Новости

Исследование цепей синусоидального тока с конденсатором и индуктивной катушки

Работа добавлена:






Исследование цепей синусоидального тока с конденсатором и индуктивной катушки на http://mirrorref.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное Государственное Автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Димитровградский инженерно-технологический институт-филиал НИЯУМИФИ

Дисциплина  «Электротехника и электроника»

Лабораторные работы

Специальность

Студента

Группы

Проверил                                                                          Коновалов В. И.

г. Димитровград 2013

Практическая работа № 1

Тема:  Исследование цепей синусоидального тока с конденсатором и

индуктивной катушки

Цель работы: Исследование режимов работы цепей синусоидального тока с последовательным и параллельным соединением конденсатора и индуктивной катушки.

1 Краткие теоретические сведения

    Между напряжениями на отдельных участках цепи существуют углы сдвига фаз, поэтому складывать их можно только геометрически. Напряжение на входе цепи можно найти на основании второго закона Кирхгофа в векторной форме.

(1)

где - активная составляющая напряжение катушки. Вектор  -совпадает по фазе с вектором тока,

- индуктивная составляющая напряжение катушки. Вектор  опережает вектор тока  на 900,

- емкостное напряжение конденсатора. Вектор  отстает от  вектора тока  на 900.

    Модули этих напряжений:

(2)

где -индуктивное сопротивление катушки:

(3)

-емкостное сопротивление конденсатора:

(4)

(5)

гдеZ полное сопротивление цепи переменного тока.

    По закону Ома

(6)

(7)

где  - ток конденсатора,      - ток катушки.

    Ток неразветвленного участка цепи по закону Курхгофа в векторной форме:

(8)

    Токи в параллельных цепях пропорциональны входному напряжению.

(9)

гдеG - активная проводимость, См.,

BL- индуктивная проводимость, См,

BС- индуктивная проводимость, См.

(10)

гдеY-  Полная проводимость.

По закону Ома , записанному для цепи с параллельными соединениями ветвей, через проводимости

(11)

Условие возникновения резонанса:

(12)

Тогда

(13)

2 Расчет

C

                                 36B

R,L

Рис. №1. Схема электрической цепи с последовательным соединением конденсатора и индуктивной катушки.

Таблица№1

I

U

U1

U2

UR

UL

φ

RK

XLK

Xc

X

Z

C

LK

cosφ

А

В

В

В

В

В

град

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

мкФ

Гн

-

0.8

28

63

88

12,6

88

63

15.8

110

78.8

31,2

35

40

35.03

0,45

2.4

28

109

193

27,8

193

16

11.6

80,4

6,6

73.8

11,6

40

25.6

1

1.05

28

85

60

12,6

60

63

12

57,1

60

-2,9

26,7

39

18.18

0,45

1)=> Ом1)Ом

2)Ом2) Ом

3)Ом3) Ом

1)Х=ХL- Хс=> 110 - 78.8 = 31,2 Ом

2)X= 80,4 - 6.6 = 73.8 Ом

3)X= 57,1 - 60 = -2,9 Ом

1)35 Ом

2)Ом

3)Ом

1)

2)

3)

127 В

    С

R,L

Рисунок №2. Схема электрической цепи с параллельным соединением конденсатора и индуктивной катушки.

Данные измерений

Данные из векторной диаграмм

Результаты вычислений

U

I

I1

I2

Ia

Ip

I2a

I2L

cosφ

G

BC

BL

Y

cosφ

B

A

A

A

A

A

A

A

град

см

см

см

см

-

130

0.49

1.68

1.2

0,08

0.48

0,08

1.19

81

0.0006

0.0129

0.0032

0.0037

0,16

130

0.35

1.7

1.65

0.36

0.01

0.36

1.66

-2

0.0028

0.0127

0.0131

0.0028

1

130

0.95

1.65

1.65

0.69

0.64

0.69

2.29

-43

0.0053

0.0127

0.0185

0.0078

0.73

1)Iа =GU => См                 1) Вс =I1/ В = 1.68 / 130 = 0.0129 См

2) См                                     2) Вс = 1.7/ 130 = 0.0127 См

3)См                                     3)Вс = 1.65/ 130 = 0.0127См

1) IL= BLU =>

2)

3)

1)

2)

3)

1)

2)

3)

3 Контрольные вопросы

1. Записать выражение закона Ома для цепи с последовательным соединением конденсатора и индуктивной катушки. Чему равны полное сопротивление цепи и коэффициента мощностиcosφ?

2. Условие, признака и применение резонанса напряжений. В каком случае резонанс напряжений вреден? Почему?

3. Каким способами  можно достичь резонанса напряжений?

4. Почему при резонансе напряженийU2 >U1

5. Какова особенность резонанса напряжений? Объяснить ее.

6. Записать выражение закона Ома через проводимости для цепи с параллельным соединением конденсатора и индуктивной катушки. Чему равна полная проводимость?

7. Условие, признаки и применение резонанса токов.

8. Каким способами можно достичь резонанс токов.

9. Почему при резонансе токовI2>I1.

10. Какова особенность резонанса токов? Объяснить ее.

11. Объяснить построение векторных диаграмм.

Ответы:

1. Закон Ома

I =U /Z

Коэффициент мощностиcosφ при резонансе напряжений равен единице.

Cosφ =P /s =UR/U

2. Режим, при котором в цепи с последовательным соединением индуктивного и емкостного элемента напряжение на входе совпадает по фазе с током, резонанс напряжения..

внезапное возникновение резонансного режима в цепях большой мощности может вызывать аварийные ситуацию, привести к пробою изоляции проводов и кабелей и создать опасность для персонала.

3. При подключении колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора ,к источнику энергии могут возникнуть резонансное  явление. Возможны два основных типа резонанса: при последовательном соединение катушки и конденсатора- резонанс напряжений, при их параллельном соединении- резонансов токов.

4. Почему при резонансе напряженийU2 >U1

(5)

Где R – активное сопротивление

I – сила тока

XL – индуктивное сопротивление катушки

XC – емкостное сопротивление конденсатора

Z – полное сопротивление переменного тока

При резонансе:UL =UС,

ГдеUС – напряжение катушки,

UL – напряжение конденсатора

Напряжение можно найти:

U =UR+UL+UC=>U =UR,

ГдеUR– напряжение катушки, к которой подключен вольтметр V2, значит напряжение V2=V1

5. Следовательно, режим резонанса может быть достигнут изменением индуктивности катушкиL, емкости конденсата С или частоты входного напряжения ω.

6. Закон Ома через проводимости для цепи переменного тока с параллельным соединение ветвей.

7.Условие резонанса токов

т.е  равенство индуктивной и емкостной проводимостей.

8. Режим, при котором в цепи, содержащей параллельное ветви с индуктивным и емкостным элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением , резонансом токов.

9. При резонансе токов токи в ветвях значительно больше тока неразветвленной части цепи. Это свойство-усилие тока- является важнейшей особенностью резонанса токов.

10. Целью ее построения является определение активной и ревктивной составляющих напряжения на катушке и угла сдвига фаз между напряжением на входе цепи и током.

Список литературы

1. В. В. Бережных, И. П. Макарьева, Т. Н. Бережных, М. О. Умнова «Электрические цепи. Электротехника. Методические указания к выполнению лабораторных работ» - Иркутск: издательство ИрГТУ, 2001.-36с.

