Методы / МУ к выполнению лабораторных работ

Настоящие методические рекомендации предлагают расширенную номенклатуру лабораторных работ, которые могут выполняться обучающимися как в обязательном порядке, так и в порядке учебно-исследовательской работы студента (УИРС) или в инициативном порядке.

Обязательный для выполнения перечень лабораторных работ приведен в Фондах оценочных средств по дисциплине Б1.Б30 «Электрические машины» для студентов, обучающихся по специализациям специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов».

Общие вопросы исследования электрических машин и трансформаторов.

Подготовка к учебному лабораторному исследованию

П р е д в а р и т е л ь н а я д о м а ш н я я п о д г о т о в к а

Учебные исследования электрических машин, выполняемые студентами в лаборатории, являются одним из важнейших элементов подготовки инженераэлектромеханика или механика. Цели этих исследований заключаются в практическом ознакомлении студентов с основными свойствами электрических машин и трансформаторов, привитии навыков управления машинами и изучении методов испытания, а также оформления отчетной документации по результатам испытаний.

Для достижения целей учебного исследования совершенно необходимо освоение студентом теории данного вида электрической машины или трансформатора, а именно принципа действия, основных электромагнитных процессов и свойств (характеристик) этой машины, а также способов управления ей и вспомогательными устройствами. До начала работы следует заготовить черновик протокола испытаний (один на бригаду), в котором должны быть приведены электрические схемы, таблицы для записи результатов исследования. Все эти материалы приведены в методических указаниях по отдельным работам.

В ы б о р о б о р у д о в а н и я д л я и с с л е д о в а н и я

Воснове выбора оборудования лежат номинальные данные исследуемых

ивспомогательных электрических машин. Номинальные данные характеризуют работу машины в режиме, для которого она предназначена заводомизготовителем. Этот режим также называется номинальным. На заводском щитке или в каталоге приводятся номинальные данные – мощность, ток, напряжение, частота, КПД, коэффициент мощности, частота вращения и другие величины в зависимости от типа и назначения машины.

Номинальная мощность для генераторов переменного тока определяется

в В А, как полная электрическая мощность на выводах при номинальном коэффициенте мощности ( cos ), для генераторов постоянного тока – в Вт, как элек-

трическая мощность на выводах машины, для двигателей постоянного и переменного тока – в Вт, как механическая мощность на валу.

В соответствии с номинальными данными машины подбирают измерительные приборы так, чтобы измеряемые значения величин находились в пределах 20-95% их шкалы.

Используемые приборы и их характеристики записываются в табл. 1. При этом должны быть установлены и зафиксированы цены деления. При различных режимах испытаний могут быть использованы одни и те же приборы, но с разными уставками и ценами делений.

При испытаниях используются резисторы для ограничения пускового тока (пусковые), для регулирования токов (регулировочные) и для преобразования электрической энергии в тепло (нагрузочные). Резистор выбирается по предполагаемому значению тока в цепи. Токи возбуждения машин постоянного тока и синхронных машин обычно составляет 1 – 5 % от их номинального тока.

При исследовании трансформаторов и машин переменного тока используются индуктивные катушки. Их индуктивность может регулироваться перемещением ферромагнитного сердечника, причем наибольшее значение индуктивности наблюдается при полностью введенном сердечнике.

Для нагрузки двигателей используется электромагнитный тормоз (тормоз Фуко). Его работа основана на взаимодействии магнитного поля с вихревыми токами, индуктированными в стальном массивном диске при его вращении.

Магнитный поток, создаваемый катушками 5 (рис.1.1), замыкается через сердечник 6, полюсный наконечник 7 и стальной диск 8, насаженный на вал электродвигателя. Момент, возникающий от взаимодействия токов в диске и магнитного поля, противодействует вращению двигателя. Магнитная система допускает некоторый угол поворота и отклоняется в сторону вращения диска. Момент уравновешивается грузом 1, жестко связанным с электромагнитами. Угол отклонения груза, который определяется значением момента, фиксируется стрелкой 3 и шкалой 4, отградуированной в Н м.

С б о р к а с х е м ы с о е д и н е н и й

Все цепи в схеме соединений делятся на две группы-главные (силовые) и вспомогательные. К первой группе относятся цепи якорей машин постоянного тока, цепи обмоток статоров и роторов машин переменного тока и цепи обмоток трансформаторов. Для этих цепей следует выбирать провода относительно большого сечения. Их рекомендуется полностью собрать в первую очередь. Ко второй группе относятся цепи независимого и параллельного возбуждения, вольтметров, параллельных обмоток ваттметров и т.п. Эти цепи можно собирать проводами меньшего сечения.

При сборке необходимо обеспечить надежные контакты, особенно в цепях возбуждения двигателей постоянного тока, исключить возможность соприкосновения проводников с вращающимися частями машин и тормозов.

