Реферат: Методические указания, лабораторные работы для студентов заочной формы обучения по специальности 140211

Негосударственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский институт энергобезопасности и энергосбережения


Кафедра

Электротехника и Электроника


ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА


Методические указания,

лабораторные работы


для студентов заочной формы

обучения по специальности 140211

«Электроснабжение»


Учебно-методический комплекс

Часть 3


Москва 2008

Электромеханика. Методические указания, лабораторные работы для студентов заочного обучения. - М.: МИЭЭ, 2007, 43 с.
Данные методические указания предназначены для студентов заочного отделения специальности «Электроэнергетика», изучающих дисциплину «Электромеханика». Целью данной работы является оказание помощи студентам при выполнении лабораторных работ по отдельным разделам дисциплины.

В указаниях приведены методики проведения лабораторных работ, краткие теоретические сведения по разделам дисциплины, расчетные формулы, векторные диаграммы и экспериментальные схемы лабораторного стенда. Кроме того, приведены указания по безопасному проведению лабораторных работ.


Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры Электротехники и электроники МИИЭ 12 марта 2007 г.


Автор: к.т.н., доцент ^ Котеленец Н.Ф.

Вычитка и корректура автора.


Формат 60×90 1/16. Тираж ….

Отпечатано в типографии

производственно-торговой фирмы

Московского института энергобезопасности и энергосбережения.


105043, Москва, ул. 4-я Парковая, д. 27,
тел. 965-3790, 652-2412, факс 965-3846.

www.mieen.ru, e-mail: ptf@mieen.ru


©МИЭЭ, 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ


Целью лабораторного практикума по электромеханике является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях и результате самостоятельной работы, а также приобретение навыков в исследовании электрических машин и трансформаторов. Настоящий лабораторный практикум включает четыре лабораторный работы:

1. Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора.

2. Исследование несимметричной нагрузки трансформатора.

3. Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора.

4. Исследование генератора постоянного тока.

Выполнение каждой лабораторной работы включает в себя следующие этапы:

а) самостоятельная подготовка к работе (знакомство с описанием работы, ее программой, порядком выполнения и подготовкой ответов на все контрольные вопросы, приведенные в описании лабораторной работы);

б) выполнение экспериментальной части работы (сборка схемы для проведения опыта, обязательная проверка собранной схемы преподавателям во избежание выхода из строя экспериментального стенда, проведение самого опыта с занесением его результатов в журнал лабораторных работ); результаты эксперимента предъявляются преподавателю и подписываются им;

в) обработка опытных данных ― проведение необходимых расчетов по результатам эксперимента, построение векторных диаграмм и характеристик (проводится в журнале лабораторных работ);

г) защита лабораторной работы ― принимается преподавателем в объеме контрольных вопросов после выполнения предыдущих этапов.



Внимание!

Приборы и установки, используемые в лабораторных работах, подключены к сети 380 вольт. При подаче питания на стенд на его лицевой панели загорается красная лампа.

^ Перед проведением лабораторной работы каждый студент обязан пройти инструктаж по технике безопасности.

Помните, что нарушение правил техники безопасности приводит к утрате здоровья и гибели людей.

^ Студенты, нарушившие правила техники безопасности удаляются из лаборатории.



Введение


Исследование трансформаторов проводится на базе сухих однофазных трансформаторов с расщепленной фазой (имеют две одинаковые обмотки НН) типа ОСМ1-016У3 мощностью 0,16 кВА, UВН = 220 В, UНН = 29 В, IВН = 0,8 А, IНН = 2x2,75 А. На стенде смонтировано три таких трансформатора, что позволяет проводить исследование как однофазных, так и трехфазных схем.

Сердечник трансформатора Ш-образный ленточный. Обмотки ВН имеют маркировку A-X, B-Y, C-Z; а обмотки НН ― a1-x1, a2-x2, b1-y1, b2-y2, c1-z1, c2-z2, соответственно. Обмотки ВН и НН расположены на среднем стержне сердечника.

Для измерения напряжений, токов и мощностей на лабораторном стенде установлены цифровой мультиметр марки UPM305 и тестер марки М838.

^ Исследование асинхронных двигателей проводится на базе серийного трехфазного 4-полюсного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора типа 4А56В4У3 с высотой оси вращения 56 мм. Номинальная мощность двигателя Рн = 180 Вт, напряжение Uн = 220/380 В, номинальный ток Iн = 1,15/0,66 А, номинальная скорость nн = 1370 об/мин, ηн = 64%, cosφн = 0,64.