2. А. С. Касаткин, М. В. Немцов «Электротехника» - М.: издательство «высшая школа», 2000.-542с.

Практическая работа № 2

Тема: Исследование трёхфазной цепи при соединении приёмников в звезду

Цель работы:Исследование трех однофазных приемников, соединенных в звезду с нейтральным и без нейтрального провода при различных режимах работы цепи.

1 Краткие теоретические сведения

2 Расчет

Режим работы цепи

Измеряемые величины

              Расчетные величины

A*

А

А

А

A

B

B

B

B

B

B

B

-

Вт

Вт

Вт

Вт

Вар

А

   Симметричный

С нейтральным проводом

3

3

3

0

130

130

130

224

224

224

0

1.73

390

390

390

1170

0

0

Без нейтрального

провода

3

3

3

0

130

130

130

224

224

224

0

1.73

390

390

390

1170

0

-

    Несимметричный

С нейтральным проводом

3.6

2.8

2.3

0

110

134

148

224

224

224

0

1.73

468

351

370

1079

0

1.4

Без нейтрального

провода

3.1

2.8

2.3

0

110

134

148

224

224

224

2.2

-

341

375

189

1056

0

-

Таблицы данных

Расчетные формулы

Активная мощность каждой фазы определяется по формуле:

Активная мощность трехфазного приемника равна арифметической сумме активных мощностей отдельных фаз:

Реактивная мощность:

;      ;

3 Контрольные вопросы

  1. Что представляет собой трехфазная цепь? Каковы ее элементы?

ОТВЕТ

Трехфазная цепь представляет собой совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, амплитуды, сдвинутые друг относительно друга на 120° и создаваемые общим источником энергии. Такая трехфазная система называется симметричной.     Трехфазная цепь состоит из трех основных частей: трехфазного генератора, линии передачи и приемников

  1. Что такое фаза трехфазной цепи?

ОТВЕТ

Каждую цепь трехфазной системы, характеризующуюся одним током, называют фазой.

  1. В чем преимущества трехфазной цепи перед однофазной?

ОТВЕТ

Трехфазные цепи имеют ряд преимуществ перед однофазными цепями: возможность получения от одного генератора двух различных эксплуатационных напряжений - фазного и линейного; экономичность передачи энергии на дальние расстояния (экономится цветной металл на изготовление ЛЭП); возможность получения вращающегося магнитного поля, необходимого для работы электродвигателей переменного тока.

  1. Какая система величин (ЭДС, напряжений, токов) называется трехфазной симметричной?
  2. Какое соединение фаз называется соединением в звезду?

ОТВЕТ

Звездой называют соединение, при котором концы фаз генератораX,Y,Zили приемниках, у,zсоединяются в один общий узелNилип,называемый нейтральной точкой или нейтралью генератора или приемника. ПроводN-n,соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называют нейтральным или нулевым.

Рис.4. Схема четырехпроводной трехфазной цепи

  1. Какое напряжение называется линейным, фазным? Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями при любой нагрузке и при симметричной нагрузке?

ОТВЕТ

Важной особенностью трехфазных цепей является наличие двух напряжений - фазного и линейного.

Фазным называют напряжение между началом и концом каждой фазы генератора или приемника.

Линейным называют напряжение между началами двух фаз

Соотношения между линейными и фазными напряжениями можно определить из уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа для контуровANBA,BNCB,CNAC(рис. 4):

; ;

  1. Какой ток называется линейным, фазным? Каково соотношение между линейным и фазным токами при соединении фаз приемника в звезду?

ОТВЕТ

Провода, соединяющие начала фаз генератора и приемника, называют линейными. По линейным проводам протекают линейные токи. В фазах генератора и приемника протекают фазные токи.Фаза генератора, линейный провод и фаза приемника соединяются последовательно, поэтому линейный ток одновременно является фазным:

  1. В чем отличие и преимущества трехпроводных и четырехпроводных цепей?

ОТВЕТ

Звезду с нейтральным проводом называют четырехпроводной, а без нейтрального провода трехпроводной.

  1. Как определить мощности трехфазной цепи?

ОТВЕТ

Активная мощность каждой фазы определяется по формуле:

Активная мощность трехфазного приемника равна арифметической сумме активных мощностей отдельных фаз:

Активная мощность симметричного трехфазного приемника:

Аналогично выражается и реактивная мощность:

;;

  1. Объяснить построение векторных диаграмм для всех режимов.

ОТВЕТ

  1. Выбрать масштаб для напряжений и токов.
  2. Построить топографическую векторную диаграмму линейных напряжений в виде равностороннего треугольника.
  3. Из каждой вершины треугольника циркулем провести засечки, радиусы которых в масштабе соответственно равны напряжениям. Точку их пересечения и соединить с вершинами треугольника, получив векторы фазных напряжений.
  4. Построить векторы фазных токов, учитывая характер нагрузки каждой фазы приемника: при активной нагрузке - ток и напряжение совпадают по фазе, при индуктивной - ток отстает по фазе от напряжения на 90°, при емкостной - ток опережает напряжение на 90°.
  5. Построить вектор тока в нейтральном проводе по уравнению и определить его величину, измерив длину вектора и учтя масштабный коэффициент.

Список литературы

1. В. В. Бережных, И. П. Макарьева, Т. Н. Бережных, М. О. Умнова «Электрические цепи. Электротехника. Методические указания к выполнению лабораторных работ» - Иркутск: издательство ИрГТУ, 2001.-36с.

2. А. С. Касаткин, М. В. Немцов «Электротехника» - М.: издательство «высшая школа», 2000.-542с.

Практическая работа № 3

Тема: Исследование трехфазной цепи при соединении приемника в

треугольник

Цель работы:  Исследованиетрех однофазных приемников, соединенных в треугольник при различных режимах работы цепи.

1 Краткие теоретические сведения

В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывают несимметричными, очень важно на практике обеспечить независимость режима работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной цепи подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника треугольником. Соединением в треугольник называется соединение, когда конец одной фазы соединяется с началом другой, образуя замкнутый контур. Полученные узлы присоединяют к соответствующим началам фаз генератора (рис. 1).

Рис. 1. Схема трехпроводной трехфазной цепи при соединении приемников в треугольник

    В треугольник могут соединяться фазы трансформаторов, электродвигателей, фазы осветительной нагрузки и т. д. При соединении фаз приемников с сопротивлениямиZafi,Zec.Zcaв треугольник каждая фаза включается на линейное напряжение источника. Поэтому фазные напряженияUфравны линейным напряжениямUлт.е.

Uф =Uл(1)

Фазные токи Iав, Iвс,Iсаопределяются по формулам:

(2)

Линейные токиIA, IВ,Iсопределяются по фазным токам из уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа для узлова,b,c.(рис. 1).

(3)

    Из уравнений (3) следует, что любой из линейных токов равен геометрической разности токов тех двух фаз нагрузки, которые соединяются с данным линейным проводом. Векторы линейных токовIЛможно определить из векторной диаграммы, построенной на основании уравнений (3), для чисто активной нагрузки, например, осветительной (рис. 2).

Рис.2. Векторная топографическая диаграмма напряжений и токов для симметричной нагрузки

    При симметричной нагрузке:

;;

При этом линейныйIл и фазныйIФтоки связаны числовым соотношением, которое можно определить из заштрихованного треугольника (рис. 2).

       Т.е.

