7. Симметричные составляющие несимметричной системы.
Всякую несимметричную систему трех вращающихся векторов можно рассматривать состоящий из трех симметричных систем:
симметричной системы трех вращающихся векторов прямой последовательности;
симметричной системы трех вращающихся векторов обратной последовательности;
симметричной системы трех вращающихся векторов нулевой последовательности.
Системой нулевой последовательности называют систему трех вращающихся вектров, совпадающих друг с другом по фазе.
На рисунке изображена заданная несимметричная система, состоящая из трех векторов А, В, и С, и ее симметричные составляющие.
Составляющие прямой последовательности принято отмечать индексом 1, обратной – индексом 2 и нулевой – индексом 0.
Симметричная система А1В1С1 имеет прямую последовательность, так как в ней за вектором А идет вектор В, а затем вектор С (векторы вращаются против часовой стрелки), то есть в том порядке, что и в заданной несимметричной системе.
Симметричная система А2В2С2 – обратной последовательности, так как в ней за вектором а идет вектор С, а не В. Система А0В0С0 – нулевой последовательности, у нее все три вектора по фазе друг с другом совпадают.
Если все эти три симметричные системы сложить, то получится заданная несимметричная система, причем
А' = А'1 + А'2 + А'0; В ' = В '1 + В '2 + В '0; С ' = С '1 + С '2 + С '0.
Разложить несимметричную систему на симметричные составляющие – это значит определить векторы симметричных систем, то есть определить их величины и направления, причем так как искомые системы симметричны, то нет необходимости определять девять векторов. Достаточно определить по одному вектору из каждой системы ( например, А'1, А'2 и А'0), а остальные будут такими же, но только повернуты относительно А'1 и А'2 на 120о. легче всего найти Ã1, Ã2 и Ã0, а комплексы отражают величины векторов и их направления. При этом несимметричная система должна быть задана комплексами А˚, В˚ и С˚, таким образом, задача сводится к нахождению А'1, А'2 и А'0 по заданным А˚, В˚ и С˚.
Представим себе, что разложение уже
произведено и симметричные системы,
изображенные на рисунке, являются
составляющими заданной несимметричной
системы, состоящей из А', В ' и С
'. Тогда
А˚ = А˚0 + А˚1 + А˚2;
В˚ = В˚0 + В˚1 + В˚2;
С˚ = С˚0 + С˚1 + С˚2.
Для краткости будем считать, что е – j120о = С˚а. умножение вектора на такой поворотный множитель означает поворот его в положительную сторону на 120 о. Так как поворот в отрицательную сторону на 120о равносилен двукратному повороту вперед на 120о, то
е – j120о = е j 240о = е j 120о · е j 120о = а2.
Умножение вектора на а3 означает трехкратный поворот вектора на 120о, отчего вектор становится в свое исходное положение, поэтому а3 = 1 и а4 = а3а = а.
Так как сумма трех одинаковых векторов, сдвинуты по фазе на 120о, равна нулю, то 1 + 1а + 1а2 = 0.
В уравнениях
А
˚
= А˚0 + А˚1 + А˚2;
В˚ = В˚0 + В˚1 + В˚2;
С˚ = С˚0 + С˚1 + С˚2.
В˚1 = а2 А˚1; С˚1 = а А˚1; В˚2 = а А˚2 ; С˚2 = а2 А˚2; А˚0 = В˚0 = С˚0
В связи с этим
А˚ = А˚0 + А˚1 + А˚2;
В˚ = А˚0 + а2 А˚1 + а А˚2;
С˚ = А˚0 + аА˚1 + а2 А˚2.
Сложив эти уравнения, получим:
А˚ + В˚ + С˚ = А˚0 + А˚1 + А˚2 + А˚0 + а2 А˚1 + а А˚2 + А˚0 + аА˚1 + а2 А˚2 =
= 3 А˚0 + А˚1 ( 1 + а2 + а ) + А˚2 ( 1 + а + а2 ) = 3 А˚0,
откуда
А˚0 = А˚ + В˚ + С˚
3
Умножим В˚ = А˚0 + а2 А˚1 + а А˚2 на а, а уравнение С˚ = А˚0 + аА˚1 + а2 А˚2 на а2, тогда система уравнений примет вид:
А˚ = А˚0 + А˚1 + А˚2; аВ˚ = аА˚0 + А˚1 + а2А˚2; а2С˚ = а2А˚0 + А˚1 + аА˚2.
Складывая уравнения почленно, получим:
А˚ + аВ˚ + а2С˚ = А˚0 (1 + а + а2) + 3 А˚1 + А˚2 (1 + а2 + а ) = 3А1.
Откуда
А˚1 = А˚ + аВ˚ + а2С˚.
3
Умножим уравнение В˚ = В˚0 + В˚1 + В˚2 на а2, а уравнение С˚ = С˚0 + С˚1 + С˚2 на а.
Тогда
А˚ = А˚0 + А˚1 + А˚2; а2В˚ = а2А˚0 + аА˚1 + А˚2; аС˚ = аА˚0 + а2А˚1 + А˚2.
Складывая их почленно, получим:
А˚ + а2В˚ + аС˚ = А˚0 (1 + а2 + а ) + А1 ( 1 + а + а2 ) + 3 А˚2 = 3 А˚2.
Откуда
А˚2 = А˚ + а2В˚ + аС .
3
По этим уравнениям и определяют симметричные составляющие заданной несимметричной системы.
Если задана несимметричная система линейных напряжений,
то
ŮАВо = ŮАВ + ŮВС + ŮСА = 0,
3
так как
ŮАВ + ŪВС + ŪСА = 0,
То есть в линейныхнапряжениях всегда отсутствует составляющая нулевой последовательности и всякая несимметричная система линейных напряжений состоит только из систем прямой и обратной последовательности, причем чем более несимметрична система линейных напряжений, тем больше величина векторов обратной последовательности, и наоборот. Если несимметричная система линейных напряжений станет симметричной, то векторы обратной последовательности при этом станут равными нулю и теперь уже ставшая симметричной система линейных напряжений будет состоять только из одной системы прямой последовательности, то есть из самой себя. В связи с этим по величине векторов обратной последовательности можно судить о степени несимметричности линейных напряжений, и отношение модуля векторов обратной последовательности к модулю векторов прямой последовательности, выраженное в процентах, называют степенью асимметрии (несимметрии) и обозначают буквой α:
Α = U2 100%
U1
По нормам степень ассиметрии линейных напряжений не должна превышать 5 %.
Пример. Определить степень ассиметрии линейных напряжений, если они выражаются следующими комплексами:
ŮАВ = 220е j90о = j220 в; ŮВС = 220 в; ŮСА = 298- j 135о = (- 200 – j200) в.
Составляющая нулевой последовательности UАВ0 = 0.
Составляющая прямой последовательности
ŮАВ1 = ŮАВ + а ŮВС + а2 ŮСА = j220 + е j 120о200 + е- j120о298е- 135о =
3
= j220 + (-0,5 + j0,87 )200 + (-0,5 – j0,87) (-200 - j220) = (-67 + j226) в.
3
Составляющая обратной последовательности
ŮАВ2 = ŮАВ + а2 ŮВС + а ŮСА =
3
= j220 + (- 0,5 – j0,87) 200 + (-0,5 + j0,87) (-200 – j220) = (60,5 – j6 ) в
3
Чтобы построить систему прямой последовательности, задается масштабом и строим ŮАВ1 в соответствии с его комплексом. К его началу пристраиваем еще два таких же вектора, повернутых относительно ŮАВ1 вправо и влево на углы по 120о.
Точно так же и в том же масштабе строим систему обратной последовательности. Если обе симметричные системы сложить, то получится заданная система линейных напряжений, изображенная слева.
Модуль векторов прямой последовательности
ŮАВ1 = √ 672 + 2262 = 235 в.
Модуль векторов обратной последовательности
ŮАВ2 = √ 60,52 + 62 = 60,8 в.
Степень ассиметрии
Α = ŮАВ2 100 = 60,8 100 = 25,9%
ŮАВ1 235
В сетях такую несимметричность линейных напряжений допускать нельзя. Надо найти причину ассиметрии и устранить ее. Можно считать, что в сети с такими линейными напряжениями действуют два напряжения: 235 в – прямой последовательности и 60,8 в – обратной последовательности. Если в нее включить, например, трехфазный двигатель, то напряжение в 235 в прямой последовательности будет создавать в нем вращающий момент, а напряжение в
60,8 в – обратной последовательности. Будет создавать хотя и меньший вращающий момент, но направленный в обратную сторону, и нормальная работа машины будет нарушена. Поэтому не допускают, чтобы составляющая обратной последовательности превышала 5% составляющей прямой последовательности (чтобы ее роль не была значительной).
Кроме того, прием разложения несимметричной системы векторов на симметричные составляющие используется для анализа режимов в трехфазных цепях при однофазных и двухфазных коротких замыканиях, при обрывах в линиях.
Технологическая карта№11
Изучение приборов магнитоэлектрической системы
Ц
ель
работы. Изучить устройство приборов
магнитоэлектрической системы,
научиться включать их в цепь, расширять
пределы измерения, изучить условные
знаки на шкалах приборов.
План работы.
1. Изучить условные знаки, используемые на шкалах приборов.
2. Изучить конструктивные элементы приборов магнитоэлектрической системы и расположение их в приборах различных типов.
3. Изучить способы расширения пределов измерения амперметров, конструкции шунтов и подобрать шунты к амперметру, который будет использоваться в этой работе.
4. Собрать схему и после проверки ее руководителем подключить к источнику тока.
5. Убедиться в необходимости соблюдения полярности при включении приборов магнитоэлектрической системы.
6. Измерить токи в участках и напряжения на них. Результаты измерений занести в таблицу.
7. Подсчитать сопротивления отдельных участков и всей цепи.
8. Проверить формулы для определения эквивалентного сопротивления цепи при смешанном соединении сопротивлений.
Пояснения к работе. Изучая устройство приборов практически, надо познакомиться с различными вариантами конструкций этих приборов, конструкцией гальванометров и шунтов.
Установив значение сопротивлений цепи , определить значение токов в участках при выведенном реостате и, сравнивая их с допустимыми токами каждого сопротивления, установить место каждого сопротивления в цепи.
По вычисленным токам подобрать шунты к амперметру с таким расчетом, чтобы показания амперметра при измерении любого тока в цепи при выведенном реостате составляли около 90—95% шкалы прибора.
После сборки цепи и проверки ее руководителем уменьшить сопротивление реостата до нуля и подключить цепь к источнику тока.
Меняя местами зажимы приборов при подключении их в цепь, убедиться в том, чтоб при включении приборов магнитоэлектрической системы нужно соблюдать полярность. При измерении токов в участках в необходимых случаях использовать подобранные шунты.
Повторить измерения токов и напряжений еще два раза при различных положениях движка реостата. По результатам измерений подсчитать значение отдельных сопротивлений, используя закон Ома. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу .
Используя полученные данные, проверить уравнение
R23 =
и R = R1
+ R 23
№ п/п |
Измеряются |
Вычисляются |
|||||||||
U |
U1 |
U23 |
I1 |
I2 |
I3 |
R1 |
R2 |
R3 |
R23 |
R |
|
в |
а |
ом |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответить на вопросы:
1) чем объяснить, что приборы магнитоэлектрической системы применимы лишь в цепях постоянного тока?
2) почему в приборах магнитоэлектрической системы нет специального успокоителя?
3) с какой целью в приборах этой системы используются две пружинки?
Дополнительный материал к работе.
Электроизмерительные приборы непосредственной оценки низкой и высокой чувствительности
Измерительные приборы магнитоэлектрической системы. Принцип действия этих приборов основан на взаимодействии рамки с током с магнитным полем. Если в магнитное поле поместить рамку с током (рис. 17,а), то на активные стороны ее будут действовать силы F; они создадут вращающий момент, величина которого при неизменном магнитном поле будет пропорциональна току в рамке, то есть Mвр=I.
Если движению рамки будет противодействовать пружина, то угол поворота станет пропорционален вращающему моменту, а следовательно, и силе тока в рамке. Пропустив измеряемый ток через рамку, по углу ее поворота можно судить о силе этого тока.
О
Рис. 17. Измерительный прибор магнитоэлектрической системы:
а — принцип действия; б — схема устройства; в — образование момента, гасящего колебание подвижной системы.
Практически магнитное поле в приборах магнитоэлектрической системы создается с помощью постоянного магнита 1 (рис. 17, б), между башмаками 5 которого укреплен неподвижный точно центрированный сердечник 6 из мягкой стали. Между цилиндрическими поверхностями башмаков и сердечника имеется одинаковый (в радиальном направлении) воздушный зазор, в котором образуется сильное равномерное радиально направленное магнитное поле. В этом поле располагается рамка. Она содержит несколько десятков или сотен витков тонкой проволоки, намотанной на прямоугольный алюминиевый каркас 2, который укреплен на двух полуосях 3 и удерживается от вращения двумя спиральными пружинами 4.
Ток в рамку подводится через полуоси и пружины, поэтому применение двух полуосей вместо одной оси и двух пружин избавляет от необходимости в каком-либо специальном устройстве для подвода тока.
Так как в той части воздушного зазора, где движутся активные стороны рамки, магнитное поле равномерно и во всех точках этой части располагается радиально, то по мере поворота рамки ее активные стороны движутся все время перпендикулярно полю и величина действующих на рамку сил при ее вращении не меняется. Поэтому величина вращающего момента по мере поворота рамки тоже не меняется и шкала прибора оказывается равномерной.
Благодаря тому, что рамка прибора находится в сильном магнитном поле, воздействие на прибор внешних магнитных полей становится практически незаметным. При этом прибор оказывается весьма чувствительным и не требует устройства специального успокоителя.