Для измерения броска тока при прямом пуске асинхронного двигателя предусмотрен амперметр переменного тока; мультиметр в этой работе служит для измерения токов, напряжений и мощностей в цепи статора двигателя при снятии рабочих характеристик. Для контроля тока и напряжения нагрузочного генератора постоянного тока предназначены установленные на стенде вольтметр и амперметр постоянного тока.

^ Исследование генераторов постоянного тока проводится на базе 2 полюсного генератора малой мощности марки ПЛ-072. Номинальная мощность Рн = 180 Вт, номинальное напряжение Uн = 220В, ηн = 63%, номинальная скорость nн = 1500 об/мин. Возбуждение независимое.


^ Лабораторная работа №1

Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора


Краткие теоретические сведения

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство для преобразования электрической энергии (мощности) одного уровня напряжения и тока в электрическую энергию (мощность) другого уровня напряжения и тока.

Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом М.Фарадеем в 1831 году, согласно которому любое изменение потокосцепление контура (катушки) вызывает появление в ней ЭДС, пропорциональной скорости изменения потокосцепления.

Математическое выражение этого закона имеет вид

e = dψ/dt, (1.1)

где ψ – потокосцепление обмотки, Вб; t – время, с; e – наводимая в обмотке ЭДС, В.

Эта ЭДС направлена так, что вызванный ею ток препятствует изменению потокосцепления (правило Ленца). Поэтому уравнение (1.1) записывается в виде

e = – dψ/dt. (1.2)

При синусоидальном изменении потокосцепления во времени уравнение (1.1) может быть записано в действующих значениях в виде

E = 4,44fФmax w, (1.3)

где E – действующее значение ЭДС, В; f – частота сети, Гц; Фmax – максимальное (амплитудное) значение потока, Вб; w – число витков обмотки, с которой сцеплен поток Фmax.

Если первичную обмотку трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением , по обмотке потечет ток . Магнитодвижущая сила обмотки создает поток Ф1, который наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции . Все названные величины изменяются во времени синусоидально. Перечисленную последовательность физических явлений можно изобразить так:



Полный поток Ф1, созданный первичной обмоткой, делится на две принципиально различные части



где — поток взаимной индукции, замыкающийся по сер­дечнику и сцепленный с контуром вторичной обмотки; — поток рассеяния первичной обмотки, сцепленный только с ее витками и замыкающийся по воздуху; является пото­ком самоиндукции.

Магнитное сопротивление воздушных участков намного больше сопротивления сердечника, поэтому . Соответствующее соотношение получается, поэтому и между индуктивными сопротивлениями обмотки

х12 >> х1σ.

Когда по вторичной обмотке трансформатора будет проте­кать ток, она также создаст свою МДС F2 и потоки взаимной индукции Ф21 и рассеяния Ф2σ. Поток Ф2σ обусловит индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки х2σ. В итоге уравнения баланса напряжений для первичной и вторичной обмоток для комплексных величин будут иметь вид

(1.4)

В силовых трансформаторах ЭДС E1 и напряжение U1 практически равны не только в режиме холостого хода, но и при номинальной нагрузке. Их отношение ke = Eн/Uн = 0,98―0,99. Поэтому можно считать, что рабочий поток Ф12 неизменен и не зависит от величины нагрузки. Тогда из закона полного тока вытекает третье основное уравнение, описывающее работу трансформатора - уравнение баланса МДС

I1w1+I2w2 = I10w1, (1.5)

где I10 – ток холостого хода трансформатора.

Уравнения (1.4) и (1.5) являются основными уравнениями, описывающими работу трансформатора в установившихся режимах работы.

В трансформаторах широко применяется система относительных единиц, позволяющая получать инвариантные результаты расчетов независимо от того, используется трансформатор в качестве повышающего или понижающего. В качестве независимых базисных единиц принимаются номинальное фазное напряжение и номинальный фазный ток первичной обмотки трансформатора – Uбаз = Uн.ф, Iбаз = Iн.ф. В качестве производной (зависимой) базисной величины принимается сопротивление первичной обмотки трансформатора – zбаз = xбаз = rбаз = Uбаз/Iбаз = Uн.ф/Iн.ф .


Программа работы


Экспериментальная часть

1. Выполнить опыт холостого хода.