При несимметричной нагрузке,

т. е. при изменении сопротивления одной из фаз. режим работы других фаз останется неизменным, т. к. сохраняется постоянство напряжений на фазах нагрузки, что является важной особенностью соединения фаз приемника треугольником. Поэтому схему соединения треугольником используют для включения несимметричных однофазных приемников, например, осветительных приборов в трехпроводную осветительную сеть.

В зависимости от условий работы нагрузки целесообразно изменять способ соединения фаз - переключать со звезды на треугольник и обратно, при этом линейный ток нагрузки изменяется в три раза.

Тогда отношение,          т.е.

    Активную мощностькаждой фазы можно определить по формуле:

авсей цепи:

    Активная мощность симметричного трехфазного приемника, как и при соединении фаз звездой, будет равна:

    Реактивная мощностькаждой фазы определяется по формуле:

Рис.3. Схема трехфазной цепи при соединении фаз приемников в

треугольник

А1, А2, A3 - амперметры с номинальным значением тока 10A;А4, А5, А6 - амперметры с номинальным значением тока 5А;SI,S2,S3- выключатели;R1,R2,R3 -переменные резисторы;V - переносной вольтметр с номинальным значением напряжения 300В

2 Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с лабораторным стендом.

2.Собрать электрическую цепь по схеме рис. 3.

После проверки цепи преподавателем включить ее в сеть.

С помощью переменных резисторовRl,R2,R3 установить симметричный режим (фазные токи равны между собой). Записать показания всех приборов в таблицу.

Изменяя сопротивление одного из резисторовRl,R2.R3 установить несимметричный режим. Записать в таблицу показания всех приборов.

Записать показания всех приборов при отсутствии тока в одной из фаз (выключательS2 или S3 поставить в положение «выкл»).

Поставить выключательS2 или S3 в положение «вкл»,aS1 - в положение «выкл», что имитирует обрыв линейного провода "А-а". Записать в таблицу показания всех приборов.

Поставить выключательS1 в положение «вкл», а в фазу "са" вместо резистора включить конденсатор и записать показания всех приборов.

3 Расчет

Таблица 1. Измеренные и расчетные величины для двух режимов работ.

Режим

работы

Измеряемые величины

Расчетные величины

IA

IB

IC

Iab

Ibc

Ica

Uab

Ubc

Uca

IЛ/Iф

Pab

Pbc

Pca

P

Q

A

A

A

A

A

A

B

B

B

-

Вт

Вт

Вт

Вт

BAp

Симметр.

6,8

7

7

4

4

4

224

224

226

1,67

1188

1188

1188

3564

205

Несиммет.

6,4

6,7

8

3,6

4.8

4

224

224

226

1584

1188

1419

4797

242

4 Контрольные вопросы

1. Какое соединение фаз называется соединением в треугольник?

Соединением в треугольник называется соединение, когда конец одной фазы соединяется с началом другой, образуя замкнутый контур. Полученные узлы присоединяются к соответствующим началам фаз генератора.

2.Какое соотношение между фазными и линейными напряжениями при соединении приемников в треугольник?

В треугольник могут соединяться фазы трансформаторов, электродвигателей, фазы осветительной нагрузки и т.д.. При соединении фаз приемников с сопротивлениемZав,Zвс,Zса в треугольник каждая фаза включается на линейное напряжение источника. Поэтому фазные напряженияUф равны линейным напряжениямUл, т.е.

3. Каковы соотношения между фазными и линейными токами для любой нагрузки и для симметричной нагрузки при соединении приемников в треугольник?

Фазные токиIав,Iвс,Iса определяются по формулам:

Линейные токиIА,IВ,IС определяются по фазным токам из уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа для узлов а, в, с

;     ;

Из уравнения следует, что любой из линейных токов равен геометрической разности токов тех двух фаз нагрузки, которые соединяются с данным линейным проводом. Векторы линейных токовIл можно определить из векторной диаграммы, построенной на основании уравнения, для чисто активной нагрузки, например, осветительной

Рис.6. Векторная топографическая диаграмма напряжений и токов для симметричной нагрузки

При симметричной нагрузке:

; ;

При этом линейныйIЛ и фазныйIФтоки связаны числовым соотношением, которое можно определить из заштрихованного треугольника (рис. 4).

       Т.е.

4.Каковы особенности соединения фаз приемников в треугольник?

При несимметричной нагрузке,т. е. при изменении сопротивления одной из фаз. режим работы других фаз останется неизменным, т. к. сохраняется постоянство напряжений на фазах нагрузки, что является важной особенностью соединения фаз приемника треугольником. Поэтому схему соединения треугольником используют для включения несимметричных однофазных приемников, например, осветительных приборов в трехпроводную осветительную сеть.

5. В каком случае следует применить соединениефаз приемников в треугольник?

Преимуществом соединения фаз источника энергии и приемника треугольником по сравнению с соединением звездной без нейтрального провода является взаимная независимость фазных токов

6. В чем достоинства схемы соединения в треугольник по сравнению со с схемой соединения в звезду?

Схема соединения трех фаз приемника не зависит от схемы соединения трех фаз генератора. Соединения фаз приемника треугольником часто переключается на соединение звездной для изменения тока и мощности, например для уменьшения пусковых токов трехфазных двигателей, изменение трех фазных электрических цепей и   т. д.

7. Изменяются ли линейные токи при изменении сопротивления одной из фаз приемников?

 При несимметричной нагрузке, т. е. при изменении сопротивления одной из фаз, режим работы других фаз останется неизменным, т. к. сохраняется постоянство напряжений на фазах нагрузки, что является важной особенностью соединения фаз приемника треугольником. Поэтому схему соединения треугольником используют для включения несимметричных однофазных приемников, например, осветительных приборов в тpexпроводную осветительную сеть

8. Изменяются ли линейные токи при обрыве одной из фаз приемников?

Токи в оставшихся фазах не изменятся, т.к. при наличии нейтрального провода напряжения на фазах всегда равны напряжениям источника. Изменится ток в нейтральном проводе.

9. Как влияет на режим работы цепи обрыв одного из линейных проводов?

Режим работы фаз не изменяется, т.к. напряжение на ее зажимах остается номинальным. При обрыве линии "A" IA = 0; сопротивление фаз "AB" и "BC" соединены последовательно и включены на напряжение UBC, т.е. IAB = ICA = UBC / (RAB + RCA); напряжение UBC распределяется между ними пропорционально величинам сопротивлений.

10. Как изменяются линейный ток и мощность, если соединенные в звезду одинаковые однофазные приемники переключить на треугольник (линейные напряжения в обоих случаях одинаковы)?

В зависимости от условий работы нагрузки целесообразно изменять способ соединения   фаз - переключать со звезды на треугольник и обратно, при этом линейный ток нагрузки изменяется в три раза

тогда отношение

11.Объяснить построение векторных диаграмм

1. Выбрать масштаб для токаmIи для напряженияmU

2. Построить равносторонний треугольник фазных (линейных) напряжений приемника

3. С учетом характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная) строятся векторы фазных токов. При индуктивной нагрузке вектор фазного тока отстает от своего напряжения на 900, при емкостной – вектор фазного тока опережает напряжения на 900, при чисто активной нагрузке фазный ток совпадает по направлению со своим напряжением

4. На основании уравнения построить векторы линейных токов

Список литературы

1. В. В. Бережных, И. П. Макарьева, Т. Н. Бережных, М. О. Умнова «Электрические цепи. Электротехника. Методические указания к выполнению лабораторных работ» - Иркутск: издательство ИрГТУ, 2001.-36с.

