Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 22
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматики и электротехники
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей всех форм обучения Казань 2007 УДК 621.3 ББК 31.2 Э 45 Э 45 Электрические машины. Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей всех форм обучения / Сост.: Л. Я. Егоров, Г. И. Захватов, В. С. Камалетдинов, Ю. В. Никитин. – Казань: КГАСУ, 2007.- 34 с. Печатается по решению Редакционно-издательского совета Казанского государственного архитектурно-строительного университета В работе даны методические указания по выполнению лабораторных работ по электрическим машинам переменного и постоянного тока. Работа предназначена для студентов строительных специальностей всех форм обучения. Ил. 24 Табл. 16 Рецензент: Кандидат технических наук, доцент кафедры ТПД КГТУ им. А.Н.Туполева П.А.Поликарпов
УДК 621.3 ББК 31.2 ã
Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2007 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы:
Ознакомиться с устройством и принципом действия трансформатора. Исследовать экспериментальным путем режимы его работы. Общие сведения
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты. Трансформаторы получили распространение как устройства, позволяющие передавать электрическую энергию на большие расстояния без существенных энергетических потерь в линиях электропередач. С их помощью также осуществляется объединение источников электрической энергии переменного тока различных уровней напряжений в единую энергетическую систему. На замкнутом сердечнике, собранном из листовой стали, расположены две изолированные обмотки. К одной из них с числом витков W1
подводится электрическая энергия от источника переменного тока. Эта обмотка носит название первичной. От другой, вторичной обмотки с числом витков W2
, энергия отводится к нагрузке. Передача электрической энергии от источника через трансформатор к нагрузке осуществляется посредством переменного магнитного потока Ф, основная часть которого замыкается в стальном сердечнике, другая же часть его, проходя по воздуху, образует магнитные потоки рассеяния ( Фр
1, Фр
2 ). При включении первичной обмотки в сеть переменного тока в ней возникает переменный ток, который образует переменное магнитное поле. Это поле усиливается сердечником, и передается на вторичную обмотку трансформатора. 3 Под воздействием переменного магнитного потока в обеих обмотках, согласно принципу электромагнитной индукции возникает переменная ЭДС. При этом ЭДС первичной обмотки называется ЭДС самоиндукции. Она ограничивает величину первичного тока трансформатора, так как направлена против приложенного напряжения. ЭДС вторичной обмотки называется ЭДС взаимоиндукции. Она является источником тока вторичной обмотки (тока нагрузки). Действующие значения ЭДС обмоток определяют формулами: Е1
=
4,44·W1
·ƒ·Фm
(1) и Е2
=
4,44·W2
·ƒ·Фm
(2) где Фm
- амплитуда магнитного потока; W1
, W2
- число витков первичной и вторичной обмоток; ƒ - частота переменного тока. Трансформатор может работать только на переменном токе, так как при постоянном токе (ƒ = 0) ЭДС в его обмотках не возникает. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации
. Оно практически равно отношению числа витков первичной и вторичной обмоток: (3) Для повышающих трансформаторов W1
<
W2
, - для понижающих трансформаторов W1
>
W2
Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается малыми потерями энергии: величина к.п.д. (η) силовых трансформаторов при номинальной нагрузке составляет η = 0,96 - 0,995 в зависимости от мощности трансформатора. Трансформатор был изобретен в 1876 году знаменитым русским электротехником П.Н.Яблочковым. Современные трансформаторы весьма разнообразны в своем исполнении и могут быть однофазными, трехфазными и специальными. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА Режим холостого хода
Режим холостого тока проводится при разомкнутой цепи вторичной обмотки (I20
= 0). Это условие приближенно соблюдается также при подключении к вторичной обмотке трансформатора вольтметра. U10
= (–Е1
) +I10
·
Z1
и U20
= Е2
– I20
·
Z2
,
( 4 ) 4 Так как I10
мал, а I20
= 0, то можно считать, что U1
≈ Е10
и U20
≈ Е2
.
Важно отметить, что при режиме холостого хода значительно снижается сosφ электрических цепей, а, следовательно, этот режим является недопустимым при эксплуатации трансформаторов. Помимо определения коэффициента трансформации определяется мощность холостого хода, которая фактически равна магнитным потерям трансформатора, так как ток первичной обмотки очень мал, потерями энергии на нагревание обмотки можно пренебречь. Мощность магнитных потерь пропорциональна U1
2
, а поскольку в опыте холостого хода U10
= U1НОМ
, значит магнитные потери, определяемые в этом опыте равны номинальным магнитным потерям РМАГ
. Режим нагрузки трансформатора
. Данный режим работы определяется уравнениями электрического равновесия обмоток трансформатора, полученными на основе 1закона Кирхгофа:
U1
= (-Е1
) + I1
·
R1
+I1
·
x1
для 1-ой обмотки, (5) U2
= E2
- I2
·
R2
- I2
·
x2
для 2-ой обмотки, (6) x1
,
x2
– реактивные сопротивления обмоток. В режиме нагрузки определяется внешняя характеристика трансформатора (рис.2): U2
=ƒ(I2
), при U1
= const, сosφ = const, в основе которой лежит уравнение (6). Процентное падение напряжения на вторичной обмотке: Рис.2 где: U20
≈ E2
при I2
= 0. При номинальной нагрузке оно обычно лежит в пределах 4-6%. 5 Связь между токами обмоток (I1
и I2
) можно выявить из уравнения намагничивающих сил ( I∙W ) трансформатора: I1
·W1
+I2
·W2
= I10
·W1
(7) Из (7) можно получить уравнение токов, деля его почленно на W1
, тогда: I1
= (-I2
∙W2
/
W1
) + I10
= I'
2
+ I10
(8) где I10
- ток холостого хода 1-ой обмотки, а I'
2
= (-I2
∙W2
/ W1
) - называется приведенным током вторичной обмотки. Обычно I10
очень мал, и можно считать приближенно I1
≈ I'
2
. С увеличением I2
, а, следовательно и I2
∙
W2,
возрастает и ток I1
.
