12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электротехника и электроника»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА.

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ И АППАРАТЫ

Методические указания к лабораторным работам и практическим занятиям для студентов неэлектротехнических специальностей

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Могилев 2011

УДК 621.3

ББК 31.2:3285.

Э45

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Электротехника и электроника» «31»_августа_2011 г., протокол №1

Составители: канд. техн. наук, доц. С. В. Болотов;

ст. преподаватель В. В. Писарик;

канд. техн. наук, доц. А. А. Афанасьев;

И. А. Черкасова.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Г. С. Леневский

Методические указания предназначены для использования студентами технических специальностей при выполнении лабораторных работ и практических занятий

Учебное пособие

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ

Ответственный за выпуск С. В. Болотов

Технический редактор А. А. Подошевко

Компьютерная верстка Н. П. Полевничая

Подписано в печать . Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл.- печ. л. Уч.- изд. л. Тираж 150 экз. Заказ № .

Издатель и полиграфическое исполнение

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

ЛИ №02330/375 от 29.06.2004 г.

212000, г.Могилев,пр.Мира,43

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский

университет», 2011

Лабораторная работа №10. Определение параметров и основных характеристик однофазного трансформатора

Цель работы

1 Изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора.

2 Изучение схем замещения трансформатора и определе­ние их параметров.

3 Изучение влияния характера и величины нагрузки на внешнюю характеристику и КПД трансформатора.

Основные теоретические сведения

Трансформатор  это статический (неподвижный) электромагнитный аппарат, пред­на­значенный для преобразования переменного тока одного на­пряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

П ростейший трансформатор состоит из магнитопровода, набранного из листов электротехнической стали, и двух расположенных на нем обмоток (рисунок 1). Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одна из обмоток - первичная, подключена к источнику переменного тока. К другой обмотке - вторичной подключают потребитель.

Рисунок 1 – Cхема трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток пронизывает обе обмотки, индуктируя в них ЭДС:

,

Значения ЭДС е₁ и е₂ могут отличаться друг от друга в зависимости от числа витков в обмотках. Применяя обмотки с различным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Отношение ЭДС первичной обмотки трансформатора к ЭДС втори­чной его обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации трансформатора

n = E₁/ E₂ = w₁/w₂.

При подключении ко вторичной обмотке нагрузки Z_н в цепи потечет ток i₂ и на выводах вторичной обмотки установится напряжение u₂.

С хема замещения трансформатора представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Cхема замещения однофазного трансформатора

R₀, Х₀ – параметры намагничивающей цепи трансформатора в схеме замещения трансформатора, определяемые из опыта холостого хода трансформатора;

R₀ – активное сопротивление намагничивающей цепи, обусловленное потерями мощности в стальном магнитопроводе;

Х₀ – индуктивное сопротивление намагничивающей цепи, обусловленное основным магнитным потоком;

R_К, Х_К – параметры схемы замещения, определяемые из опыта короткого замыкания трансформатора.

Для определения коэффициента трансформации п, а также параметров схемы замещения и потерь мощности в трансформаторе проводят опыт холостого хода (опыт ХХ) и опыт короткого замыкания (КЗ) тран­сформатора.

Схема опыта холостого хода представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Опыт холостого хода трансформатора

Показания приборов PW1, РА1, РV3, РV2 дают возможность определить параметры схемы замещения трансформатора в режиме холостого хода:

; ; ,

где n – коэффициент трансформации трансформатора.

Схема опыта короткого замыкания представлена на рисунке 4.

Показания приборов PW1, PV3, PA1, PA2, дают возможность опре­делить параметры схемы замещения в режиме короткого замыкания:

; ;

а также активные и реактивные сопротивления первичной и вторичной обмотки трансформатора (R₁, R₂, X₁, X₂):

; ; ; .

Рисунок 4 – Опыт короткого замыкания трансформатора

Используя данные лабораторной работы № 5 определяют соs нагрузки:

КПД трансформатора

,

где  – коэффициент загрузки трансформатора, ;

Sн – полная мощность трансформатора,

.

Внешняя характеристика трансформатора U₂ = f() строится по следующему уравнению:

,

где U₂ = (U_к.а. cos₂ + U_к.р. sin₂);

U_к.a. – активная составляющая напряжения короткого замы­кания трансформатора, ;

U_к.р. – реактивная состав­ляющая напряжения короткого замыкания трансформатора, .

Для повышения значения коэффициента мощности нагрузки (cos) параллельно нагрузке (R₁₈, L₂) включается конденсатор C₁₁. Значение емкости конденсатора рассчитывают по формуле:

Исследуемые схемы

Исследование однофазного трансформатора производится по схеме, представленной на рисунке 5.