2. А. С. Касаткин, М. В. Немцов «Электротехника» - М.: издательство «высшая школа», 2000.-542с.

Практическая работа № 4

Тема: Испытание однофазного трансформатора

Цель: ознакомление с методами получения эксплуатационных характеристик трансформатора и определения параметров его схемы замещения.

Основные понятия

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный дня преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Рис.1

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника и двух расположенных на нём обмоток. Одна из них, первичная с числом витков, подключается к источнику питания с напряжением . К другой, вторичной с числом витковW2, подключается потребитель (рис. 1).

Под действием подведённого переменного напряжения в первичной обмотке возникает ток и возбуждается переменное магнитное поле. Большая часть силовых линий этого поля замыкается по сердечнику, образуя рабочий поток Ф. Этот поток сцепляется с витками обеих обмоток и наводит в них ЭДС индукции:

Действующие значения ЭДС е1 и е2 равны:

Кроме основного (рабочего) потока Ф в трансформаторе возбуждаются переменные магнитные потоки рассеяния Фσ1и Ф σ2, силовые линии которых замыкаются вокруг витков обмоток через воздух. Эти потоки наводят в обмотках ЭДС еσ1и еσ2.

Действующие значения ЭДС рассеяния равны:

  В процессе передачи энергии от сети к потребителю магнитные потоки Фσ1и Ф σ2 не участвуют.

Уравнения электрического состояния цепей первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора имеют вид:

При изменении нагрузки трансформатора, сопровождающемся изменением токаI2, происходит и изменение напряжения на зажимах вторичной обмоткиU2.

Зависимость вторичного напряженияU2 от тока нагрузкиI2 называется внешней характеристикой трансформатора, т.е. это зависимостьU2 =f(I2) получаемая приU1 =const иcosφ=const. На рис. 2 приведены внешние характеристики трансформатора, работающего при различных по характеру сопротивлениях нагрузки.

Работа трансформатора сопровождается потерями энергии. Различают два вида потерь: магнитные (мощность потерь в сердечнике или в стали); электрические (мощность потерь в обмотках). Таким образом» мощность потерь в трансформаторе

Мощность потерь в сердечнике ΔРМ пропорциональна квадрату приложенного напряжения и не зависит от нагрузки.

Мощность потерь в обмотках пропорциональна квадрату тока:

где ΔРэ1 - мощность потерь в первичной обмотке; ΔРэ2- мощность потерь во вторичной обмотке.

Рис.2

При расчёте электрических цепей, содержащих трансформатор, магнитная связь между его обмотками заменяется электрической. Реальный трансформатор представляется при этом эквивалентной электрической схемой, которая называется схемой замещения. На схеме замещения все величины, относящиеся ко вторичной цепи трансформатора, приведены к первичной. Приведение осуществляется заменой реального трансформатора сW2W1 иn≠1 эквивалентным трансформатором, у которогоW`2 иn = 1 .

Используется чаще всего упрощенная Г-образная схема замещения, изображённая на рис. 3.

Рис. 3. Г-образная схема замещения трансформатора

RK и   ХK- параметры короткого замыкания трансформатора, определяются по следующим формулам:

гдеR1 и Х1- активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки;R1 и Х’1 - приведённые активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки;R0 и Х0 -параметры холостого хода трансформатора, параметры ветви намагничивания (рис. 3).

Для определения параметров схемы замещения используются данные, полученные в результате проведения опытов холостого хода и короткого замыкания.

Трансформатор находится в режиме холостого хода при разомкнутой цепи вторичной обмотки (I2 = 0) . Опыт проводится при подведении к первичной обмотке номинального напряжения.

Измерения, произведённые при опыте холостого хода, позволяют определить мощность потерь в сердечнике, параметры ветви намагничивания Г-образной схемы замещения, коэффициент трансформации.

Трансформатору, находящемуся в режиме холостого хода, соответствует схема замещения, изображённая на рис. 4.

Рис.4

Мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, затрачивается на потери в стали сердечникаP0=ΔРМ. Параметры схемы замещения определяются по формулам:

Коэффициент трансформации трансформатора, равный отношению числа витков обмотки высокого напряженияWвн к числу витков обмотки низкого напряженияWнн , определяется как отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток в режиме холостого ходаn=U10/U20,

Опыт короткого замыкания трансформатора производится при замыкании накоротко зажимов вторичной обмотки. К первичной обмотке подводится при этом пониженное напряжение такой величины, при которой ток вторичной обмотки равен току номинальному, т.е.I2=I. Этому состоянию трансформатора соответствует схема замещения, представленная на рис.5.

Рис. 5. Схема замещения трансформатора при опыте короткого замыкания

Измерения, произведённые при опыте короткого замыкания, позволяют определить мощность потерь в обмотках трансформатора и параметры короткого замыкания схемы замещения, т.е.

где ΔРЭН - номинальные электрические потери, равные мощности, потребляемой трансформатором в режиме короткого замыкания.

Параметры схемы замещения определяются в соответствии с формулами

Коэффициент полезного действия трансформатора можно рассчитать, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания:

гдеSH - номинальная мощность трансформатора; β - коэффициент загрузки трансформатора, который равен отношениюI2 /I; φ2 - угол сдвига фазы тока по отношению к фазе напряжения (зависит от характера нагрузки).

КПД можно определить и опытным путём, непосредственно измеряя с помощью ваттметров мощности Р1 и Р2 и рассчитывая их отношение:

Но КПД трансформатора высок (0,99-0,995), и процентная разница величин Р1 и Р2 сравнима с погрешностью приборов, используемых для их измерения. Поэтому определение величины КПД рекомендуется производить расчётным путём.

Используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания, можно также рассчитать и построить внешнюю характеристику трансформатора.

Вторичное напряжениеU2 можно определить, исходя из формулы

(1)

гдеU20- напряжение на зажимах вторичной обмотки, измеренное при опыте холостого хода; ΔU2%- процентное изменение напряжения на вторичной обмотке.

Формула (1) получена на основе формулы (2).

Процентное изменение напряжения  ΔU2% определяется по формуле

(2)

гдеUка% - активная составляющая напряжения короткого замыкания;Uкр% -  реактивная составляющая напряжения короткого замыкания. Их величины определяются по формулам:

Так как график  представляет собой прямую линию, то внешнюю характеристику можно построить по двум точкам: первая соответствует режиму холостого хода (β=0), вторая - номинальной нагрузке (β=l).

Программа   работы

  1. Испытать трансформатор при нагрузке. Снять и построить внешнюю характеристикуU2 =f(I2); рассчитать и построить график зависимости ; рассчитать и построить график зависимости .
  2. Определить параметры Г-образной схемы замещения по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.
  3. Рассчитать и построить графики зависимости  при = 1 и = 0,8   при > 0,  используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания.
  4. Рассчитать и построить внешнюю характеристику трансформатораU2 =f(I2) при = 1 и = 0,8   при > 0, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания.

Оборудование лабораторной установки

Т1 - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); Т2 - испытуемый однофазный трансформатор; А1 - амперметр в первичной цепи с номинальным током 3 А;VI - вольтметр в первичной цепи с номинальным напряжением 250 В;W -ваттметр с номинальным значением мощности 1 кВт; А2 - амперметр во вторичной цепи с номинальным током 15A;V2 - вольтметр во вторичной цепи с номинальным напряжением 60 В;Rh - сопротивление нагрузки.