При этом размагничивающее действие тока I2
компенсируется намагничивающим действием тока I1
,
в результате чего магнитный поток трансформатора остается при его работе практически постоянным (при U1
= сonst). Режим короткого замыкания
Опыт короткого замыкания нельзя путать с режимом короткого замыкания, который возникает при номинальном напряжении первичной обмотки. Режим короткого замыкания – аварийный режим работы трансформатора. Опыт же короткого замыкания проводится при очень небольшом напряжении U1к.з.
, которое подбирается таким образом, чтобы токи первичной и вторичной обмоток соответствовали номинальным токам обмоток (в диапазоне 3 – 10 % от U1ном.
). Опыт проводится при коротком замыкании вторичной обмотки (которая замыкается на амперметр, имеющий очень низкое сопротивление). Вся мощность, потребляемая трансформатором, практически идет на компенсацию электрических потерь при нагревании обмоток. РК
.
З
.
= РЭЛ
= I2
1
К
.
З
.
· R1
+ I2
2
К
.
З
.
· R2
(9) На основании опытов холостого хода и короткого замыкания определяется КПД трансформатора η: , где РЭЛ
, РМАГ
-
электрические и магнитные потери соответственно. 6 План работы Изучить электрическую схему согласно рис.3 Рис.3 Опыт холостого тока
1. Выбрать и подключить приборы согласно схеме рис.3. 2. Установить с помощью автотрансформатора напряжение на первичной обмотке поочередно 180, 190, 200 и 220 Вольт. По показаниям измерительных приборов определить U10
, U20
и I10
. 2. Показания приборов и результаты измерений внести в таблицу 1. Таблица 1 № п/п Данные измерений Результаты вычислений U10
U20
I10
К В В Вт 3. Построить характеристику U20
= ƒ(I10
) и определить К. Опыт нагрузки
1. Выбрать амперметр для опыта согласно рис.3. 2. Включить первичную обмотку трансформатора на номинальное напряжение U= 220В и поддерживать его постоянным в процессе всего опыта. 3. Включая ступенями нагрузку, постепенно увеличивать ток (снять 5 замеров). 4. Показания приборов и результаты вычислений записать в таблицу 2. 5. По данным опыта построить: а) внешнюю характеристику трансформатора U2
=
ƒ( I2
); б) зависимость cosφ1
= ƒ(Р2
), η = ƒ(Р2
), Р1
= ƒ(Р2
). 7 Таблица 2 № п/п Данные измерений Результаты вычислений U1
I1
P1
U2
I2
cosφ P2
η В А Вт В А Вт , , . Опыт короткого замыкания
Опыт короткого замыкания проводится при пониженном напряжении на первичной обмотке и замкнутых на амперметр концах вторичной обмотки. 1. Выбрать приборы для опыта согласно рис.3. 2. Установить регулятор автотрансформатора (ЛАТРа) на положение 0. Затем, включив автоматический выключатель, установить поочередно следующие напряжения на первичной обмотке: U1
К.З.
= 4, 5, 6, 7 Вольт и каждый раз определять по показаниям приборов I1
, I2
, Рк.з
.
. 3. Определить напряжение короткого замыкания. Показания приборов и результаты вычислений внести в таблицу 3. Таблица 3 № п/п Данные измерений Результаты вычислений U1
К.З.
I1
РК.З.
I2
Cosφ1
ZК
rК
XК
В А Вт А Ом Ом Ом 4. Построить характеристики: U1
=ƒ (I1
), РК.З.
= ƒ(I2
) 8 Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип действия трансформатора. 2. Объяснить по электрической схеме как осуществляется тот или иной режим работы трансформатора. 3. Изменяется ли коэффициент трансформации при изменении первичного напряжения? 4. Почему режим холостого хода недопустим при работе трансформатора? 5. С чем связано падение напряжения трансформатора при нагрузке? 6. Чем отличается опыт короткого замыкания от режима короткого замыкания? 7. Уравнение намагничивающих сил и токов. 8. Как определяется к.п.д. трансформатора? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
Цель работы
: Ознакомиться с устройством и принципом действия. Снять рабочие характеристики. Исследовать механические свойства двигателя. Общие сведения
Асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии 3-х фазного переменного тока в механическую энергию. Асинхронный двигатель (рис.4а) состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора. Статор
(рис.4б) представляет собой полый цилиндр, составленный из изолированных листов электротехнической стали в форме колец, со штампованными пазами с внутренней стороны, в которые укладывается 3-х фазная статорная обмотка, оси которых смещены относительно друг друга на 120°, 60°, 40° в зависимости от количества катушек. Ротор
представляет собой также цилиндр, составленный из листовой электротехнической стали в форме колец, с пазами на их внешней поверхности, в которые укладывается роторная обмотка. В зависимости от ее устройства различают: 1) короткозамкнутый ротор (рис.4в) - обмотка короткозамкнутого ротора (рис.4г) выполняется в виде беличьего колеса и состоит из уложенных в пазы неизолированных стержней, которые по обеим сторонам замыкаются на кольца; 2) фазный ротор (ротор с контактными кольцами) (рис.4д) - обмотка фазного ротора 1 выполняется 3-х фазной, концы которой выводятся на контактные кольца 2 и подключаются к 3-х фазному реостату. 9 а б 2 1 д в г Рис. 4 Принцип действия
Обмотки статора соединяются «звездой» или «треугольником» и включаются в сеть 3-х фазного тока. В результате в них потекут 3-х фазные токи, которые создадут вращающееся магнитное поле. Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора пересекают проводники ротора и индуцируют в них ЭДС, а так как обмотка ротора замкнута, то в ее проводниках возникают токи. Взаимодействие вращающегося магнитного потока с токами ротора создает электромагнитный вращающий момент М
ВР
, вращающий ротор двигателя: МВР
= с·Ф·I2
·сosψ2
(1) где : с - постоянный коэффициент двигателя; Ф - магнитный поток; I2
- ток ротора; ψ2
- коэффициент мощности роторной цепи. Под действием этого момента ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поле Ф. Скорость вращения ротора n2