TV2

Рисунок 5 – Схема исследования однофазного трансформатора

Для определения параметров схемы замещения трансформатора U₂ = f (β) проводят опыты холостого хода (SA4 – выключен) и короткого замыкания (SA4 – включен) (рисунок 6).

Опыт короткого замыкания производят при пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора (выключатель SA4 включен).

Исследуется и строится внешняя характеристика трансформатора при различном характере и величине нагрузки. Характер нагрузки изменяется при изменении величины емкости конденсатора С₁₁.

Изучаются методы повышения коэффициента мощности нагрузки и КПД трансформатора.

TV2

Рисунок 6 – Схема исследования трансформатора в режиме холостого хода и короткого замыкания

Порядок выполнения лабораторной работы

1 Собрать схему, приведенную на рисунке 6 для проведения опыта холостого хода и короткого замыкания.

2 Перед включением стенда убедится, что все переключатели находятся в начальном положении (выключены).

Тумблер SA4 должен находиться в выключенном положении (рычажок– внизу).

3 Включить стенд автоматическими выключателями QF1, QF2, QF3.

4 При помощи «Задатчика» выбрать профиль отображения приборов L2.

5 Подключить питание ЛАТРа TV2 (тумблер переключения пределов регулирования напряжения ЛАТРа SA70 в блоке 10 в положение «100←0В», тумблер SA3 в блоке 3 устанавливается в положение – включено).

6 Снять параметры холостого хода трансформатора TV3 при напряжении питания 220 В (по прибору PV11). Для этого установить напряжение на выходе ЛАТРа TV2 (блок 10) 220 В переключателями: левый SA71 – с шагом 10 В и правый SA72 – с шагом 1÷2 В. При необходимости переключить тумблер SA70 в верхнее положение «110→260В». Снять показание приборов PA11 (I₁₀), PV11 (U_1х.х.), PW1 (P₀), PV21 (U₂₀) и занести их в таблицу 1.

Таблица 1 – Показания приборов в опыте холостого хода трансформатора

Экспериментальные данные				Расчетные значения
U1Н, В (PV11)	I10, А (PA11),	P0, Вт (PW1)	U20 , В (PV21)	S, ВА	Z0, Ом	X0, Ом	R0, Ом	Cosφ,	φ, град
220

7 Рассчитать параметры трансформатора в режиме холостого хода и занести их в таблицу 1.

8 Выключить тумблер SA3 в блоке 3.

9 Вернуть тумблеры ЛАТРа TV2 (Блок 10) SA71, SA72 в начальные положения «0», тумблер SA70 в положение «110В←0В».

10 Снять параметры короткого замыкания, для чего включить тумблеры SA4 и SA3 установив во вторичной обмотке трансформатора TV3 ток 0,8 А (по прибору PA21). Снять показания приборов PA11 (I_1Н), PV11 (U_1к.з.), PW1 (Pкз) и занести их в таблицу 2.

Таблица 2 – Показания приборов в опыте короткого замыкания

Экспериментальные данные				Расчетные значения
U1К, В (PV11)	I1Н, А (PA11),	PК, Вт (PW1)	U2 , В (PV21)	S, ВА	Zк, Ом	Хк, Ом	RК, Ом	Cosφ	φ, град
	0,8

14 Рассчитать параметры трансформатора в режиме короткого замыкания и холостого хода и занести их в таблицу 2.

15 Измерить вторичное напряжение при нагрузке R₁₈, L₂ (рисунок 5).

16 Для нагрузки R₁₈, L₂ (лабораторная работа №5) рассчитать потери напряжения, вторичное напряжение, КПД и сравнить с результатами измерения.

17 Осуществить моделирование работы трансформатора в среде Multisim (рисунок 7), используя параметры схемы замещения (таблица 1,2). В режиме холостого хода разомкнуть ключ Q и S. В режиме короткого замыкания ключ Q замкнут (напряжение на первичной обмотке изменить на U_К). Моделирование работы трансформатора под нагрузкой осуществить при подключении R₁₈, L₂.

Рисунок 7 – Моделирование работы трансформатора в среде Multisim

Нагрузка должна быть приведена к параметрам первичной обмотки: R^/₁₈= R₁₈·n², ωL^/₂= ωL₂·n². Реальные значения напряжения и тока нагрузки: U₂= U^/₂ / n, I₂= I^/₂ · n.

Сравнить результаты моделирования с расчётными значениями и результатами эксперимента.

17 Рассчитать коэффициент мощности нагрузки R₁₈, L₂ и определить значение емкости С₁₁ для повышения cos нагрузки до значения, заданного преподавателем.

