Дослідження трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором
З М І С Т
| Лабораторна робота №1 Дослідження однофазного трансформатора | 4 |
| Лабораторна робота №2 Дослідження трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором | 17 |
| Лабораторна робота №3 Дослідження генератора постійного струму паралельного збудження | 28 |
| Лабораторна робота №4 Дослідження двигуна постійного струму паралельного збудження | 41 |
| Лабораторна робота №5 Дослідження споживання реактивної потужності асинхронним двигуном з короткозамкнутим ротором | 51 |
| Перелік рекомендованих джерел | 60 |
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1
Дослідження однофазного трансформатора
Мета роботи
1 Вивчити будову і принцип дії однофазного трансформатора.
2 Вибрати контрольно-вимірювальні прилади для проведення дослідів.
3 Визначити коефіцієнт трансформації та значення напруги короткого замикання.
4 Визначити параметри Т-подібної заступної схеми трансформатора.
5 Побудувати характеристики трансформатора у функції вторинного струму.
Основні теоретичні відомості
Трансформатор – це статичний електромагнітний апарат, призначений для підвищення або зниження синусоїдної напруги за допомогою магнітного потоку, при незмінній частоті.
Трансформатори поділяють:
- за кількістю фаз – однофазні, трифазні, багатофазні;
|
|
|
- за типом охолодження – сухі (повітряні), масляні;
- за функціональним призначенням – силові, автотрансформатори, зварювальні, для живлення індукційних печей, радіоелектронної апаратури, для медичних цілей, тощо.
На рисунку 1.1 зображена електромагнітна схема однофазного трансформатора.
 |
Рисунок 1.1 - Схема однофазного трансформатора
Трансформатор складається із замкнутого осердя (магнітопроводу), яке набирають з окремих пластин електромагнітної сталі завтовшки 0,25 ÷ 0,5 мм, ізольованих між собою шаром спеціального лаку. На магнітопроводі розташовані дві незалежні обмотки, виконані мідним ізольованим провідником. Використання феромагнітного магнітопроводу дозволяє підсилити електромагнітний зв’язок між обмотками, тобто зменшити магнітний опір контура, вздовж якого проходить магнітний потік трансформатора.
Обмотка трансформатора, яка під’єднується до мережі живлення, називається первинною і відповідно є первинними всі величини, які відносяться до цієї обмотки – напруга, струм, електрорушійна сила (ЕРС), кількість витків (u1, i1, e1,w1). Обмотку до якої під’єднують навантаження (приймач електричної енергії) називають вторинною, та її параметри – вторинними (u2, i2, e2,w2). Електрична енергія змінного струму від первинної обмотки до вторинної обмотки передається магнітним потоком.
|
|
|
На кожному трансформаторі розташований щиток або табличка, де вказані: номінальна потужність, лінійні напруги, лінійні струми при номінальній потужності, частота, кількість фаз, схема і група з’єднань, напруга короткого замикання, режим роботи (довготривалий або короткочасний), спосіб охолодження.
Робота трансформатора базується на явищі електромагнітної індукції. При під’єднанні первинної обмотки до синусоїдної напруги u1=U1msinωt (рисунок 1.1), струм i1 також змінюється за законом синуса. Змінний струм i1, протікаючи витками первинної обмотки, збуджує синусоїдний магнітний потік Ф=Фmsinωt, основна (робоча) частина якого замикається в магнітопроводі. Незначна частина магнітного потоку, лінії якого замикаються повітрям навколо обмоток, називається потоком розсіювання Фр. Основний магнітний потік Ф індукує в первинній та вторинній обмотках трансформатора ЕРС, діючі значення яких визначають за формулами:
E1=4.44fw1Фm; E2=4.44fw2Фm,
де w1 ,w2 – відповідно кількість витків у первинній та вторинній обмотках;
|
|
|
Фm – амплітудне значення основного магнітного потоку;
f – частота змінного струму.
При умові, що U1>U2 трансформатор називають понижувальним, а якщо U1<U2 – тоді підвищувальним.
Під’єднавши первинну обмотку трансформатора до джерела змінної напруги, на затискачах вторинної обмотки індукується змінна ЕРС і вторинна обмотка є джерелом живлення, до якої можна під’єднати споживачі електричної енергії.
Трансформатор конструктивно виконаний таким чином, що при зміні навантаження струм у первинній обмотці змінюється пропорційно до зміни струму у вторинній обмотці.