Порядок выполнения работы

  1. Записать в протокол тип трансформатора, номинальную мощностьSH номинальные первичные и вторичные напряженияUlH иU2h.

Собрать электрическую цепь по схеме, изображённой на рис.6.

Установить движок ЛАТРА в положение "0".

После проверки цепи преподавателем включить её под напряжение.

  1. грузкой поддерживать его неизменным.

Рис. 6. Схема электрической цепи для испытания трансформатора при нагрузке

  1. Начиная с режима холостого хода (I2=0), постепенно увеличивать ток нагрузки трансформатора, записывая каждый раз показания всех приборов в табл.1.

                                                                                                                                        Таблица 1

величины

Il

Ul

Pl

I2

U2

P2

η

Ед.изм.

А

В

Вт

А

В

Вт

-

-

1

0,4

220

40

0

50

0

0,4545

0

2

1,05

220

200

3,5

49

171,5

0,8658

0,8575

3

1,75

220

370

6,5

48,9

317,85

0,9610

0,8591

4

2

220

430

7,85

47,1

369,74

0,9773

0,8599

5

2,5

220

520

9,7

46,2

448,14

0,9455

0,8618

6

2,95

220

640

12

46

552

0,9861

0,8625

По результатам измерений рассчитать мощность вторичной цепиP2, коэффициент мощности , КПД трансформатора по формулам

и  построить  графики зависимостей:

Выполняем необходимые расчеты:

  1. Из табл.1 переписать в табл.2 величины, характеризующие режим холостого хода и рассчитать параметры ветви намагничивания схемы замещения трансформатора, а также коэффициент трансформацииn.

                                                                                                                                        Таблица 2

Величины

Il0

Ul0

P0

U20

Z0

R0

X0

n

Ед.изм.

А

В

Вт

В

Ом

Ом

Ом

-

Режим х.х.

0,4

220

40

50

550

250

489,9

4,4

Выполняем необходимые расчеты:

  1. Для проведения опыта короткого замыкания собрать электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.7. Вольтметр должен иметь предел измерения 60В.

Рис. 7. Схема для проведения опыта короткого замыкания трансформатора

  1. Установить движок ЛАТРа в положение «0».
  2. После проверки цепи преподавателем включить её под напряжение.
  3. С помощью ЛАТРа подвести к зажимам первичной обмотки трансформатора пониженное напряжение  такой величины, чтобы ток во вторичной цепи был равен току номинальному, т.е. . Номинальное значение тока  определить из формулы =500Вт.
  4. Результаты измерений записать в табл.3 и рассчитать параметры короткого замыкания схемы замещения трансформатора.

                                                                                                                                      Таблица 3

Величины

Ilk

Ulk

Pk

I

Zk

Rk

Xk

Ед.изм.

А

В

Вт

А

-

Ом

Ом

Ом

Короткое замыкание

1,3

17,5

20

10

0,8791

13,5

11,8

6,56

Выполняем необходимые расчеты:

  1. Используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания, рассчитать коэффициент полезного действия трансформатора. Расчет произвести для = 1 и = 0,8   при > 0. Результаты записать в табл.4. В одной системе координат построить графики зависимости  при = 1 и = 0,8   при > 0.

При расчете учесть, что

  1. Рассчитать внешнюю характеристику трансформатора, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания. Расчет произвести для = 1 и = 0,8   при > 0. Результаты записать в табл.5. В одной системе координат построить графики зависимости  при = 1 и = 0,8   при > 0.

                                                                                                                                      Таблица 4

Величины

β

I2

P0

Pk

η

Ед.изм.

А

-

Вт

Вт

Вт

-

0

0

1

0

40

20

0

0,25

2,5

125

40

20

0,47

0,5

5

250

40

20

0,77

0,75

7,5

375

40

20

0,84

1

10

500

40

20

0,88

1,25

12,5

625

40

20

0,90

0

0

0,8

0

40

20

0

0,25

2,5

100

40

20

0,42

0,5

5

200

40

20

0,74

0,75

7,5

300

40

20

0,84

1

10

400

40

20

0,86

1,25

12,5

500

40

20

0,89

Выполняем необходимые расчеты:

                                                                                                                                       Таблица 5

Величины

β

I2

%

Ед.изм.

-

А

-

-

-

-

-

-

В

0

1

0

10

1

0

7,96

6,99

3,86

0

6,99

50

46,51

0

1

0

10

0,8

0,6

7,96

6,99

3,86

0

7,87

50

46,07

Выполняем необходимые расчеты:

Графики

График зависимости

График зависимости

График зависимости

Контрольные вопросы

1.Назначение, устройство, принцип действия трансформатора.

ОТВЕТ:

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника и двух, расположенных на нем, обмоток. Одна из них – первичная с числом витковW1 подключается к источнику питания с напряжениемU1. К другой – вторичной с числом витковW2 подключается потребитель.

Рис.6

2.Что такое коэффициент трансформации трансформатора и как он определяется опытным путём?

ОТВЕТ:

Коэффициент трансформации трансформатора, равный отношению числа витков обмотки высокого напряжения к числу витков обмотки низкого напряжения, определяется как отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток в режиме холостого хода:

3.Для чего и как проводится опыт холостого хода?

ОТВЕТ:

Измерения, произведённые при опыте холостого хода, позволяют определить мощность потерь в сердечнике, параметры ветви намагничивания Г-образной схемы замещения, коэффициент трансформации.

Трансформатору, находящемуся в режиме холостого хода, соответствует схема замещения, изображённая на рис. 7.

Рис.7

4.Для чего и как проводится опыт короткого замыкания?

ОТВЕТ:

Опыт короткого замыкания трансформатора производится при замыкании накоротко зажимов вторичной обмотки. К первичной обмотке подводится при этом пониженное напряжение такой величины, при которой ток вторичной обмотки равен току номинальному, т.е.I2=I. Этому состоянию трансформатора соответствует схема замещения, представленная на рис.8.

Рис. 8. Схема замещения трансформатора при опыте короткого замыкания

5.Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и как они определяются опытным путём? Чему равны потери в испытанном вами трансформаторе?

ОТВЕТ:

Работа трансформатора сопровождается потерями энергии. Различают два вида потерь: магнитные (мощность потерь в сердечнике или в стали); электрические (мощность потерь в обмотках). Таким образом» мощность потерь в трансформаторе

Мощность потерь в сердечнике ΔРМ пропорциональна квадрату приложенного напряжения и не зависит от нагрузки.

Мощность потерь в обмотках пропорциональна квадрату тока:

6.Два способа опытного определения КПД трансформатора. Каким способом рекомендуется определять КПД по ГОСТу и почему? При каком условии КПД достигает максимального значения?

ОТВЕТ:

Коэффициент полезного действия трансформатора можно рассчитать, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания:

КПД можно определить и опытным путём, непосредственно измеряя с помощью ваттметров мощности Р1 и Р2 и рассчитывая их отношение:

7.Что называют внешней характеристикой трансформатора? Объяснить её поведение. Какое влияние оказывает род нагрузки на вид внешней характеристики?