Гашение колебаний стрелки вокруг положения равновесия происходит следующим образом. При всяком движении подвижной системы изменяется магнитный поток, пронизывающий алюминиевый каркас 2, и в нем индуктируется э. д. с. Так как каркас представляет собой накоротко замкнутый виток (рис. 17, в), то под влиянием этой э. д. с. в нем течет ток it, который создает свое магнитное поле. Согласно правилу Ленца, силы Fт, возникшие при взаимодействии этого поля с полем магнита, направлены против сил, вызывающих движение подвижной системы, поэтому колебания стрелки быстро уменьшаются.
Под чувствительностью прибора по току подразумевают угол поворота его подвижной системы, соответствующий единице измеряемого тока,
Si =
где Si — чувствительность прибора по току;
а - угол поворота подвижной системы при прохождении по ней тока I.
Величина, обратная чувствительности,
Сi
=
выражает собой ток, соответствующий единице угла поворота, и называется постоянной по току.
При изменении направления тока направление вращающего момента меняется и стрелка прибора отклоняется влево. Поэтому приборы магнитоэлектрической системы нельзя применять в цепях переменного тока непосредственно.
К достоинствам этих приборов относятся следующие:
1) равномерность шкалы;
2) большая точность (вплоть до класса 0,05);
3) высокая чувствительность (до 5 дел/мка);
4) незначительное влияние температуры;
5) малая потребляемая мощность (может составлять несколько микроватт);
6) независимость показаний от воздействия внешних магнитных полей.
Благодаря этим качествам приборы магнитоэлектрической системы получили самое широкое применение в качестве амперметров и вольтметров в цепях постоянного тока, вытеснив приборы других систем. В сочетании с выпрямителями эти приборы могут быть использованы и в цепях переменного тока. Вместе с тем они имеют и ряд недостатков: возможность непосредственного использования лишь в цепях постоянного тока, чувствительность к перегрузкам (из-за пружин, которые при перегрузке перегреваются и теряют свои упругие свойства), сравнительно высокую стоимость.
Технологическая карта№12
Изучение приборов электромагнитной системы
Цель работы. Изучить общее устройство и конструкцию приборов электромагнитной системы, научиться включать их в цепь. Научиться расширять пределы измерения вольтметров с помощью добавочных сопротивлений.
План работы.
1. Изучить конструктивные элементы приборов электромагнитной системы и расположение их в приборах различных типов.
2
.
Изучить способы расширения пределов
измерения вольтметров, конструкции
добавочных сопротивлений и подобрать
добавочные сопротивления к вольтметру,
который будет использован в этой
работе.
3. Изучить устройство астатического механизма на амперметре типа ACT или вольтметре.
4. Собрать цепь , используя токоприемники, величина сопротивлений которых известна.
5. Подсчитать приближенные значения напряжений на участках цепи и подобрать добавочное сопротивление к вольтметру для измерения этих напряжений.
6. После проверки цепи руководителем подключить ее к источнику тока.
7. Измерить токи в участках и напряжения на зажимах участков при двух-трех положениях регулировочного реостата. Результаты измерения занести в таблицу.
8. Переключив концы вольтметра или амперметра, убедиться в том, что для приборов электромагнитной системы полярность не имеет никакого значения.
9. Подсчитать мощности отдельных участков и всей нагрузки.
Пояснение к работе.
Изучая устройство приборов электромагнитной системы, следует обратить внимание на конструкцию воздушного успокоителя, на способ установки его, допускающий регулировку положения камеры успокоителя относительно поршня, на устройство корректора и неравномерность шкалы.
После сборки схемы определить токи в участках и напряжения на них. По этим напряжениям и вольтметру подобрать добавочное сопротивление к нему.
После проверки цепи преподавателем подключить ее к источнику тока и измерить токи и напряжения в участках и во всей цепи. Подсчитать мощности в участках и во всей цепи по показаниям приборов. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.
№ п/п |
Измеряются |
Вычисляются |
|||||||||||
I12 |
I34 |
I |
U1 |
U2 |
U3 |
U4 |
U |
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Р4 |
Р |
|
а |
в |
вт |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проверить уравнение P = P1 + P2 +Р3 + Р4 и при наличии расхождений объяснить, чем они вызваны.
Объяснить назначение воздушного успокоителя и механизма астатического устройства.
Почему в приборах электромагнитной системы направление вращающего момента не зависит от направления тока, протекающего через прибор
Дополнительный материал к работе
И
змерительные
приборы электромагнитной системы.
Принцип действия приборов электромагнитной
системы основан на явлении втягивания
стального сердечника в катушку с током.
Рис. 18. Измерительный прибор электромагнитной системы:
а — Принцип действия; б — схема устройства; в -схема устройства астатического механизма.
В большинстве случаев стальной сердечник представляет собой диск, укрепленный на оси эксцентрично, а катушка выполняется плоской с отверстием щелевидной формы (рис.18,а и б). При прохождении тока по катушке сердечник намагничивается и втягивается в нее. Возникающая при этом сила F вызывает образование вращающего момента, и подвижная система поворачивается. Пружина подобрана так, что угол поворота подвижной системы пропорционален вращающему моменту, причем последний, в свою очередь, пропорционален квадрату силы тока в катушке:
Мвр = КI2
где К — некоторый коэффициент пропорциональности.
Из этого уравнения следует, что шкала прибора квадратичная, но, меняя форму сердечника и его расположение, можно добиться равномерности шкалы в рабочей ее части.
Для успокоения подвижной системы используют воздушные или магнитоиндукционные успокоители. Так как величина вращающего момента зависит от напряженности поля, созданного неподвижной катушкой, то наложение на него внешнего магнитного поля, естественно, вызывает изменение величины вращающего момента, а следовательно, и дополнительную погрешность измерения. Индукция собственного магнитного поля невелика, поэтому дополнительная погрешность от внешних полей может иметь весьма значительную величину.
Влияние внешних полей можно несколько уменьшить экранированием механизма стальными экранами. В приборах класса 0,5 для уменьшения дополнительной погрешности от внешних магнитных полей используют механизмы астатического устройства. Как и в приборах электродинамической системы, они представляют собой два механизма, действующих на общую ось, на которой укреплена стрелка (рис.18, в). Катушки включены так, что их магнитные поля направлены в противоположные стороны, но, несмотря на это, вращающие моменты механизмов имеют одинаковое направление, благодаря чему на ось действует некоторый суммарный вращающий момент.
Если на астатический механизм будет действовать внешнее магнитное поле и если из-за этого магнитное поле одного из механизмов, например, усилится, то у другого механизма оно в такой же степени окажется ослабленным, так как поля катушек имеют противоположные направления. Таким образом, в результате действия внешнего магнитного поля вращающий момент одного механизма возрастет, а другого в такой же степени уменьшится, поэтому результирующий момент, действующий на подвижную систему, останется прежним.
Приборы электромагнитной системы применимы в цепях постоянного и переменного токов, это объясняется тем, что изменение направления тока хотя и вызывает изменение направления магнитного поля катушки, но не меняет направления силы F, а следовательно, и вращающего момента, так как стальной сердечник втягивается и северным, и южным полюсом катушки в одинаковой степени. К достоинствам этих приборов относятся следующие:
1) простота конструкции;
2) прочность и надежность в работе;
3) применимость в цепях постоянного и переменного токов;
4) устойчивость к перегрузкам;
5) низкая стоимость. Недостатки этих приборов:
1) зависимость показаний от внешних магнитных полей;
2) относительно невысокая точность (не выше класса 0,5).
Механизмы электромагнитной системы применяются в амперметрах и вольтметрах, предназначенных для измерений в цепях постоянного и переменного токов или только в цепях переменного тока.
Технологическая карта№13
Изучение приборов электродинамической, ферродинамической, индукционной и электростатической систем
Цель работы. Изучить общее устройство и конструкцию приборов указанных систем. Научиться расширять пределы измерения приборов с помощью измерительных трансформаторов.
План работы.
1. Изучить конструктивные элементы приборов указанных систем и расположение их в приборах различных типов.
2. Изучить устройство астатического механизма на ваттметре типа АСТ-Д.
3. Изучить вопрос расширения пределов измерения приборов с помощью измерительных трансформаторов и конструкцию последних.
4. Собрать цепь (рис. 19), используя токоприемники, мощность которых известна.
5. Подобрать измерительные трансформаторы к приборам с таким расчетом, чтобы при измерении стрелки приборов находились во второй половине шкалы.
6. После проверки цепи преподавателем подключить ее к источнику тока и измерить токи в участках, напряжения на них и мощность всей цепи.
7. Подсчитать мощность каждого участка по показаниям амперметров и вольтметра.
8. Сравнить результаты измерений и вычислений. Сделать выводы.
П
ояснения
к работе. После сборки схемы оценить
величину токов в участках и во всей
цепи. По этим токам, напряжению сети и
приборам, которые будут использованы
при измерениях, подобрать измерительные
трансформаторы к ваттметру, вольтметру
и амперметрам. Включить приборы в
цепь через измерительные трансформаторы.
После проверки цепи преподавателем подключить ее к источнику тока и измерить величины, указанные в таблице . При снятии показаний приборов учитывать коэффициенты трансформации трансформаторов.
Рис 19
По показаниям приборов подсчитать мощность каждого участка и всей цепи и общий ток. Результаты вычислений записать в ту же таблицу.
Сравнить Ризм и Рвыч. При наличии расхождений объяснить, чем они вызваны. Почему приборы электродинамической, ферродинамической и индукционной систем можно использовать для измерения мощности, а магнитоэлектрической и электромагнитной нельзя? Как определить цену деления шкалы ваттметра? Почему приборы электродинамической системы применимы в цепях постоянного и переменного токов? Что такое генераторные зажимы приборов и каковы правила включения их?
Дополнительный материал к работе.
И
змерительные
приборы электродинамической системы.
Принцип действия приборов
электродинамической системы аналогичен
принципу действия приборов
магнитоэлектрической системы, но в
первых внешнее магнитное поле создается
не постоянным магнитом, а неподвижной
катушкой 1, по которой проходит ток.
Практически эта катушка содержит
небольшое число витков толстой проволоки
(рис. 20,а).
Рис. 20 Измерительный прибор электродинамической системы; а — схема устройства; б — астатический механизм.
Конструкция подвижной системы 2 ничем не отличается от аналогичной конструкции для приборов магнитоэлектрической системы.
Если по неподвижной катушке пропустить ток I1, а по подвижной — ток I2, то рамка, по которой течет ток I2, окажется в магнитном поле неподвижной катушки 1 и на нее, как и в приборах магнитоэлектрической системы, будет действовать вращающий момент (рис.20,а). Он будет зависеть от величины токов I1 и I2, так как вообще вращающий момент появляется в результате взаимодействия магнитных потоков катушек (Ф1 и Ф2), которые сами зависят от токов I1 и I2 соответственно.
Таким образом, Мвр =к Ф1 Ф2 =к I1 I2
Зависимость вращающего момента от двух токов позволяет использовать эти приборы не только в цепях постоянного, но и в цепях переменного тока. Действительно, с изменением направления тока I1 меняется и направление магнитного потока Ф1 в котором находится рамка, от этого должно измениться на обратное и направление сил F, действующих на рамку (рис. 20,а). Но вместе с изменением направления тока I1 изменяет свое направление и ток в рамке I2, а от этого направление вращающего момента изменяется на обратное еще раз и таким образом оказывается прежним.
Следовательно, по мере того как переменный ток изменяет свое направление, вращающий момент действует все время в одну сторону, изменяясь по величине по мере изменения силы тока. Из-за инерционности подвижная система прибора не может следовать за мгновенными изменениями вращающего момента, и ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращающего момента Мср за период Т.
На основании уравнения ( Мвр =к Ф1 Ф2 =к I1 I2 ),
мгновенное значение вращающего момента в некоторый момент времени
где К—некоторый коэффициент пропорциональности;
Ф1 и Ф2—мгновенные значения магнитных потоков катушек в этот момент времени.
Так как коэффициент пропорциональности К — величина постоянная, то характер изменения вращающего момента полностью определяется характером изменения произведения Ф1Ф2 с течением времени, поэтому по графику этого произведения можно видеть характер изменения вращающего момента. Более того, этот график можно считать и графиком вращающего момента, так как он полностью подобен последнему и все его ординаты лишь меньше соответствующих ординат истинного графика mвр в одинаковое число раз (в К раз).
В связи с этим во всех рассуждениях о вращающем моменте можно пользоваться графиком произведения ф1 ф2 и лишь в окончательный результат надо ввести коэффициент пропорциональности К, то есть увеличить его в. К раз.
На рисунке 21 построены графики произведения ф1ф2 для случаев, когда магнитные потоки по фазе совпадают, не совпадают на некоторый угол а и не совпадают на 90°. Из этих рисунков видно, что среднее значение произведения ф1ф2 (а значит, и среднее значение вращающего момента) зависит не только от величины магнитных потоков, но и от угла сдвига фаз между ними, причем оно оказывается пропорциональным косинусу этого угла (cos а). Действительно, если, а = 0, то cos α = l, и среднее значение произведения оказывается максимальным.
С
увеличением угла α косинус его уменьшается
и среднее значение произведения
магнитных потоков тоже уменьшается.
При α = 90° cos α=0, и среднее
значение произведения магнитных потоков
становится равным нулю, так как график
произведения становится симметричным
относительно оси времени.
Рис.21
Таким образом, из рисунков следует, что среднее значение вращающего момента пропорционально магнитным потокам катушек и косинусу угла сдвига фаз между ними:
Мср = КФ1Ф2 соs α
где Ф1 и Ф2 — действующие значения магнитных потоков в катушках.
Так как система не содержит стальных сердечников, то магнитное поле у этих приборов слабое и каркас подвижной катушки не может выполнять роль успокоителя. Поэтому в приборах электродинамической системы, как правило, устанавливают воздушные успокоители.