Рис.1 – Электромагнитный тормоз. Внешний вид

При обрыве цепи возбуждения двигателя постоянного тока сохраняется только слабый поток остаточного намагничивания. При малой нагрузке или в режиме холостого хода частота вращения двигателя возрастает в несколько раз по сравнению с номинальным значением. Это явление сопровождается многократным увеличением тока в цепи якоря. Такой режим является аварийным и может вызвать повреждения двигателя и измерительных приборов. Двигатель в этом случае должен быть немедленно отключен от сети. Схема должна быть проверена преподавателем или лаборантом. Включение без разрешения преподавателя не допускается.

П у с к э л е к т р о д в и г а т е л е й

Для приведения в движение исследуемых генераторов в лаборатории используются двигатели постоянного тока параллельного возбуждения или асинхронные двигатели.

Для ограничения пускового тока в цепь якоря двигателя постоянного тока включается пусковой резистор Rпуск (рис. 2). Перед пуском его сопротивление должно быть максимальным. Регулировочный резистор в цепи возбуждения RВ следует поставить на минимум сопротивления (полностью вывести). При этом ток возбуждения и, следовательно, основной магнитный поток и ЭДС в обмотке якоря будут иметь максимальное значение. Это необходимо для получения максимального значения пускового момента при ограниченном значении тока якоря. Пусковой резистор выводится с контролем бросков пускового тока по амперметру. Этот ток не должен превышать номинальное значение более чем в 1,5 – 2 раза. Пусковой резистор рассчитан только на кратковременное включение, поэтому после окончания пуска он должен быть полностью выведен (рукоятка доведена до упора).

После пуска регулированием тока возбуждения устанавливается номинальная частота вращения испытуемой машины. При необходимости изменения направления вращения следует остановить двигатель и поменять местами проводники на зажимах якоря или возбуждения, изменив этим направление тока в одной из обмоток. Для остановки двигателя сначала следует ввести пусковой резистор, а затем выключить рубильник, соединяющий двигатель с сетью.

На некоторых стендах установлены четырехзажимные пусковые устройства (рис. 3). В устройство входят резисторы пусковой Rпуск и вспомогательный Rвсп, контактор (К – контакт и К’ – катушка), контакты 1 – 8 , ползунок с маховичком, расположенным на наружной стенке кожуха, контакторы Л1 и Л2 для присоединения к питающей линии, Я – для присоединения якоря двигателя и

Ш– для присоединения обмотки возбуждения.

Вположении 1 ползунка обмотка возбуждения замкнута на сопротивле-

ние Rвсп , а катушка контактора К’ – накоротко. После перемещения ползунка в положение 3 получает питание катушка К’, и контактор включается, подавая

питание на якорь через полностью выведенный резистор Rпуск и на обмотку возбуждения. Начиная с положения 4 , в цепь катушки К’ включается резистор Rвсп. При этом ток в катушке достаточен для сохранения контактора во вклю-

ченном положении, но недостаточен для его включения. Этим обеспечивается невозможность включения контактора при положении ползунка на всех последующих позициях и, следовательно, безреостатный пуск двигателя, а также минимальная защита двигателя, т.е. невозможность его включения без установки ползунка в положение 1 после снятия и восстановления напряжения. Перемещение ползунка с положения 5 на положение 8 постепенно выводит сопротив-

ление Rпуск .

Пуск асинхронных двигателей выполняется включением обмотки статора на полное напряжение трехфазной сети. Перед пуском двигателя с фазным ротором следует убедиться, что пусковой резистор полностью введен. После включения обмотки статора резистор в цепи ротора должен быть полностью выведен.

Выполнение исследования

Оценка и сравнение эксплутационных свойств электрических машин различных типов производятся при помощи характеристик.

Характеристикой называется графически или в форме таблицы выраженная зависимость между двумя величинами, определяющими режим работы машины, при условии, что остальные величины остаются постоянными. Определяющими величинами, согласно стандартам, являются: напряжение на зажимах машины, ток силовой цепи (обмотки якоря или статора), частота вращения, для машин постоянного тока и синхронных – ток возбуждения. При исследовании в режиме двигателя к основным величинам следует отнести также момент на валу. В генераторном режиме обычно имеет постоянное значение частота вращения, а в двигательном режиме – напряжение. Таким образом, остаются три изменяющиеся величины в генераторном режиме – напряжение и токи силовой цепи и возбуждения, в двигательном режиме – токи силовой цепи и возбуждения и частота вращения. Электромагнитный момент также изменяется, но практическое значение его зависимость имеет только в режиме двигателя, поэтому в режиме генератора эта величина обычно не фиксируется.

Все характеристики можно разделить на три основных вида.

1. Н а г р у з о ч н ы е х а р а к т е р и с т и к и генератора представляют собой зависимость напряжения от тока возбуждения при постоянных значениях тока силовой цепи. Частным случаем является характеристика холостого хода при отсутствии тока силовой цепи. Аналогичной характеристикой двигателя постоянного тока параллельного возбуждения является зависимость частоты вращения от тока возбуждения при постоянном моменте на валу.

2. В н е ш н и м и х а р а к т е р и с т и к а м и генератора называются зависимости напряжения то тока силовой цепи при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и для синхронных машин при постоянном значении коэффициента мощности. В двигательном режиме обычно снимаются рабочие характеристики: зависимости частоты вращения, тока силовой цепи, момента, КПД и для машин переменного тока коэффициента мощности от полезной мощности.

