Программа работы.

1. Изучить схему замещения ЛЭП на стенде и подключить нагрузку. Снять показания приборов в режиме работы линии без компенсации. Данные занести в таблицу 2.

2. Подключить батарею конденсаторов

3. Установить номинальное напряжение U2н = 42B.

4. Изменяя емкость батареи конденсаторов С1 от 0 до 16 мкФ, снять показания приборов в режиме компенсации реактивной мощности. Данные занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Зависимость тока и напряжения от параметров сети

С,мкФ	Измерить			Рассчитать
	U,В	U, В	I, А	, о	Cos	Р,Вт	Р,Вт	η
0
12

5. Построить график Cos=f().

6. Пользуясь данными таблицы и данными тт. 4.1 и 4.2, рассчитать кпд линии. Построить график η= f(Cos).

7. Оформить отчет. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент мощности?

2. Перечислите причины снижения коэффициента мощности?

3. Способы повышения коэффициента мощности?

4. Какой способ повышения коэффициента мощности применяли в данной работе?

5. Как включить конденсаторы для повышения коэффициента мощности?

6. Объяснить схему и векторные диаграммы, приведенные на рис.2.

Лабораторная работа 5

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Цель работы — изучить устройство, принцип действия и схемы включения люминесцентных ламп в сеть.

Люминесцентная лампа это газоразрядный источник света низкого давления, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения электрического разряда. Световая отдача до 85 лм/Вт, срок службы более 10 тыс.ч. Применяются главным образом для общего и местного освещения.

Принцип действия люминесцентных ламп состоит в использовании электролюминесценции (свечения паров металлов и газов при прохождении через них электрического тока) и фотолюминесценции (свечение вещества люминофора при его облучении другим, например, невидимым УФ излучением). В люминесцентной лампе электрический разряд происходит при низком давлении инертных газов; электролюминесценция характеризуется очень слабым видимым и сильным УФ излучением. Световой поток лампы создаётся главным образом за счёт фотолюминесценции – преобразования УФ излучения в видимый свет слоем люминофора, покрывающим изнутри стенки трубчатой стеклянной колбы. Таким образом, лампа является своеобразным трансформатором невидимого излучения в видимый свет. Энергоэкономичность - это основное преимущество люминесцентных ламп. Их световая отдача, в зависимости от цветности, качества цветопередачи, мощности и типа ПРА находится в пределах от 50 до 90 лм/Вт. Наименее экономичны лампы небольшой мощности и высоким качеством цветопередачи.

Люминесцентная лампа представляет собой запаянную цилиндрическую стеклянную колбу в форме трубки 2, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора 4 — вещества, способного светиться под действием ультрафиолетовых излучений (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Устройство люминесцентной лампы

У концов колбы расположены спиральные вольфрамовые электроды 1, выводы от которых припаяны к штырькам 3. Лампа заполнена аргоном и содержит несколько капель ртути. Инертный газ аргон является проводником тока в лампе, а ртуть, испаряясь при нагревании, выделяет энергию в виде ультрафиолетового излучения

При включении люминесцентной лампы в сеть электрический ток нагревает ее электроды до температуры 800...900° С Вследствие возникновения явления термоэлектронной эмиссии из электродов начинают вылетать электроны, образующие около каждого электрода электронные облачка. Находящаяся внутри лампы ртуть является источником паров ртути. Затем к электродам прикладывается импульс повышенного напряжения, возникает электрический пробой внутреннего пространства, ток начинает протекать между электродами, лампа зажигается. В результате прохождения тока через пары ртути выделяется ультрафиолетовое излучение, которое, действуя на люминофор, заставляет ело светиться дневным светом. Спектр излучения лампы зависит от химического состава люминофора.

В зависимости от цветности и назначения люминесцентные лампы отечественного производства имеют соответствующую маркировку, например: ЛД — дневного света, ЛБ — белого света, ЛТБ — тепло-белого света, ЛДЦ — улучшенной цветопередачи, ЛФ — с высокой фотосинтетической эффективностью. Цифры в маркировке лампы, например ЛТБ-80, означают потребляемую мощность в ваттах.