По той же причине эти приборы в значительной степени подвержены влиянию внешних магнитных полей.
Для уменьшения дополнительной погрешности от внешнего магнитного поля используют механизмы астатического устройства, которые имеют две неподвижные и две подвижные катушки (рис.20,6). Неподвижные катушки соединены между собой последовательно, но так, что поля их направлены в противоположные стороны. Токи в подвижных катушках также направлены в противоположные стороны. Благодаря этому вращающие моменты обоих элементов совпадают по направлению и на ось со стрелкой действует некоторый суммарный вращающий момент. Если прибор окажется под влиянием какого-либо внешнего магнитного поля, то благодаря различным направлениям полей неподвижных катушек одно из них внешним полем будет усиливаться, а другое в такой же степени ослабляться. В результате этого вращающий момент, созданный одним элементом, увеличится, а другим — в такой же степени уменьшится. Суммарный вращающий момент, действующий на ось, останется неизменным. Практически, если внешнее магнитное поле однородно, то влияния его на показания астатического механизма совершенно не чувствуется.
К положительным свойствам приборов электродинамической системы относятся следующие:
1) почти равномерная шкала;
2) большая точность (до класса 0,1);
3) возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного тока;
4) наличие двух чувствительных элементов (две катушки, влияющие на угол поворота подвижной системы).
Но эти приборы имеют и недостатки:
1) зависимость показаний от внешних магнитных полей;
2) чувствительность к перегрузкам;
3) относительно большая потребляемая мощность (обычно 6—10 вт, но у некоторых приборов может достигать 20—25 вт);
4) высокая стоимость.
Механизмы электродинамической системы чаще всего применяются в приборах, предназначенных для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов, или в амперметрах и вольтметрах высокого класса точности (0,2; 0,1), тоже предназначенных для измерения в цепях постоянного и переменного токов.
Измерительные приборы ферродинамической системы. Приборы ферродинамической системы представляют собой разновидность электродинамических, но отличаются от них тем, что у первых внешнее магнитное поле, в котором находится рамка с током, создается катушкой со стальным сердечником.
Конструктивно они подобны приборам магнитоэлектрической системы, но постоянный магнит заменен сердечником 1 из магнито-мягкой стали, на котором расположена катушка 2
При прохождении тока по неподвижной катушке сердечник 1 намагничивается и рамка 3 с током оказывается в магнитном поле. В результате этого на нее действует вращающий момент, и подвижная система поворачивается. Сердечник 4 конструктивно выполнен так же, как в приборах магнитоэлектрической системы, и имеет то же назначение.
Рис.22. Прибор ферродинамической
системы.
Вращающий момент, как и в приборах электродинамической системы, пропорционален токам в катушках. Так как в приборах ферродинамической системы вращающий момент зависит от двух токов, то эти приборы можно использовать и в цепях переменного тока, причем в этом случае вращающий момент, как и в приборах электродинамической системы, зависит не только от величины магнитных потоков, но и от угла сдвига фаз между ними:
Мвр = КФ1Ф2, cos α,
где Ф1 и Ф2 — магнитные потоки в обмотках;
α — угол сдвига фаз между ними;
К — некоторый коэффициент пропорциональности.
Благодаря наличию стального сердечника в воздушном зазоре, в котором расположена подвижная катушка 3, магнитная индукция достигает значительной величины, поэтому и вращающий момент у этих приборов большой. Это позволяет увеличить вес подвижной части, а следовательно, и ее прочность без увеличения погрешности от трения, а также использовать их в качестве самопишущих приборов, в которых для движения пишущего пера требуется большое усилие. Большая магнитная индукция в зазоре делает показания прибора практически не зависимыми от внешних магнитных полей. Но наличие стали влечет за собой увеличение основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов.
Для успокоения подвижной системы используются воздушные или магнитоиндукционные успокоители.
Использовать для целей успокоения каркас подвижной катушки 3, как это делается в приборах магнитоэлектрической системы, не представляется возможным, так как обмотка катушки выполняется либо бескаркасной, либо на неметаллическом каркасе, поскольку наличие металлического каркаса вызвало бы появление в нем индуктированных токов при использовании прибора в цепях переменного тока.
Достоинства приборов ферродинамической системы следующие:
1) большой вращающий момент;
2) прочность конструкции;
3) надежность в работе;
4) независимость показаний от внешних магнитных полей.
Недостатки этих приборов:
1) чувствительность к перегрузкам (по напряжению);
2) зависимость показаний от частоты;
3) невысокая точность;
4) относительно большая потребляемая мощность (от 0,15 до 10 вт, в зависимости от типа и пределов измерения прибора).
Измерительные приборы индукционной системы. Принцип действия прибора индукционной системы основан на явлении взаимодействия между вихревыми токами, протекающими в подвижной части прибора, и магнитными потоками, которые создаются в его неподвижной части. В результате взаимодействия между вихревыми токами и магнитными потоками на подвижную часть действует вращающий момент, и она поворачивается.
Из самого принципа действия следует, что приборы индукционной системы могут быть использованы только в цепях переменного тока, так как в цепях постоянного тока вихревые токи возникать не будут
И
змерительный
механизм индукционной системы состоит
из двух электромагнитов 1 и 2 (рис.23, а),
между полюсами которых расположен
алюминиевый диск 3, укрепленный на оси
ОО1. При прохождении токов по
обмоткам в сердечниках электромагнитов
создаются магнитные потоки Ф1 и
Ф2. Поток Ф1 пронизывает
диск дважды в различных направлениях
(рис. 126, б). Поток Ф2 делится на две
части: вспомогательный поток ФL,
который замыкается через боковые
стержни 5 электромагнита, и рабочий
поток Ф2, который пронизывает диск
один раз и замыкается через стальную
планку 4 (противополюс) .
Пронизывая диск, рабочие потоки индуктируют в нем вихревые токи. На рисунке 23, в показано распределение вихревых токов, их направления и направления магнитных потоков в сердечниках, которые мы примем за положительные.
По правилу левой руки можно определить, что токи I1 взаимодействуя с потоком Ф2, стремятся повернуть диск против часовой стрелки. Токи I2, взаимодействуя с потоком Ф1 вращают диск в обратную сторону.
Таким образом, на диск действуют два вращающих момента M1 и М2, положительные направления которых противоположны.
F = ФI
Рис.23. Измерительный прибор индукционной системы:
а — схема устройства, б — магнитные потоки всердечниках; в - вихревые токи в диске; г - векторная диаграмма токов и магнитных потоков.
то есть электромагнитная сила взаимодействия между током и магнитным потоком, а следовательно и вращающий момент, пропорциональны произведению Ф1. Так как в данном случае речь идет о величинах, изменяющихся синусоидально, то мгновенные значения вращающих моментов
m1=ф2i1, а m2=ф1i2
Из-за инерционности диск не может следовать за быстрыми изменениями вращающих моментов, поэтому его отклонение пропорционально разности средних значений этих вращающих моментов.
Из рисунка 21 следует, что среднее значение произведения двух синусоидальных величин пропорционально их действующим значениям и косинусу угла сдвига фаз между ними, то есть
М1= Ф2 I1 cos α1, а М2 = Ф1 I2 cos α2,
где α1 — угол сдвига фаз между потоком Ф2 и вихревыми токами I1
α2 — соответствующий угол между потоком Ф1 и токами I1.
В общем случае магнитные потоки Ф1 и Ф2 не совпадают по фазе относительно друг друга на некоторый угол α. На векторной диаграмме (рис. 23, г) изображены магнитные потоки Ф1 и Ф2 и токи, которые они индуктируют в диске. Эти токи отстают от магнитных потоков, их создавших, на угол 90°. Это объясняется тем, что диск — чисто активное сопротивление, поэтому токи в нем совпадают по фазе с э. д. с, а последние отстают от магнитных потоков, их создавших, на угол 90°
Из этой диаграммы
Α1 = 90 — α; α3 = 90 + а,
поэтому
М1 = Ф2 I1 cos (90 — α) = Ф2 I1 sin α,
a
М2 = Ф1 I2 cos (90 + α) = Ф1 I2 (—1) sin α,
так как
cos (90 — α) = sin α, a cos (90 + а) = — sin α.
Поскольку вихревые токи I1 == Ф1, a I2 = Ф2,
то
М1 = Ф2Ф1 sin α, a М2 = Ф1Ф2— 1) sin α,
или
М1 = К1 Ф2 Ф1 sin α, а М2 = — К2 Ф1 Ф2 sin α,
где К1 и К2 — коэффициенты пропорциональности,
Равнодействующий момент, действующий на диск,
М = М1 - М2 = К1Ф2 Ф1 sin α +К2Ф1Ф2 sin α =
Окончательно
М = КФ1Ф2 sin α, (254)
где K—K1+K2—некоторый результирующий коэффициент пропорциональности ;
α — угол сдвига фаз между рабочими магнитными потоками.
Из последнего уравнения следует, что вращающий момент действующий на диск, пропорционален синусу угла сдвига фаз между рабочими магнитными потоками Ф1 и Ф2 и достигает наибольшей величины при a = 90°, так как при этом sin α =l.
Так как магнитные поля у этих приборов сильные, то воздействию внешних полей они практически не подвержены.
Вращающий момент у этих приборов достигает значительной величины, что позволяет подвижную их часть делать достаточно прочной и надежной в работе, но наличие стали вызывает увеличение основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов. Кроме того, показания их в значительной степени зависят от частоты.
Для гашения колебаний подвижной системы этих приборов - используют магнитоиндукционные успокоители. Магнит успокоителя располагают так, чтобы алюминиевый диск оказался между его полюсами. Поэтому всякое движение диска вызывает появление в нем вихревых токов, которые, взаимодействуя с полем постоянного магнита, оказывают сильное тормозящее действие и гасят колебания подвижной системы.
К достоинствам приборов индукционной системы относятся следующие:
1) возможность получения равномерной шкалы;
2) большой угол поворота подвижной части (до 270°);
3) большой вращающий момент;
4) малая чувствительность к перегрузкам;
5) малая чувствительность к воздействию внешних магнитных полей;
6) большая прочность подвижной части и надежность в работе.
Недостатки этих приборов:
1) невысокая точность (не выше класса 1,0);
2) сильная зависимость показаний от частоты и формы кривой тока;
3) зависимость показаний прибора от температуры;
4) относительно большая потребляемая мощность (до 10 вт).
Механизмы индукционной системы используют в приборах, предназначенных для измерения мощности или энергии в цепях переменного тока.
Измерительные приборы электростатической системы.
Принцип действия этих приборов основан на взаимодействии между электрически заряженными телами.
Р
ис.
24. Схема устройства измерительного
прибора электростатической системы.
На рисунке 24 приведена схема устройства механизма электростатической системы. Между двумя неподвижно закрепленными пластинками 1 и 2 укреплена подвижная пластинка 3. Качаясь на двух подвесах, она может, удаляясь от пластинки 1, приближаться к пластинке 2. Пластинки 1 и 3 электрически соединены друг с другом, а пластинка 2 от них изолирована. Движение пластинки 3 отрегулировано таким образом, что со второй соединиться электрически она не может.
Если пластинки 1 и 3, соединенные друг с другом, подсоединить к одному полюсу измеряемого напряжения, а пластинку 2 к другому, то подвижная пластинка 3, отталкиваясь от одноименно заряженной пластинки 1 и притягиваясь к пластинке 2, заряженной зарядом противоположного знака, будет перемещаться к последней (вправо). Это движение с помощью тяги 4 передается стрелке, и она отклонится на некоторый угол.
Противодействующий момент создается подвесами или спиральной пружиной, смонтированной на оси стрелки. Величина вращающего момента зависит от разности, потенциалов. Расчеты показывают, что
Mвр =U2
то есть вращающий момент пропорционален квадрату приложенного напряжения.
Из этого уравнения видно, что шкала такого прибора неравномерна. Соответствующим выбором формы пластин можно добиться почти полной равномерности шкалы. Эти приборы могут быть использованы только для измерения напряжений. Приборы, устроенные по рассмотренной схеме, могут измерять напряжение от 1 до 15 кв, так как при меньшем напряжении вращающий момент, действующий на подвижную систему, слишком мал. Многопластинчатые измерительные механизмы позволяют измерять напряжения от 20 в.
Приборы электростатической системы применимы в цепях постоянного и переменного токов, так как с изменением полярности напряжения изменяются знаки зарядов на всех пластинах одновременно, благодаря чему направление силы, действующей на подвижную пластинку 3, остается прежним.
Рис.:25. Логометры
а — магнитоэлектрический; б — ферродинамичсский; в — электродинамический.
Для гашения колебаний подвижной системы применяются воздушные и магнитоиндукционные успокоители.
Достоинства приборов электростатической системы следующие:
1) возможность применять в цепях постоянного и переменного токов;
2) независимость показаний от частоты и формы кривой напряжения;
3) практически полное отсутствие потребления мощности прибором;
4) независимость показаний от внешних магнитных полей.
Недостатки этих приборов:
1) зависимость показаний от внешних электрических полей;
2) невысокая точность (не выше класса 1,0);
3) малая чувствительность;
4) относительно высокая стоимость.
II.2.Электрические машины и электропривод.
Технологическая карта№14.
Исследование силового двухобмоточного трансформатора методом холостого хода и короткого замыкания
Цель работы. Ознакомиться с устройством трансформатора; усвоить практические приемы лабораторного исследования трансформатора методом холостого хода и короткого замыкания.
Программа работы.
1. Ознакомиться с устройством трансформатора; записать его паспортные данные, а также данные измерительных приборов и регулятора напряжения.
2. Собрать схему опыта х. х. трансформатора и после проверки ее руководителем выполнить опыт х. х.
3. Собрать схему опыта к. з. трансформатора и после проверки ее руководителем выполнить опыт к. з.
