1. Цель работы

Целью лабораторной работы является исследование потребления реактивной мощности асинхронным двигателем в широком диапазоне нагрузок и влияния компенсации реактивной мощности на рабочие характеристики двигателя.

2. Задачи

В ходе лабораторной работы решаются следующие задачи:

• сборка экспериментальной установки;

• экспериментальное построение рабочих характеристик асинхронного двигателя без использования устройств компенсации реактивной мощности;

• экспериментальное построение рабочих характеристик асинхронного двигателя при номинальной мощности устройств компенсации реактивной мощности;

• экспериментальное построение рабочих характеристик асинхронного двигателя при значительной перекомпенсации реактивной мощности;

• анализ экспериментальных данных.

3. Мнемосхема лабораторной установки

Монтажная схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

В экспериментальной установке используется три источника реактивной мощности. Первый это питающая сеть, всю не достающую реактивную мощность двигатель берет из сети. Второй, это блок регулируемой емкостной нагрузки, позволяющий получить до 0,20 А емкостного тока на каждую фазу, блок предназначен для работы на напряжении 220 В, поэтому соединяем конденсаторы в «звезду». Мощности блока достаточно для подбора оптимальной величины компенсации реактивной мощности для исследуемого двигателя.

ВНИМАНИЕ!!! Переключение мощности конденсаторов, с помощью поворотного регулятора допускается только при отключенном двигателе (могут сгореть предохранители блока 0,25 А).

Блок не регулируемой емкостной нагрузки, позволяет получить 0,55 А емкостного тока на каждую фазу на напряжении 220 В, соединяется в «звезду». Используется как дополнительная ступень регулирования для создания значительной перекомпенсации реактивной мощности.

ВНИМАНИЕ!!! На блоке не регулируемой емкостной нагрузки, использовать среднее гнездо для подключения категорически запрещено (при подключении одного конденсатора на 220 В его сразу пробьет так как его номинальное напряжение 160 В, два таких последовательно соединенных конденсатора будут нормально работать на напряжении до 320 В).

Описание элементов экспериментальной установки:

• 508.2 – блок мультиметров;

• 308.1 – реостат возбуждения машины постоянного тока;

• 332 – блок диодов;

• 301.1 – трехполюсный выключатель;

• 507.2 – измеритель мощностей;

• 2014.1 – трехфазный источник питания;

• 506.3 – указатель частоты вращения;

• 313.2 – модель линии электропередач;

• 101.1 – машина постоянного тока;

• 106 – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

• 317.2 – емкостная нагрузка;

• 315.2 – устройство продольной емкостной компенсации.

Рисунок 1 – Монтажная схема экспериментальной установки

4. Результаты экспериментов

4.1. Эксперимент 1 - Недокомпенсация

Отключим батареи конденсаторов, включим электроустановку, изменяем механическую нагрузку в пределах от 0 до 100 %, записываем результаты измерений в таблицу 1.

Таблица 1

№	U1ф	I1	P1	Q1	n2	cos(φ)	Uя	Iя	Pя	КПД
	В	А	Вт	ВАр	об/мин	о.е.	В	А	Вт	о.е.
1	212,7	0,380	107	216	1450	0,440	40,3	0,525	21,158	0,198
2	213,2	0,384	112	216	1450	0,450	42,2	0,549	23,168	0,207
3	215,1	0,383	118	214	1450	0,481	44,0	0,573	25,212	0,214
4	213,6	0,388	124	214	1450	0,500	46,0	0,599	27,554	0,222

С якоря нагрузочного генератора снимаем постоянный ток, для определения мощности генератора следует умножить ток якоря на напряжение (P_я = U_я I_я).

КПД, является отношением полезной мощности, потраченной двигателем на совершения работы (P₂) к мощности, полученной из сети (P₁), потерями в нагрузочном генераторе так же пренебрегаем.

По таблице изображаем характеристики двигателя I₁ = f(P₂), n₂ = f(P₂), cos(φ₁) = f(P₂), η = f(P₂) и характеристику сети U₁ = f(cos(φ₁)). В теории электрических машин, индексом 1 обозначают величины, относящиеся к статору электродвигателя, индексом 2 обозначают величины ротора.

Механическая мощность на валу асинхронного двигателя (P₂) равна мощности нагрузочного генератора (P_я), это предположение будет верным если пренебречь потерями в нагрузочном генераторе, что позволит получить качественно верные зависимости, имеющие небольшие погрешности в значениях. Прямое измерение механических характеристик на данном испытательном стенде не предусмотрено.