Режим роботи трансформатора, при якому на первинну обмотку подається номінальна напруга, а вторинна обмотка розімкнута, називається неробочим режимом. При цьому U1=U1н , I2=0, U20=E20=U2н. Струм I1= I0= (4÷6)%I1н, а тому можна вважати, що U1≈ E1.
Відношення номінального значення вищої напруги до номінального значення нижчої напруги в неробочому режимі, або відношення кількості витків відповідних обмоток, називається коефіцієнтом трансформації:
.
Якщо замкнути вимикач SA1 (рисунок 1.1), то до вторинної обмотки трансформатора буде під’єднане навантаження з опором Zнав. Такий режим роботи трансформатора називається режимом навантаження і у вторинному колі протікатиме струм I2. Рівняння для первинного і вторинного кіл трансформатора за другим законом Кірхгофа в комплексній формі:
|
|
|
де 
, 
- комплексні значення спадів напруг на активних опорах відповідно первинної та вторинної обмоток;
, 
- комплексні значення спадів напруг на первинній та вторинній обмотках, викликані наявністю ЕРС розсіювання 
і 
, які індукуються відповідними магнітними потоками розсіювання 
та 
( 
, 
).
Магнітний стан в магнітопроводі трансфороматора характеризується рівнянням намагнічуючих сил:
.
Залежність U2=f(I2) при U1=const, cos φ2=const, f=const називається зовнішньою характеристикою трансформатора (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Зовнішні характеристики трансформатора при:
1 – активно-ємнісному навантаженні, cos φ2<0;
2 – активному навантаженні, cos φ2=1;
3 – активно-індуктивному навантаженні, cos φ2>0.
Відносна зміна вторинної напруги трансформатора визначається за формулою:
,
де 
- номінальна напруга на вторинній обмотці трансформатора в неробочому режимі;
- напруга на вторинній обмотці трансформатора в режимі навантаження.
Режим роботи трансформатора, при якому вторинна обмотка замкнута накоротко (Zнав=0) називається режимом короткого замикання. Цей режим роботи трансформатора є аварійним, при якому передбачений захист, що від’єднує трансформатор від мережі живлення.
Експлуатаційні властивості трансформатора визначаються його наступними характеристиками (рисунок 1.3):
I1=f1(I2); U2=f2(I2); cos φ1=f3(I2); η=f4(I2),
при U1=const, f=const, cos φ2=const.
Рисунок 1.3 – Експлуатаційні характеристики трансформатора
В трансформаторі мають місце втрати потужності в сталі Рст, які дорівнюють активній потужності в неробочому режимі (Рст=Р0), та втрати потужності в міді Рм (обмотках трансформатора), які дорівнюють активній потужності в режимі короткого замикання (Рм=Рк).
Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) трансформатора визначається за формулою:
,
де Sн – повна номінальна потужність трансформатора;
- коефіцієнт навантаження;
- коефіцієнт потужності навантаження.
Т-подібна заступна схема трансформатора приведена на рисунку 1.4
Рисунок 1.4 - Т-подібна заступна схема трансформатора
Заступна схема трансформатора описується рівняннями електричного стану первинної і вторинної обмоток та рівнянням струмів:
;
.
Значення параметрів заступної схеми трансформатора визначають за наступними формулами:
; 
; 
;
; 
;
; 
; 
;
; 
; 
,
де 
- відповідно напруга, струм і потужність в неробочому режимі трансформатора;
- відповідно напруга, струм і потужність в режимі короткого замикання трансформатора;
- опір контура намагнічення, який визначається з умови: 
.
Опис лабораторної установки
Об’єктом дослідження є однофазний трансформатор TV2 (рисунок 1.5), який під’єднаний до мережі змінного струму через автоматичний вимикач SF1 і лабораторний автотрансформатор (ЛАТР) TV1. Для визначення параметрів трансформатора використовують вимірювальні прилади: у первинному колі – амперметр РА1, ватметр PW1, вольтметр PV1 та у вторинному – вольтметр PV2, амперметр PA2. В якості навантаження використовують реостат Rнав (cos φ2=1, тобто навантаження активне).
Рисунок 1.5 – Електрична схема дослідження однофазного трансформатора
Програма роботи
1 Скласти схему, зображену на рисунку 1.5. Записати номінальні параметри трансформатора і за цими даними визначити номінальне значення струму I1н.
