В. Д. АВИЛОВ, В. П. БЕЛЯЕВ, Е. Н. САВЕЛЬЕВА,

Стр 1 из 5Следующая ⇒

В. Д. АВИЛОВ, В. П. БЕЛЯЕВ, Е. Н. САВЕЛЬЕВА,

В. А. СЕРЕГИН, Л. Е. СЕРКОВА, В. В. ХАРЛАМОВ,

Е. И. ШЕЛЬМУК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Часть 3

МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

О М С К 2 0 0 1

ВВЕДЕНИЕ

В методических указаниях лабораторные работы расположены в порядке их проведения. Перечень выполняемых работ для студентов конкретной специальности определяется преподавателем в соответствии с графиком лабораторных работ.

При подготовке к выполнению лабораторной работы студенты должны ознакомиться с рекомендуемой литературой, с заданием, уяснить порядок проведения испытаний. Для контроля своей подготовленности следует ответить на вопросы, приведенные в конце описания каждой лабораторной работы. Только в этом случае будет достигнуто усвоение теоретического материала, необходимое для практической деятельности.

В процессе подготовки испытаний и обработки экспериментальных данных нужно четко уяснить взаимосвязь между отдельными параметрами, закрепить теоретические знания, научиться применять их на практике. С целью развития самостоятельности у студентов некоторые вопросы в разделах «Расчеты и построения» подробно не комментируются.

ТЕХНИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Перед сборкой схемы экспериментальной установки необходимо ознакомиться с паспортными данными исследуемой машины и установить ожидаемые предельные значения измеряемых величин – тока, напряжения и мощности. На основании этого подбираются соответствующие измерительные приборы.

Неправильный выбор измерительных приборов ведет либо к понижению точности измерений, если приборы имеют значительно большие пределы измерений, либо к повреждению их, если пределы измерения выбранного прибора меньше ожидаемых значений тока и напряжения.

При использовании многопредельных измерительных приборов перед включением схемы устанавливается наибольший предел измерения, который затем в процессе испытаний уменьшается до необходимого.

В некоторых случаях предел измерения расширяют, включив измерительные трансформаторы тока (ТТ). при этом первичная обмотка трансформатора тока подсоединяется последовательно в разрыв ветви, ток которой измеряется, а токовые обмотки ваттметра и амперметра – последовательно в цепь вторичной обмотки ТТ.

(1)

Цена деления ваттметра определяется по формуле, Вт/дел.:
где и – пределы измерения по напряжению и току;

– число делений шкалы ваттметра.

При включении приборов через ТТ их показания умножаются на коэффициент ТТ.

Зажимы ваттметров, помеченные звездочками, должны быть подключены к источнику питания или зажиму трансформатора тока. Последнее особенно важно при включении трехфазных ваттметров, которые не имеют встроенных переключателей полярности.

Перед включением любой схемы движки регулирующей аппаратуры (автотрансформаторов, потенциометров и реостатов) должны стоять в положении, обеспечивающем минимум напряжения и тока в схеме.

Схемы разрешается включать только после проверки правильности монтажа преподавателем или дежурным лаборантом.

Лабораторная работа 1

ТРЕХФАЗНЫЕ ДВУХСЛОЙНЫЕ ОБМОТКИ СТАТОРОВ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Ц е л ь р а б о т ы – рассчитать двухслойную петлевую обмотку статора асинхронного двигателя; составить схему обмотки; выполнить двухслойную обмотку на статоре асинхронного двигателя и произвести опытную проверку правильности выполнения обмотки [ 1, гл. 3; 2, гл. 21; 5, гл. 2; 4, гл. 19].

Таблица 1

Алгоритм укладки обмотки

Слой	Начало обмотки	Номера пазов	Конец обмотки
Верхний	С1			С4
Нижний
Верхний	С2			С5
Нижний
Верхний	С3			С6
Нижний

Рис. 4

К двухслойным обмоткам статора относятся:

1) трехфазная всыпная обмотка при полузакрытой форме паза;

2) трехфазная катушечная обмотка при полуоткрытой и открытой форме паза;

3) трехфазная стержневая обмотка при открытой форме паза.

Полузакрытые пазы обычно применяются для обмоток статоров машин мощностью до 100 кВт ( =1500 об/мин) и напряжением до 650 В. При этом обмотка обычно изолируются от стенок паза трехслойной пазовой коробочкой (два слоя электрокартона и один слой лакоткани).