2. Выполнить опыт короткого замыкания.


Обработка опытных данных

1. По данным опыта холостого хода рассчитать коэффициент трансформации, построить характеристики холостого хода, рассчитать параметры , и Г-образной схемы замещения трансформатора, ток i10н (%) и коэффициент мощности холостого хода.

2. По данным опыта короткого замыкания построить характеристики короткого замыкания, рассчитать параметры , и Г-образной схемы замещения трансформатора, номинальное напряжение короткого замыкания uк.н (%) и коэффициент мощности короткого замыкания.

3. Нарисовать Г-образную схему замещения трансформатора и проставить на ней полученные значения сопротивлений.


^ Пояснения и указания к работе

Экспериментальная часть

1. Опыт холостого хода проводится с целью определения тока и потерь холостого хода, а также соответствующих параметров схемы замещения трансформатора. Номинальным током холостого хода I0н (А) называется установившийся ток в одной из обмоток трансформатора при приложении к ней номинального синусоидального напряжения при разомкнутых остальных обмотках. Ток холостого хода i0н принято выражать в процентах от номинального тока этой обмотки. Потери в трансформаторе, возникающие при этом, называются номинальными потерями холостого хода P0н (Вт).

Опыт холостого хода проводится по схеме, представленной на рис.1.1, где ^ В – трехфазный выключатель, с помощью которого подается напряжение на собранную схему; ЛАТР1 – лабораторный трехфазный автотрансформатор, с помощью которого регулируется напряжение, подаваемое на обмотки трансформатора; Т – испытуемый однофазный трансформатор; М1 – цифровой мультиметр; М2 – тестер.




Рис.1.1. Схема опыта холостого хода


Перед включением стенда следует убедиться, что ручка автотрансформатора ЛАТР1 установлена в нулевое положение, а выключатель В находится в положении «откл» (off). После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему. С помощью трехфазного автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают на обмотке ВН (обмотка A-X) однофазного трансформатора Т напряжение 240 В. Контроль величины напряжения осуществляют с помощью мультиметра М1 (см. табл. 1.1). Им же после установления напряжения измеряют мощность Р10н (Вт) и ток I10н (А). С помощью тестера М2 измеряют напряжение U20 = UНН обмотки НН (параллельно соединенные обмотки a1-x1 и a2-x2). Повторяют опыт при напряжениях 220 (номинальное), 200 и 180 В.

Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.


Таблица 1.1.

^ ПОКАЗАНИЯ МУЛЬТИМЕТРА

Измеряемая величина

Обозначение

Напряжение фазы А

Напряжение фазы В

Напряжение фазы С

U1

U2

U3

Напряжение линейное ^ А-В

Напряжение линейное В-С

Напряжение линейное А-С

U12

U23

U31

Ток фазы А

Ток фазы В

Ток фазы С

Ток в нейтрали

A1

A2

A3

An

Частота напряжения

F

Активная мощность фазы ^ А

Активная мощность фазы В

Активная мощность фазы С

Реактивная мощность фазы А

Реактивная мощность фазы В

Реактивная мощность фазы С

Р1

Р2

Р3

rP1

rP2

rP3

Полная мощность фазы ^ А

Полная мощность фазы В

Полная мощность фазы С

AP1

AP2

AP3

Активная мощность трех фаз

Реактивная мощность трех фаз

Полная мощность трех фаз

P

rP

AP


^ По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В – в положение «откл») и установить в нулевое положение ручку автотрансформатора ЛАТР1.


2. Опыт короткого замыкания проводится с целью определения напряжения uк.н (%) и потерь Рк.н (Вт) короткого замыкания, а также соответствующих параметров схемы замещения трансформатора. Номинальным напряжением короткого замыкания Uк.н называется напряжение, подаваемое на одну из обмоток трансформатора, при замкнутой накоротко другой обмотке; при этом по обеим обмоткам трансформатора протекают номинальные токи. Напряжение короткого замыкания uк.н принято выражать в процентах от номинального напряжения.

Опыт короткого замыкания проводится по схеме, представленной на рис.1.2 (обозначения на схеме те же, что на рис.1.1).