ОТВЕТ:

Зависимость вторичного напряженияU2 от тока нагрузкиI2 называется внешней характеристикой трансформатора, т.е. это зависимостьU2 =f(I2) получаемая приU1 =const иcosφ=const. На рис. 9 приведены внешние характеристики трансформатора, работающего при различных по характеру сопротивлениях нагрузки.

Рис.9

8.Начертить Г-образную схему замещения трансформатора. Как определить опытным путём её параметры?

ОТВЕТ:

При расчёте электрических цепей, содержащих трансформатор, магнитная связь между его обмотками заменяется электрической. Реальный трансформатор представляется при этом эквивалентной электрической схемой, которая называется схемой замещения. На схеме замещения все величины, относящиеся ко вторичной цепи трансформатора, приведены к первичной. Приведение осуществляется заменой реального трансформатора сW2W1 иn≠1 эквивалентным трансформатором, у которогоW`2 иn = 1 .

Используется чаще всего упрощенная Г-образная схема замещения, изображённая на рис. 10.

Рис. 10. Г-образная схема замещения трансформатора

Список литературы

  1. ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения.M.: Издательство стандартов, 1974
  2. ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифренные в электрических схемах.
  3. И. И. Иванов , Г. И. Соловьев, В. С. Радоник. Электротехника Издательство «Лань»; 2005-496c.
  4. В. В. Бережных, И. П. Макарьева Трансформаторы. Электротехника. Методические указания к выполнению лабораторных работ ; Иркутск 2001-36с.
  5. А. С. Касаткин, М. В. Немцов ЭлектротехникаM.:Высшая школа 1999-524с.

Практическая работа № 5

Тема:Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Цель работы: Ознакомиться с устройством и принципом действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и исследовать влияние напряжения на фазе статора на его характеристики.

1 Краткие теоретические сведения

1)Устройство, принцип действия асинхронного двигателя.

Асинхронный двигатель – это машина переменного тока. Слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Статор – неподвижная часть машины. Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Ротор – вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. В пазах ротора укладывают обмотку. В зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни, соединенные с торцов кольцами из этого же материала (“беличья клетка”).

У фазного ротора в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой. Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пуско-регулировочный реостат.

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Необходимыми условиями возбуждения вращающегося магнитного поля являются:

  • пространственный сдвиг осей катушек статора;
  • временной сдвиг токов в катушках статора.

Первое требование удовлетворяется соответствующим расположением намагничивающих катушек на магнитопроводе статора. Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120°. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений.

При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотой , об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

  где  - частота тока сети, Гц,

                                               р – число пар полюсов магнитного поля.

При стандартной частоте тока сети , частота вращения поля

р

1

2

3

4

5

6

, об/мин

3000

1500

1000

750

600

500

Вращаясь, поле пересекает проводники ротора, наводя в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает токи, при взаимодействии которых с вращающимся магнитным полем возникает вращающий электромагнитный момент. Скорость вращения ротора в двигательном режиме асинхронной машины всегда меньше скорости вращения поля, т.е. ротор “отстает” от вращающегося поля. Только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент. Явление отставания ротора от магнитного поля называется скольжением. Степень отставания ротора от магнитного поля характеризуется величиной относительного скольжения:

гдеn – частота вращения ротора, об/мин.

Для асинхронных двигателей скольжение может изменяться в пределах от 1 (пуск) до величины, близкой к 0 (холостой ход).

2) Пуск асинхронных двигателей.

При пуске двигателя должны выполнятся следующие требования:

1. Малая величина пускового тока;

2. Достаточный по величине пусковой момент;

3. Плавное нарастание скорости;

4. Простота и экономичность пуска.

В зависимости от конструкции ротора (короткозамкнутый или фазный), мощности двигателя, характера нагрузки возможны различные способы пуска.

Для двигателей с короткозамнутым ротором используют прямой пуск и пуск при пониженном напряжении.

1. Прямой пуск. При этом обмотка статора включается непосредственно в сеть на полное напряжение. Прямой пуск допустим только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности (до 15-20 кВт). Однако при значительной мощности питающей сети этот способ можно распространить на двигатели большей мощности (примерно до 50 кВт).

2. Пуск при пониженном напряжении. Пусковой ток двигателя пропорционален напряжению на фазах обмотки статора, поэтому уменьшение напряжения  сопровождается соответствующим уменьшением пускового тока. Однако такой способ приводит к уменьшению начального пускового момента, который пропорционален квадрату напряжения на фазах обмотки статора. Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска применим только при малых нагрузках на валу.

Имеется несколько способов понижения напряжения  в момент пуска:

а) при легком пуске асинхронных двигателей средней мощности, которые нормально работают при соединении фаз обмотки статора треугольником, применяют снижение напряжения на зажимах этих фаз переключением их в звезду;

б) при любом типе соединения фаз обмотки статора понизить напряжение можно с помощью реактора (трехфазной индуктивной катушки), включенного последовательно в обмотку статора. Менее экономично снижать напряжение на статоре последовательным включением резисторов, т.к. они при этом сильно нагреваются и возникают дополнительные потери электрической энергии;

в) для двигателей большой мощности снижать напряжение целесообразно при помощи понижающего трехфазного автотрансформатора. Этот способ лучше предыдущего, но значительно дороже. После того, как ротор двигателя разгонится, и ток спадает, на обмотку статора подается полное напряжение сети.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора. Пусковой реостат снижает величину начального пускового тока и одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть величины, близкой к максимальному моменту. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводят.

3) Регулирование частоты вращения и реверсирование асинхронного двигателя.

Регулирование – это принудительное изменение частоты вращения при постоянной нагрузке на валу. Недостатком асинхронных двигателей является плохая регулировочная способность. Но все же некоторые возможности регулирования имеются.

Из формулы скольжения можно получить выражение частоты вращения ротора асинхронного двигателя:

Из этого равенства следует, что изменять частоту вращения можно следующими способами: изменением частоты тока статора , числа пар полюсов р и скольжения s. Частоту вращения ротора можно регулировать и изменением напряжения питания . Рассмотрим эти способы.

Регулирование изменением частоты тока статора . Частотное регулирование асинхронных двигателей является наиболее перспективным в связи с наличием простых и надежных трехфазных тиристорных преобразователей частоты, которые включают между промышленной сетью и асинхронным двигателем. При регулировании частоты  скорость двигателя можно плавно изменять так, что ее максимальное значение будет в десятки или сотни раз превышать минимальные.

Регулирование изменением числа пар полюсов р. Переключение числа пар полюсов многоскоростных асинхронных двигателей обеспечивает ступенчатое регулирование частоты вращения ротора и отличается экономичностью. Оно применяется в машинах со специальным исполнением обмотки статора, допускающим переключение ее катушек на различное число пар полюсов, а также, когда в пазах магнитопровода статора размещено несколько поочередно включаемых обмоток, выполненных на разное число пар полюсов, например, р= 1 и р = 2.

Регулирование изменением подводимого напряжения. Понижение напряжения вызывает снижение скорости ротора. Уменьшать напряжение  можно включением в цепь статора реостатов, автотрансформаторов или регулируемых дросселей. Данный метод применяется только у двигателей малой мощности, так как при уменьшении напряжения уменьшается максимальный момент двигателя, который пропорционален квадрату напряжения. Снижение максимального момента уменьшает запас по устойчивости работы двигателя. Кроме того диапазон регулирования частоты вращения сравнительно небольшой.