всегда меньше скорости вращения поля n1
, так как только в этом случае возможно индуцирование тока в проводниках обмотки ротора и возникновение вращающегося момента. ƒ (2) где p
- число пар полюсов вращающегося магнитного поля, Отношение (n1
– n2
) называется скоростью скольжения, а отношение этой скорости к скорости вращения магнитного поля называется скольжением:
где n2
- скорость вращения ротора. Скольжение характеризует степень отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля. При номинальной нагрузке скольжение у двигателей в среднем составляет 1,5-5%. ƒ (4) Подключение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
к сети. Рис. 5 Пуск двигателя в ход
. При прямом включении обмоток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в сеть наблюдается большой скачок тока, в 6-8 раз превышающий его номинальный ток. Это вызывает заметную перегрузку в электрической сети, от которой осуществляется питание двигателя и других близлежащих потребителей. Для ограничения пускового тока при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором применяют 3 способа: 1 способ - переключение обмотки статора со схемы звезда на схему треугольник. Этот способ применим для двигателей, у которых обмотка статора при нормальной работе соединена треугольником. В момент пуска 11 обмотка статора посредством переключающего устройства соединяется по схеме звезда, а после запуска - по схеме треугольник. При этом линейный пусковой ток двигателя уменьшается в 3 раза. 2 способ - пуск посредством автотрансформатора, позволяющий понижать подводимое к двигателю напряжение во время пуска, вследствие чего уменьшается пусковой ток. 3 способ – применение специальных электронных устройств – устройств плавного пуска и частотных преобразователей. Недостаток первых двух методов - уменьшение пускового напряжения и, как следствие, пускового момента. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
. Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимость скорости вращения n2
, коэффициента полез- ного действия η, коэффициента мощности сosφ, скольжения s, вращающего момента M и тока в цепи статора I1
от нагрузки (полез- ной мощности) на валу двигателя P2
при постоянном номинальном напряжении и Рис.6 неизменной частоте сети (
рис.6). У асинхронного двигателя, как и у большинства машин, к.п.д. с ростом нагрузки возрастает η =ƒ(Р2
), ввиду уменьшения доли электрических и магнитных потерь по отношению к развиваемой мощности двигателя. Однако, при достижении нагрузки 75% от номинальной, заметно возрастают и электрические потери (в обмотках статора и ротора), пропорциональные квадрату тока потребляемого двигателем, что ведет в дальнейшем с увеличением нагрузки к некоторому уменьшению к.п.д. Коэффициент мощности
cos φ зависит от соотношения между активной мощностью Р1
, потребляемой двигателем, и полной мощностью S, складывающейся из активной Р1
и реактивной Q составляющих:
. При увеличении нагрузки растет величина активной мощности Р1
, что приводит к росту сosφ, достигающего максимального значения (0,7-0,9) при номинальной нагрузке на двигатель. В дальнейшем возможно уменьшение cosφ, в связи с увеличением реактивной мощности, связанной с усилением потоков рассеяния. 12 Механическая характеристика и саморегулирование двигателя
. График, связывающий между собой механические величины - скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис.7) n = ƒ(M). Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скорость n1 и вращающий момент М1. При равномерном вращении этот момент равен тормозному моменту Мт1
, т.е. М1=Мт
1, n1= сonst Увеличение тормозного момента до М2, вызовет уменьшение оборотов машины, так как тормозной момент станет больше вращающего момента. С уменьшением оборотов увеличивается скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание ЭДС и тока в роторе. Благодаря этому увеличивается вращающий момент двигателя. Этот процесс заканчивается тогда, когда При этом, устанавливается скорость вращения меньшая, чем n1. Свойство автоматического установления равновесия между тормозным и вращающим моментами называется саморегулированием
. На лабораторном стенде двигатель нагружается электротормозом, состоящим из электромагнита, в зазоре которого вращается диск, посаженный на вал двигателя. Изменяя ручкой автотрансформатора напряжение, питающее катушку электромагнита, можно менять тормозное усилие, момент которого равен: МТОРМ
= F• r (Н·м) где F - усилие (сила), действующая на окружность шкива, (Н); r - радиус шкива, равен 0,18 м. ( Вт), где n
- скорость вращения двигателя, об/мин. Скорость вращения двигателя определяется с помощью тахометра. s % где ƒ - частота сети (равна 50 Гц), р
- число пар полюсов обмотки статора (равно 2). 13 План работы 1. Изучить схему (рис.8). Рис.8 2. Пустить двигатель в ход без нагрузки под руководством преподавателя. 3. Снять показания приборов при холостом ходе двигателя. 4. Изменяя нагрузку двигателя FН
от нуля до номинальной путем увеличения момента торможения, снять показания приборов (5 замеров), полученные данные занести в таблицу. Таблица Данные измерений Результаты вычислений UЛ
IЛ
Р1
F n М Р2
s η cosφ В А Вт Н об/мин Н Вт % % В таблице: IЛ
, UЛ
- линейный ток и линейное напряжение статора, Р1
- потребляемая активная мощность двигателя, М - тормозной момент двигателя в Н·м, Р2
- полезная мощность двигателя, η - к.п.д. двигателя. М =
F
·
r
, По данным опыта построить рабочие характеристики: n = ƒ( P2
), η = ƒ( Р2
), cosφ = ƒ( Р2