Рис.1.2. Схема опыта короткого замыкания


После включения стенда выключателем В подают напряжения на собранную схему. С помощью автотрансформатора ЛАТР1 плавно увеличивают c нуля подаваемое на обмотку ВН (обмотка A-X) однофазного трансформатора Т напряжение, пока вторичный ток в параллельно соединенных накоротко замкнутых обмотках (обмотки a1-x1,a2-x2)не достигнет номинального значения I2н = 5,5 А. Контроль напряжения U1к и тока I1к первичной обмотки и тока I2к вторичной обмотки осуществляют с помощью мультиметра М1. Им же измеряют потребляемую трансформатором мощность P1к. Повторяют опыт при значениях тока вторичной обмотки I2к = 0,8, 0,6 и 0,5 от исходного значения.

Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.


По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В – в положение «откл») и установить в нулевое положение ручку автотрансформатора ЛАТР1.


^ Обработка опытных данных

1. По данным опыта холостого хода для точки номинального напряжения рассчитывают:

коэффициент трансформации k ≈ U10/U20 = UAX/Uax,

коэффициент мощности холостого хода cosφ0 = P10/(U10I10),

номинальный ток холостого хода i0н = 100(I10 /I1н), где I1н = Iн.ВН - номинальный ток обмотки ВН трансформатора;

сопротивления схемы замещения (в Омах)

z12 ≈ z10 = U10/I10, r12 ≈ r10 = P10/(I102), x12 ≈ x10 = z10 sinφ0,

сопротивления схемы замещения (в относительных единицах)

= z12/zбаз , = x12/zбаз, = r12/zбаз.

Базисное сопротивление для первичной обмотки (ВН) рассчитывают по формуле zбаз = Uн.ВН/Iн.ВН (номинальные данные трансформатора приведены во Введении.

2. По данным опыта холостого хода строят характеристики холостого хода: P10, I10, cosφ10 = f(U10).

3. По данным опыта короткого замыкания для точки номинального тока рассчитывают:

напряжение короткого замыкания

uк.н = 100(U1к/U1н), %;

коэффициент мощности короткого замыкания

cosφк = P1к/(U1кI1к);

сопротивления схемы замещения в Омах

z1к = U1к/I1к, r1к = P1к/I1к2, x1к = z1к sinφк;

сопротивления схемы замещения в относительных единицах

= z1к/zбаз, = x1к/zбаз, = r1к/zбаз,

где zбаз рассчитано в п.1, первичная обмотка ― обмотка ВН;

изменение напряжения (β = 1) и cosφ2 = 0,9 в относительных единицах

∆u = (uк.аcosφ2 + uк.рsinφ2) = (cosφ2 + sinφ2), о.е;

изменение напряжения при номинальной нагрузке в вольтах

∆U = U20 ∆u, В.

4. По данным опыта короткого замыкания строят характеристики короткого замыкания: P1к, U1к, cosφ1к = f(I1к).

5. Рисуют упрощенную Г-образную схему замещения трансформатора, представленную на рис.1.3 и проставляют на ней значения сопротивлений (параметров) схемы замещения и тока холостого хода в относительных единицах в виде:

z12 = …+ j…, Ом; zк = …+ j…, Ом; i10 = …, %.




Рис.1.3. Упрощенная Г-образная схема замещения
трансформатора


^ Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы трансформатора. Что происходит с током первичной обмотки трансформатора при изменении тока во вторичной обмотке?

2. Что такое коэффициент трансформации? Как определить коэффициент трансформации расчетным и опытным путем?

3. Какие потери определяют потребляемую в режиме холостого хода активную мощность и в каких конструктивных элементах трансформатора они выделяются?

4. В опыте холостого хода первичной обмоткой являлась обмотка ВН. Как изменятся потери и ток холостого хода, если в качестве первичной обмотки использовать обмотку НН (на обмотку НН подается номинальное ее напряжение)?

5. Какие параметры схемы замещения трансформатора определяются по результатам опыта холостого хода? Как рассчитываются значения этих параметров?

6. Какие потери определяют потребляемую в режиме короткого замыкания активную мощность и в каких конструктивных элементах трансформатора они выделяются?

7. Что называется номинальным напряжением короткого замыкания и в каких единицах оно выражается?

8. Из каких соображений выбирается большее или меньшее значение напряжения короткого замыкания при проектировании систем электроснабжения?

9. Какие параметры схемы замещения трансформатора определяются по результатам опыта короткого замыкания? Как рассчитываются значения этих параметров?

10. Какие данные необходимы для расчета изменения напряжения трансформатора в функции его нагрузки?