Перечисленные выше способы регулирования применяются для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

У двигателей с фазным ротором частота вращения регулируется изменением скольжения. Для этого в обмотку ротора включают регулировочный реостат. При увеличении сопротивления регулировочного реостата скольжение увеличивается, а частота вращения уменьшается.

Этот способ обеспечивает плавное изменение частоты вращения.

Изменение направления вращения ротора называется реверсированием. Для реверса необходимо поменять местами два провода на зажимах статорной обмотки двигателя.

Оборудование электрической установки

Лабораторная установка для исследования свойств асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором состоит из трех электрических машин:

- асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, нагрузочного генератора НГ, тахогенератора ТГ.

Двигатель пускается в ход при помощи автоматического выключателяQ. При этом фазы обмотки статора соединяются в звезду. При нажатии кнопки ∆ срабатывает контактор К. Нормально открытые контакты 1К - ЗК замыкаются, а нормально закрытые контакты 4К - 6К размыкаются, и обмотка статора двигателя соединяется по схеме треугольник. Нажатием кнопки фазы обмотки статора вновь переключаются в звезду. В цепь статора двигателя включен вольтметрV, амперметр А и трехфазный двухэлементный ваттметрkW

В качестве нагрузки для двигателя используется генератор постоянного, тока с независимым возбуждением (НГ). В цепь якоря нагрузочного генератор включен реостатRH и амперметр М, проградуированный в единицах момента, для определения моментов нагрузки, так как при наличии дополнительных полюсов, компенсирующих реакцию якоря, и неизменном токе возбуждения генератора НГ электромагнитный момент генератора, являющийся тормозным, линейно зависит от тока якоря:

где - постоянная машины по моменту.

Тахогенератор предназначен для измерения частоты вращения двигателя. Он представляет собой маломощный генератор, постоянного тока с независимым возбуждением, работающий в режиме холостого хода. ЭДС тахогенератора при постоянном магнитном потоке возбуждении линейно зависит от частоты вращения

где СЕ - постоянная тахогенератора по ЭДС. Поэтому шкала вольтметраn, измеряющего ЭДС, проградуирована в об/мин.

2 Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством и принципом действия асинхронного двигателя. Занести его паспортные данные в табл.1.

Таблица 1

Тип двигателя

Соединение фаз обмотки статора

РН, кВт

UН, В

IН, А

nН, об/мин

f, Гц

Число пар полюсов

АОЛ2-21-4

1,1

220/380

47/24

1500

50

2

2. Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 1).

Рис.1. Схема для испытания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

3. Переключатель пределов измерения амперметра А поставить в положение 15 А.

4. Включить напряжение.

5. Обратить внимание на большую величину пускового тока.

6. После пуска переключить амперметр на предел измерения 5 А.

7. Показания приборов при холостом ходе двигателя занести в табл.2.

8. Включить нагрузку генератора RН и, постоянно увеличивая ее, записать показания приборов в табл.2.

9. Нажатием кнопки Δ переключить фазы обмотки статора двигателя со звезды на треугольник.

10. Повторить исследования по пунктам 7-8 при соединении фаз обмотки статора в треугольник.

11. Произвести вычисления по следующим формулам:

12. На основании измеренных и расчетных данных построить графики зависимостей

Для возможности сравнения характеристик двигателя при соединении фаз обмотки статора в звезду и в треугольник построить графики одинаковых функций в одной системе координат.

3 Расчетная часть

Таблица 2

Соединение фаз обмотки статора

п/п

Данные измерений

Результаты вычислений

U

n

M

s

cosφ

η

В

кВт

А

Об/мин

Нм

%

-

кВт

%

звезда

1(хх)

235

0.35

0.8

1480

0

1.33

1.0749

0

0

2

233

0.7

1.7

1400

2

6.67

1.0203

0.293

41.88

3

231

1

2.5

1340

4

10.67

0.9997

0.561

56.13

4

230

1.3

3.4

1220

5

18.67

0.9598

0.639

49.13

5

228

1.7

4.5

1050

5

30.00

0.9566

0.550

32.34

6

225

1.95

5.7

640

4

57.33

0.8778

0.268

13.75

треугольник

1(хх)

235

0.5

2.3

1500

0

0

0.5341

0

0

2

233

0.8

2.4

1460

2

2.67

0.8260

0.306

38.22

3

231

1.05

2.75

1440

4

4.00

0.9543

0.603

57.44

4

230

1.25

3.2

1420

5

5.33

0.9806

0.743

59.48

5

228

1.53

3.6

1410

7

6.00

1.0762

1.034

67.55

6

225

1.9

4.3

1400

9

6.67

1.1338

1.319

69.44

При соединении фаз обмотки статора в звезду

При соединении фаз обмотки статора в треугольник

4 Графики

График зависимости

График зависимости

Контрольные вопросы

Вопрос №1. Объяснить устройство и принцип действия асинхронного

          двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ответ: Асинхронный двигатель - это машина переменного тока. Слово "асинхронный" означает не одновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Статор - неподвижная часть машины. Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Рис.2

Ротор - вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 2 а) В пазах ротора укладывают обмотку. В зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни, соединенные с торцов кольцами из этого же материала ("беличья клетка"). Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пускорегулировочный реостат.

Вопрос №2. Каковы способы пуска асинхронных короткозамкнутых

                   двигателей?

Ответ:

  1. Прямой пуск.При этом обмотка статора включается непосредственно в сеть на полное напряжение. Прямой пуск допустим только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности (до 15-20 кВт). Однако при значительной мощности питающей сети этот способ можно распространить на двигатели большей мощности (примерно до 50 кВт).
  2. Пуск при пониженном напряжении.Пусковой ток двигателя пропорционален напряжению на фазах обмотки статораU1, поэтому уменьшение напряженияU1 сопровождается соответствующим уменьшением пускового тока. Однако такой способ приводит к уменьшению начального пускового момента, который пропорционален квадрату напряжения на фазах обмотки статора. Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска применим только при малых нагрузках на валу. Имеется несколько способов понижения напряженияU1 в момент пуска:
  • при легком пуске асинхронных двигателей средней мощности, которые нормально работают при соединении фаз обмотки статора треугольником, применяют снижение напряжения на зажимах, этих фаз переключением их в звезду;
  • при любом типе соединения фаз обмотки статора понизить напряжение можно с помощью реактора (трехфазной индуктивной катушки), включенного последовательно в обмотку статора. Менее экономично снижать напряжение на статоре последовательным включением резисторов, т.к. они при этом сильно нагреваются и возникают дополнительные потери электрической энергии;
  • для двигателей большой мощности снижать напряжение целесообразно при помощи понижающего трехфазного автотрансформатора. Этот способ лучше предыдущего, но значительно дороже. После того, как ротор двигателя разгонится, и ток спадает, на обмотку статора подается полное напряжение сети.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора. Пусковой реостат снижает величину начального пускового тока и одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть величины, близкой к максимальному моменту. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводят.

Вопрос №3. Чему равны скольжение и число пар полюсов асинхронного

          двигателя, если его номинальная частота вращения 950 об/мин?

Ответ:Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотойn0, об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

гдеf1- частота тока сети, Гц,

р - число пар полюсов магнитного поля

При стандартной частоте тока сетиf1-50 Гц, частота вращения поля

и в зависимости от числа пар полюсов имеет следующие значения:

р

1

2

3

4

5

6

, об/мин

3000

1500

1000

750

600

500

Вопрос №4. Изобразить соединение фаз обмотки статора в звезду и в треугольник?