) и механическую характеристику n = ƒ( M ). 14 Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип действия двигателя. 2. Что такое механическая характеристика двигателя? 3. Саморегулирование двигателя. 4. Как создается в двигателе электромагнитная сила? 5. Как изменить направление вращения ротора двигателя? 6. Объяснить электрическую схему установки в условиях снятия характеристик. 7. Как соединяются обмотки статора по схеме «звезда» и «треугольник»? СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Общие сведения
Синхронные машины - это машины переменного тока, частота вращения которых связана постоянным отношением с частотой сети, к которой они подключены. Синхронные машины могут работать в 3-х режимах - генераторами переменного тока на электрических станциях, двигателями, работающими при постоянной частоте вращения, компенсаторами - для регулируемого повышения cosφ в сети. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Цель работы
: Знакомство с устройством и принципом действия синхронного генератора. Экспериментальное снятие основных характеристик. Рис. 9 Общие сведения
Синхронный генератор предназначен для преобразования механической энергии в энергию 3-х фазного переменного тока. Синхронный генератор состоит (рис.9) из неподвижной части - статора (1), вращающейся части – ротора(2) и возбудителя. Статор
носит название якоря, т.е. в его трехфазной обмотке наводится ЭДС. Эта обмотка укладывается в пазы стального цилиндрического сердечника, набранного из листовой электротехнической стали. 15 (1) где ƒ - частота сети (равна 50 Гц); р
- число пар полюсов. Отсюда следует, что число пар полюсов обратно пропорционально скорости вращения ротора. Явнополюсный
ротор представляет собой цилиндр, к которому крепятся магнитные полюса, с расположенной на них обмоткой возбуждения. Более простой неявнополюсный
ротор представляет собой стальной цилиндр, в пазах которого расположена обмотка возбуждения. Возбудитель
– источник постоянного тока, чаще всего выпрямитель. Он служит для питания обмотки возбуждения, с которой он связан через контактные кольца и щетки, расположенные на валу ротора. Принцип действия синхронного генератора
Если к обмотке ротора (обмотке возбуждения) синхронного генератора подвести постоянный ток от возбудителя и вращать ротор первичным двигателем, то в машине будет поддерживаться постоянное по величине вращающееся магнитное поле, которое, пересекая витки неподвижной 3-х фазной обмотки статора, будет наводить в них систему 3-х фазных ЭДС. Скорость вращения магнитного поля и ротора одинаковы, поэтому машина называется синхронной. Действующее значение ЭДС в каждой фазе статора синхронного генератора выражается формулой: Е = 4,44 к·ƒ·Фm
·W = c·n·Ф, (2) где к - обмоточный коэффициент; Ф - магнитный поток; W - число витков; с - константа; n - скорость вращения. При (ƒ, n) = const величина Е согласно (2) определяется только величиной Ф, а следовательно, током возбуждения IВ
. В рабочем режиме синхронного генератора в отдельных фазах обмотки статора будут протекать фазные токи 3-х фазной системы. В этих условиях система 3-х фазных токов статора создает вращающееся с постоянной скоростью n = 60ƒ/
p магнитное поле. Это вторичное магнитное поле называется полем якоря
. 16 Характеристики синхронного генератора
Характеристика холостого хода
(рис.10): Е =ƒ( IВ
), при разомкнутой внешней цепи т.е. IН
=
0, где Е - ЭДС статора, IВ
- ток возбуждения. Рис.10 Рис.11 Внешняя характеристика
(рис.11): U = ƒ(IЯ
) определяется основным уравнением генератора и снимается при изменении тока нагрузки (тока якоря), при постоянном токе возбуждения (IВ
) и коэффициенте мощности нагрузки (cosφнагр
). Внешняя характеристика описывается основным электрическим уравнением синхронного генератора U = E – IЯ
·RЯ
– IЯ
·xЯ
, (3) где U – напряжение на обмотке якоря; Е – ЭДС якоря; IЯ
·RЯ
и IЯ
·хЯ
соответственно активное и реактивное падение напряжения в якоре; IЯ
– ток якоря, одновременно являющийся током нагрузки. На внешнюю характеристику (рис.11), оказывает влияние реакция якоря. При возникновении токов в обмотке якоря возникает, помимо основного, дополнительное магнитное поле якоря (поле статора). Реакцией якоря
называется влияние магнитного поля статора на основное поле ротора. В генераторе эффект реакции якоря зависит не только от его величины, но и от характера нагрузки, т.е. от того, будет ли нагрузка генератора активной или реактивной (отстающей или опережающей). Если нагрузка имеет активный характер (R), то основное магнитное поле машины под действием поля якоря почти не изменяется по величине. В случае 17 активно-индуктивной нагрузки (R,L) поле якоря направлено против основного поля, при этом машина размагничивается, следовательно, уменьшается ЭДС якоря. Если нагрузка имеет активно-емкостной (R,C) характер направление поля якоря совпадает с направлением основного поля, поле машины при этом усиливается, ЭДС возрастает. Таким образом, по мере увеличения нагрузки, напряжение генератора будет существенно изменяться. Первой причиной изменения является падение напряжения в обмотке якоря (I∙R). Второй причиной является изменение значения ЭДС из-за реакции якоря. В случае емкостной нагрузки рост ЭДС за счет намагничивающей реакции якоря может быть значительнее, чем падение напряжения в якоре, в результате напряжение на обмотке якоря с увеличением тока нагрузки возрастает. Регулировочная характеристика
. Регулировочная характеристика представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменных значениях напряжения на зажимах генератора, скорости вращения и cosφ, т.е.: IВ
= ƒ(IН
), при U = const, cosφнагр = const и n = const, где IВ
– ток возбуждения генератора, IН