4. Используя результаты опытов х. х. и к. з., построить внешние характеристики трансформатора при коэффициентах мощности нагрузки соsφ2 = 1 и соsφ2 = 0,8.
5 Используя результаты опытов х. х. и к. з., построить графики зависимостей КПД трансформатора от нагрузки при соsφ2 = 0,8 и соsφ2 = 1 и определить нагрузку трансформатора, соответствующую максимальному значению КПД.
6. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе. 1. Повторить теоретический материал: принцип действия и устройство силового трансформатора, уравнения ЭДС, МДС и токов, схема замещения трансформатора; трехфазный трансформатор; опыты х. х. и к. з., потери и КПД; внешние характеристики трансформатора.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицы для занесения результатов опытов и координатные сетки для построения графиков.
П
орядок
выполнения работы. Однофазный
трансформатор. Опыт холостого хода.
В схеме включения однофазного
трансформатора при опыте х. х. применен
регулятор напряжения РНО (рис. 26, а),
позволяющий плавно регулировать
подводимое к первичной обмотке напряжение.
В качестве первичной обычно используют
обмотку низшего напряжения НН. Всего
делают ре менее пяти замеров через
приблизительно одинаковые интервалы
тока х. х., изменяя подводимое к
трансформатору напряжение от 0,51ном
до l,15U1ном..
Показания измерительных приборов
заносят в табл. 1.1.
Рис.26 . Схемы включения однофазного трансформатора при опытах
х. х. (а) и к. з. (б)
Таблица 1.1
Номер измерения и вычисления
|
Измерения
|
Вычисления
|
|||||
U1,В |
I0,А |
P0,ВТ |
U20,В |
i0,% |
cosφ0 |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Затем выполняют расчеты: ток х. х. в процентах от номинального первичного тока,
i0= (I0/ I1ном)100; (1.1)
коэффициент мощности в режиме х. х.
cosφ0 = Р0/(U1I0) (1.2)
коэффициент трансформации
k = U20/U1 (1.3)
Полученные значения вычисленных величин занести в табл. 1.1. Величины, соответствующие номинальному первичному напряжению U1ном, следует выделить, например, подчеркнув их жирной линией. По данным таблицы строят характеристики х. х. трансформатора (на общей координатной сетке): I0; Ро; cosφ0 = f(U1 ). На характеристиках отмечают точки I0.ном; Ро.ном и cosφ0 0.ном, соответствующие номинальному напряжению U1ном (рис. 1.2, а).
Опыт короткого замыкания. При опыте к. з. Трансформатора (рис. 26, б) напряжение обычно подводят к обмотке ВН, номинальное значение тока в которой меньше, чем в обмотке НН. В некоторых случаях это позволяет включать ваттметр в перечную цепь без трансформатора тока.
Вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко медный проводом достаточного поперечного сечения, чтобы не создавать во вторичной цепи трансформатора значительного электрического сопротивления.
Опыт к. з. проводят в такой последовательности: устанавливают рукоятку РНО на нулевую отметку, а затем, включив рубильник, медленно повышают напряжение посредством РНО, изменяя величину тока к. з. от нулядозначения1,2I1ном. Показания измерительных приборов, снятые через приблизительно одинаковые интервалы тока к. з., а также результаты вычислений занося в табл. 1.2. Значение величин, соответствующих значению тока к.з I 1к= I1ном, подчеркивают жирной линией.
Номер измерения и вычисления |
Измерения |
Вычисления |
|||
Uк,В |
I1к,А |
Рк,Вт |
ик,% |
cosφк |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.2
Рис. 27. Характеристики х. х. (о) и к. з. (б) трансформатора
Затем выполняют расчеты: напряжение к. з. в процентах от номинального первичного напряжения
ик=(Uк/ U1нолм)100 (1.4)
коэффициент мощности при опыте к. з.
cosφ0 =Рк/(Uк Iк) (1.5)
По данным таблицы строят характеристики к. з. (на общей координатной сетке): Iк; Рк; cosφк = f(UK). На характеристиках отмечаю точки Uк.ном. Рк.ном, соответствующие току к. з. I1к = I1ном (рис 27, б).
Полученные из опыта к. з. значения Рк.Ном и ик.ном следует привести к рабочей температуре ө2 = 75°С.
Приведенное значение мощности к. з. (Вт)
Рк.ном = Рк.ном (1+ά(ө2-ө1)) (1.6)
где ά = 0,004 — температурный коэффициент для меди и алюминия
ө1= температура обмоток трансформатора при проведении опыта, 0С
В связи с тем что температура обмоток трансформатора влияет лишь на активную составляющую напряжения к. з.
ик.а. = ик.ном cosφк (1.7)
то и приводить к рабочей температуре следует лишь активную составляющую напряжения к. з.
ик.а. = ик.а. (1+ ά(ө2-ө1)) (1.8)
Приведенное к рабочей температуре напряжение к. з.
где
ик.ном =
(1.9)
ик.ном
(1.10)
-реактивная составляющая к. з.
Внешние характеристики. С увеличением нагрузки трансформатора напряжение на клеммах его вторичной обмотки изменяется. Зависимость этого
напряжения от нагрузки выражается графически внешними характеристиками трансформатора U2 = f(I2).
Вид внешней характеристики зависит от характера нагрузки и от величины коэффициента мощности cosφ2 при активной и активно-индуктивной нагрузках внешние характеристики имеют падающий вид, причем чем меньше коэффициент мощности cosφ2 , тем больше наклон характеристики к оси абсцисс; при активно-емкостной нагрузке внешняя характеристика имеет восходящий вид (рис. 28, а).
Рис 28. Внешнее характеристики (а) и графики зависимости КПД трансформатора от нагрузки (б)
При любой нагрузке напряжение на клеммах вторичной обмотки трансформатора
U2 = U20(1-0,01ΔU) (1.11)
где U20 — напряжение на вторичной обмотке в режиме х. х., принимаемое за номинальное напряжение на выходе трансформатора, В; ΔU изменение вторичного напряжения, вызванное нагрузкой трансформатора.
Для построения внешней характеристики необходимо рассчитать не менее пяти значений напряжения U2 при разных значениях коэффициента нагрузки β= I2/ I2ном- например при β = 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 и 1,2.
Расчет ΔU ведут по формуле (%):
ΔU = βик((cos φк cos φ2 + sin φк sin φ2).
Расчеты ΔU выполняют три раза: при cos φ2 = 1, cos φ2 = 0,8 (нагрузка активно-индуктивная) и cosφ2 = 0,8 (нагрузка активно-емкостная). В последнем случае получают отрицательные значения ΔU. Результаты вычислений заносят в табл. 1.3 и строят на общей координатной сетке три внешние характеристики. Проведя ординату при β = 1,0 (номинальная нагрузка), отмечают на характеристиках напряжения, соответствующие номинальной нагрузке трансформатора (рис 28 а)
Таблица 1.3
β |
cos φ2=1 |
cos φ2= 0,8 (инд) |
cos φ2= 0,8 (емк) |
|||
ΔU,% |
U2,В |
ΔU,% |
U2,В |
ΔU,% |
U2,В |
|
|
|
|
|
|
|
|
Зависимость КПД трансформатора от нагрузки. Для построения графика η= f(β) при cos φ2 = 1 cos φ2= 0,8 определяют КПД трансформатора для ряда значений коэффициента нагрузки β = 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 и 1,2, воспользовавшись для этого выражением
Η=1 -
(1.13)
где SH0M — номинальная мощность трансформатора, В • А.
Результаты вычислений заносят в таблицу:
β |
0,25 |
0,50 |
0,75 |
1,0 |
1,2 |
|
η |
при cos φ2 = 1 |
|
|
|
|
|
при cos φ2 = 0,8 |
|
|
|
|
|
|
По этим данным строят графики η = f(β) при cos φ2 = 1 и cos φ2= 0,8 (рис. 28, б).
Максимальное значение КПД трансформатора соответствует такой нагрузке, при которой электрические потери трансформатора paвны магнитным потерям. Коэффициент нагрузки соответствующий максимальному значению КПД,
Β =
(1.14)
На оси абсцисс отмечают значение β', и проведя в этой точке ординату, определяют максимальные значения КПД. Максимальное значение КПД можно получить по (1.13), если подставить в это выражение β':
Ηмакс = 1-
(1.15)
Трехфазный трансформатор. Опыт холостого хода. В схеме опыта х. х. (рис. 29, а) для плавного регулирования напряжения применен трехфазный регулятор напряжения РНТ. Подводимое к первичной обмотке напряжение (сторона HН) следует изменять от 0,5 U1ном до 1,2 U1ном и приблизительно через одинаковые интервалы тока х. х. снять показания измерительных приборов и занести их в табл. 1.4. При этом измеряют фазные значения напряжений, прикладывая концы соединительных проводов вольтметра к началу и концу каждой фазной обмотки трансформатора рели ток х. х. превышает 5 А, то последовательную катушку ваттметра необходимо включить через трансформатор тока (рис. 30).
Таблица 1.4
Номер измерения и вычисления |
Измерения |
Вычисления |
||||||||||||||
Uа,В |
Ub,В |
Uс,В |
UА0,В |
UВ0,В |
UС0,В |
I0а, А |
I00b А |
I0с, А |
Р0, Вт |
U1, В |
U20, В |
I0, А |
i0,% |
cos φ0 |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора определяют как отношение числа витков обмотки ВН к числу витков обмотки НН, равное отношению напряжений (1.3): k = U20/U1ном.
Если величины коэффициентов трансформации при разных напряжениях U1 неодинаковы, то за коэффициент трансформации следует принять среднее значение:
k= (k1 + k2 + …) / п (1.21)
где п — число измерений при опыте х. х.
При расчете коэффициента трансформации линейных напряжений kл необходимо учесть схему соединения обмоток трансформатора. Например, для схемы YΔ (рис. 29, а):
kл=
=
Рис. 29.Схемы включения трехфазного трансформатора при опытах х.х. (а) и к.з. (б)
Результаты вычислений заносят в табл. 1.4 и строят характеристики холостого хода трансформатора (на общей координатной сетке): i0; Ро; cos φ0 = f (U1).
На этих характеристиках отмечают точки i0ном, Роном и cos φ0noMj соответствующие номинальному напряжению U1ном.
Опыт короткого замыкания. При опыте к. з. (рис. 29, б) в качестве первичной используют обмотку ВН, а обмотку НН замыкаю медными проводами небольшой длины достаточного поперечного сечения, чтобы не создавать во вторичной цепи трансформатора заметного сопротивления.
Перед включением рубильника не обходимо поставить регулятор РНТ на нулевое напряжение. Затем, включить рубильник, медленно повышать напряжение на выходе РНТ и довести ток к. з. I1к до значения I1к = 1,2 I1ном Показания измерительных приборов снятые приблизительно через одинаковые интервалы тока к. з., а также результаты вычислений заносят в табл. 1.5 где выделяют значения величин, соответствующих току к. з I1к = Iном. Если ток к. з. превышает 5А, т последовательную катушку ваттметра следует включить через транс форматор тока (рис. 30).
Таблица 1.5
Номер измерения и вычисления |
измерения |
Вычисления |
|||||||||
UАк, В |
UВк, В |
UСк, В |
IАк, А |
IВк, А |
IСк, А |
Рк Вт |
Uк В |
I1к, А |
ик,% |
cos φк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.5. Включение двухэлементного ваттметра через трансформаторы тока
Теперь выполняют расчеты:
Uк =(UАк +UВк + UСк)/3 (1.22)
I1к = (IАк + IВк +IСк) /3 (1.23.)
cos φк =Рк/(3Iк Uк) (1.25)
По данным таблицы строят характеристики к. з. трансформатора (на общей координатной сетке): ик; Рк; cos φк = f(I1к). На этих характеристиках отмечают точки ик,ном и Рк.Ном, соответствующие току к. з. I1к = I1ном .
Значение Рк.ном и ик.ном необходимо привести к рабочей температуре ө2 = 75°С 1см. (1.6)—(1.10)].
Затем строят внешние характеристики и графики зависимости КПД от нагрузки.
Анализ результатов практической работы. 1. При анализе характеристик х. х. трансформатора следует обратить внимание на их криволинейность, обусловленную магнитным насыщением магнитопровода, наступающим при некотором значении первичного напряжения U1. Ток х. х. и мощность х. х. Роном полученные опытным путем, сравнивают с их значениями по каталогу на исследуемый трансформатор. Значительное превышение опытных значений iоном и Роном над католожными указывает на наличие дефектов в трансформаторе: к. з. между частью пластин в магнитопроводе или межвитковое к. з. в небольшой части витков какой-либо из обмоток.
Если исследованию подвергался трехфазный силовой трансформатор, то необходимо объяснить причину неравенства токов х. х. в его фазных обмотках.
2. При анализе характеристик к. з. следует обратить внимание на прямолинейность графика тока к. з., обусловленную ненасыщенным состоянием магнитопровода при опыте к. з. из-за малой величины основного магнитного потока, величина которого пропорциональна величине подведенного к обмотке напряжения к. з. (в трансформаторах средней и большой мощности ик < 10%).
3. При анализе внешних характеристик трансформатора необходимо сделать вывод о влиянии характера нагрузки на величину изменения вторичного напряжения трансформатора.
4. При анализе зависимости КПД трансформатора от нагрузки следует объяснить форму этих графиков. Опытное значение КПД сравнивают с его значением по каталогу. Необходимо объяснить причину уменьшения КПД трансформатора при уменьшении коэффициента мощности нагрузки.
Контрольные вопросы.
1. Объясните устройство и принцип действия трансформатора.
2. Что такое коэффициент трансформации и как его определить опытным путем?
3. Почему токи х. х. в обмотках трехфазного трансформатора не одинаковы?
4. Почему с увеличением первичного напряжения при опыте х. х. уменьшается коэффициент мощности трансформатора?