Для больших мощностей =(200-250) кВт, =4 и < 320 кВт, =2 в большинстве случаев выбираются полуоткрытые пазы и обмотки с жесткими секциями и проводниками прямоугольного сечения. В том и другом случае применяется изоляция класса А.

Открытые пазы на статоре применяются для двигателей при =250 кВт и

= 4, их можно применять и для меньших мощностей. При этом используется изоляция класса А и более высоких классов. При открытых пазах обмотка выполняется из жестких секций.

Эксперементальная часть

1) По заданному преподавателем варианту (табл.2) при =3; =5/6 рассчитать петлевую обмотку, определив

2) Вычертить схему обмотки при =1.

3) Составить алгоритм укладки обмотки.

4) Подготовить статор к укладке катушек.

5) Подготовить катушки к укладке в пазы (при методе без паек схемы все катушечные группы данной фазы готовят непрерывно).

6) Произвести укладку обмотки в пазы.

7) Произвести соединение катушечных групп в каждой фазе с выводом начал и концов фаз (маркируя их С1, С4, С2, С5, С3, С6).

Таблица 2

Исходные данные для построек обмоток

Вариант

Тип обмотки

Двухслойная

Однослойная

Число полюсов

Число пазов

1.3. Контрольные вопросы

1) Какие существуют типы двухслойных обмоток?

2) На каком расстоянии должны быть расположены начала и концы фаз?

3) В каком порядке составляется схемы обмотки?

4) Как располагаются катушечные группы в обмотках с дробным?

5) Сколько вариантов соединения катушечных групп может иметь обмотки при =6?

6) Для чего применяется укорочение шага обмотки?

7) Как производится укладка в пазы всыпных обмоток?

8) Когда выводы концов обмотки статора соединяют в «звезду», когда – в «треугольник»?

Лабораторная работа 2

Экспериментальная часть

1) Ознакомиться с исследуемым двигателем, занести номинальные параметры машины в отчет.

2) Произвести разбивку концов обмоток по фазам.

3) Определить начала и концы каждой фазы.

4) Собрать схему, представляемую на рис.5, и осуществить пуск двигателя следующими способами:

а) прямой пуск при соединении обмоток «звездой»;

б) прямой пуск при соединении обмоток «треугольником»

в) пуск при пониженном напряжении питания путем переключения обмоток со «звезды» на «треугольник».

Измерить пусковые токи при всех способах пуска, занести данные в отчет. Найти соотношение между этими токами.

5) Осуществить пуск двигателя с помощью магнитного пускателя.

6) Произвести испытания возможности работы и пуска АД на двух фазах.

7) Реверсировать направление вращения двигателя.

8) Записать выводы в отчет.

Рис.5

Рис.6

Рис.7

Методические указания

Процедура маркировки заключается в проведении двух операций:

разбивка обмоток по фазам;

непосредственно маркировка, т.е. определение начал и концов фаз.

Разбивка концов обмоток статора по фазам производится любым известным методом. В начале рекомендуется использовать вольтметр переменного тока на 250 В, включенный в схеме, приведенной на рис.6. Один вывод вольтметра подключают к одной фазе источника, другой – к одному из концов обмотки. Оставшиеся концы обмотки попеременно подключают к другой фазе источника. Вольтметр показывает напряжение сети тогда, когда электрическая цепь замкнется, т.е. два конца будут принадлежать одной фазе обмотки. Все переключения производить при выключенном источнике.

Начала и концы обмоток фаз в данной работе определить следующим способом (рис.7). Начало и конец первой фазы выбрать произвольно, а вторую фазу маркировать относительно первой: к концу первой фазы присоединить предполагаемое начало второй, затем к свободным концам подвести напряжение сети. Если начало второй фазы выбрано правильно, то вольтметр, подключенный к третьей фазе, покажет определенное напряжение; если это напряжение равно нулю, то конец и начало второй фазы выбраны неверно и их необходимо поменять.

Точно так же определить начало и конец третьей фазы. Закрепить на началах и концах фаз соответствующие бирки.