– ток нагрузки. Практически при эксплуатации синхронных генераторов необходимо поддерживать на их зажимах неизменное напряжение независимо от величины и вида нагрузки. Регулировочная характеристика показывает, как надо изменять ток в цепи возбуждения, чтобы с изменением нагрузки на генератор напряжение на его клеммах оставалось неизменным. Вид регулировочных кривых показан на рис.12. Рис. 12 18 План работы 1. Ознакомиться с установкой и ее электрической схемой (рис.13). Изучить Рис. 13 2. Произвести пуск установки, для чего включить первичный двигатель - (3-х фазный асинхронный двигатель). 3. Снять характеристику холостого хода
. Опыт производится при отключенной внешней цепи. Изменяя ток возбуждения от 0 до величины, при которой ЭДС будет равна Е = ЕН
, снять показания приборов (5 измерений). Регулирование тока производить при помощи электронного регулятора, включенного в цепь обмотки возбуждения. Полученные данные записать в таблицу 1. Таблица 1 № п/п IВ
, ( А ) Е, ( В ) На основании опытных данных построить характеристику холостого хода: Е = ƒ ( IВ
). 4. Снять внешнюю характеристику
генератора для возрастающей нагрузки: U = ƒ ( IН
),
при IВ
=
const, n = const а) возбудить генератор до UН
= 120 В; б) постепенно изменяя ток нагрузки генератора IН
включением нагрузки от 0 до номинальной величины, снять показания приборов для 5 точек и записать в таблицу 2. 19 Таблица 2 № п/п IН
, ( А ) U, ( В ) Примечание IВ
= const 5. По данным опыта построить внешнюю характеристику: U = ƒ (IН
). 6. Снять регулировочную характеристику
: Опыт проводится при поддержании неизменном значении напряжения (равного 120В): IВ
= ƒ (IН
), при U = UН
= const, n = const. Изменяя нагрузку генератора реостатом от нуля до номинального значения, снять показания приборов (5 измерений). Полученные данные записать в таблицу 3. Таблица 3 № п/п IН
, ( А ) IВ
, ( А ) Примечание U = const По данным опыта построить регулировочную характеристику: IВ
= ƒ ( IН
). Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип действия генератора. 2. Уравнение электрического равновесия генератора. 3. Как можно изменить ЭДС в синхронных генераторах? 4. Что такое реакция якоря? 5. Почему генератор называется синхронным? 6. Формулы действующего значения ЭДС и частоты этой ЭДС синхронного генератора. 7. Объясните характер регулировочной характеристики генератора. 8. Объясните характер внешней характеристики. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Общие сведения
Машины постоянного тока подразделяются на генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока. Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую энергию постоянного тока. Двигатель постоянного тока – электрическая машина, в которой происходит процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую. Машины постоянного тока, как и все электрические машины, обратимы, т.е. они без существенных конструктивных изменений могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. 20 Конструктивная схема машины постоянного тока показана на рис.14. Она имеет три основные части:
статор (индуктор), якорь и коллектор. Помимо основных магнитных полюсов Рис. 14. Конструктивная схема часто между ними крепятся дополнительные машины постоянного тока дополнительные магнитные полюса, для 1 – индуктор, 2 – якорь, уменьшения эффекта реакции якоря (это 3 – коллектор уменьшает искрение коллектора). Индуктор предназначен для создания основного магнитного поля. Якорь
(2) (вращающаяся внутренняя часть машины) представляет собой цилиндр, собранный из стальных листов. В пазах якоря уложена якорная обмотка. На одном валу с якорем закреплен коллектор
(3), который представляет собой полый цилиндр, составленный из отдельных медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга и от вала якоря и электрически связанных с отдельными частями обмотки якоря. Назначение коллектора - механическое выпрямление переменных синусоидальных ЭДС в постоянное по величине и направлению напряжение, снимаемое во внешнюю цепь с помощью щеток, примыкающих к коллектору. Классификация
. В зависимости от способа возбуждения основного магнитного потока машины постоянного тока классифицируют на 2 типа: с независимым возбуждением (рис.15а) и самовозбуждением (рис.15 б, в, г) а б в г Рис.15 ОВ - обмотка возбуждения, Я – якорь. 21 Обмотка возбуждения в машинах постоянного тока с независимым возбуждением питается от отдельного источника постоянного тока (от полупроводникового выпрямителя, аккумулятора или возбудителя - генератора постоянного тока). В самовозбуждающихся машинах постоянного тока цепи якоря и индуктора электрически связаны, т.е. обмотка возбуждения питается от ЭДС якоря машины. В зависимости от электрической схемы соединения обмоток якоря и индуктора машины с самовозбуждением делятся еще на три типа:
параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (рис.15б, в, г). ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Общие сведения
Принцип действия генератора
основан на явлении электромагнитной индукции. Якорь генератора вращается каким-либо первичным двигателем. В обмотку возбуждения подается ток от возбудителя, создающий основное магнитное поле машины. При вращении якоря проводники его обмотки пересекают магнитное поле полюсов и, согласно закону электромагнитной индукции в якоре наводится ЭДС, действующее значение которой равно: Е = с·n·Ф, где c - постоянный коэффициент; n - скорость вращения; Ф - магнитный поток. Напряжение на зажимах генератора определяется из уравнения электрического равновесия генератора:
U = Е – IЯ
∙RЯ
( 2 ) где IЯ
- сила тока якоря; Е - ЭДС; RЯ
- сопротивление цепи якоря. Работа генератора с самовозбуждением заключается в следующем: в магнитной системе машины (в полюсах, ярме) всегда имеется небольшой поток остаточного магнетизма (Фост
), который при вращении якоря индуцирует в его обмотке небольшую ЭДС - Еост