В схему включения люминесцентных ламп входят стартер (SK) и дроссель LL (рис. 5.2). Стартер представляет собой стеклянную колбочку с впаянными внутрь электродами, которая заключена в металлический экран. Внутреннее пространство колбочки заполнено инертным газом – неоном. Один из электродов стартера выполнен в виде биметаллической пластины.

Рис.5.2. Схема включения люминесцентной лампы

Стартер включается последовательно с электродами люминисцентной лампы и обеспечивает ее зажигание. При включении лампы EL в сеть в первый момент между электродами стартера возникает тлеющий разряд который нагревает биметаллический электрод стартера. Этот электрод, изгибаясь, соединяет между собой электроды лампы, по ним начинает протекать ток сети и нагревать их. В результате соприкосновения электродов стартера исчезает тлеющий разряд, подогревающий их, биметаллический электрод остывает, цепь электродов лампы размыкается. При этом убывающее магнитное поле дросселя наводит ЭДС самоиндукции, которая, накладываясь на напряжение сети, обеспечивает возникновение на электродах лампы импульса повышенного напряжения, вызывающего зажигание лампы. Дроссель (катушка с железным сердечником),участвуя в зажигании лампы, служит также и для ограничения тока в ней, обеспечивая ее стабильную работу.

Схемы включения газоразрядных ламп могут быть стартерными и бесстартерными. В одноламповых схемах включения применяются дроссели типов 1УБК и 1УБИ (рис. 5.2). Конденсатор стартера С1 служит для устранения радиопомех при включении лампы, увеличения амплитуд импульсного напряжения, стабилизации тлеющего разряда стартере и рабочего разряда при горении лампы. Ряд одноламповых схем с дросселем 1УБК имеет второй конденсатор С2 с шунтирующим резистором, который увеличивает коэффициент мощности до 0,9—0,95.

Общий недостаток газоразрядных источников света заключается в том, что световой поток их пульсирует с частотой 100 Гц. Глаз не в состоянии уловить непрерывное мелькание света благодаря зрительной инерции. Однако при освещении пульсирующим светом вращающихся и движущихся предметов может возникнуть стробоскопический эффект, который заключается в появлении ложного представления неподвижности, обратного направления вращения или множественности движущихся предметов, что очень опасно в производственных условиях. Для устранения стробоскопического эффекта газоразрядные лампы включают по двухламповой схеме (рис.5.3а), которая обеспечивает изменение светового потока каждой из ламп в противофазе. Вследствие этого суммарный световой поток двух ламп почти не пульсирует, что достигается включением в цепь одной из ламп конденсатора.

Рис.5.3. Схемы включения люминесцентных ламп: а –двухламповая стартерная, б,в – одноламповые бесстартерные

Учитывая, что стартерные схемы включения газоразрядных ламп недостаточно надежны в работе, промышленность выпускает бесстартерные схемы (рис. 5.3 б,в).

В бесстартерных системах включения люминисцентных ламп применяют балластные устройства типов 1АБИ и 1АБК. Балластные устройства этих типов состоят из обычного и симметричного дросселя, накального трансформатора Т со вторичной обмоткой, разделенной на симметричные части, и проводящей полоски или проволочки, закрепленной на лампе. При включении по этим схемам на лампу одновременно подается напряжение от пер­вичной обмотки накального трансформатора Т для зажигания и от накальных обмоток для подогрева электродов лампы.

Бесстартерные антистробоскопические двухламповые схемы включения люминисцентных ламп комплектуются дросселями типа 2АБИ и 2АБК.Бесстартерные схемы включения люминесцентных ламп более надежны в работе и имеют больший срок службы, однако они дороже стартерных, а из-за постоянного подогрева электродов снижается срок службы ламп.

Люминесцентный светильник состоит из арматуры и источника света. Источник света находится внутри арматуры, которая обеспечивает требуемое распределение светового потока и защиту от механических повреждений и воздействий окружающей среды.

В люминесцентном светильнике в качестве источника света служит люминесцентная лампа. Светильник представляет собой корпус, в котором смонтированы пуско-регулирующее устройство, ламподержатели, стартеродержатели и соединительные провода. Корпус обычно имеет отражатель для увеличения отдачи светового потока от лампы и защитную прозрачную крышку, который обеспечивает равномерное рассеивание светового потока.