5. Почему мощность х. х. принимают за магнитные потери, а мощность к. з. — за электрические потери?
6. Почему при опыте к. з. ток в первичной обмотке достигает номинального значения при напряжении в несколько раз меньшем номинального?
7- Определите, на сколько процентов возрастают магнитные потери в исследованном вами трансформаторе при увеличении первичною напряжения на 10% сверх номинального.
8. Почему с ростом напряжения Uк график I1к = f(UK) прямолинеен, а график Рк = f(UK) — криволинеен?
9. Почему при нагрузке β>β КПД трансформатора уменьшается?
Технологическая карта№15.
Опытное определение групп соединения трехфазного двухобмоточного трансформатора
Цель работы. Экспериментально подтвердить теоретические сведения о группах соединения трансформаторов и приобрести практические навыки по опытному определению групп соединения трехфазных трансформаторов.
Программа работы.
1. Ознакомиться с устройством трансформатора, записать его паспортные данные, а также данные фазометра и вольтметра.
Рис31 . Схемы соединения обмоток трехфазного двухобмоточного трансформатора для опытного определения групп соединения
2. Собрать схему, изображенную на рис.31, а, и экспериментально определить группу соединения трансформатора методами фазометра и вольтметра; таким же образом определить группы соединения при включении трансформаторов по схемам, показанный рис.31, б, в и г.
3. Построить топографические диаграммы линейных напряжений для четырех групп соединения, соответствующих схемам, представленным на рис.31; по ним определить напряжение между точками диаграммы b и В и сравнить его с напряжением UbB между зажимами трансформатора b и В, измеренным вольтметром.
4. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе. Подготовка к работе.
1. Повторить теоретический материал: схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов; влияние схемы соединения на отношение линейных напряжений; группы соединения трансформаторов - основные и производные; группы соединения, предусмотренные ГОСТ.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов лабораторной работы.
Порядок выполнения работы. Определение группы соединения. При опытном определении группы соединения трансформаторов наибольшее применение получили два метода: метод фазометра, основанный на непосредственном измерении угла фазового сдвига между соответствующими линейными напряжениями обмоток ВН и НН; метод вольтметра, основанный на измерении напряжений между выводами обмоток ВН и НН и сравнением этих напряжений с напряжениями, полученными в результате расчетов.
Рис.32. Топографические диаграммы линейных напряжений нулевой (а), шестой (б), одиннадцатой (б) и пятой (г) групп соединения
В данной работе воспользуемся обоими методами — сначала методом фазометра, а затем методом вольтметра.
Собрав схему, показанную на рис.31, а, после проверки ее преподавателем включают трансформатор в сеть и измеряют угол α фазового сдвига между линейными напряжениями UАВ и Uab (метод фазометра). Затем соединяют проводом клеммы А и а (пунктирная линия на рисунке) и вольтметром измеряют напряжения UbB и UсС (метод вольтметра), которые должны быть одинаковыми и равными значению
UbВ = UсС = Uаb(kл - 1) (2.1)
Где
Kл = UАВ/ UbВ (2.2)
табл. 2.1
Схемы соединения обмоток |
измерения |
вычисления |
Топографическая диаграмма |
группа соединения |
|||||
UАВ, В |
Uаb, В |
α, град |
UbВ, В
|
UсС, В |
kл |
UbВ= UсС, В |
|||
Рис. 2.1, а Рис. 2.1, б Рис. 2.1. в Рис. 2.1.г |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.2, а Рис. 2.2, б Рис. 2.2. в Рис. 2.2.г |
|
Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 2.1
Построение топографической диаграммы.
Выбрав масштаб напряжения тu (В/мм), строят топографическую диаграмму линейных напряжений, соответствующих схеме рис.31. а, с учетом измеренного угла α фазового сдвига между векторами линейных напряжений UАВ и UbВ (рис.32 а) . Измерив расстояние между точками диаграммы В –b и С-с, определяют напряжения.
UbВ =Вb · тu ; UсС = Сс · тu (2.3)
где тu — масштаб напряжения, принятый при построении топографической диаграммы, В/мм.
Полученные по (2.3) напряжения должны быть одинаковыми равными измеренным и вычисленным по (2.1) значениям напряжений, что будет свидетельствовать о правильно выполненных измерениях, вычислениях и построениях.
При опытном определении групп соединения, соответствующих схемам рис.31, б, в и г, следует придерживаться изложенного порядка для схемы по рис. 31, а, но при вычислении напряжений UbВ и UcC необходимо пользоваться формулами:
Рис. 2.1, б
UbВ = UсС = Uху(kл+1) (2.4)
Рис. 2.1 в
UbВ = UсС = Uаb
(2.5)
Рис. 2.1. г
UbВ = UсС = Uху
(2.6)
Анализ результатов лабораторной работы. При анализе peзультатов лабораторной работы необходимо иметь в виду следующее
1. Группы соединения трансформаторов определяются не только схемой соединения обмоток ВН и НН, но и маркировкой их выводов (направлением намотки).
2. Исследованные в лабораторной работе четыре группы соединения являются основными и, каждая из них может быть преобразована в две производные группы соединения путем круговой перемаркировки выводов обмоток либо на стороне ВН, либо на стороне НН следует указать, какие производные группы соединения могут быть получены из каждой основной.
3. Необходимо отметить, какие из групп соединения, рассмотренных в данной работе, предусмотрены ГОСТ.
Контрольные вопросы.
1. Чем определяется группа соединения реформатора?
2. Какие группы соединения могут быть получены при одинаковой схеме соединения обмоток ВН и НН?
3. Какие группы соединения называют основными, а какие — производными?
4.Каким образом из основных групп соединения можно получить производные?
5. Перечислите группы соединения, предусмотренные ГОСТ, нарисуйте соответствующие им схемы соединения обмоток и топографические диаграммы.
6. В чем состоит метод фазометра при определении группы соединения трансформатора?
7. С какой целью при определении группы соединения по методу вольтметра соединяют выводы А—а (см. рис. 31, а)?
Технологическая карта№16.
Исследование параллельной работы трехфазных двухобмоточных трансформаторов
Цель работы. Изучение условий включения трансформаторов на параллельную работу и принципа распределения нагрузки между параллельно работающими трансформаторами; приобретение практических навыков по включению трехфазных трансформаторов на параллельную работу.
Программа работы.
1. Ознакомиться с конструкцией трансформаторов, дросселя и нагрузочного устройства; записать паспортные данные трансформаторов и данные измерительных приборов.
2. Собрать схему по рис. 3.1, после проверки ее руководителем произвести фазировку трансформаторов и включить трансформаторы на параллельную работу.
3. Снять данные и построить внешние характеристики трансформаторов U2 = f(I2i); U2 = f (I2II )'; U2 = f(I2) при одинаковых напряжениях к. з. (рубильник 2 замкнут).
4. Изменить напряжение к. з. трансформатора Тр2 путем последовательного включения в его вторичную цепь трехфазного дросселя Др (рубильник 2 разомкнут) и повторить опыт по п. 3.
5. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе.
1. повторить теоретический материал: назначение параллельной работы трансформаторов; условия и порядок включения трансформаторов на параллельную работу; распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов опытов и две координатные сетки для построения внешних характеристик.
Порядок выполнения работы. Проверка условий включения трансформаторов на параллельную работу. Для лучшего использования трансформаторов при их параллельной работе необходимо, чтобы нагрузка между ними распределялась пропорционально их номинальным мощностям. Поэтому включение трансформаторов на параллельную работу допускается лишь при соблюдении следующих условий:
1) трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации, т. е. при одинаковых первичных напряжениях вторичные напряжения трансформаторов должны быть равны;
2) трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединения;
3) трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения к.з.
4) схема соединений при включении трансформаторов должна обеспечивать одинаковый порядок следования фаз как на стороне ВН, так и на стороне НН.
Помимо этого рекомендуется, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов, включенных для параллельной работы, было не более чем 3:1.
Нарушение первого и второго условий вызывает появление больших уравнительных токов между обмотками трансформаторов, ведет к чрезмерному перегреву трансформаторов, т. е. делает их совместную работу невозможной. Что же касается третьего условия неравенство напряжений к. з. трансформаторов более чем на 10% их среднего значения ведет к тому, что распределение нагрузки между трансформаторами становится в значительной степени не пропорциональной их номинальным мощностям.
Равенство коэффициентов трансформации и напряжений к. з обеспечивается подбором трансформаторов по их паспортным данным. Коэффициенты трансформации k1 и k11 не должны различаться более от их среднего значения:
Δk = [(k1 - k11)/k] 100 <± 0,5%
Где k =
- среднее геометрическое значение
коэффициентов трансформации.
Напряжения к. з. икI и икII не должны различаться более чем на ± 10% от их среднего значения:
Δuк = [(uкI – uкII)/ uк] 100 < ± 10%
где ик = (uкII + икп)/2 — среднее арифметическое значение напряжений к. з.
Прежде чем подключить трансформаторы на параллельную работу т. е. включить рубильник 3, при замкнутом рубильнике 1 (рис 3.1) необходимо провести фазировку трансформаторов, т. е. проверку соответствия фаз вторичных ЭДС трансформаторов Tp1 и Тр2. Для этого соединяют проводом одну пару противолежащих клемм рубильника 3 и вольтметром Vo измеряют напряжение между двумя несоединенными, парами противолежащих клемм рубильника 3. Если вторичны напряжения трансформаторов равны, их группы соединения одинаковы и порядок следования фаз у них один и тот же, то показания вольтметра V0 равны нулю. В этом случае рубильник 3 можно замкнуть т.е. включить трансформаторы на параллельную работу. Если же вольтметр Vo показывает некоторое напряжение, то необходимо выяснить, какое из условий параллельной работы нарушено (обычно это нарушение одинакового порядка следования фаз), устранить его и вновь провести фазировку трансформаторов.
Снятие данных и построение внешних характеристик при и uкII = uкI. После включения трансформаторов на параллельную работу подключают нагрузку RH (включают рубильник 4). Нагрузку постепенно увеличивают, пока нагрузочный ток каждого трансформатора не достигнет значения III = 1,2 I2ном. При этом приблизительно через одинаковые интервалы тока нагрузки снимают показания приборов и заносят их в таб. 3.1. Следует снять не менee пяти замеров и одно из них должно соответствовать номинальной нагрузке трансформаторов.
По полученным данным строят внешние характеристики на общей координатной сетке.
Снятие данных и построение внешних характеристик при uкI ≠ uкII.
Рис.33. Схема включения трехфазных двухобмоточных трансформаторов на параллельную работу
После включения трансформаторов на параллельную работу следует разомкнуть рубильник 2, шунтирующий трехфазный дроссель Др. При этом последовательно вторичным обмоткам трансформатора Тр2 оказывается подключенным дроссель, что приводит к увеличению напряжения к. з. uкII этого трансформатора. В результате нарушается равенство напряжений к- з. параллельно работающих трансформаторов. Затем нагружают трансформаторы (замыкают рубильник 4) и увеличивают нагрузку до тех пор, пока ток нагрузки более нагружаемого трансформатора не достигнет значения I2 = 1,2I2ном. Приблизительно через одинаковые интервалы тока нагрузки этого трансформатора снимают не менее пяти показаний приборов и заносят их в табл. 3.1. При этом одно из показаний должно соответствовать номинальному значению нагрузки наиболее нагружаемого трансформатора. По полученным данным строят внешние характеристики трансформаторов (см. п. 3)
Анализ результатов лабораторной работы. При анализе результатов работы основное внимание уделяют вопросу распределения нагрузки между параллельно работающими трансформаторами. Сравнивая данные табл. 3.1 при uкI= uкII и uкI < uкII а также внешние характеристики трансформаторов для этих случаев параллельной работы, следует сделать вывод о влиянии неравенства напряжений к. з. на распределение нагрузки между трансформаторами. Известно, что длительная перегрузка трансформаторов недопустима. Поэтому по результатам лабораторной работы необходимо определить, насколько один из трансформаторов окажется недогруженным при номинальной нагрузке другого трансформатора (при неравенстве напряжений к. з.).
Таблица 3.1
I2I , А |
uкI = uкII |
uкI < uкII |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I2II , А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I2 , А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если менее нагружаемым является трансформатор Тр2, то при номинальной нагрузке трансформатора Tpl его недогрузка (%)
ΔIII = [(I2IIном - I2 II) / I2II ном] 100
где I2IIном — номинальный ток нагрузки Тр2, А; I2II— ток нагрузки Тр2 при номинальной нагрузке Tpl, A.
Контрольные вопросы.
1. С какой целью применяют параллельную работу трансформаторов?
2. Каковы условия включения трансформаторов на параллельную работу?
3. Почему не допускается включение на параллельную pаботу трансформаторов с разными группами соединения, даже при одинаковых вторичных напряжениях?
4. Каковы допуски на различие коэффициентов трансформация и напряжений к. з. для трансформаторов, включаемых на параллельную работу?
5. Что такое фазировка трансформаторов, для чего и как она выполняется?
6. От чего зависит распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами?
Технологическая карта№17.
Исследование однофазного автотрансформатора
Цель работы. Экспериментально подтвердить особые свойства автотрансформатора сравнением его параметров с параметрами трансформатора, полученными при исследовании совмещенной модели.
Программа работы.
1. Ознакомиться с конструкцией совмещенной модели трансформатора и автотрансформатора, записать ее технические данные, а также данные измерительных приборов и регулятора напряжения.
2. Собрать схему понижающего трансформатора по рис. 34, α и после проверки ее руководителем выполнить опыты х. х. и номинальной нагрузки.
3. Собрать схему понижающего автотрансформатора по рис. 34, б и после проверки ее руководителем выполнить опыты х.х. и номинальной нагрузки.
