3. Исследование рабочих характеристик

1. Собрать схему, представленную на рисунке 5.8.

2. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части стенда – надпись «Сеть»). Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA23, SA24, SA25, SA26), находятся в положении «выключено», все регуляторы заданий выходных величин преобразователей (RP1, RP2, RP3, RP4, RP5) находятся в крайнем левом положении, все дополнительные переключатели (SA2, SA3, SA4, SA6, SA7) находятся в выключенном положении, а также на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.

3. Тумблером SA1 подключить к сети схему управления.

4. Переключатель SA5 перевести в крайнее левое положение.

5. Установить выключатель SA30 в положение «PV1», выключатель SA31 в положение «PW2», выключатель SA32 в положение «PV3».

6. С помощью регулятора RP4 «Задание частоты» установить значение частоты f=50Гц (контролировать по прибору HZ1).

7.Подключить исследуемый трансформатор к выходу Инвертора, нажав кнопку SВ1. 8.Тумблером SA26 включить Инвертор. При помощи регулятора RP5 «Задание напряжения» Инвертора установить номинальное напряжение на первичной обмотке трансформатора (контролировать по прибору PV4).

9.Занести показания приборов PA2, PV2, PW2 (первичная цепь), PV1, PA1 (вторичная цепь) в таблицу 5.3.

10.Включить тумблер «SA7». Показания приборов занести в таблицу 3.Изменяя переключателем SA5 величину нагрузки (4 опыта), измерить I₁ (PA2), U1(PV2), P (PW2), U2 (PV1), I2 (PA1),

Рисунок 5.8 – Исследование рабочих характеристик однофазного трансформатора

Таблица 5.3

Рабочие характеристики

№	RН, Ом	Измерить
		U1, В	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А
1	-
2
3
4

Завершив эксперимент, необходимо переключатель SA5 перевести в крайнее левое положение;

Паспорт трансформатора.S=100ВА, U1=220В, U2 =110В, R1=R2=R3= 50 ОМ, R4=R5=R6=R7=R8=R9=22Ом, η= 87%.

4. Зависимость КПД трансформатора от нагрузки. Для заданных преподавателем значений коэффициента мощности нагрузки ( cosφ_н=1, cosφ_н=0.8-индуктивный характер нагрузки) используя паспортные данные, данные опыта короткого замыкания и холостого хода рассчитать и построить зависимость  = f(β). Данные расчётов занести в таблицу 5.4. Для cosφ_н=1 и значений сопротивлений нагрузки установленных на стенде определить  экспериментально.

Таблица 5.4

Β		0,25	0,5	0,75	1,0	1,2
	Cosφ2=1
	Cosφ2=0,8

Контрольные вопросы

1. Опишите устройство и принцип действия однофазного трансформатора?

2. Как определяют коэффициент трансформации трансформатора?

3. Объясните устройство сердечника трансформатора.

4. Назовите виды потерь энергии в трансформаторе.

5. Для каких целей проводят опыты холостого хода и короткого замыкания?

6. Объясните схему опыта холостого хода трансформатора и перечислите, параметры, которые можно определить в этом опыте

7.Почему в опыте холостого хода потерями мощности в обмотках можно пренебречь?

8. Объясните схему опыта короткого замыкания трансформатора и перечислите, параметры, которые можно определить в этом опыте

9.Почему в опыте короткого замыкания магнитными потерями можно пренебречь и считать показание ваттметра равным электрическим потерям в обмотках?

10. Что такое напряжение короткого замыкания?

10. Что такое внешняя характеристика трансформатора??

11. Как рассчитать кпд трансформатора?

12. Как определяется баланс мощностей трансформатора?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Цель работы — изучение устройства, принципа действия, 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. 6.1) состоит из корпуса 1, неподвижного статора , вращающегося ротора и двух подшипниковых щитов с подшипниками качения, расположенными в центре щитов (рис. 6.2).

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.1 -. Общий вид двигателя.

На внутренней поверхности статора имеются открытые пазы для укладки в них трехфазной обмотки 3, 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 (U1. V1, W1) соединить электрически в одну точку, а все начала фаз (U2, V2, W2) 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»

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 больше номинального. Большой пусковой ток, на который электрическая сеть обычно не рассчитывается, вызывает значительное снижение напряжения, что, в свою очередь, отрицательно влияет на устойчивую работу соседних электроприемников.

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-реверсивный рубильник, через который в фазам сети АВС, подключен двигатель М.

Рис. 6.5 - Схема включения трехфазного электродвигателя реверсивным рубильником.

При пуске асинхронный двигатель, имеет повышенный пусковой ток, в б—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.6.7) 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.

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.

Рисунок 6.6 - Графики изменения момента и фазного тока при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

Рисунок 6.7 - Схема переключения фаз двигателя со звезды на треугольник.

Недостатком этого способа пуска 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 после букв обозначают: модификацию двигателя, диаметр сердечника статора (габарит), длину пакета статора, последняя — число полюсов одной фазы.

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.