. Под действием этой ЭДС в обмотке возбуждения возникает ток, который при согласованном присоединении обмотки возбуждения к обмотке якоря усиливает поток Фост
, что в свою очередь повышает наводимую в якоре ЭДС и увеличивает ток возбуждения. Процесс возрастания ЭДС будет проходить до тех пор, пока напряжение U на клеммах обмотки якоря не достигнет вполне определенного значения, зависящего от параметров генератора. 22 Характеристики генератора постоянного тока
Работа генератора постоянного тока оценивается следующими основными характеристиками: - характеристикой холостого хода, внешней и регулировочной. Характеристика холостого хода
(рис.16):
Е = ƒ (IВ
), при n = const и IН
= 0, т.е. нагрузка от генератора отключена. Так как при холостом ходе генератора постоянного тока ЭДС создается магнитным потоком машины: Е = c·n·Ф, при n = const, Е = к·Ф , кривая зависимости ЭДС от магнитного потока может рассматриваться как Ф = ƒ(IЯ
), т.е. кривая подобна кривой намагничивания магнитной цепи машины с характерными явлениями магнитного насыщения и остаточного магнетизма в сердечниках магнитной цепи. Характеристика генератора начинается от значения остаточной ЭДС – Еост
. С увеличением тока возбуждения IВ
, ЭДС генератора возрастает, т.к. возрастает магнитный поток. При приближении к состоянию магнитного насыщения полюсов рост ЭДС замедляется. При обратном уменьшении тока возбуждения до 0 нисходящая ветвь кривой – 2 располагается несколько выше восходящей ветви - 1, что объясняется явлением гистерезиса магнитной цепи. С учетом этого явления изменять ток возбуждения в процессе снятия каждой ветви характеристики следует плавно в обоих направлениях. Внешняя характеристика
(рис.17). Внешняя характеристика генератора отражает зависимость напряжения на выходе (клеммах) генератора от тока нагрузки при неизменной скорости вращения и тока в цепи возбуждения (IВ
): U = ƒ ( IН
), при n = const, IВ
= const Рис.16 Рис.17 Рис.18 В основе этой зависимости лежит уравнение электрического равновесия генератора ( 2 ).
При увеличении нагрузки ( RН
), а следовательно, и тока якоря (IЯ
) напряжение на зажимах генератора постепенно уменьшается от трех причин:
1 - вследствие увеличения падения напряжения в цепи якоря; 2 - реакции якоря, оказывающей размагничивающее действие поля якоря на основное магнитное поле; 3 – при одновременном действии первых двух причин, что ведет к уменьшению тока возбуждения (IВ
) (где IВ
= U /
RВ
) и к 23 уменьшению Е в якоре, а, следовательно, к дополнительному снижению напряжения. Процентное снижение напряжения, возникающее при переходе от режима холостого хода генератора к режиму номинальной нагрузки, составляет 12-20%. Регулировочная характеристика
. Регулировочная характеристика устанавливает зависимость между током возбуждения и током нагрузки при неизменных оборотах и постоянном напряжении на зажимах генератора (рис.18): IВ
= ƒ(IН
), при U = const, n = const, где IВ
– ток возбуждения; IН
– ток нагрузки; U – напряжение на клеммах генератора. Регулировочная характеристика позволяет судить о том, каким образом и в каких пределах необходимо регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Конструкцию и общие сведения о генераторах постоянного
тока изучить
на стр. 21.
Цель работы
: Ознакомиться с конструкцией и принципом действия генератора постоянного тока с параллельным возбуждением, снять основные характеристики генератора. План работы Рис. 19 24 2. Снять характеристику холостого хода: Е = ƒ ( IВ
), при IН
= 0, n = const. Значение ЭДС (Е) вначале снимается при IВ
= 0 (тумблер КВ
– разомкнут). Далее тумблер КВ
замыкается и, изменяя ток IВ
до величины при которой Е = UН
, снимаются показания приборов для восходящей ветви кривой (4-5 измерений). Затем при уменьшении IВ
снимается нисходящая ветвь кривой (4-5 измерений). Увеличение и уменьшение тока возбуждения производится с помощью регулировочного устройства (RРЕГ
). Изменять ток возбуждения в процессе снятия каждой ветви следует плавно в обоих направлениях. Полученные данные записать в таблицу 1. Таблица 1 № п/п Е, ( В ) IВ
, ( А ) Примечание IН
= 0 На основании опытных данных построить характеристику холостого хода: Е = ƒ (IВ
) 3. Снять внешнюю характеристику генератора для возрастающей нагрузки U = ƒ (IН
), при n = const и IВ
= const: а) возбудить генератор до UН
при разомкнутой внешней цепи; б) изменяя нагрузку генератора реостатом от 0 до номинальной величины IН
, снять показания приборов (5 измерений) и записать в таблицу 2. Таблица 2 № п/п U, ( В ) IН
, ( А ) Примечание IВ
= const По данным опыта построить внешнюю характеристику. 4. Снять регулировочную характеристику: IВ
= ƒ (IН
), U = const = 120 В а) возбудить генератор до UН
при разомкнутой внешней цепи; б) изменяя силу тока нагрузки генератора от 0 до номинальной величины IН
последовательным включением тумблеров и поддерживая величину напряжения постоянным регулированием тока в обмотке возбуждения (IВ
), снять показания приборов (5 измерений) и записать в таблицу 3. Таблица 3 № п/п IВ
, ( А ) IН
, ( А ) Примечание U = const 25 Контрольные вопросы 1. Устройство (см. стр. 21
) и принцип действия генератора постоянного тока. 2. Классификация генераторов по способу возбуждения. 3. Объясните назначение коллектора в генераторе. 4. В чем заключается принцип самовозбуждения? 5. Формула ЭДС и уравнение электрического равновесия генератора. 6. Объясните характеристики генераторов. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Конструкцию и общие сведения о генераторах постоянного тока
изучить
на стр. 21
Цель работы
: Ознакомиться с конструкцией и принципом действия генератора постоянного тока с независимым возбуждением, снять основные характеристики генератора. План работы Ознакомиться с установкой, изучить электрическую схему (рис.20). Рис.20 1. Получить задание у преподавателя и осуществить пуск первичного двигателя. 2. Снять характеристику холостого хода: Е = ƒ ( IВ