4. Собрать схему повышающего автотрансформатора о рис.34, в и после проверки ее руководителем выполнить опыты х. х. и номинальной нагрузки.
5. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе.
1.Повторить теоретический материал: автотрансформаторы, их устройство, особенности рабочего процесса, достоинства и недостатки по сравнению с обычными двухобмоточными трансформаторами; области применения автотрансформаторов.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов опытов.
Конструкция совмещенной модели трансформатора и автотрансформатора. Совмещенная модель трансформатора и автотрансформатора представляет собой однофазный трехобмоточный трансформатор, состоящий из магнитопровода (стержневого или броневого) , и трех одинаковых электрически не связанных между собой обмоток. Различные комбинации соединения этих обмоток дают возможность исследовать все предлагаемые в данной работе варианты (рис34 ). Опытное исследование всех этих вариантов на одной модели позволяет сравнить результаты экспериментов и дать сравнительную оценку свойствам трансформатора и автотрансформатора (повышающего и понижающего). Обычно мощность исследуемой совмещенной модели невелика (300—500 В • А) и поэтому проста в изготовлении. Небольшая мощность модели способствует упрощению электрических схем исследования (включение ваттметров без трансформаторов тока и напряжения).
Рис34. Схемы соединений для исследования автотрансформатора:
а — понижающий трансформатор;
б — понижающий автотрансформатор;
в — повышающий автотрансформатор
Задавшись размерами магнитопровода, определим число витков одной обмотки совмещенной модели
ω = 0,95U/(4,44fВсSсkс)
где U — напряжение на выводах обмотки, В; f — частота тока. Гц; Вс - магнитная индукция в стержне магнитопровода, Тл; Sс -площадь поперечного сечения стержня, м2; kc — коэффициент заполнения магнитопровода сталью (при толщине листов 0,35 мм kc = 0,90).
В стержне магнитопровода броневого типа из тонколистовой горячекатаной электротехнической стали марок 1211 или 1511 при частоте тока f = 50 Гц магнитная индукция Вс = 1,20 ÷ 1,35 Тл, а в магнитопроводе из холоднокатаной стали марок 3411, 3412 или 3413 индукция Вс =1,50 ÷ 1,65 Тл.
Рис35. Магнитопровод совмещенной модели «трансформатор -автотрансформатор»
Пример. Определить число витков диаметр обмоточного провода обмотки совмещенной модели «трансформатор — автотрансформатор» при следующих данных: напряжение U = 110 В, допустимая величина тока Iдоп = 2,5 А, частота тока f = 50 Гц.
Решение. Выбираем магнитопровод броневого типа Ш40 X 80 из стандартных Ш-образных пластин (рис. 4.2). Площадь поперечного сечения сердечника Sc = 40 ∙ 80∙ 10-6 = 3,2 ∙ 10-3 м2.
Число витков в обмотке (4.1)
ω = 0,95 ∙ 110/(4,44∙50 ∙ 1,25 ∙ 3,2 ∙10-3 ∙0,90) = 130 витков.
По допустимому значению плотности тока j = 2,0 А/мм2, расчетное сечения провода q = 2,5/2,0 = 1,25 мм2, ближайшее стандартное сечение провода q = 1,33 мм2. Тогда принимаем диаметр обмоточного провода марки ПЭТВ d = 1,30 мм и диаметр с учетом толщины изоляции dиз = 1,41 мм. Все три обмотки располагаем на каркасе из картона толщиной 1 мм. При рядовой укладке витков число витков в одном слое
ωсл = (100—2∙1)/ dиз = 98/1,41 = 70 витков,
число слоев в обмотке псл= ω/ωсл= 130/70 ≈ 2 слоя, общее число слоев в трех обмотках Nсл =2∙3=6 слоев.
Межслоевую изоляцию выполняем из лакоткани ЛХ в два слоя толщиной 0,5 мм, во всех обмотках общая толщина межслоевой изоляции 0,5 • 6 = 3,0 мм. Тогда расчетная высота окна намотки Нр = 1 + 3,0 + 1,41∙ 6 = 13 мм, что меньше фактической высоты окна намотки Н = 40 мм (рис. 4.2).
Технологическая карта№18.
Исследование трехфазного синхронного генератора
Цель работы. Изучить устройство синхронного генератора и приобрести практические навыки в сборке схем и снятии характеристик; получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о свойствах синхронного генератора.
Программа работы.
1. Ознакомиться с конструкцией синхронного генератора и приводного двигателя; записать их паспортные данные и данные измерительных приборов.
2. Собрать схему по рис.36 и после проверки ее руководителем произвести пробный пуск генератора, проверить возможность регулирования параметров генератора.
3. Снять данные и построить характеристику х. х. генератора, сравнить эту характеристику с нормальной характеристикой х. х. синхронной машины.
4. снять данные и построить внешние характеристики генератора при активной (соsφ1 = 1) и активно-индуктивной (соsφ1 < 1) видах нагрузки; определить номинальное изменение напряжения генератора при сбросе нагрузки.
5. Снять данные и построить регулировочные характеристики генератора при активной (соsφ1 = 1) и активно-индуктивной (соsφ1 < 1) нагрузках; определить номинальное изменение тока возбуждения.
6. Собрать схему трехфазного к. з. по рис.37 и после проверки ее руководителем снять данные и построить характеристику к. з. генератора; определить величину отношения короткого замыкания генератора.
Рис.36 . Схема включения трехфазного синхронного генератора
7. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе.
1. Повторить теоретический материал: типы синхронных генераторов, их устройство и способы возбуждения; реакции якоря синхронного генератора при активной, индуктивной емкостной и смешанной нагрузках; характеристики холостого хода, короткого замыкания внешние и регулировочные; номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и номинальное изменение тока возбуждения; отношение короткого замыкания синхронного генератора; потери и КПД синхронной машины.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицы для занесения результатов опытов и координатные сетки для построения графиков.
Порядок выполнения работы. Схема соединений. На рис.36 представлена схема соединений синхронного генератора. Для привода генератора применен двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. Свойства этого двигателя позволяют путем изменения тока в обмотке возбуждения ОВ с помощью регулировочного реостата rрг изменять частоту вращения так, чтобы она при любой нагрузке генератора оставалась равной синхронной частоте вращения
Пуск двигателя выполняется следующим образом: поставить рукоятку пускового реостата ПР в положение «Пуск», а движок регулировочного реостата грг в положение, соответствующее минимальному сопротивлению; затем включить рубильник Р1 и рычаг ПР медленно перевести в положение «Работа». Затем движок реостата грг поставить в положение, соответствующее синхронной частоте вращения. После включения цепи возбуждения генератора рубильником Р2 контроль за частотой вращения удобно вести по показанию частотомеpa Hz, показание которого не должно отличаться от номинальной частоты тока в обмотке статора, например 50 Гц.
Для остановки двигателя необходимо разомкнуть рубильник Р1 и поставить рычаг ПР в положение «Пуск».
После сборки схемы (рис.36) и проверки ее руководителем выполняют пробный пуск генератора. Для этого пускают приводной двигатель и, замкнув рубильник Р2, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения генератора Iв, наблюдая за показаниями вольтметра V и частотомера Hz. Затем, увеличивая сопротивление реостата rрг в цепи возбуждения приводного двигателя, устанавливают синхронную частоту вращения. После этого, регулируя величину тока возбуждения генератора Iв, потенциометром Rп устанавливают на выходе генератора номинальное напряжение U1ном.
Характеристика холостого хода. Эта характеристика представляет собой зависимость ЭДС генератора в режиме х-х. Ео от тока возбуждения Iв при номинальной частоте вращения n2 =n1. Характеристику х. х. принято строить в относительных величинах ЭДС Е0 и. тока возбуждения Iв : E0 = f(Iв), где Ео =Е0: U1ном и Iв = Iв/ Iв0ном. За базовые величины при определении относительных значении ЭДС и тока возбуждения принимают соответственно поминальное значение напряжения на выходе генератора U1ном и ток возбуждения Uв0ном, соответствующий ЭДС х. х., равной номинальному напряжению генератора U1ном.
После пуска приводного двигателя и установки номинальной частоты вращения доводят величину тока возбуждения генератора Iв до значения, при котором ЭДС х. х. Е0 = 1,3 U1ном, а затем постепенно уменьшают ток возбуждения до нуля. При этом через приблизительно одинаковые интервалы ЭДС Е0 снимают показания приборов (амперметра А2 и вольтметра V) и заносят их в табл. 11.1,
Таблица 11.1
Намагничивание |
Размагничивание |
||||||||
Номер измерения |
Iв, А |
Е0, В |
I В |
Е0 |
Номер измерения |
Iв, А |
Е0, В |
Iв, |
Е0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показания приборов, снятые при увеличении тока возбуждения (при намагничивании), соответствуют восходящей ветви характеристики х. х., а показания, снятые при уменьшении тока возбуждения (при размагничивании), — нисходящей ветви этой характеристики. За характеристику х. х. принимают среднюю линию, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями. При снятии данных восходящей ветви характеристики х. х. необходимо, чтобы изменение тока возбуждения Iв происходило только в направлении нарастания, при снятии данных нисходящей ветви — только в направлении убывания. Для сравнения характеристики х. х. полученной опытным путем, с нормальной характеристикой х. х. синхронной машины следует обе характеристики строить в одних осях координат.
Ниже приведены данные нормальной характеристики х. х. синхронной машины:
Iв .... 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Ео .... 0,58 1,0 1,21 1,33 1,10 1,46 1,51
Внешняя характеристика — это зависимость напряжения на выходе генератора U1 от тока нагрузки I1 при неизменных частоте вращения (п2 = п1), токе возбуждения Iв =соnst и коэффициенте мощности cosφ1 = const.
Опыт проводят следующим образом. Включают приводной двигатель, устанавливают синхронную частоту вращения п2 = п1 и поддерживают ее неизменной в течение всего опыта. Затем подключают активную нагрузку (включением рубильника РЗ) и регулируют сопротивление нагрузки Rн и величину тока возбуждения таким образом, чтобы при номинальном напряжении (U1 = U1ном ) ток нагрузки генератора был номинальным (11 = I1ном). Потом постепенно разгружают генератор до х. х. (I1 = 0) и получают данные внешней характеристики при активной нагрузке (cosφ1 = 1). После этого опыт повторяют при активно-индуктивной нагрузке (РЗ разомкнут, Р4 замкнут). Показания амперметра А1 и вольтметра V заносят в табл. 11.2 и строят две внешние характеристики генератора в одних осях координат.
Таблица 11.2
-
Номер измерения
cosφ1 = 1
Номер измерения
cosφ1 <1
I1, А
U1, В
I1, А
U1, В
Таблица 11.3
-
Номер измерения
cosφ1 = 1
Номер измерения
cosφ1 <1
I1, А
Iв, А
I1, А
Iв, А
При cosφ1 = 1 и cosφ1 < 1 номинальное изменение напряжения генератора (%) при сбросе нагрузки
ΔUном =
(11.1)
где Uo = E0 — напряжение генератора в режиме х. х., В.
Регулировочная характеристика — это зависимость тока возбуждения генератора Iв от тока нагрузки I1 ПРИ неизменных частоте вращении п2 = п1 и напряжении U1 = U1ном
Генератор постепенно нагружают на активную нагрузку (РЗ замкнут) и регулируют ток возбуждения Iв таким образом, чтобы напряжение на выходе генератора в течение всего опыта оставалось неизменным и равным номинальному. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока нагрузки (амперметр А1) измеряют ток возбуждения генератора (амперметр А2). Показания приборов занося в табл. 11.3. Опыт повторяют при активно-индуктиивной нагрузке (РЗ отключен, Р4 включен).
По регулировочным характеристикам определяют номинальное изменение тока возбуждения (%)
ΔIв.ном. =
(11.2)
где Iв.ном и Iв0ном — значения токов возбуждения, соответствующие номинальному напряжению генератора U1ном при номинальной грузке и в режиме х. х. соответственно, А.
Характеристика короткого замыкания — зависимость тока статора при опыте к. з. I1к и от тока возбуждения Iв при неизменной частоте вращения п2 — п1 Характеристику к. з. принято строить в относительных единицах: I1к = f(Iв), где I1к/I1ном, а Iв = Iв/Iвном.
Собирают схему опыта трехфазного к з. синхронного генератора (рис 37) и после проверки ее руководителем включают приводной двигатель при отключенном возбуждения генератора (Р2 разомкнут). Установив номинальную частоту вращения (п2 = п1) и поддерживая ее в течение всего опыта неизменной, включают рубильник Р2 и потенциометром Rп постепенно увеличивают ток возбуждения генератора до значения, при котором ток к. з. I1к = 1,2 I1ном. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока I1к (амперметр А1) измеряют ток возбуждения Iв (амперметр А2). Одно измерение должно соответствовать току I1к = I1ном . Показания приборов заносят в таблицу;
Рис. 11.2. Схема включения трехфазного синхронного генератора при опыте трехфазного к. з.
I1к, А |
|
|
|
|
|
|
Iв, А |
|
|
|
|
|
|
I1к |
|
|
|
|
|
|
Iв |
|
|
|
|
|
|
Затем показания приборов пересчитывают на относительные значения и строят характеристику к. з.
Отношение короткого замыкания
ОКЗ = Iв о ном /Iв.к.ном (11.3)
Где Iв.к.ном — ток возбуждения генератора при опыте к. з., соответствующий номинальному току статора (I1к = I1ном), А.
Для явнополюсных синхронных машин ОКЗ = 0,9 ÷ 1,9.