Программа работы

1 . В работе исследуются стартерная схема включения лампы. Исследование производится по схеме, представленной на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Монтажная схема включения люминесцентной лампы

2. Подготовить стенд к работе от сети: вывести регулятор ЛАТРа в положение, соответствующее минимальному выходному напряжению, убедиться, что остальные аппараты, неиспользуемые в работе не попадут под напряжение при включении стенда.

3. После проверки схемы преподавателем запитать стенд от сети и подать в схему напряжение. Проверить работу схемы. Затем плавно увеличивая подводимое напряжение с помощью ЛАТРа, определяют напряжение устойчивого включения лампы, а также ток розжига лампы и его величину в рабочем режиме. Эксперимент повторяют несколько раз. Данные заносят в таблицу 5.1.

4. Плавно понижая напряжение определяют величину напряжения гашения лампы. Опыт повторяют несколько раз.

Таблица 5.1

№ опыта	1	2	3	4	5	Среднее значение
Опыт розжига лампы
Uрозжига,B
Iрозжига, A
Опыт гашеия лампы
Uгашения,B

5. По данным эксперимента рассчитать средние значения искомых величин U_{розжига},I_{розжига}, U_{гашения}.

6. Рассчитать % снижения напряжения, при котором лампа погаснет.

7. Сделать вывод по работе.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип действия люминесцентных ламп низкого давления?

2. Какую функцию в люминесцентной лампе низкого давления

выполняет инертный газ?

3. Какую функцию в люминесцентной лампе низкого давления

выполняет металл?

4. Что такое люминофор, какова его функция в люминесцентной лампе низкого давления?

5. Какие существуют схемы включения люминесцентных ламп низкого давления?

6. Когда возникает и в чем заключается сущность стробоскопического эффекта?

7. Что такое люминесцентный светильник?

Лабораторная работа 6

ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Цель работы — изучение устройства, принципа действия, способов пуска, схем включения и паспортных данных трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя. Осуществить прямой пуск и реверс трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (рис. 6.2) состоит из корпуса 1, неподвижного статора , вращающегося ротора и двух подшипниковых щитов с подшипниками качения, расположенными в центре щитов.

Статор имеет цилиндрическую форму. Корпус литой или чугунный. Сердечник статора набран из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,3 или 0,5 мм (см. рис. 6.3а). Листы изолированы один от другого лаком для уменьшения потерь от вихревых токов.

Рис. 6.1 -. Общий вид двигателя.

На внутренней поверхности статора имеются открытые пазы для укладки в них трехфазной обмотки, выполненной из изолированного провода. Оси обмоток расположены симметрично (под углом 120°) одна к другой. По количеству рабочих обмоток на статоре двигатель называется трехфазным.

.

На выводах обмотка имеет следующую маркировку: начало и конец первой фазы электродвигателя U1 и U2, начало и конец второй — V1 и V2 и начало и конец третьей — W1 и W2.

Ротор электродвигателя (рис. 6.2) состоит из вала 4, опирающегося на подшипники, сердечника 5 и обмотки. Сердечник ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внешней поверхности сердечника есть пазы (2), в которые заливают расплавленный алюминий. В результате получается короткозамкнутая обмотка ротора, напоминающая беличье колесо (рис.3 б). По конструкции роторной обмотки двигатель называется короткозамкнутым.

.

Рис. 6.3 - Детали трехфазного электродвигателя: а — сердечник статора; б — короткозамкнутая обмотка ротора.

Преобразование электрической энергии в механическую в двигателе возможно потому, что под действием магнитного поля статора возникают электромагнитные силы, приложенные к проводникам роторной обмотки. Эти силы создают относительно оси ротора электромагнитный вращающий момент.

Частота вращения магнитного поля статора:

n = 60f/p,

n - частота вращения магнитного поля, мин

f - частота тока, Гц,

р - число пар магнитных полюсов на одну фазу.

Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают линии короткозамкнутой обмотки ротора, в них индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая вызывает появление тока и магнитного потока в роторе двигателя. Взаимодействие магнитного поля статора с магнитным потоком ротора создает механический вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться. Частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора, поэтому электродвигатель называется асинхронным. Величина характеризующая отставание ротора от магнитного поля в относительных единицах, называется скольжением s (%).

S = (nм.п. – nн)*100/nм.п.

С увеличением нагрузки на валу электродвигателя скольжение возрастает, а частота вращения падает.

Для включения электродвигателя в сеть его фазы должны быть соединены звездой или треугольником.

Рис. 6.4 - Схемы соединения обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя: а — «звезда»; б — «треугольник

Чтобы электродвигатель включить в сеть по схеме «звез да» необходимо все концы фаз (U2, V2, W2) соединить электрически в одну точку, а все начала фаз (U1, V1, W1) присоединить к фазам сети А, В, С

(рис.6 .4.а).

Для включения электродвигателя по схеме «треугольник» начало первой фазы соединяют с концом второй и начало второй - с концом третьей, а начало третьей – с концом первой. Места соединения фаз электродвигателя подключают к трем фазам сети (рис.6.4б).

Неправильный выбор схемы соединения обмоток может привести к выходу из строя электродвигателя во время работы.

Схему соединения обмоток трехфазного электродвигателя выбирают из табл. 6.1

Таблица 6.1

Выбор схемы соединения обмоток

Напряжение электродвигателя, В	Напряжение сети, В
	380/220	660/380
380/220	«звезда»	-
660/380	«треугольник»	«звезда»

Для изменения направления вращения вала электродвигателя (реверсирования) меняют местами две любые фазы сети. Реверсирование электродвигателей осуществляют с помощью реверсивных переключателей и рубильников. На рис. 6.5: SA- 3 фазный реверсивный рубильник, через который к фазам сети АВС, подключен двигатель М.

Рис. 6.5 - Схема включения трехфазного электродвигателя реверсивным рубильником.

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором наряду с простотой конструкции, высокой надежностью в работе, долговечностью, низкой стоимостью и универсальностью обладает существенным недостатком: при его пуске возникает пусковой ток, значение которого в 5—7 раз превышающий номинальный. Большие пусковые токи асинхронных электродвигателей вызывают большое снижение напряжения в сети, что вредно отражается на работе других электроприемников.

Способы пуска асинхронного двигателя.

Пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором определяются в первую очередь значением пускового тока Iп или его кратностью Iп/Iном и значением пускового момента Мп или его кратностью Мп/Мном.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. Однако получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным.

В начальный момент пуска скольжение s=1, поэтому, пренебрегая током холостого хода, пусковой ток определяется по формуле:

Пусковой момент определяется по формуле:

Из этих формул следует, что улучшить пусковые свойства двигателя можно, увеличив активное сопротивления цепи ротора, так как в этом случае уменьшение пускового тока сопровождается увеличением пускового момента. В то же время напряжение по-разному влияет на пусковые параметры двигателя: с уменьшением напряжения пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, но одновременно уменьшается пусковой момент.

Прямой пуск. Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. Такой пуск называется прямым. При этом пусковой ток двигателя .

Прямой пуск возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10—15%).

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник. Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, работающего при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рис.6.6) В момент подключения двигателя к сети переключатель SA ставят в левое положение, при котором обмотка статора оказывается соединенной в «звезду». При этом фазное напряжение на статоре снижается в √3 раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазах (обмотках) двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному току, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток больше фазного в √3 раз. Следовательно, включив обмотки статора звездой, линейный ток уменьшается в 3 раза.

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, переключатель SA быстро переводят в правое положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока является незначительным.

Рисунок 6.6 - Схема переключения фаз двигателя со звезды на треугольник.

Изменение тока и момента при данном способе пуска показано на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7 - Графики изменения момента и фазного тока при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

Рассмотренный способ пуска имеет существенный недостаток — уменьшение фазного напряжения в √3 раз сопровождается уменьшением пускового момента в три раза, так как, пусковой момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором прямо пропорционален квадрату напряжения. Такое значительное уменьшение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.