2 Дослідити трансформатор TV2 в неробочому режимі. Розімкнути вимикач SA1 і з допомогою ЛАТРа (TV1) подати на первинну обмотку (А-Х) трансформатора TV2 номінальну напругу U1Н, яку вимірюють з допомогою вольтметра PV1. Покази приладів записати в таблицю 1.1.
3 Дослідити трансформатор в режимі активного навантаження. Реостат Rнав встановити в положення максимального опору і замкнути вимикач SA1. З допомогою автотрансформатора TV1 (ЛАТРа) подати на первинну обмотку (А-Х) номінальну напругу U1Н. Змінювати опір Rнав до значення I1=1,4·I1Н (6÷8 дослідів). Покази приладів записати в таблицю 1.1.
4 Дослідити трансформатор TV2 в режимі короткого замикання. З допомогою ЛАТРа (TV1) встановити напругу в первинній обмотці трансформатора, що дорівнює нулю (U1=0). Розімкнути автоматичний вимикач SА1. Вилучити опір навантаження Rн=0 і замкнути вимикач SA1. Ввімкнути автоматичний вимикач SF1 і з допомогою ЛАТРа (TV1) подати на первинну обмотку (А-Х) трансформатора TV2 незначну напругу U1=(4-6)% U1Н, при якій струм в цій обмотці буде номінальним (I1= I1Н). Покази приладів записати в таблицю 1.1.
Таблиця 1.1 – Результати досліджень і обчислень
| Ре-жим роб-оти | Дослідні дані | Обчислити | При-мітка | ||||||||||
| U1, В | I1, А | P1, Вт | U2, В | I2, А | P2, Вт | cosφ1 | η | ΔU2, % | β | cosφ2 | |||
| Неробочий ре-жим |
| ||||||||||||
| Акивне навантаження | 1 | ||||||||||||
| 2 | |||||||||||||
| 3 | |||||||||||||
| 4 | |||||||||||||
| 5 | |||||||||||||
| 6 | |||||||||||||
| 7 | |||||||||||||
| 8 | |||||||||||||
| Коротке зами-кання |
| ||||||||||||
Обробка результатів дослідів
1 За дослідними даними визначити:
- коефіцієнт трансформації, k;
- коефіцієнт навантаження, β;
- коефіцієнт корисної дії, η;
- коефіцієнт потужності первинної обмотки, cos φ1;
- коефіцієнт потужності навантаження, cos φ2;
- потужність навантаження, P2;
- зміну вторинної напруги, ΔU2%;
- параметри Т-подібної заступної схеми трансформатора.
2 Побудувати зовнішню характеристику трансформатора U2=f(I2).
3 Побудувати характеристики, що визначають експлуатаційні властивості трансформатора:
I1=f1(I2); cos φ1=f3(I2); η= f4(I2).
4 Зробити висновок з проведеної роботи.
Контрольні запитання
1 Визначення трансфоорматора.
2 Класифікація трансформаторів.
3 Будова однофазного трансформатора.
4 Поясніть принцип дії трансформатора.
5 Що називається коефіцієнтом трансформації і як його визначити?
6 Чи зміниться струм у первинній обмотці трансформатора, якщо відбулася зміна струму у вторинній обмотці?
7 Як здійснити дослід неробочого ходу трансформатора?
8 Які параметри трансформатора визначаються з неробочого режиму?
9 Як здійснити дослід короткого замикання трансформатора?
10 Які параметри трансформатора визначають з досліду короткого замикання?
11 Які втрати потужності мають місце в трансформаторі та від чого вони залежать?
12 За якими формулами визначають параметри заступної схеми трансформатора?
13 Зовнішня характеристика трансформатора.
14 Приведіть характеристики, що визначають експлуата-ційні властивості трансформатора.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2
Дослідження трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором
Мета роботи
1 Вивчити будову і принцип дії трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором.
2 Дослідити трифазний асинхронний двигун в неробочому режимі.
3 Дослідити трифазний асинхронний двигун в режимі активного навантаження.
4 На основі дослідних даних визначити момент і потужність на валу двигуна, коефіцієнт потужності, ковзання та коефіцієнт корисної дії.
5 За даними дослідів побудувати механічну і робочі характеристики двигуна.