Анализ результатов лабораторной работы. Анализируя результаты лабораторной работы, дают, заключение о соответствии характеристик генератора, полученных опытным путем, типовым характеристикам, приведенным в учебнике. При этом объясняют физические процессы, обуславливающие форму того или иного графика. Например, объясняют, почему характеристика х. х. имеет криволинейный вид, а ее ветви при намагничивании и размагничивании не совпадают. При сравнении опытной характеристики х. х. с нормальной следует дать количественную оценку расхождению этих характеристик, рассчитав наибольшую величину этого расхождения (%):
Е0 наиб = (Е0 оп – Е0 нор) 100, (11.4)
где Е0 оп и Е0 нор — относительные значения напряжений х. х., взятых по опытной и нормальной характеристикам х. х. соответственно при токе возбуждения Iв, соответствующем наибольшему расхождению этих характеристик.
При анализе внешних и регулировочных характеристик генератора следует объяснить причины, вызвавшие их расхождение при активной и активно-реактивной видах нагрузки. Анализируя свойства генератора, целесообразно воспользоваться понятиями номинального изменения напряжения при сбросе нагрузки (11.1) и номинального изменения тока возбуждения (11.2).
Анализируя результат опыта к. з., необходимо объяснить прямолинейный вид характеристики к. з.
Контрольные вопросы.
1. Какова конструкция синхронных машин с явнополюсным и неявнополюсным роторами?
2. Какие способы возбуждения применяются в синхронных генераторах?
3. Можно ли регулировать напряжение синхронного генератора изменением частоты вращения ротора?
4. Почему характеристики х. х. синхронного генератора при намагничивании и размагничивании не совпадают?
5. Почему внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора, снятые при разных видах нагрузки, не совпадают?
6. Чем объясняется прямолинейный вид характеристики к. з. синхронного генератора?
7. Что такое отношение короткого замыкания синхронного генератора и как влияет его величина на свойства генератора?
Технологическая карта№19.
Исследование способов пуска трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
Цель работы. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о пусковых свойствах трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, а также приобрести практические навыки в сборке схем и пуске этих двигателей.
Программа работы.
1. Ознакомиться с конструкцией двигателя, факторов и переключающих устройств; записать их паспортные данные, а также данные измерительных приборов.
2. Собрать схему по рис38 и после проверки ее руководителем осуществить пуск двигателя прямым включением в сеть.
3. Используя схему по рис.38, осуществить пуск двигателя с переключением обмотки статора со звезды на треугольник.
4. Собрать схему по рис.39 и после проверки ее руководителем выполнить реакторный пуск двигателя.
5. Собрать схему по рис.40 и после проверки ее руководителем снять данные и построить график зависимости пускового момента двигателя от напряжения питания.
6. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе. Повторить теоретический материал; пусковые свойства трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором; способы пуска при пониженном напряжении; влияние напряжения питания на величины пускового тока и пускового момента.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицы для занесения результатов лабораторной и координатную сетку для построения графика.
Рис.38 Схема включения трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при пуске переключением обмотки статора со звезды на треугольник
Порядок выполнения работы. Общие указания. Для получения объективных результатов лабораторной работы пригодных для сравнения различных методов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, необходимо эксперименты выполнять на одном и же двигателе с включением в цепь обмотки статора одного и того же амперметра. Применение разных двигателей и амперметров, даже одного и того же типа, внесет погрешность в эксперимент, результаты которого будут фиксировать не только особенности метода пуска двигателя, но и специфических свойства различных экземпляров двигателей и измерительных механизмов амперметров. Применяемый в лабораторной работе двигатель должен нормально работать при соединении обмотки статора в треугольник
Рис. 39. Схема включения трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором при реакторном пуске
Рис40. Схема включения трехфазного асинхронного двигателя для опытного получения данных зависимости пускового момента Мп от напряжения сети U1
Пуск двигателя непосредственным включением в сеть. Этот метод пуска отличается простотой, однако в момент подключения двигателя к сети в цепи статора возникает значительный пусковой ток, в пять — семь раз превышающий номинальный ток двигателя.
После сборки схемы по рис.38 и проверки ее руководителем следует поставить переключатель 2 в положение «треугольник» и включить рубильник Р1. В момент включения стрелка амперметра отклонится, показывая величину начального пускового тока Iп; это показание заносят в табл. 7.1. Пуск двигателя повторяют три раза, затем определяют среднее значение начального пускового тока (А)
Iп·ср=(Iп1+Iп2+Iп3)/3 (7.1)
Перед каждым пуском двигателя необходимо убедиться в полной остановке ротора. Далее следует определить кратность пускового тока Iпср/I1ном, где I1ном - номинальный ток двигателя, А.
Таблица 7.1
Номер пуска |
Iп, А |
Iп·ср, А |
U1, В |
Iпср/I1ном, |
Мп, Н·м |
Мп/Мном |
1 2 3 |
|
|
|
|
|
|
Пуск двигателя переключением обмотки статора со звезды на треугольник. Схема соединений остается прежней (рис.38). Пуск производят в следующем порядке. Поставив переключатель 2 в нейтральное положение, замыкают рубильник Р1; затем переключатель переводят в положение «звезда» и фиксируют величины начального пускового тока Iп и пускового напряжения Uп. После разгона ротора переключатель быстро переводят в положение «треугольник». При этом обращают внимание на то, что «бросок» тока при переключении обмотки статора со звезды на треугольник намного меньше начального пускового тока. Пуск включением обмотки на звезду следует повторить три раза и определить среднее значение начального пускового тока (7.1) и его кратность Iпср/I1ном,. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 7.2.
Реакторный пуск двигателя. При реакторном пуске Двигателя напряжение понижается за счет падения напряжения на индуктивном сопротивлении реакторов хР. При этом напряжение вводах обмотки статора (В)
Uп=U1-iIпхр (7.2)
Таблица 7.2
Метод пуска |
Измерения |
Вычисления |
||||||
Iп, А |
Uп, В |
Iп,ср, А |
Iп,ср |
Uп |
Мп, Н·м |
Iп,ср |
Мп, |
|
|
|
|
Iном |
Uном |
|
Iп |
Мп, |
|
Переключением обмотки статора со Y на ∆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Реакторный |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пуск двигателя выполняется следующим образом: при разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник Р1 и на двигатель подается пониженное напряжение Un (7.2), при этом фиксируют показания амперметра и вольтметра; после разгона ротора включают рубильник 2 и двигатель оказывается под полным напряжением сети. Пуск при разомкнутом рубильнике 2 повторяют три раза, каждый раз при подвижном роторе. Значения начального пускового тока Iп и пускового (пониженного) напряжения на фазной обмотке статора Uп заносятся в табл. 7.2, а затем определяют среднее значение пускового тока Iп.ср
Зависимость пускового момента от напряжения. Собирают схему по рис.40 и после проверки ee руководителем устанавливают на выходе РНТ минимальное напряжения вставляют в специальное отверстие диска электромагнитного тормоза (моментомера) ЭМТ шпильку, зацепляющую диск с полюсом электромагнита. После этого включают рубильник Р1 и плавно повышают напряжение на обмотке статораU1к до значения, при котором в обмотке статора достигнет значения I1к = (2,5÷ 3,0) I1ном
При этом через приблизительно одинаковые интервалы пускового момента М.п снимают не менее пяти показаний вольтметра и моментомера ЭМТ и заносят их в таблицу:
Номер измерения |
|
|
|
|
|
|
U1к, В |
|
|
|
|
|
|
Мп, Н.м |
|
|
|
|
|
|
Измерения при токе IlK> I1ном следует проводить по возможности быстрее, не допуская чрезмерного перегрева двигателя.
По полученным данным на координатную сетку наносят точки и по лекалу через эти точки проводят плавную кривую, продолжив ее за пределы экспериментально полученных точек, т. е. экстраполируют график на участке АВ (рис.41) до номинального (фазного) напряжения U1ном.
Из теории известно, что пусковой момент асинхронного двигателя опционален квадрату фазного напряжения: Мп = U21. Используя это положение, вычисляют величину пускового момента Мп.ном, соответствующую номинальному напряжению на обмотке статора.
Мп·ном = Мпа(U1пом/U1А)2, (7.3)
где U1А – напряжение, соответствующее пусковому моменту МпА, т. е. наибольшему значению момента, полученному экспериментально.
Рис.41. График зависимости пускового момента ансихронного двигателя от напряжения сети.
Рассчитанное по (7.3) значение момента должно быть равно или мало отличаться от значения момента Мпв, т. е. момента, полученного экстраполяцией графика Мп = f(U1), что будет свидетельствовать о правильно выполненной экстраполяции.
Этот график используют для определения пусковых моментов при различных методах пуска двигателя: при пуске двигателя непосредственным включением в сеть — момент Мп, соответствующий номинальному фазному напряжению на обмотке статора U1ном; при методах пуска двигателя при пониженном напряжении сети Uп (переключением обмотки статора со звезды на треугольник и с включением реакторов в цепь статора) — момент Мп.
Затем для каждого метода пуска определяют кратность пускового момента Мп/М2ном, где
М2ном=9,55Р2ном/п2ном (7.4)
-номинальное значение момента на валу двигателя, Н·м; Р2ном — номинальная мощность двигателя, Вт; п 2Н0М — номинальная частота вращения, об/мин.
Полученные значения величин пускового момента и его кратности для метода пуска двигателя непосредственным включением в сеть заносят в табл. 7.1, а для методов пуска при пониженном напряжении в табл. 7.2.
Анализ результатов лабораторной работы. Анализируя результаты лабораторной работы, необходимо дать сравнительную оценку пусковым свойствам асинхронного двигателя при различных методах пуска рассмотренных в данной лабораторной работе. При этом следует иметь в виду основные пусковые параметры двигателя — начальный пусковой ток и пусковой момент, полученные в результате экспериментов. При сравнении удобно воспользоваться отношениями Iп.ср/ Iп.ср и Мп/Мп, где Iп.ср и Мп - начальные значения пускового тока и пускового момента при пуске двигателя непосредствен включением в сеть. Вполне очевидно, что для метода пуска непосредственным включением двигателя в сеть эти отношения равны единицы, а для специальных методов пуска они меньше единицы.
При выводах о достоинствах и недостатках методов пуска необходимо учитывать еще и такие показатели, как сложность пусковой операции и ее экономичность, имея в виду стоимость дополнитесь устройств.
Контрольные вопросы.
1. Какие показатели определяют пусковые свойства асинхронных двигателей?
2. Каковы достоинства и недостатки метода пуска асинхронных двигателей непосредственным включением в сеть?
3. На чем основаны методы уменьшения пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором? Перечислите эти методы.
4. Каков общий недостаток методов пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении?
5. На сколько уменьшается пусковой ток асинхронного двигателя при его пуске методом переключения обмотки статора со звезды треугольник? Как при этом изменяется пусковой момент?
6. Какова зависимость пускового момента асинхронного двигателя от напряжения, подводимого к обмотке статора?
Технологическая карта№20.
Исследование схемы управления трехфазным асинхронным электродвигателем с фазным ротором
Цель работы. Практически изучить схему автоматического управления пуска и динамического торможения трехфазного асинхронного электродвигателя с фазным ротором и приобрести навыки в сборке и регулировке этой схемы.
Программа работы.
1. Ознакомиться с установкой, записать паспортные данные электродвигателя и данные релейно-контакторных устройств.
2. Собрать схему по рис42. и после проверки ее руководителем установить требуемое время замедления при срабатывании реле времени РУ1, РУ2, РУЗ и РДТ.
3. Произвести пуск установки и измерить параметры, характеризующие пуск и остановку электродвигателя.
4. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
Подготовка к работе. 1. Повторить теоретический материал принципы релейно-контакторного управления электроприводами переменного тока; схемы управления трехфазными асинхронными электродвигателями с фазным ротором; управление пуском и торможением асинхронного электродвигателя с фазным ротором в функции времени; схемы включения пусковых сопротивлений; мероприятий снижающие опасность заземления в цепях управления.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов измерений.
Порядок проведения работы. Схема автоматического управления. Предлагаемая для исследования схема автоматического управления (рис42) обеспечивает автоматическое нереверсивное управление пуском и динамического торможения трехфазным асинхронным электродвигателем в функции времени. Силовая часть схемы включает в себя электродвигатель и три пусковых сопротивления (по одному на фазу ротора), соединенные звездой. Каждое из этих сопротивлений состоит из трех элементов: г1 г2 и г3.
Напряжение из сети подводится через рубильник Р1, а подключение обмотки статора к сети происходит через силовые контакты линейного контактора Л. В один из линейных проводов включен амперметр А1 для контроля за значением пускового тока.
Переключение ступеней пускового сопротивления осуществляется замыкающими контактами контакторов ускорения У1, У2 и УЗ. Для осуществления динамического торможения электродвигателя в силовой части схемы имеется электрическая цепь для подключения обмотки статора к источнику постоянного тока через сопротивление гд.т. Подключение этой цепи к сети постоянного тока выполняется через рубильник Р2 и замыкающие контакты контактора торможения Т. Для контроля за величиной тока в цепи динамического торможения в указанной цепи имеется амперметр А2. Управляющая часть схемы электрически не связана с силовой частью и получает питание из сети постоянного тока через рубильник Р3. Возможно питание управляющей части схемы и переменным током. Но при этом желательно, чтобы питание осуществлялось через понизительный трансформатор при напряжении не более 127 В. Управляющая часть схемы состоит из нескольких контакторов и реле выполняющих управление пуском и торможением электродвигателя по заданной программе. Программа пуска (число ступеней пуска и время включения на каждой из них) определяется тремя реле времени и установками на продолжительность замедления при срабатывании.
Рис. 42. Схема нереверсивного управления пуском трехфазного асинхронного электродвигателя с фазным ротором в функции времени с динамическим торможением
Управление динамическим торможением электродвигателя осуществляется контактором торможения Т и реле времени РДТ, на к тором задается продолжительность динамического торможения.