Расчеты и построения для следующих экспериментов проводим аналогичным образом.

Рисунок 2 – Рабочие характеристики двигателя при недокомпенсации

Рисунок 3 – Характеристика сети при недокомпенсации

4.2. Эксперимент 2 - Нормальная компенсация

На блоке емкостной нагрузки устанавливаем емкостную мощность, оптимальную для данного двигателя, которая должна быть немного меньше произведения номинальной активной мощности на номинальный коэффициент мощности. Включаем электроустановку, изменяем механическую нагрузку в пределах от 0 до 100 %, записываем результаты измерений в таблицу 2.

Таблица 2

№	U1ф	I1	P1	Q1	n2	cos(φ)	Uя	Iя	Pя	КПД
	В	А	Вт	ВАр	об/мин	о.е.	В	А	Вт	о.е.
1	213,0	0,250	123	102	1450	0,769	45,9	0,596	27,356	0,222
2	212,6	0,242	117	103	1450	0,761	43,7	0,568	24,822	0,213
3	213,1	0,238	113	104	1450	0,736	41,8	0,549	22,948	0,203
4	214,0	0,236	110	107	1450	0,718	40,7	0,530	21,571	0,196

Рисунок 4 – Рабочие характеристики двигателя при нормальной компенсации

Рисунок 5 – Характеристика сети при нормальной компенсации

4.3. Эксперимент 3 – Перекомпенсация

Дополнительно к используемой емкостной нагрузке подключаем блок не регулируемой батареи конденсаторов, что создаст значительную перекомпенсацию. Включаем электроустановку, изменяем механическую нагрузку в пределах от 0 до 100 %, записываем результаты измерений в таблицу 3.

Таблица 3.

№	U1ф	I1	P1	Q1	n2	cos(φ)	Uя	Iя	Pя	КПД
	В	А	Вт	ВАр	об/мин	о.е.	В	А	Вт	о.е.
1	214,2	0,428	109	-245	1450	0,406	40,8	0,531	21,665	0,199
2	213,6	0,434	113	-246	1450	0,417	42,3	0,550	23,265	0,206
3	214,1	0,439	117	-246	1450	0,430	43,9	0,576	25,286	0,216
4	211,5	0,442	123	-245	1450	0,448	46,3	0,602	27,873	0,227

Рисунок 6 – Характеристика сети при перекомпенсации

Рисунок 7 – Рабочие характеристики двигателя при перекомпенсации

Вывод

В результате данной лабораторной работы было проведено исследование потребления реактивной мощности асинхронным двигателем в широком диапазоне нагрузок и влияния компенсации реактивной мощности на рабочие характеристики двигателя в результате изменения емкостной нагрузки асинхронного двигателя.

Графики зависимости тока от полезной мощности двигателя примерно совпадают с теоретическим изображением графика показанном на рис. 10 (черный график). Стоит отметить, что наименьшим значениям тока статора соответствовал режим нормальной компенсации; наибольшим – режим перекомпенсации (рис.8.).

Полученные графики изменения частоты относительно совпадают с теоретическим графиком, показанном на рис. 10 (синий график). То есть, при увеличении мощности нагрузочного генератора частота постепенно уменьшается.

Графики изменения коэффициента мощности в отличие от теоретического графика, показанного на рис. 10 (красный график) изменяются практически прямолинейно. Стоит отметить, что наибольшим значениям коэффициента мощности соответствовал режим нормальной компенсации.

Графики изменения КПД также отличаются от теоретических тем, что имеют практически прямолинейную зависимость от полезной мощности. В точке 0 (холостой ход) КПД равен нулю. При этом вне зависимости от величины емкостной нагрузки КПД всех трех режимов практически одинаково (рис.8.).

Сравнение характеристик сети (рис.9.) показало, что максимальным значениям напряжения и коэффициента мощности соответствует режим нормальной компенсации.

(синий – недокомпенсация; оранжевый – нормальная компенсация; зеленый – перекомпенсация)

Рисунок 8 – Сравнение рабочих характеристик двигателя

(синий – недокомпенсация; оранжевый – нормальная компенсация; зеленый – перекомпенсация)

Рисунок 9 – Сравнение характеристик сети

Рисунок 10 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок А – Табличные данные