), при IН
= 0, n = const. Опыт проводится при отключенной нагрузке RН
. Изменение тока возбуждения IВ
от 0 до максимума производится электронным регулятором тока ЭРТ. Полученные данные (5 точек) записать в таблицу 1. 26 Таблица 1 № п/п Е, ( В ) IВ
, ( А ) Примечание IН
= 0 По данным опыта построить характеристику холостого хода: Е = ƒ (IВ
). 4. Снять внешнюю характеристику генератора при возрастающей нагрузке: U =ƒ (IН
), при n = const, IВ
= const: а) возбудить генератор при помощи ЭРТ до UН
; б) изменяя нагрузку генератора от 0 до максимального значения IН
включением тумблеров, снять показания приборов и записать в таблицу 2. Таблица 2 № п/п U, ( В ) IН
, ( А ) Примечание IВ
= const По данным опыта построить внешнюю характеристику U = ƒ(IН
). 5. Снять регулировочную характеристику: IВ
= ƒ (IН
), при UНОМ
= const. а) возбудить генератор до UНОМ
при отключенной нагрузке; б) изменяя ток нагрузки IН
при помощи тумблеров, измерить ток возбуждения ( 5 точек ), поддерживая напряжение UНОМ
= const. Данные записать в таблицу 3. Таблица 3 № п/п IВ
, ( А ) IН
, ( А ) Примечание UНОМ
= const По данным опыта построить регулировочную характеристику: IВ
=ƒ (IН
). Контрольные вопросы 1. Устройство (см. стр. 21) и принцип действия генератора постоянного тока. 2. Классификация генераторов по способу возбуждения. 3. Объясните назначение коллектора в генераторе. 4. Формула для ЭДС и уравнение электрического равновесия генератора. 5. Объясните характеристики генераторов. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Общие сведения
Машины постоянного тока, как и все электрические машины, обратимы, т.е. они без существенных конструктивных изменений могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. 27 В режиме двигателя машина постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. (Конструкцию двигателя и описание изучить
на стр.21)
. Принцип действия двигателя постоянного тока напоминает вращение рамки с током в магнитном поле. При включении двигателя в сеть постоянного тока в обеих обмотках возникают токи. При этом в обмотке возбуждения ток возбуждения IВ
создает магнитное поле индуктора. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем индуктора создает вращающий момент двигателя МВР.
МВР
= с·Ф·IЯ,
(1) где с – постоянный коэффициент; IЯ
– ток якоря; Ф – магнитный поток. В проводниках вращающего якоря индуктируется ЭДС: Е = к·n·Ф, (2) где n – скорость вращения якоря. Эта ЭДС ( противо-ЭДС) направлена противоположно напряжению сети, которая уравновешивается противо-ЭДС якоря и падением напряжения на его внутреннем сопротивлении U = E + IЯ
·RЯ
(3) (4) Приведенное уравнение дает возможность объяснить принцип саморегулирования электрических двигателей. При работе двигателя в установившемся режиме момент вращения МВР
равен тормозному моменту МТОР
. МВР
= МТОР
(5) Предположим, что нагрузка двигателя (тормозной момент МТОР
) увеличилась. При этом скорость вращения двигателя несколько уменьшится, что приведет к уменьшению противо-ЭДС(2). В результате этого ток якоря увеличится согласно (4), а, следовательно, возрастет и вращающийся момент (1). Это увеличение момента будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов: МТОР
= МВР
при несколько меньшей скорости. В случае уменьшения нагрузки изменение режима двигателя будет происходить в обратном направлении, и равенство моментов наступит при несколько большей скорости. Роль регулятора, устанавливающего соответствие между полезной механической мощностью и потребляемой электрической мощностью, выполняет противо-ЭДС Е. 28 Пуск двигателя в ход
При пуске двигателя якорь в первый момент неподвижен (n = 0) и учитывая (2) ЭДС якоря Е = к·n·Ф = 0. При этом согласно (4) пусковой ток якоря IЯП
недопустимо велик, т.к. RЯ
мало и определяется как: . (6) Поэтому для ограничения пускового тока последовательно в цепь якоря вводится сопротивление пускового реостата RП
, который полностью введен перед запуском двигателя и выводится после разгона двигателя по мере возрастания противо- ЭДС (Е). (7) Такой запуск двигателя предохраняет его якорную обмотку от больших пусковых токов IЯП
и позволяет получить в этом режиме максимальный магнитный поток. Реверсирование двигателя
Изменение направления вращения двигателя может быть достигнуто изменением тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения, т.к, при этом меняется знак вращающего момента. Одновременное изменение направления тока в обоих обмотках направление вращения двигателя не изменяет. Переключение концов обмоток должно производиться только после полной остановки двигателя. Регулирование скорости вращения
( 8 ) Из формулы (8) видно, что регулировать скорость вращения двигателя постоянного тока можно изменением напряжения сети, магнитного потока возбуждения и сопротивления цепи якоря. Наиболее распространенный способ регулирования скорости вращения двигателя - изменение магнитного потока посредством регулировочного реостата в цепи возбуждения. Уменьшение тока возбуждения ослабляет магнитный поток и увеличивает скорость вращения электродвигателя. Этот способ экономичен, т.к. ток возбуждения (в двигателях параллельного возбуждения) составляет 3-5% от IН
якоря, и тепловые потери в регулировочном реостате весьма малы. 29 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Цель работы
: Ознакомиться с устройством, принципом действия и пуском двигателей постоянного тока. Снять основные характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. (Конструкцию двигателя изучить
на стр.21,
общие сведения изучить
на стр.27).