Основні теоретичні відомості
Асинхронною машиною називають машину змінного струму, в якої частота обертання магнітного поля статора не співпадає з частотою обертання ротора. Асинхронні машини використовують в основному для перетворення електричної енергії в механічну, тобто в якості двигунів. Вони також можуть працювати в режимах електромагнітних гальм, генераторів, перетворювачів частоти, трансформаторів та інших пристроїв.
Асинхронний двигун складається з двох основних частин: нерухомої - статора і ротора, який обертається. Статор – порожнинний циліндр набраний з листів електротехнічної сталі завтовшки 0,3÷0,5 мм ізольованих між собою шаром спеціального лаку. На внутрішній поверхні статора є пази, в які вкладається обмотка статора.
Обмотки статора трифазного асинхронного двигуна складаються з окремих секцій та розташовані в пазах осердя статора і зміщені між собою в просторі на кут 120°. Кожна фаза містить одну або декілька паралельно чи послідовно з’єднаних обмоток, кількість яких дорівнює кількості пар полюсів p двигуна. Початки і кінці фаз обмотки виведені на клемний щиток двигуна, що дозволяє з’єднати їх між собою трикутником або зіркою. Це дає можливість вмикати двигун на дві напруги, які відрізняються в 
разів.
Ротор двигуна - циліндр, з тонких ізольованих між собою шаром спеціального лаку дисків електротехнічної сталі, який запресований на вал двигуна. Обмотка ротора буває двох типів, у відповідності за якими розрізняють двигуни з короткозамкнутим і фазним ротором.
Двигуни з короткозамкнутим ротором мають обмотку, яка постійно замкнута накоротко. Її виготовляють шляхом заливання в пази ротора сплаву алюмінію. Утворені стержні замикаються з торців кільцями, які відливаються одночасно з стержнями.
Три обмотки фазного ротора виготовляється аналогічно до обмоток статора. Вони завжди з’єднані зіркою, а початки їх фаз під’єднані до трьох контактних кілець. З допомогою цих кілець і щіток, що до них прилягають, в коло ротора під’єднують реостат, який дозволяє покращити пускові та регулювальні характеристики двигуна.
Принцип дії асинхронного двигуна базується на взаємодії обертового магнітного поля статора із струмами, які індукуються в колі ротора. Обертове магнітне поле виникає при під’єднанні трьох обмоток фаз статора, зміщених в просторі на 120°, до трифазної мережі. Внаслідок цього струми в обмотках статора зміщені за фазою один відносно одного на кут 120°. Магнітне поле обертається з частотою n0 (хв-1), яка визначається за формулою:
де f1 - частота струму в обмотці статора, Гц;
p - кількість пар полюсів магнітного поля двигуна.
Магнітне поле статора при обертанні перетинає провідники ротора та індукує в них змінну ЕРС, під впливом якої в колі ротора виникає індукований струм. В результаті взаємодії струму ротора з обертовим магнітним полем виникають електромагнітні сили, які діють на ротор. При цьому на валу двигуна створюється момент, який пропорційний до магнітного потоку Ф, струму ротора І2 і косинуса кута Ψ2 зсуву фаз між струмом і ЕРС ротора:
M=cФI2cos Ψ2,
де с – конструктивна стала ротора двигуна.
Під дією цього моменту ротор обертається в напрямі магнітного поля, але з меншою частотою, тобто ротор двигуна обертається асинхронно відносно до поля статора. Різниця частот обертового магнітного поля n0 і ротора n, віднесена до частоти обертання поля, називається ковзанням:
.
Частота f2 струму, що індукується в обмотці ротора, визначається за формулою:
.
Частота обертання ротора при неробочому режимі двигуна мало відрізняється від частоти обертання магнітного поля і тому ковзання близьке до нуля. При збільшенні моменту на валу двигуна частота обертання ротора зменшується, а ковзання збільшується. Залежність частоти обертання ротора від моменту або моменту від ковзання: n=f1(M) або M=f2(s) називають механічною характеристикою двигуна (рисунок 2.1)
а) б)
Рисунок 2.1 – Механічна характеристика асинхронного двигуна:
а) n=f1(M); б) M=f2(s).
Короткочасне перевантаження двигуна визначається максимальним (критичним) моментом Ммакс (Мкр), який виникає при критичному ковзанні sкр. Цей момент є більший від номінального моменту Мн в 1,7÷2,8 разів і визначає перевантажувальну властивість двигуна: λ=Ммакс/Мн.
