Ход работы

Упражнение 1. Измерение пускового тока трехфазного асинхронного двигателя.

• Соедините обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя на звезду.

• В разрыв одного из линейных проводов включите амперметр.

• Подключите двигатель к трехфазной сети.

• Подайте напряжение на двигатель.

• Зафиксируйте величину тока, показанную амперметром, в момент пуска двигателя.

• Зафиксируйте величину тока, показанную амперметром, в стационарном режиме работы двигателя.

• Сравните величины пускового и стационарного токов двигателя.

• Сделайте соответствующий вывод.

Упражнение 2. Исследование работы нереверсивного пускателя.

• Изучите схему нереверсивного пуска двигателя.

• Соберите схему нереверсивного пуска в соответствии с рис. 6.1.

• Подключите лабораторный стенд к трехфазной сети.

• Пустите двигатель в ход с помощью кнопки «Пуск».

• Проследите временную последовательность срабатывания элементов схемы.

• Остановите двигатель с помощью кнопки «Стоп».

• Проследите временную последовательность срабатывания элементов схемы.

• Испытайте действие нулевой защиты схемы управления. Для этого отключите двигатель от сети и вновь его подключите.

• Убедитесь, что повторный запуск двигателя возможен только при новом нажатии на кнопку «Пуск».

• Выключите двигатель, нажав на кнопку «Стоп».

• С оставьте временные диаграммы работы элементов схемы нереверсивного пуска двигателя при заданной на рис. 6.4 последовательности событий.

Упражнение 3. Исследование работы трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети.

• Соедините обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя на звезду.

• Подключите к двигателю батарею конденсаторов в соответствии со схемой на рис. 6.3.

• Установите емкость батареи конденсаторов – 0 мкФ.

• Подключите двигатель к трехфазной сети.

• Убедитесь в том, что ротор двигателя не вращается.

• Увеличивайте постепенно емкость батареи конденсаторов до тех пор, пока ротор двигателя не начнет устойчиво вращаться.

• Запишите получившуюся емкость конденсатора.

• Сделайте соответствующий вывод.

Контрольные вопросы

1. В каком году и кем была изобретена трехфазная система переменного тока и все ее составляющие?

2. Укажите способы пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и поясните, в каких случаях они применяются.

3. Почему пусковой ток асинхронных двигателей в несколько раз превышает номинальный ток?

4. Объясните устройство и принцип действия нереверсивного и реверсивного магнитных пускателей.

5. Для какой цели пусковые кнопки шунтируются блок-контактами магнитного пускателя?

6. Какие блокировки предусмотрены в реверсивной схеме управления двигателем и для чего они предназначены?

7. Что произойдет при одновременном нажатии кнопок «Вперед» и «Назад» при отсутствии взаимной блокировки?

8. Каким образом осуществляется реверсирование асинхронного двигателя в схеме на рис. 6.2?

9. Изобразите временную диаграмму работы основных элементов схе­мы управления асинхронным двигателем в реверсивном режиме управления, аналогично временной диаграмме, показанной на рис. 6.4 для нереверсивного управления.

10. Можно ли в рассматриваемых схемах управления электроприводами вместо кнопок с самовозвратом использовать кнопки с самофиксацией в двух положениях? Ответ обоснуйте.

11. Для какой цели в магнитных пускателях предусмотрены тепловые реле? Как они функционируют?

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Приборы и принадлежности.

3. Схемы проведенных опытов.

4. Результаты измерений и необходимых расчетов.

5. Краткие ответы на контрольные вопросы.

6. Краткие выводы.

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОДНОФАЗНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

Цели работы: 1. Изучение устройства, назначения и основных характеристик однофазного трансформатора.

2. Измерение коэффициента трансформации трансфор­матора.

3. Исследование основных характеристик трансформатора.

Оборудование: 1. Исследуемый трансформатор.

2. Лабораторный автотрансформатор.

3. Амперметр (1,2 А – 2 шт., 5 А – 1 шт.)

4. Вольтметр (АВО-5М: 30 В).

5. Ваттметр (150 Вт).

6. Реостат (30 Ом).

7. Батарея конденсаторов (0 – 500 мкФ).

8. Катушка индуктивности (340 витков).

9. Соединительные провода.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.1: §1.2 (1.2.8.1 – 1.2.8.4,); [2], Гл.7: §§7.1 – 7.6, 7.12, 7.13; [4], Гл.9: §§9.1 – 9.9; [5], Гл.7: §§7.1 – 7.4, §7.6.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Область применения трансформаторов чрезвычайно широка. Соответственно этому велико и число конструктивных форм трансформаторов.

Трансформаторы получили распространение как устройства, позволяющие передавать электрическую энергию на большие расстояния без существенных энергетических потерь в линиях электропередач. С их помощью осуществляется объединение источников электрической энергии переменного тока, имеющих различные уровни напряжений, в единую энергетическую систему.

Трансформаторы используются также в качестве измерительных трансформаторов – для включения измерительных приборов в схемы, в которых действуют большие напряжения и токи.

Они применяются как индукционные регуляторы – для регулирования и стабилизации напряжения в распределительных сетях, а также в качест­ве трансформаторов специального назначения: сварочных, печных и т д.