Маркировку концов обмоток по стандарту проводят с помощью милливольтметра. Для этого к обмотке одной из фаз подключают через рубильник источник постоянного тока (аккумулятор), который выбирают так, чтобы по обмотке проходил небольшой ток (обмотка при этом не должна сильно греться). В момент включения или отключения рубильника в обмотках двух других фаз будет индуктироваться электродвижущая сила (ЭДС), причем ее направление будет зависеть от полярности концов обмотки фазы, в которую включен аккумулятор. Если к условному началу присоединен «плюс» батареи, а к условному концу – «минус», то при отключении рубильника на других фазах будет «плюс» на началах и «минус» на концах, что можно определить по направлению отклонения стрелки милливольтметра, подключаемого поочередно к выводам концов двух других фаз. При включении рубильника полярность на других фазах будет обратной указанной.

Пусковые свойства АД в соответствии с ГОСТ 186 – 74 оцениваются его пусковыми характеристиками:

величиной пускового тока или его кратностью;

величиной пускового момента или его кратностью;

продолжительностью или плавностью пуска двигателя в ход;

сложностью пусковой операции;

экономичностью пусковой операции (стоимостью и надежностью пусковой аппаратуры), а также потерей энергии в ней.

Пуск двигателя начинается при скольжении =1. Пусковой ток при этом определяется выражением:

При пуске следует иметь в виду, что если на паспорте двигателя указано

« », то при линейном напряжении сети 220 В двигатель нормально работает при соединении обмоток «треугольником», при напряжении

380 В – «звездой». При соединении обмоток «звездой» величина пускового тока

где – сопротивление короткого замыкания фазы

обмотки. Прямое включение на «треугольник» вызывает большие пусковые токи:

Сопоставляя значения пусковых токов, видим, что

Описанный способ пуска имеет серьезный недостаток. Уменьшение пускового тока в три раза приводит к снижению пускового момента в три раза. Такое значительное уменьшение момента при пуске не позволяет применить этот способ для двигателей, включаемых с нагрузкой на валу.

Снижение напряжения при пуске АД может быть достигнуто включением в цепь статора двигателя реакторов или автотрансформаторов. Таким способом запускают АД большой мощности.

Для пуска двигателя с фазным ротором в цепь ротора включают пусковые сопротивления и тем самым увеличивают активное сопротивление цепи ротора.

По мере разгона двигателя пусковые сопротивления выводят из цепи ротора. Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременную работу под током, и поэтому оставлять его в цепи ротора после пуска двигателя нельзя.

Для реверсирования двигателя достаточно поменять любые две фазы двигателя, что приводит к изменению направления вращения магнитного поля статора и вращению ротора в другую сторону.

Пуск двигателя на двух фазах невозможен. Длительное включение двигателя на двух фазах опасно (двигатель перегревается).

Если в процессе работы двигателя произошел обрыв одной фазы, то он может продолжить работу. При этом увеличивается потребление тока почти в два раза. Кроме повышения магнитного шума (за счет того, что магнитное поле стало не круговым, а эллиптическим) происходит перегрев обмоток АД, что является основной причиной выхода их из строя.

2.4. Контрольные вопросы

1) Какие существуют способы определения начала и конца обмотки статора?

2) Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей?

3) Куда расходуется потребляемая при пуске мощность?

Лабораторная работа 3

Таблица 3

Соотношение между числом пар полюсов и синхронной частотой вращения поля

Принцип действия АД заключается в следующем: при включении обмотки статора АД в трехфазную сеть создается вращающееся магнитное поле, индуктирующее в обмотке ротора ЭДС, под действием которой в замкнутом контуре обмотки ротора начнут протекать токи; последние, взаимодействуя с магнитным полем, создают электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение вслед за вращением поля.

Ротор может достигнуть синхронной частоты вращения, так как в этом случае отсутствовало бы пересечение обмотки статора с линиями поля, исчезли бы ЭДС, токи ротора и электромагнитный момент. Частота вращения ротора.

Следовательно, вращение АД возможно только при, т.е. при синхронном вращении ротора. ЭДС вращающего относится к ЭДС неподвижного ротора

, отсюда и, где – частота ЭДС и

тока ротора.

Величина называется скольжением ротора относительно вращающего поля и характеризует степень отстаивания ротора от вращающегося поля статора. Скольжение АД может меняться в пределах от 0 до 1 (100%). При =0 режим называется идеальным холостым ходом машины, а при =1 – режимом короткого замыкания. Короткое замыкание может быть получено при подаче пониженного напряжения на статорную обмотку и заторможенном роторе.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным. Для двигателя нормального исполнения мощностью от 1 до

1000 кВт номинальное скольжение составляет (0, 02 – 0, 07). На щитке двигателя указывает номинальная частота вращения ротора. Эта величина дает возможность определить синхронную частоту вращения, номинальное скольжение, а также число полюсов обмотки статора. На щитке двигателя указывается также номинальное напряжение и способ соединения обмоток статора. Этими данными необходимо воспользоваться при сборке схемы двигателя.