^ Лабораторная работа №2

Исследование несимметричной нагрузки

трансформатора


Краткие теоретические сведения

Нагрузка трехфазного трансформатора называется несимметричной, если не равны токи фаз, если сдвиг токов по фазе во времени не равен 120° или если наблюдается и то и другое. Это может происходить при включении мощных однофазных потребителей энергии, в аварийных режимах однофазных и двухфазных коротких замыканий в линии электропередачи или на зажимах трансформатора, а также, когда сопротивления нагрузки в фазах различны — по модулю, по фазе или по обеим этим величинам.

Анализ и расчет характеристик трансформаторов в несимметричных режимах проводится с помощью метода трехфазных симметричных составляющих. Сущность метода состоит в том, что любая несимметричная система трехфазных величин (токов, напряжений и т. д.) может быть представлена в виде суммы трех систем. Две из них симметричные трехфазные (прямая и обратная последовательности), а третья содержит переменные, равные по величине и совпадающие по фазе во всех фазах трехфазной обмотки трансформатора (нулевая последовательность).

Для симметричной составляющей прямой последовательности справедливо выражение

, (2.1)

где , , Ia,b,c – токи фаз.

Для симметричной составляющей обратной последовательности справедливо выражение

(2.2)

Для симметричной составляющей нулевой последовательности справедливо выражение

(2.3)

При расчете характеристик методом симметричных составляющих решаются уравнения для каждой последовательности в отдельности. В трансформаторе магнитные потоки разных последовательностей не влияют друг на друга, если не учитываются насыщение и гистерезис стали сердечника. Ясно, что для определения симметричной составляющей любой переменной достаточно решить уравнения одной фазы трансформатора. После того как найдены симметричные составляющие, результирующие значения переменных определяются их геометрическим сложением .

Таким образом, метод симметричных составляющих основан на использовании принципа наложения, а он справедлив только для линейных систем. Поэтому принимается допущение, что сердечник трансформатора имеет линейные характеристики.

Все, что говорилось о симметричных режимах, в равной мере относится к прямой и обратной последовательностям по отдельности. То есть для них одинаковы и равны параметры схемы замещения, которые соответствуют параметрам схемы замещения в симметричном режиме работы (см. лабораторную работу №1).

Иначе обстоит дело с нулевой последовательностью. Параметры и все переменные нулевой последовательности зависят от схемы соединения обмоток трансформатора. Возможны два принципиально различных случая: когда токи нулевой последовательности протекают в одной обмотке трансформатора и когда они протекают в обеих обмотках. К первому случаю относится схема соединения У/У0, ко второму — Д/У0. В первом случае токи нулевой последовательности протекают только во вторичной обмотке, так как первичная обмотка является трехпроводной. Поэтому составляющая нулевой последовательности МДС вторичной обмотки F20 не компенсируется МДС первичной обмотки. Это приводит к появлению больших некомпенсированных магнитных потоков нулевой последовательности , совпадающих по величине и фазе во всех стержнях. В стержневом трансформаторе такие потоки могут замыкаться только по воздуху и металлическим частям конструкции трансформатора. По сердечнику поток Ф0 замыкаться не может, потому что в любом контуре, замыкающемся по сердечнику, сумма МДС от токов I0 равна нулю. Поток Ф0 индуцирует во всех фазах обмотки высшего напряжения одинаковую ЭДС нулевой последовательности , что приводит к искажению симметрии звезды первичных и вторичных фазных напряжений и ЭДС, как показано на рис.2.1. Из рис.2.1 видно, что симметричная тройка фазных напряжений Ua10, Ub10, Uc10 превращается в несимметричную  Ua10', Ub10', Uc10'. На рис.2.1 ЭДС E0 численно равна отрезку 00'.

Во втором случае поток нулевой последовательности вторичной обмотки индуцирует в фазах первичной обмотки ЭДС нулевой последовательности. Поскольку эти ЭДС совпадают по величине и фазе, то в замкнутом контуре треугольника возникнет ток нулевой последовательности. Этот ток почти на 90° отстает по фазе от вызвавшей его ЭДС, а создаваемый им поток нулевой последовательности находится практически в противофазе с потоком вторичной обмотки. Поэтому результирующий поток нулевой последовательности и наведенные им ЭДС в фазах обмоток будут малы, а искажение звезды фазных напряжений и ЭДС будет незначительным.