Разновидностью трансформатора является автотрансформатор – специальный тип трансформатора с одной обмоткой, предназначенный для плавной регулировки напряжения вторичной цепи при непрерывном скольжении контакта по зачищенной поверхности витков.

Современные трансформаторы весьма разнообразны в своем исполнении и могут быть однофазными и трехфазными. Однако во всех случаях основные процессы, лежащие в принципе работы трансформаторов, одни и те же. Устройство трансформатора показано на рис. 7.1.

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 его часть, замыкаясь в воздухе, образует магнитные потоки рассеяния ( Ф_р1, Ф_р2 ).

При включении первичной обмотки в сеть переменного тока в ней возникает переменный ток, который образует переменное магнитное поле. Под воздействием переменного магнитного потока в обеих обмотках (согласно принципу электромагнитной индукции) возникают переменные 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·Ф_m и Е₂ = 4,44·w₂·ƒ·Ф_m,

где: Ф_m – 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:

.

Для повышающих трансформаторов: w₁ < w₂ (k_тр < 1), а для понижающих трансформаторов: w₁ > w₂ (k_тр > 1).

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается малыми потерями энергии: величина КПД (η) силовых трансформаторов при номинальной нагрузке составляет η = 0,96 – 0,995 в зависимости от мощности трансформатора.

Трансформатор может находиться в нескольких режимах работы: холостого хода, нагрузочном (или рабочем) и короткого замыкания. Режим короткого замыкания, при котором его вторичная обмотка подключена к приемнику с очень маленьким или равным нулю сопротивлением, является аварийным режимом работы и его допускать ни в коем случае нельзя, так как трансформатор выйдет из строя.

Режим холостого хода (или режим ненагруженного трансформатора) возникает при разомкнутой или подключенной к приемнику с очень большим сопротивлением вторичной обмоткой.

Нагрузочный режим работы трансформатора – режим с подключенной к трансформатору нагрузкой.

Режимы холостого хода и короткого замыкания специально создаются при испытании трансформатора.

В режиме холостого хода трансформатор превращается в катушку с ферромагнитным (стальным) сердечником, к обмотке которой с числом витков w₁ подключен источник синусоидального напряжения. Опыт холостого хода проводится для определения коэффициента трансформации и мощности потерь в магнитопроводе трансформатора (потери в стали).

При номинальном первичном напряжении ток холостого хода I₁₀ первичной обмотки составляет 3–10% номинального первичного тока I_1н. При этом можно считать, что U₁ ≈ E₁₀ и U₂₀ ≈ E₂. Поэтому, измерив вольтметром первичное и вторичное напряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации k_тр.

Важно отметить, что при режиме холостого хода значительно снижается сos φ электрических цепей, и, следовательно, этот режим является нежелательным при эксплуатации трансформаторов.

Мощность потерь трансформатора при холостом ходе складывается из потерь в стали Р_ст и мощности потерь в проводах (потери в меди Р_м) первичной обмотки.

При холостом ходе ток I₁₀ много меньше номинального первичного тока I_1н и мощность потерь в меди ничтожна по сравнению с мощностью потерь в стали. Поэтому опыт холостого хода служит и для определения потерь в магнитопроводе трансформатора. Мощность магнитных потерь пропорциональна .

Опыт короткого замыкания нельзя путать с режимом короткого замыкания, который возникает при номинальном напряжении первичной обмотки. Как уже отмечалось, режим короткого замыкания – аварийный режим работы трансформатора. Опыт же короткого замыкания проводится при очень небольшом напряжении U_1к.з. (в диапазоне 3 – 10 % от U_1н.), которое подбирается таким образом, чтобы токи первичной и вторичной обмоток соответствовали номинальным токам обмоток.

Опыт проводится при коротком замыкании вторичной обмотки, которая замыкается на амперметр, имеющий очень низкое сопротивление. Вся мощность, потребляемая трансформатором в этом случае, практичес­ки идет на компенсацию электрических потерь при нагревании обмоток:

,

где: r₁ и r₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора, соответственно.

На основании опытов холостого хода и короткого замыкания определяется КПД трансформатора η:

.

С ростом тока I₂ при U₁ = const напряжение U₂ на зажимах вторичной обмотки трансформатора изменяется. Зависимость вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки при U₁ = const и сos φ₂ = const называется внешней характеристикой. На рис. 7.2 приведены внешние характеристики трансформатора, работающего на разные по характеру нагрузки.

Кривая 1 соответствует ак­тивному сопро­тивлению нагрузки (φ₂ = 0), кривая 2 – активно-индуктивному (φ₂ > 0), кривая 3 – активно-емкост­ному (φ₂ < 0). Изменение вторичного напряжения U₂ обозначают ΔU и находят как арифметическую разность напряжений на вторичной обмотке при холостом ходе трансформатора U₂₀ и при номинальной нагрузке U_2н (токе нагрузки I_2н): ΔU = U₂₀ – U_2н. Обычно ΔU выражают в % от U₂₀:

У мощных силовых трансформаторов, работающих на нагрузку индуктивного характера, ΔU составляет (5 – 8)%, т.е. внешняя характерис­тика трансформатора довольно «жесткая».