Эти характеристики показывают, как работает нерегулируемая машина при изменении нагрузки.

3. Р е г у л и р о в о ч н ы е х а р а к т е р и с т и к и представляют собой зависимости тока возбуждения от тока силовой цепи для генератора при постоянном напряжении, для двигателя при постоянной частоте вращения. Они показывают, как нужно регулировать ток возбуждения для сохранения постоянства напряжения (генератор) или частоты вращения (двигатель) при изменении нагрузки.

Более подробно характеристики генераторов и двигателей рассмотрены в указаниях по отдельным работам.

Перед началом снятия характеристики следует установить диапазон изменения регулируемых величин исходя из номинальных данных машины, допуская превышение их на 15 – 20 %. Число замеров (точек характеристики) должно быть не менее 5 – 6, и эти замеры следует приблизительно равномерно распределить по всему диапазону измерений. Обязательно должны быть выполнены замеры при значениях величин, соответствующих номинальному режиму и холостому ходу (кроме двигателей постоянного тока последовательного возбуждения).

После выполнения работы протокол испытаний должен быть подписан преподавателем.

Выполнение отчета по работе

При оформлении отчета следует придерживаться основных правил составления протокола испытаний электрической машины.

Отчет составляется каждым студентом. Его представление к следующему лабораторному занятию обязательно. Рекомендуется оформлять отчет в возможно короткий срок после выполнения работы.

С о д е р ж а н и е о т ч е т а

1.Название работы, дата выполнения, фамилия автора, номер учебной

группы.

2.Номинальные данные всех электрических машин и измерительных приборов, использованных в работе.

3.Таблицы измеренных и рассчитанных величин и расчетные формулы.

4.Графики характеристик на миллиметровке, вшитые или вклеенные в

отчет.

5.Выводы и заключения по работе; в частности, анализ причин отклонения результатов исследования от предполагаемых, если такие отклонения возникли.

При вычерчивании графиков следует придерживаться следующих рекомендаций. Графики выполняются на миллиметровой бумаге тетрадного формата. Масштабы выбираются в круглых, удобных для построения, числах так, чтобы график был близок к квадратной форме. Масштабы наносятся на оси через каждый сантиметр, причем нулевые значения должны быть приняты в на-

чале координат. При нанесении на один график нескольких кривых проводят ряд параллельных осей ординат и указывают на них требуемые масштабы. Однако начало координат во всех случаях принимается одно, соответствующее первой справа оси ординат. Разрывы осей координат не допускаются.

На график следует нанести все точки, полученные в опыте, однако нередко отдельные точки по различным причинам выпадают из общей закономерности. В этом случае выпадающие точки отбрасываются, и кривая проводится помимо них. При построении нескольких кривых на одном графике рекомендуется применение цветных карандашей. В заголовке графика должно быть указано название характеристики и численное значение постоянных величин, при которых они снимались.

Лабораторная работа №1

Исследование однофазного двухобмоточного трансформатора.

Цель работы - ознакомиться с устройством и работой однофазного трансформатора в режимах холостого хода, короткого замыкания и при непосредственной нагрузке.

Программа работы

1. Провести опыт холостого хода (х.х.). По результатам опыта вычислить коэффициент трансформации k ; ток холостого хода i0 , коэффициент мощности

cos 0, параметры намагничивающего контура схемы замещения r0 , x0 , z0 . Зависимости: cos 0 , P0 , I0 f (U0 ) построить на одном графике.

2. Провести опыт короткого замыкания. По результатам опыта опреде-

3. Исследовать трансформатор методом непосредственной нагрузки. Снять внешнюю характеристику U2 f (I2 ) при cos 2 1, U1 const .

нагрузки и косвенным методом.

Опыт холостого хода

Холостым ходом трансформатора называется режим работы при питании первичной обмотки трансформатора от источника переменного напряжения и разомкнутой вторичной обмотки.

Опыт х.х. осуществляется при номинальной частоте и различных значениях синусоидального напряжения первичной обмотки с целью опытного определения потерь и тока х.х. трансформатора.

Для проведения опыта собирают схему понижающего трансформатора, представленную на рис. 2.

Рис.2 – Схема опыта холостого хода

Измерительные приборы подбираются с учетом величины измеряемых напряжений и токов: вольтметры должны быть рассчитаны на номинальные напряжения обмоток, амперметр и ваттметр - на ток 5 – 10% от I1H .

Коэффициент трансформации определяется отношением номинального напряжения на первичной обмотке (обмотке высшего напряжения) к напряжению на вторичной обмотке (обмотке низшего напряжения).

Для этого при помощи ЛАТРа на первичной обмотке устанавливают номинальное напряжение U1H и записывают показания приборов в табл.2.

холостого хода имеет реактивный характер и является током намагничивания для трансформатора. Это подтверждается и низким значением коэффициента мощности, который определяется в общем случае как cos P /(U I ) ; в режи-

ме холостого хода как ños 0 P0 /(U1H I0 ) .