Недостатком этого способа пуска также является то, что при пусковых переключениях цепь с возникновением коммутационных перенапряжений. Этот способ ранее широко применялся при пуске низковольтных двигателей, однако с увеличением мощности сетей потерял свое прежнее значение и в настоящее время используется сравнительно редко.

Реакторный пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Более универсальным является способ пуска понижением подводимого к асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором напряжения посредством реакторов (реактивных катушек — дросселей).

Реакторный пуск осуществляется следующим образом. Сначала двигатель получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку), сопротивление которого ограничивает величину пускового тока. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы, на которых происходит падение напряжения за счет индуктивного сопротивление реактора. В результате на обмотку статора подается пониженное напряжение. По достижении нормальной частоты вращения включается выключатель, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети.

Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения сопровождается существенным уменьшением пускового момента.

Автотрансформаторный пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором осуществляется в следующем порядке. Сначала через автотрансформатор на статор асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором подается пониженное напряжение. При этом пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается в К раз, где К — коэффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока на входе автотрансформатора, то он уменьшается в К² раз по сравнению с пусковым током при прямом включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе первичный ток меньше вторичного в К раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет К² раз.

Таким образом, при автотрансформаторном пуске момент и ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором уменьшаются в одинаковое число раз.

Пусковые автотрансформаторы рассчитываются на кратковременную работу. Согласно ГОСТ 3211—46, пусковые автотрансформаторы должны иметь ответвления, соответствующие величинам вторичного напряжения 45, 36 и 27%. В каждом конкретном случае выбирается подходящая ступень напряжения.

Как и предыдущие способы пуска при пониженном напряжении, автотрансформаторный способ пуска сопровождается уменьшением пускового момента, так как значение последнего прямо пропорционально квадрату напряжения. С точки зрения уменьшения пускового тока автотрансформаторный способ пуска лучше реакторного, но некоторая сложность пусковой операции и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (понижающий автотрансформатор и переключающая аппаратура) несколько ограничивают применение этого способа пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при изменении частоты питающей сети f1.Этот способ позволяет плавно изменять угловую частоту вращения ротора в наиболее широком диапазоне и, следовательно, позволяет уменьшить пусковые токи. Для его осуществления требуется, чтобы асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получал питание от отдельного источника. В качестве такого источника могут быть использованы электромеханические или полупроводниковые статические преобразователи частоты.

При частотном пуске одновременно с изменением частоты f1 приходится по определенному закону изменять и подводимое к обмотке статора напряжение U1. При этом его энергетические характеристики остаются практически неизменными. Поэтому этот способ пуска является экономичным. Недостатками частотного пуска являются громоздкость и высокая стоимость источника питания.

На корпусе каждого трехфазного электродвигателя помещен технический паспорт в виде металлической пластинки, где указаны основные технические и номинальные параметры: тип электродвигателя, заводской номер, напряжение, мощность, частота вращения, коэффициент полезного действия (КПД), масса и др. Буквы в паспорте электродвигателей обозначают материал корпуса, исполнение, степень защиты от внешних воздействий, наличие повышенного скольжения, повышенного пускового момента, наличие фазного ротора. Цифры обозначают: модификацию двигателя, диаметр сердечника статора (габарит), длину пакета статора, последняя цифра — число полюсов одной фазы. Например, у двигателя марки 4А90L4УЗ четыре полюса или 2 пары.

Коэффициент полезного действия электродвигателя показывает отношение номинальной мощности Рн к мощности потребляемой из сети, т. е. присоединенной Рприс:

η = Рн / Рприс

Коэффициент мощности характеризует отношение активной мощности Рприс. электродвигателя к полной мощности:

Cos(φ) = Рприс/S.

Паспорт двигателя Рн = 20 Вт, nн = 2760 об/мин , Iн = 0,18 А, Uн = 220 В , η=0,51, cosφ = 0,5, Мк = 0,138 Н*м, Мн = 0,069 Н*м, I0 = 0,1 А, R1 = 122 Ом, R2= 91 Ом, X1 = 57 Ом, X2= 57, количество полюсов на фазу – 2.