^ Программа работы

Подготовка к работе

Рассчитать распределение линейных токов в первичной обмотке трансформатора при однофазной нагрузке для номинального тока вторичной обмотки Ia = Iн = 2,75 А и занести результаты расчетов в журнал лабораторных работ.


Экспериментальная часть

1. Определить распределение токов в первичной обмотке трансформатора и искажение вторичных фазных напряжений для случая однофазной нагрузки при схеме соединения обмоток трансформатора Y/Y0.

2. Определить распределение линейных токов в первичной обмотке трансформатора и искажение вторичных фазных напряжений для случая однофазной нагрузки при схеме соединения обмоток трансформатора D/Y0.



Рис.2.1. Векторная диаграмма напряжений для случая
несимметричной нагрузки, соединенной по схеме Y0.

Обработка опытных данных

1. По данным опытов построить векторные диаграммы вторичных фазных и линейных ЭДС и определить искажение фазных напряжений ∆Uф (В) и ∆Uф* (о.е).

2. Сравнить полученные значения ∆ Uф* для двух схем соединения обмоток и сделать вывод о предпочтительности применения одной из них.

^ Пояснения и указания к работе

Подготовка к работе

Расчет распределения линейных токов в первичной обмотке, если пренебречь током холостого хода (справедливо для силовых трансформаторов), проводится по следующим формулам.

^ Схема Y/Yo

Во вторичной цепи трансформатора в этом случае будут токи всех трех последовательностей. Значение тока нулевой последовательности любой фазы равно

Ia0 = Ib0 = Iс0 = ⅓Iнг,

а токи в фазах вторичной обмотки равны

Ia = Iнг, Ib = Ic = 0.

Здесь Iнг – ток нагрузки, А.

Токи нулевой последовательности в первичной обмотке протекать не могут, так как схема ^ Y – трехпроводная. Поэтому в первичную обмотку трансформируются только токи прямой и обратной последовательности

IA = ⅔Iнг/k, IB = ⅓Iнг/k, IC = ⅓Iнг/k, (2.4)

где k – коэффициент трансформации, полученный в лабораторной работе №1.

^ Схема D/Y0

В первичную обмотку будут трансформироваться токи всех трех последовательностей, но токи нулевой последовательности будут замыкаться только внутри треугольника (будут в фазных токах). В линейных токах токов нулевой последовательности, как и в предыдущем случае, не будет, поскольку сеть осталась трехпроводной. Поэтому линейные токи при такой схеме соединения обмоток будут равны

IA = Iнг/k, IB = Iнг/k, IC = 0. (2.5)

Поскольку трансформаторы, установленные на лабораторном стенде, имеют мощность всего 0,16 кВА и ток холостого хода около 20%, то расчет токов по приведенным формулам также имеет погрешность порядка 20%.

^ Экспериментальная часть

Целью исследования несимметричной нагрузки трансформатора является изучение влияния токов нулевой последовательности на искажение симметрии фазных напряжений при различных схемах соединения первичной обмотки.

Объектом исследования является трехфазный групповой трансформатор, собранный из трех однофазных, описание которых приведено во введении. В качестве первичной трехфазной обмотки используются обмотки ВН однофазных трансформаторов, собранные по схеме Y или Д. В качестве вторичной трехфазной обмотки используются обмотки НН однофазных трансформаторов, собранные по схеме Y0. Однофазная активная нагрузка подключается к фазе «a» трансформатора – обмотка a1-x1.

1. Схема Y/Y0. Опыт проводится по схеме, представленной на рис.2.2, где Т – испытуемый 3-фазный групповой трансформатор, А~ – щитовой амперметр переменного тока; остальные обозначения соответствуют работе №1.



Рис.2.2. Соединение обмоток группового
трехфазного трансформатора по схеме Y/Y0


Перед включением стенда следует убедиться, что ручка автотрансформатора ЛАТР1 установлена в нулевое положение, а выключатель В находится в положении «откл» (off). После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему. С помощью автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают на обмотке ВН (обмотка A-X, B-Y, C-Z) трехфазного трансформатора Т номинальное линейное напряжение 380 В. Затем с помощью встроенного выключателя В1 к фазе «a» трансформатора подключают активную нагрузку и, изменяя ее, устанавливают по амперметру А~ ток, близкий к номинальному (2,75 А).

