каталога». Просмотр каталога осуществ- ляется нажатием клавиш «8» (вверх) или «2» (вниз) цифровой клавиа- туры в режиме «Num Lock». Для двигателя, паспортные данные кото- рого находятся в активной строке каталога, можно построить меха- ническую характеристику, нажав клавишу «Enter». Механическая характеристика выводится в верхнем правом окне (рис. 10.4), а в нижнем окне выводятся значения активной номинальной мощности двигателя (Pном, кВт), номинальной частоты вращения вала двигателя (Nном, мин–1), номинального момента (Mном, Н·м), максимального момента (Mmax, Н·м), критического скольжения (Sкр), пускового момента (Mп, Н·м) для номинального и пониженного напряжения электропитания. На механической характеристике квадратиком от- мечена точка режима номинальной нагрузки. После нажатия кла- виши «Enter», программа переходит в режим основного рабочего меню (см. рис. 10.2). В режиме работы с каталогом асинхронных двигателей постро- ить механические характеристики для двух двигателей с одинако- вой синхронной частотой Nsin = 3000 мин–1 и разными номиналь- ными мощностями (минимальной и максимальной по каталогу). Зарисовать характеристики в отчет и отметить их различие. 94 Рис. 10.3 Рис. 10.4 95 3. Вызвать раздел «1» – «Нагрузочная диаграмма». Ввести зна- чения моментов (М), интервалов времени (t) и номинальную часто- ту вращения вала рабочего механизма (Nном, мин–1) для заданного варианта. На экране монитора после ввода данных появится экран- ная заставка с окнами «Нагрузочная диаграмма» и «Рекомендации по выбору АД» (рис. 10.5). Проверить результаты расчетов предва- рительного задания. Для выхода в исходное рабочее меню нажать клавишу «Enter». Рис. 10.5 4. Вызвать раздел «3» – «Каталог асинхронных двигателей». Ввести синхронную частоту электродвигателя Nsin, которая подхо- дит для частоты вращения вала рабочего механизма заданного ва- рианта предварительного задания, и нажать клавишу «Enter». На- жимая клавиши «8» (вверх) или «2» (вниз) цифровой клавиатуры в режиме «Num Lock», выбрать для рабочего механизма заданного варианта асинхронный двигатель таким образом, чтобы номиналь- ная мощность Pном в активной строке каталога была не меньше, чем мощность Рэкв или Pрасч, определенная по нагрузочной диа- грамме. Для построения механической характеристики выбранного 96 электродвигателя нажать клавишу «Enter». На экране монитора поя- вится экранная заставка с окнами «Нагрузочная диаграмма» и «Ме- ханическая характеристика» (рис. 10.6). На механической характе- ристике отмечаются линии уровней максимального Ммакс(н.д) и эк- вивалентного Мэкв(н.д) моментов нагрузочной диаграммы для их ви- зуального сравнения с максимальными величинами моментов меха- нических характеристик, построенных для номинального и пони- женного напряжения электропитания. Выбранный двигатель удов- летворяет проверке по перегрузочной способности, если линия уров- ня максимального момента нагрузочной диаграммы Ммакс(н.д) прохо- дит ниже максимумов механических характеристик, и линия эквива- лентного момента нагрузочной диаграммы Мэкв(н.д) проходит ниже «точки» режима номинальной нагрузки, отмеченной квадратиком. По данным рис. 10.6 выбранный двигатель удовлетворяет проверке по перегрузочной способности. В противном случае двигатель не удовлетворяет проверке и необходимо выбрать новый двигатель с большей на ступень активной номинальной мощностью. Рис. 10.6 97 Построить механическую характеристику для нескольких двига- телей с номинальными мощностями меньше и больше на одну сту- пень, чем мощность двигателя, определенная по нагрузочной диа- грамме, и выбрать наиболее подходящий двигатель для механизма. В данной работе проверка электродвигателя по условиям пуска не предусматривается. 5. Режим «2» – «Механическая характеристика». Этот режим может быть использован для построения механической характери- стики по паспортным данным асинхронного двигателя, которые вводятся «вручную» с помощью клавиатуры ПЭВМ. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Результаты выполнения предварительного задания. 3. Нагрузочная диаграмма механизма. 4. Механические характеристики выбранного двигателя с линия- ми максимального и эквивалентного моментов нагрузочной диа- граммы (для трех сравнительных вариантов). 5. Паспортные данные выбранного двигателя. 6. Выводы. Контрольные вопросы 1. Во сколько раз изменится максимальное значение момента Мmax, если напряжение сети снизится на 10 %? 2. Какой вид имеют рабочие характеристики АД? 3. В чем заключается проверка двигателя по перегрузочной спо- собности? 4. Какие параметры указываются в паспорте двигателя? 5. На что влияет неправильный выбор двигателя? 98 Литература 1. Электротехника и электроника: учебник для неэлектротехни- ческих специальностей вузов. В 3 кн. / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1997. – Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины / В.М. Киселев [и др.]. 2. Касаткин, А.С., Немцов, М.В. Электротехника. – М.: Высшая школа, 2002. – 542 с. 3. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. проф. Л.А. Бессонова. – М.: Высшая школа, 2000. – 528 с. 4. Борисов, Ю.М., Липатов, Д.Н., Зорин, Ю.Н. Электротехника. – М.: Высшая школа. 1985. – 537 с. 99 Содержание Правила работы в лаборатории электротехники и электроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ. . . . 23 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА СМЕШАННОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.7. ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.8. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ. . . . . . . . 71 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.9. ЗАЩИТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ И ОБРЫВА ФАЗЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.10. ВЫБОР АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ПО НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЕ РАБОЧЕГО МЕХАНИЗМА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Л и т е р а т у р а. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Учебное издание ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Лабораторный практикум для студентов неэлектротехничеcких специальностей В 3 частях Ч а с т ь 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ Составители: НОВАШ Иван Владимирович РОЗУМ Таисия Терентьевна ДОМНИКОВ Сергей Васильевич и др. Редактор Н.В. Артюшевская Компьютерная верстка Н.А. Школьниковой Подписано в печать 18.01.2008. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 5,87. Уч.-изд. л. 4,59. Тираж 300. Заказ 582. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0131627 от 01.04.2004. 220013, Минск, проспект Независимости, 65. 3