АМ работает в режиме двигателя при. Реже используется генераторный режим (скольжение находится в пределах от 0 до – ). Третий возможный режим АМ – электромагнитный тормоз (скольжение измеряется от 1 до + ). Двигательный режим АМ применяется наиболее часто.

АД конструктивно выполняются в двух вариантах: с короткозамкнутым (рис.11) и фазным ротором (рис. 14).

В трехфазном АД обмотки статора соединяются по схеме «звезда» и «треугольник» в зависимости от напряжения питающей сети.

Электромагнитный момент АД создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем, где – машинная постоянная; – магнитный поток; – ток ротора; – угол между и. Он пропорционален электромагнитной мощности и в конечном итоге может быть рассчитан по следующей формуле:

(2)

где – число фаз статора; – число пар полюсов обмотки статора; –

напряжение сети, В; – соответственно активное сопротивление статора и приведенное сопротивление ротора, Ом; – реактивное сопротивления статора и ротора, Ом.

Зависимость называется механической характеристикой двигателя

и имеет вид, приведенный на рис. 8.

На этой характеристике можно указать соответствующее определенному режиму двигателя точки: 0 – идеальный холостой ход двигателя, достигается при вращении ротора вспомогательным двигателем с частотой вращения; С – номинальный; А – критический момент (момент опрокидывания) двигателя. При этом скольжение называется критическим, а двигатель развивает максимальный момент. Малейшее увеличение нагрузки на валу двигателя выше критической приводит к режиму короткого замыкания и переходу по характеристике к точке В. Точка В – момент пуска двигателя. Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной

способностью и для двигателя общего применения лежит в пределах

Анализ механической характеристики показывает, что устойчивая работа АД возможна при скольжении.

Электромагнитный момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения к статору. В то время величина критического скольжения не зависит от напряжения. Это дает возможность построить

характеристики для различных значений напряжения (рис. 9), из которых следует, что колебание напряжения сети сопровождается не только изменением момента, но и изменением частоты вращения ротора, так как изменяется и величина скольжения. При заметном уменьшении напряжения

(до 30%) момент двигателя уменьшается более чем вдвое. Это приводит к тому, что двигатель не в состоянии работать при номинальной нагрузке на валу.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Свойства АД характеризуются его рабочими характеристиками (рис. 10), ,

, , , при, которые снимаются при условии, что

и могут быть получены расчетным и опытным путем. В лабораторных условиях они снимаются на установке, где двигатель нагружают с помощью нагрузочного генератора. Для двигателей средней и большой мощности рабочие характеристики можно построить по круговой диаграмме.

При снятии рабочих характеристик необходимо измерить частоту вращения ротора. Существует несколько методов измерения:

1) с использованием тахометра;

2) с использованием тахогенераторов;

3) измерением скольжения. Последний способ позволяет с высокой

точностью определить по формуле: .

Для определения скольжения используют различные способы.

Стробоскопический метод, примененный в данной работе, заключается в том, что в ходе эксперимента измеряется частота скольжения. На валу двигателя укрепляется диск, разделенный на одинаковые темные и светлые секторы. При этом число темных секторов должно быть равно числу полюсов. Если этот вращающийся диск осветить неоновой лампой, получающей питание от той же сети переменного тока, что и двигатель, то будет наблюдаться вращение диска с частотой, равной отставанию ротора от магнитного поля статора. Причиной такого явления можно считать то, что газосветная лампа мерцает с частотой сети, вспыхивая каждый раз при переходе напряжения через максимум, т.е. 100 раз в секунду. Если двигатель четырехполюсный, то частота вращения поля статора

об/мин.

За 1/100 секунды двигатель делает оборота. Если бы ротор вращался с частотой вращения, то в период вспышки лампы темные секторы замещались бы один другим и мнимое изображение казалось бы неподвижным. Однако ротор не успевает за 1/100 секунды повернуться на ¼ оборота. Таким образом, будет казаться, что изображение секторов вращается в обратную сторону с частотой вращения. Подсчитав за некоторый промежуток времени число оборотов какого – либо сектора, можно определить