Контроль величины напряжения обмотки ВН осуществляют с помощью мультиметра М1 (см. табл. 1.1). Им же после установления номинального напряжения измеряют линейные токи первичной обмотки IА,В,С (А). С помощью тестера М2 измеряют фазные (Uа0,в0,с0) и линейные (Uab,bc,ca) напряжения обмотки НН. Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.

По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В), установить в нулевое положение ручку автотрансформатора ЛАТР1 и отключить активную нагрузку.

2. Схема D/Y0. По сравнению с предыдущим опытом необходимо лишь изменить схему соединения обмотки ВН в соответствии с рис.2.3. После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему. С помощью автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают на обмотке ВН (обмотка A-X, B-Y, C-Z) трехфазного трансформатора Т номинальное линейное напряжение 220 В. Затем с помощью встроенного выключателя В1 к фазе «а» трансформатора подключают активную нагрузку и устанавливают по амперметру А~ ток, близкий к номинальному (2,75 А).

Контроль величины напряжения обмотки ВН осуществляют с помощью мультиметра ^ М1. Им же после установления номинального напряжения измеряют линейные токи первичной обмотки IА,В,С (А). С помощью тестера М2 измеряют фазные (Uа0,в0,с0) и линейные (Uab,bc,ca) напряжения обмотки НН. Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.

По окончании опыта необходимо отключить схему (выключатель В), установить в нулевое положение ручку автотрансформатора ЛАТР1 и отключить активную нагрузку.


^ Обработка опытных данных

Сравнить расчетные и экспериментальные значения токов в первичной обмотке.

2. Векторные диаграммы вторичных линейных напряжений представляют собой треугольники, построенные по имеющимся значениям линейных напряжений с помощью циркуля. Рекомендуемый размер 100 мм на сторону треугольника линейных напряжений Uab,bc,ca (В). Тогда масштаб напряжений равен mU = 100/Uлин.

Центр звезды вторичных фазных напряжений (точка О’ на рис.2.1) определяют графически. Для этого откладывают циркулем в выбранном масштабе известные фазные напряжения из соответствующих вершин треугольника линейных напряжений.




Рис.2.3. Соединение обмоток группового
трехфазного трансформатора по схеме Д/Y0


3. Смещение нулевой точки звезды фазных напряжений ∆U2ф определяется графически как расстояние (в мм) между центром тяжести треугольника линейных напряжений (т. О) и центром звезды фазных напряжений (т. О’), как показано на рис.2.1. Тогда

∆U2ф = mU , В,

где mU ― выбранный для построения векторной диаграммы масштаб напряжений, В/мм.

Относительное значение этого смещения равно

∆ Uф* = 100(∆U2ф/ U2ф.ср), %.

Здесь U2ф.ср = ⅓(Ua0 + Ub0 + Uc0) , В.


Контрольные вопросы

1. Что понимается под термином «несимметричная нагрузка» трансформатора?

2. К каким неприятным последствиям для потребителей и для трансформатора приводит несимметрия нагрузки?

3. В каких случаях при несимметричной нагрузке появляется ток нулевой последовательности?

4. Как и почему первичная обмотка трансформатора, соединенная по схеме треугольник, влияет на величину искажения фазных напряжений при несимметричной нагрузке?

5. В чем состоит метод симметричных составляющих? Для каких систем он применим?

6. Какой должна быть схема соединения первичной обмотки, чтобы в нее трансформировался (не трансформировался) ток нулевой последовательности из вторичной обмотки?

7. Какие магнитные системы трехфазных трансформаторов Вы знаете? По какому пути замыкаются потоки нулевой последовательности в этих магнитных системах?

8. Применение какой трехфазной магнитной системы дает минимальное искажение фазных напряжений?


^ Лабораторная работа №3

Исследование асинхронного двигателя


Краткие теоретические сведения

Обмотка статора асинхронного двигателя подключается к сети переменного тока. Под действием напряжения сети в ней протекает переменный ток, создается МДС и вращающееся магнитное поле. Рабочий поток взаимной индукции проходит по ярму (спинке сердечника) и зубцам статора, через воздушный зазор, по зубцам и ярму (спинке сердечника) ротора, замыкаясь через полюс другой полярности (рис. 8-2). Поле при вращении пересекает проводники обмотки ротора, цепь которой всегда замкнута. В каждом проводнике наводится ЭДС, под действием которой в проводнике возникает ток. В результате взаимодействия этого тока с вращающимся полем статора появится тангенциальная сила, действующая на проводник.