18 Выключить тумблеры SA3 и SA4 в блоке 3.

19 Вернуть тумблеры ЛАТРа TV2 (Блок 10) SA71, SA72 в начальные положения «0», тумблер SA70 в положение «110В←0В».

20 Выключить стенд автоматическими выключателями QF1, QF2, QF3.

21 Сделать выводы по результатам работы.

Лабораторная работа № 11. Исследование асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором

Цель работы

1 Изучение принципа действия трехфазного асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором.

2 Изучение основных свойств и характеристик трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

3 Построение механической характеристики двигателя М = f(S).

4 Построение рабочих характеристик двигателя.

Основные теоретические сведения

Наибольшее применение в промышленности получили трёхфазные асин­хрон­ные двигатели. Это объясняется тем, что они просты по конструкции, дешевы, надёжны в работе, имеют высокий КПД при номинальной нагрузке, выдерживают значительные перегрузки, не требуют сложных пусковых устройств.

Основными частями АД являются статор и ротор, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм). Их сердечники собраны из лис­тов электротехнической стали. На внутренней части поверхности статора и на внешней ротора выштампованы пазы, в которые уложены обмотки. Сердечник статора помещён в корпус, на котором закреплены клеммы статорной обмотки, состоящей из трёх отдельных катушек, сдви­­нутых в пространстве на 120. Сердечник ротора укреплён непосредственно на валу двигателя или на ступице, надетой на вал.

Обмотка ротора чаще всего выполняется короткозамкнутой в виде "бе­­личьего колеса", состоящего из стержней и замыкающих их на торцах колец.

Принцип действия АД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора (неподвижная часть машины) с токами, индуктируемыми в роторе (под­вижная её часть).

Частота вращающегося магнитного поля статора (в мин^-1) равна , где f₁  частота напряжения сети; р  число пар полюсов машины (в частности, три обмо­т­ки статора создают одну пару полюсов, шесть обмоток  две пары и т. д.).

Рассматриваемая машина называется асинхронной потому, что в ней частота вращения ротора n не равна частоте вращающегося маг­нитного поля статора n₀. Если бы эти частоты были одинаковые, то магнитный поток статора был бы неподвижен относительно вращающегося ротора, и в обмотках ротора не индуктировались бы ЭДС, не было бы в них токов и не возникал бы вращающий момент на валу.

Разность частот вращения поля статора и ротора называют частотой скольжения n_s = n₀  n, а её отношение к частоте n₀  скольжением S, т. е.

или (выраженное в процентах)

Диапазон изменения скольжения в асинхронном двигателе 1  S  0; при пуске S = 1, при холостом ходе S = 0,001...0,005, при номинальной нагрузке S = 0,03...0,07.

Одной из основных характеристик АД является механическая характеристика. Уравнение механической характеристики М = f(S) (формула Клосса):

где М_K – максимальный момент, развиваемый двигателем, М_K = М_H;

 – коэффициент перегрузки двигателя,  = 1,5...2,5;

М_K – номинальный момент двигателя, М_Н = 9,55 Р_Н/n_Н;

S_K – критическое скольжение, ;

S_H – номинальное скольжение,

р – число пар полюсов двигателя.

Вращающий момент двигателя также можно определить через параметры схемы замещения:

,

где U_1Ф – фазное напряжение двигателя;

ω₀ – угловая частота вращения магнитного поля статора двигателя, ;

R₁ – активное сопротивление обмотки отдельной фазы статора двигателя;

– приведенное активное сопротивление отдельной фазы обмотки ротора, = n²R₂;

X₁ – индуктивное сопротивление отдельной фазы обмотки статора;

– приведенное индуктивное сопротивление отдельной фазы обмотки ротора, = n²X₂;

n – коэффициент трансформации асинхронного двигателя.

Приведенное значение тока ротора определяют из выражения вида:

.

Из последних двух выражений следует, что при снижении напряжения U_1Ф момент двигателя изменяется пропорционально U²_1Ф, а ток – U_1Ф.

Расчет КПД двигателя:

,

где Р₂ – мощность на валу двигателя,

где М – текущее значение момента на валу двигателя;

n₂ – текущее значение частоты вращения двигателя;

Р₁ – мощность, потребляемая двигателем из сети. Р₁ определяется по показаниям ваттметров;

Коэффициент мощности двигателя:

,

где S₁ – полная мощность двигателя S₁ = 3 U_1ф I_ф;

U_1ф и I_ф – измеряются приборами PV11 и РА11 при соединении обмоток двигателя звездой.