Механічні характеристики асинхронного двигуна описують рівнянням моменту:
,
де U1ф – фазна напруга, яка подається на обмотку статора двигуна;
R1, X1 – активний та індуктивний опори фази обмотки статора;
R/2, X/2 – активний та індуктивний опори фази обмотки ротора, приведені до обмотки статора.
Згідно з цим рівнянням, при незмінних значеннях опорів обмоток статора і ротора, момент двигуна пропорційний до квадрату напруги. При зменшенні напруги момент двигуна знижується, зменшується і максимальний момент, а критичне ковзання sкр залишається сталим.
В розрахунках користуються більш простим рівнянням, яке дозволяє побудувати механічну характеристику за паспортними даними двигуна:
,
де 
- критичне ковзання;
- номінальне ковзання, яке визначається при номінальній частоті обертання ротора двигуна.
Зміна напряму обертання (реверсу) ротора асинхронного двигуна досягається зміною черговості фаз обмоток статора, що під’єднуються до трифазної мережі.
Механічна характеристика наглядно показує властивості асинхронного двигуна як частини електроприводу. Для більш повного виявлення властивостей самого двигуна служать його робочі характеристики (рисунок 2.2), тобто залежності параметрів n, М, I1, P1, η, cos φ від потужності P2 на валу двигуна.
Рисунок 2.2 – Робочі характеристики асинхронного двигуна.
Номінальний і максимальний моменти визначають за формулами:
; 
,
де 
- номінальна потужність на валу двигуна, кВт.
Активна потужність , яка споживається трифазним асинхронним двигуном від мережі:
,
а коефіцієнт корисної дії η та коефіцієнт потужності cos φ визначаються за формулами:
; 
,
де 
- корисна потужність на валу двигуна;
, 
- відповідно лінійні напруга і струм в обмотці статора.
Відношення пускового моменту Mп до номінального Mн
є важливою характеристикою асинхронних двигунів і становить від 0,8 до 2,0, а кратність пускового струму до номінального:
.
Трифазний асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором характеризується наступними паспортними номінальними величинами: потужністю на валу P2н, лінійною напругою Uн, лінійним струмом Iн, типом з’єднання фаз статора, частотою змінного струму f1, частотою обертання ротора nн, коефіцієнтом потужності cos φн і коефіцієнтом корисної дії ηн.
Опис лабораторної установки
Об’єктом дослідження служить трифазний асинхронний двигун (АД) з короткозамкнутим ротором, який живиться від мережі змінного струму через автоматичний вимикач SF1. Схема дослідження трифазного асинхронного двигуна приведена на рисунку 2.3.
Рисунок 2.3 - Схема дослідження трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором
Значення лінійної напруги U1 вимірюють вольтметром PV1, лінійний струм I1 – амперметром PA1. Ватметром PW1 вимірюють активну потужність PPW1 однієї фази. Потужність, яку споживає асинхронний двигун від трифазної мережі: P1=3PPW1, де PPW1 – показ ватметра.
Навантаження двигуна здійснюється методом гальмування ротора з допомогою генератора (Г) постійного струму. Корисна потужність на валу двигуна, яка споживається генератором, визначається за формулою:
P2= P1Г =U2I2/ηГ,
де U2 – напруга на затискачах якоря Я1, Я2 генератора (вольтметр PV2);
I2 – струм навантаження якоря генератора (амперметр PA2);
ηГ – коефіцієнт корисної дії генератора (ηГ = 0,7).
Програма роботи
1 Зібрати схему приведену на рисунку 2.3. Для зміни напряму обертання ротора двигуна необхідно поміняти чергування фаз (будь-які дві фази поміняти місцями).
2 Дослідити двигун в неробочому режимі. Запустити двигун при розімкнутому колі збудження генератора (вимикач SF2 розімкнутий). Покази приладів записати в таблицю 2.1.
3 Дослідити двигун в режимі навантаження. Замкнути коло збудження генератора (вимикач SF2 замкнутий). Реостат RНАВ повністю введений, тобто опір його максимальний. З допомогою реостата RНАВ змінювати навантаження двигуна. Записати покази приладів в таблицю 2.1 для 6÷7 різних значень опору RНАВ.
Таблиця 2.1 – Результати досліджень і обчислень
| № з/п | Обчислити | При-мітка | ||||||||||||
| U1, В | I1, А | P1, Вт | U2, В | I2, А | n, хв-1 | M, Нм | P2, Вт | cos φн | s, % | η, % |
 Мы поможем в написании ваших работ! | |||