Проводники обмотки ротора распределены по пазам сердечника ротора Произведение тангенциальной силы на плечо — расстояние до оси вращения — равно моменту. Суммирование моментов от всех проводников даст результирующий электромагнитный момент, действующий на ротор. Если электромагнитный момент больше момента сопротивления нагрузки, то ротор начнет вращаться.

Поле статора всегда вращается с постоянной скоростью n1, не зависящей от нагрузки. Начав вращаться под действием электромагнитного момента, ротор будет «догонять» поле статора. Но скорость вращения ротора n не может стать равной синхронной скорости вращения поля n1. Предположим, что эти скорости стали равны; тогда проводники ротора (и сам ротор) будут неподвижны относительно поля статора. В этом случае ЭДС проводника станет равной нулю, а, следовательно, нулю станут ток проводника, действующая на него сила и электромагнитный момент. Под действием момента сопротивления нагрузки ротор начнет тормозиться.

Таким образом, у асинхронного двигателя всегда n < n1, т.е. ротор «отстает» от поля статора, вращается медленнее его. Это несинхронное вращение ротора и стало причиной происхождения названия «асинхронный» двигатель. Скорость относительного скольжения ротора и поля статора равна nск = n1 — n. На практике обычно используется ее относительная величина, называемая скольжением

s = nск/n1 = (n1 —n)/n1. (3.1)

Отметим некоторые характерные значения скольжения. При пуске асинхронного двигателя в первый момент после включения в сеть ротор еще неподвижен, n = 0, s = 1. При холостом ходе, т.е. работе без нагрузки на валу, скорость ротора n весьма близка к n1 , но не равна ей, т.е. s ≈ 0. Работе с номинальным моментом нагрузки соответствует номинальное скольжение sном = 0,02 —0,05.

Частота ЭДС в обмотке ротора f2. определяется скоростью nски равна

f2 = p nск/60 = sf1, (3.2)

где f1 – частота токов в статоре, Гц.

Таким образом, поле статора наводит в роторе ЭДС переменной частоты f2, которую называют частотой скольжения. Преобразование частоты — одно из полезных свойств асинхронной машины, используемое на практике. При пуске асинхронного двигателя частота в роторе наибольшая, так как при n = 0, s = 1 и f2 = f1.

При холостом ходе двигатель преодолевает только незначительный момент трения в подшипниках, момент сопротивления собственного вентилятора, находящегося на валу двигателя, щеток о контактные кольца у двигателя с фазным ротором, и трения поверхности ротора о воздух. В сумме этот момент называется моментом холостого хода. По принципу действия электромагнитный момент M в асинхронном двигателе создается за счет взаимодействия вращающегося поля с током ротора. Следовательно, M ~ ФI2.

Рабочий магнитный поток в асинхронном двигателе, как и в трансформаторе, определяется приложенным напряжением, он практически одинаков при любой нагрузке. Для преодоления момента холостого хода нужен маленький ток в роторе. Токи ротора и статора связаны между собой таким же соотношением, как в трансформаторе. Поэтому при холостом ходе ток в каждой фазе обмотки статора I10 тоже мал, он содержит намагничивающую (реактивную) составляющую и небольшую активную, обусловленную потерями холостого хода. С увеличением момента нагрузки на валу асинхронного двигателя скорость вращения ротора снижается, а скольжение растет. При переходе от холостого хода к режиму номинальной нагрузки у серийных асинхронных двигателей это снижение скорости невелико. Одновременно с возрастанием скольжения увеличиваются ЭДС и ток в роторе, а также развиваемый двигателем электромагнитный момент.

Физический смысл приведения обмотки ротора к статору такой же, как в трансформаторе. При этом также выравнивают количества витков и обмоточные коэффициенты статора и ротора, а инвариантами остаются МДС, мощности и потери в роторе. Из этого следует, что приведенная ЭДС в фазе обмотки ротора E2' равна ЭДС фазы статора E1.

После приведения роторные величины стали иметь те же порядки, что и статорные. Замена вращающегося ротора на эквивалентный неподвижный выровняла их частоты, они равны частоте сети. Теперь можно описать асинхронную машину единой системой комплексных уравнений. Основные уравнения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором после приведения имеют вид

(3.3)

Поскольку основные уравнения асинхронной машины (3.3) и трансформатора – (1.4), (1.5) подобны, то аналогичными оказываются и их схемы замещения. Различие состоит в том, что в двигателе помимо магнитных и электрически