Схема работает следующим образом. Предварительно необходим включить рубильник Р1, Р2 и РЗ. Рубильник Р4 должен быть разомкнут. При кратковременном нажатии кнопки «Пуск» замыкается цепь обмотки линейного контактора Л и его блок-контакты шунтирую кнопку «Пуск», предотвращая размыкание этой цепи при отпущенной кнопке. Одновременно замыкаются силовые контакты Л, подключающие к сети обмотку статора электродвигателя М. При этом начинается пуск электродвигателя на первой ступени пускового сопротивления r1 + г2 + гз. Контакты 21—23 линейного контактора Л размыкаются что предотвращает случайное включение контактораТ, а контакты 7—2 замыкаются, подключив катушку ускоряющего реле РУ1. которое с установленным замедлением срабатывает и своими контактами 9—7 замыкает цепь катушки контактора У1. При срабатывании этого контактора замыкаются контакты У1, шунтирующие элементы г, пускового сопротивления. При этом процесс пуска электродвигателя М переходит на следующую ступень г, + г2. Срабатывание контактора У1 сопровождается также замыканием контактов 11—7, включающих реле времени РУ2. С заданной выдержкой времени это реле закроет свои контакты 13—7 в цепи обмотки контактора У2, который своими контактами зашунтирует элементы г2 пускового сопротивления. В итоге электродвигатель перейдет на третью ступень пуска г1. И наконец, контакты 15—7 включат реле времени РУЗ, которое с установленной выдержкой времени сработает и своими контактами 17—7 включит контактор УЗ. При этом пусковое сопротивление в цепи ротора окажется полностью зашунтированным, и обмотка ротора электродвигателя будет замкнута накоротко. На этом процесс пуска электродвигателя заканчивается, и он начинает работать в режиме своей естественной механической характеристики.
Остановка электродвигателя осуществляется кратковременным нажатием кнопки «Стоп», что приводит к отключению линейного контактора Л. В результате размыкаются силовые контакты Л, отключающие обмотку статора электродвигателя от сети, и контакты 7 -2 отключающие все группу реле и контакторов, управляющих контактами в цепи пускового сопротивления. Это приводит к размыканию всех контактов контакторов У1, У2 и УЗ и подготавливает электродвигатель к следующему пуску.
Одновременно нажатие кнопки «Стоп» и отключение линейного контактора Л приводит к включению контактора торможения Т, который своими блок-контактами шунтирует контакты кнопки контактами 27—2 включает реле РДТ и силовыми контактами под подключает к сети постоянного тока цепь динамического торможения с противлением гд.т. В результате начинается динамическое торможение электродвигателя М. Но по истечении некоторого времени, определяемого установкой замедления срабатывания на реле РДТ, это реле сработает и своими размыкающими контактами 23—25 разомкнет цепь контактора торможения Т. Это приведет к отключению цепи динамического торможения, отключению реле РДТ и размыкано блок-контактов, шунтирующих кнопку «Стоп».
Рис.43. Схема включения электросекундомера для проверки времени замедления при срабатывании реле динамического торможения РДТ
Наличие нормально замкнутой кнопки «Пуск» в цепи контактора Т исключает довременное срабатывание контакторов и Л при нажатии кнопки «Пуск», что привело бы к возникновению аварийного режима электродвигателя М.
В схеме применена блокировка, исключающая «самопуск» электродвигателя при случайном исчезновении и возникновений напряжения на обмотке статора электродвигателя. Эта блокировка обеспечивается контактором блокировки Б, обмотка которого подключена к двум линейным проводам трехфазной сети, питающей цепь статора электродвигателя. Замыкающие контакты этого контактора включены в цепь питания управляющего участка схемы. Таким образом, при случайном исчезновении напряжения в трехфазной сети, питающей элекктродвигатель, контактор Б своими контактами отключает цепь управления, что приводит к отключению всех реле и контакторов; при появлении напряжения в трехфазной сети процесс пуска приходится начинать вновь включением кнопки «Пуск».
Настройка времени срабатывания реле времени. Настройку времени замедления при срабатывании к времени РУ1, РУ2 и РУЗ выполняют с помощью электросекундомepa ЭС по схеме, показанной на рис.43. Настройку времени задания реле динамического торможения РДТ проводят по схеме, данной на рис.43, где размыкающие контакты этого реле включены последовательно в цепь электросекундомера ЭС и при срабатывании РДТ цепь ЭС размыкается.
Пуск и остановка электродвигателя. Для пуска электродвигателя следует включить рубильники PI, P2 и РЗ рубильник Р4 разомкнут) и кратковременно нажать кнопку «Пуск». Для остановки электродвигателя необходимо нажать кнопку «Стоп». Пуск электродвигателя повторить три раза, наблюдая за бросками пускового тока в цепи статора и временем включения цепи ротора каждой ступени пуска.
Эффективность динамического торможения проверяют сравнением продолжительности времени вращения ротора по инерции при разомкнутом рубильнике Р2 с продолжительностью при замкнутом рубильнике Р2. Измерение времени торможения начинают с момента нажатия на кнопку «Стоп» до момента полной остановки ротора.
Все параметры, характеризующие пуск и остановку электродвигателя, заносят в табл. 33.1, затем определяют средние значения параметров как сумму трех измерений, деленную на три.
В выводах о проделанной работе следует изложить свойства исследованной схемы управления, а также указать средние параметры, характеризующие процессы пуска и остановки электродвигателя.
Таблица 33.1
Номера замеров
|
Пуск |
Остановка |
||||
Время пуска, G
|
Пусковой ток (А) для трех ступеней
|
Время выбега, с |
||||
без торможения |
в режиме динамического торможения |
|||||
первой |
второй |
третьей |
|
|
||
I |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
Средние значения |
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы.
1. Изложите последовательность срабатывания контакторов и реле при нажатии на кнопку «Пуск».
2. Будет ли работать схема управления, если кнопку «Пуск» не шунтировать контактами Л?
3. Каково назначение контактов линейного контактора Л в цепи контактора торможения 21—23?
4. Объясните назначение контактора Б и рубильника Р4.
5. Какие изменения необходимо внести в схему управления для того, чтобы пуск электродвигателя происходил на четырех ступенях.
Технологическая карта№21.
Исследование схемы управлений электродвигателем постоянного тока
Цель работы. Практически изучить схему автоматического управления электродвигателем постоянного тока параллельного возбуждения и приобрести навыки в сборке и регулировке этой схемы.
Программа работы.
1. Ознакомиться с лабораторной установкой, записать паспортные данные электродвигателя и данные релейно-контакторных аппаратов.
2. Собрать схему управления по рис.44 и после проверки ее преподавателем настроить время срабатывания реле ускорения РУ1 и РУ2
3. Произвести пуск установки и измерить параметры, характеризующие пуск и остановку электродвигателя.
4. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе. Подготовка к работе. 1. Поварить теоретический материал: принципы релейно-контакторного управления электроприводами постоянного тока; схемы управления электродвигателями постоянного тока; способы управления пуском электродвигателей постоянного тока — в функциях скорости, тока и времени; схемы управления реверсивные и нереверсивные; управление торможением электродвигателей постоянного тока.
2. Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов измерений.
Порядок проведения работы. Схема автоматического управления. Рассматриваемая схема (рис.44) обеспечивает автоматическое нереверсивное управление пуском электродвигателя постоянного тока двумя ступенями в функции времени и его динамическое торможение к отключении. Схема состоит из двух электрически не соединенных частей: силовой и управляющей.
Силовая часть схемы включает в себя электродвигатель (цепь якоря цепь возбуждения), пусковое сопротивление с двумя элементами (r1 –r2), сопротивление динамического торможения rд.т и контакты, осуществляющие включение всей силовой части и ее элементов.
Управляющая часть схемы состоит из реле и контакторов, осуществляющих управление электродвигателем при его пуске и отключении по определенной программе. Процесс пуска электродвигателя в функции времени осуществляется с помощью реле времени — реле ускорения — РУ1 и РУ2, устанавливаемых на замедление при срабатывании.
Рис.44. Схема нереверсивного управления пуском электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения в функции времени с динамическим торможением
Силовая и управляющая части схемы имеют раздельное питание, что позволяет настраивать управляющую часть схемы без включения в сеть электродвигателя. Силовая часть схемы подключается к сети рубильником Р1, а управляющая часть — рубильником Р2.
Работает схема следующим образом. При кратковременном нажатии кнопки «Пуск» замыкается цепь катушки линейного контактов Л, при срабатывании которого замыкаются блок-контакты 3-5 размыкается контакт Л в цепи сопротивления rд.т, замыкается контакт 7—2, включающий реле ускорения РУ1 и замыкается силовой контакт Л, замыкающий цепь якоря электродвигателя М. При это начинается пуск электродвигателя при полном пусковом сопротивлении r1 + г2 (первая ступень пуска). Реле ускорения РУ1 срабатывает с установленным временем замедления и своим контактом 9-7 замыкает цепь катушки контактора ускорения У1, при срабатывании которого замыкаются контакты У1, шунтирующие элемент пускового сопротивления r1. В итоге электродвигатель переходит на вторую ступень пуска с пусковым сопротивлением г2 и якорь электродвигателя получает дальнейшее ускорение. Одновременно замыкаются контакты 11—7, подключающие обмотку реле ускорения РУ2, которое срабатывает с заданным временем замедления и своим контактом 13—7 включает обмотку контактора ускорения У2. Срабатывание этого контактора приводит к замыканию его контактов У2, шунтирующих элемент пускового сопротивления г2, и электродвигатель оказывается включенным на номинальное напряжение сети. На этом процесс пуска заканчивается.
Для отключения электродвигателя следует кратковременно нажать кнопку «Стоп». При этом разомкнётся цепь обмотки линейного контактора Л, который своими контактами отключит цепь якоря электродвигателя от сети и цепи обмоток всех ускоряющих реле и контакторов. Следовательно, разомкнутся контакты У1 и У2, шунтирующие элементы пускового сопротивления г1 - г2, чем подготовят силовую часть схемы для следующего пуска электродвигателя. Одновременно замкнутся контакты Л в цепи сопротивления rд.т и электродвигатель перейдет в режим динамического торможения, при котором кинетическая энергия вращающихся по инерции масс электропривода будет преобразовываться в теплоту и выделяться на сопротивлении гд,т.
При сборке схемы сначала собирают силовую часть с последовательным соединением пускового сопротивления г1- г2, амперметра А, цепи якоря электродвигателя М и силовых контактов Л. Затем к этой цепи присоединяют параллельные ветви: обмотку возбуждения ОВ, сопротивление гд.т с размыкающими контактами и контакты У1 и У2, шунтирующие элементы пускового сопротивления. Амперметр в цепи обмотки якоря должен иметь двустороннюю шкалу.
Затем переходят к сборке управляющей части схемы, поочередно собирая цепи катушек контакторов и реле.
Настройка ускоряющих реле. Настройку времени замедления при срабатывании реле ускорения РУ1 и РУ2 выполняют по заданному преподавателем времени замедления для каждого из этих реле. Для проверки установленного времени замедления можно воспользоваться секундомером часового типа, хотя более точные результаты дает применение электросекундомера. В этом случае реле ускорения РУ и электросекундомер ЭС включают по схеме, Изображенной на рис.45. При нажатии сдвоенной кнопки «Пуск» одновременно включаются реле РУ и электросекундомер ЭС, который сразу же начинает отсчет времени. При срабатывании РУ его замыкающие контакты шунтируют обмотку электросекундомера ЭС, который оказывается отключенным. На шкале ЭС будет указано время замедления при срабатывании РУ. Для более точной настройки реле времени опыт повторяют сколько раз.
Рис.45. Схема включения электросекундомера для проверки времени замедления при срабатывании реле ускорения РУ
Пуск и остановка электродвигателя. После замыкания рубильников Р1 и Р2 (см. рис.44), нажатия кнопки «Пуск» начинается процесс пуска электродвигателя в соответствии с заложенной в схеме управления программой. Пуск повторяют три раза, наблюдая за бросками пускового тока на каждой ступени пуска. Время пусковой операции измеряется секундомером, начиная с момента нажатия кнопки «Пуск» и кончая моментом уменьшения тока якоря до установившегося значения.
Для проверки эффективности динамического торможения следует сначала отключить электродвигатель при разомкнутой цепи сопротивления rд.т и секундомером измерить время от момента нажатия кнопки «Стоп» до полной остановки якоря (время выбега), а затем замкнуть цепь сопротивления rд.т и опыт повторить.
Все параметры, характеризующие пуск и остановку электродвигателя, измеряют три раза и показания приборов заносят в табл. 32.1. Затем определяют средние значения этих параметров как сумму трех измерений, деленную на три.
В выводах о результатах проделанной работы следует изложить свойства исследованной схемы автоматического управления электродвигателем постоянного тока и указать средние значения параметров, полученных опытным путем.
Контрольные вопросы.
1. В функции каких параметров возможен автоматический пуск электродвигателей постоянного тока?
2. В какой последовательности происходит срабатывание контакторов и реле в рассматриваемой схеме управления?
3. Как влияет изменение времени замедления при срабатывании реле ускорения на броски пускового тока в цепи якоря электродвигателя постоянного тока?
4. Зависит ли продолжительность пусковой операции в рассматриваемой схеме от нагрузки на вал электродвигателя?
5. Какой способ электрического торможения применен в рассматриваемой схеме управления электродвигателем постоянного тока?
6. Будет ли работать схема управления, если кнопку «Пуск» не шунтировать блок-контактами контактора Л?
7. Какие дополнения необходимо внести в рассматриваемую схему управления электродвигателем, чтобы его пуск происходил тремя ступенями?
Таблица 32.1
Номера замеров |
Пуск |
Остановка |
|||
Время пуска, с |
Пусковой ток (А) для двух ступеней |
Время выбега (с) |
|||
первой |
второй |
без торможения |
в режиме динамического торможения |
||
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
Средние значения |
|
|
|
|
|