Работа двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением оценивается следующими основными характеристиками: Характеристика холостого хода
: (рис.21) n0
= ƒ (IВ
), при U = UН
= const и IЯ
= I0,
где n0
- скорость вращения на холостом ходу (без нагрузки), I0
- ток холостого хода составляющий 5 – 10% IН
. (9) При увеличении тока в обмотке возбуждения магнитный поток изменяется по кривой намагничивания Ф = ƒ(IВ
), поэтому зависимость между скоростью вращения двигателя n и током возбуждения IВ
имеет почти гиперболический характер. При малых значениях тока возбуждения обороты меняются почти обратно пропорционально. При больших токах возбуждения начинает сказываться магнитное насыщение стали полюсов, и кривая становится более пологой и идет почти параллельно оси абсцисс. Резкое изменение – уменьшение тока возбуждения, а также случайный обрыв цепи возбуждения согласно (9) могут вызвать «разнос» двигателя (при IВ
→ 0, а следовательно Ф также стремится к 0, n → ∞) . Рис.21 Рис. 22 Рис.23 Внешняя характеристика
(скоростная) (рис.22). Это зависимость скорости вращения ротора от тока в якоре при различных механических нагрузках, при неизменном напряжении и токе возбуждения: n = ƒ ( IН
), при U = UН
= const, I = const. 30 К валу двигателя приложена нагрузка (тормозной момент). Согласно (8) при постоянных значениях тока возбуждения уменьшение скорости вращения n является следствием падения напряжения в цепи якоря – IЯ
·RЯ
и реакции якоря. При увеличении нагрузки скорость вращения уменьшается на незначительную величину, порядка 3-8%. Такая скоростная характеристика называется жесткой. Регулировочная характеристика
(рис.23): IВ
= ƒ( IЯ
) при U = UН
, n = const. Из анализа внешней характеристики видно, что скорость вращения падает с ростом нагрузки. Регулировочная характеристика дает возможность судить о том, каким образом, в каких пределах необходимо регулировать ток в обмотке возбуждения, чтобы поддерживать постоянную скорость вращения. План работы Рис.24 2. Получить у преподавателя разрешение на пуск двигателя. Для пуска двигателя необходимо убедиться, что пусковой реостат RП
в цепи якоря должен быть полностью введен, а регулировочный реостат RР
в цепи возбуждения полностью выведен. Включить рубильник питания и, постепенно выводя пусковой реостат, пустить в ход двигатель. 3. Снять характеристику холостого хода
: n = ƒ (IВ
). Характеристика снимается следующим образом: постепенно вводится реостат в цепь возбуждения с таким расчетом, чтобы скорость двигателя не превысила номинальную. Снять показания (5-6 точек). Обороты вала двигателя измерить тахометром. Полученные данные записать в таблицу 1. 31 Таблица 1 № п/п IВ
, ( А ) n, ( об/мин ) По данным опыта построить характеристику холостого хода n = ƒ (IВ
). 4. Снять внешнюю характеристику
двигателя. Внешняя характеристика снимается следующим образом: - с помощью регулировочного реостата устанавливается постоянный ток возбуждения в пределах IВ
= 100 - 120мА (по указанию преподавателя). Затем постепенно увеличивают нагрузку на валу двигателя до номинального значения. При этом снимаются показания амперметра, измеряющего ток якоря, и измеряются обороты вала двигателя. Ток в обмотке возбуждения поддерживается постоянным в течение всего опыта нагрузки. Полученные данные (5-6 точек) записать в таблицу 2. Таблица 2 № п/п IН
, ( А ) n, (об/мин ) Примечание IВ
= const По данным опыта построить внешнюю характеристику. 5. Снять регулировочную характеристику
: IВ
= ƒ (IЯ
), при U = UН
, n = const. Характеристика снимается следующим образом. При холостом ходе (или небольшой нагрузке) устанавливают по указанию преподавателя номинальную скорость вращения. Затем постепенно увеличивают нагрузку на валу двигателя и поддерживают установленную скорость вращения постоянной с помощью реостата Rрег, в цепи возбуждения. Полученные данные (5-6 отсчетов) вносят в таблицу 3. Таблица 3 № п/п IН
, ( А ) IВ
, ( А ) Примечание n = const По данным опыта построить регулировочную характеристику IВ
= ƒ (IН
). Контрольные вопросы 1. Устройство (см. стр. 21) и принцип действия двигателя. 2. Классификация двигателей. 3. Особенности пуска. 4. Способы регулирования скорости вращения. 5. Саморегулирование двигателя. 6. Реверсирование двигателя. 7. Объяснить характеристики двигателя. 32 Содержание
1. Лабораторная работа «Исследование однофазного трансформатора»…….. 3 2. Лабораторная работа «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором» ………………………………………………………………………. 9 3. Синхронные машины. Общие сведения. …………………………………... 15 4. Лабораторная работа «Синхронный генератор»…………………………... 15 5. Машины постоянного тока. Общие сведения. …………………………….. 20 6. Генераторы постоянного тока. Общие сведения. …………………………. 22 7. Лабораторная работа «Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением»……………………………………………………………….. 24 8. Лабораторная работа «Генератор постоянного тока с независимым возбуждением»……………………………………………………………….. 26 9. Двигатели постоянного тока. Общие сведения. ……………..………….…. 27 10. Лабораторная работа «Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением»………………………………………………………………... 29 33 Электрические машины
Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей всех форм обучения Составители:
Л.Я.Егоров, Г.И.Захватов, В.С.Камалетдинов, Ю.В.Никитин Редактор Г.А.Рябенкова Редакционно – издательский отдел Казанского государст- венного архитектурно – строительного университета Подписано в печать………… Формат 60х80/16 Бумага тип № 1 Печать ризографическая Усл.печ.л.,2,0 Тираж 300 экз. Заказ Усл.изд.л.,2,25 __________________________________________________________________ Печатно – множительный отдел Казанского государст- венного архитектурно-строительного университета
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||