Ответ:У фазного ротора (рис. 3 в) в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой.

Рис. 3 Фазный ротор

Вопрос №5. Перечислить условия, необходимые для получения вращающегося

                    магнитного поля.

Ответ: Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Необходимыми условиями возбуждении вращающегося магнитного поля являются:

-пространственный сдвиг осей катушек статора,

-временной сдвиг токов в катушках статора.

Первое требование удовлетворяется соответствующим расположением намагничивающих катушек на магнитопроводе статора. Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120°. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений. При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Вопрос №6. Изобразить механическую характеристику асинхронного двигателя

                    и  обозначить на ней основные режимы работы.

Ответ: Механическая характеристика показывает свойства двигателя как средства для электропривода. Но для наиболее полного выяснения свойств самого двигателя служат егорабочие характеристики.

Рабочими характеристиками (рис 4) называются зависимостиI1,s,n,cosφ1,M от полезной мощности Р2 на валу двигателя при постоянных значенияхU1 и частотыf1 сети.

Рис.4 Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Вопрос №7. Почемуcosφ двигателя при номинальной нагрузке больше, чем при

                    холостом ходе?

Ответ: При холостом ходеcosφ1имеет малое значение (примерно 0,1), так как активная мощность мала, расходуется только на небольшие потери в статоре и небольшие механические потери, а реактивная мощность имеет постоянное значение, гак как магнитный поток постоянный.

С увеличением нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная мощность в пределах до номинальной нагрузки имеет неизменное значение. В результатеcosφ1увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении нагрузки сказывается увеличение потоков рассеяния, за счет чего реактивная мощностьQ1 увеличивается иcosφ1начинает уменьшаться.

Список литературы

  1. ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения.M.: Издательство стандартов, 1974
  2. ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифренные в электрических схемах.
  3. И. И. Иванов , Г. И. Соловьев, В. С. Равдоник. Электротехника Издательство «Лань»; 2005-496c.

4.В. А. Алексеев, Л. Н. Васильева. Трансформаторы. Лабораторные работы к курсу «Электротехника»; Иркутск 1984-20с.

Практическая работа № 6

Тема: Генераторы постоянного тока

Цель работы:Ознакомиться с устройством, принципом действия генераторов постоянного тока и исследовать их характеристики в разных режимах.

1 Краткие теоретические сведения

1.1. Назначение и устройство машин постоянного тока

    Машина постоянного тока – это электромеханическое устройство, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую (генераторный режим), или электрическая энергия преобразуется в механическую (двигательный режим).Генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково.

    Основные части машины: неподвижный статор, вращающийся якорь и щеточно-коллекторный узел. Статор (рис. 1.1, а) состоит из станины, главных и дополнительных полюсов с обмотками. Станина 1 представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренней поверхности которого укрепляются главные 2 и дополнительные полюса 3. На главных полюсах 2 размещается обмотка возбуждения 4, которая питается постоянным током и служит для создания основного магнитного поля, постоянного во времени и неподвижного в пространстве. Дополнительные полюса 3 со своей обмоткой 5 предназначены для уменьшения искрения на коллекторе.

Рис. 1.1. Устройство машины постоянного тока

Якорь (рис.1.1. б) барабанного типа представляет собой цилиндр, набранный из изолированных друг от друга листов электротехнической стали, с пазами на внешней поверхности. В пазах уложена обмотка 6 якоря, изготовленная из медного изолированного провода. Цепь якоря – это главная цепь машины.

Коллектор 7, расположенный на одном валу с якорем, представляет собой цилиндр, состоящий из медных клинообразных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К пластинам коллектора припаяны начала и концы секций обмотки якоря. К коллектору с помощью пружины прижимаются графитные, угольно-графитные, медно-графитные или бронзо-графитные щетки 8. Они расположены в специальных щеткодержателях (рис. 1.1, в). Назначение щеточно-коллекторного узла: осуществлять скользящий контакт вращающейся обмотки якоря с внешней цепью; преобразовывать в режиме генератора переменную ЭДС в постоянное напряжение на щетках (механический выпрямитель); преобразовывать в двигателе постоянное напряжение источника в переменный ток якоря для обеспечения постоянного направления вращающего момента.

1.2. Работа машины постоянного тока в режиме генератора

    При работе генератора используются явления электромагнитной индукции и механического действия магнитного поля на проводник с током.

    Генератору необходимо сообщить механическую энергию, для чего якорь приводится во вращение первичным двигателем. Кроме того, необходимо создать магнитное поле. Для этого по обмотке возбуждения пропускают постоянный ток. При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке наводится ЭДС, пропорциональная величине магнитного потока  и частоте вращения якоря .

,

где  – конструктивный коэффициент ЭДС.

    Если к щеткам генератора подключить нагрузку, то под действием ЭДС в цепи якоря появится ток . Ток якоря взаимодействует с магнитным полем, возникают электромагнитные силы и момент, направленный противоположно вращению якоря. Поэтому он является тормозным и преодолевается первичным двигателем.

    Величина момента пропорциональна магнитному потоку и току якоря

.                                                 (1)

    Ток якоря возбуждает свое магнитное поле, которое, накладываясь на основное магнитное поле, искажает и уменьшает его. Это приводит к уменьшению ЭДС и искрению на коллекторе. Воздействие поля якоря на основное магнитное поле называется реакцией якоря.

    По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на три группы: генераторы независимого возбуждения, генераторы с самовозбуждением, генераторы с постоянными магнитами.

    У генератора с независимым возбуждением обмотка возбуждения не имеет электрического соединения с обмоткой якоря и питается от постороннего источника постоянного тока (рис. 1.2).

    У генератора с самовозбуждением обмотка возбуждения питается от якоря, и генератор не нуждается в постороннем источнике питания. По способу соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря генераторы с самовозбуждением делятся на три типа: параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

    При параллельном возбуждении обмотка возбуждения соединяется параллельно с обмоткой якоря (рис. 1.3).

.

Рис. 1.2

Рис. 1.3

    Самовозбуждение обычно осуществляется при холостом ходе генератора

Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1.) Наличие остаточного магнитного поля.

2.) Совпадение по направлению магнитного поля возбуждения и остаточного магнитного поля.

3.) Сопротивление в цепи возбуждения  должно быть меньше критического.

4.) Частота вращения якоря должна быть близкой к номинальной.

1.3. Характеристики генератора постоянного тока

    О свойствах генератора судят по характеристикам, показывающим зависимость между основными величинами, определяющими работу машины. Основные характеристики генератора: холостого хода, внешняя, регулировочная.

    Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения при токе нагрузки  и его частоте вращения  (рис.1.4). При этом ЭДС  пропорциональна магнитному потоку .

    Благодаря остаточному магнитному полю при   и характеристика не проходит через начало координат.

Характеристика состоит из трех частей: начальная прямолинейная часть, где магнитная система не насыщена, и при увеличении тока возбуждения магнитный

поток  и ЭДС увеличиваются (участок ); “колено” характеристики, где магнитная система находится в полунасыщенном состоянии и рост магнитного потока и ЭДС замедляются (участок 1 – 2); магнитная система насыщена (участок 2 – 3).

Рис. 1.4

    Положение точки А, соответствующее номинальной ЭДС, дает возможность судить об устойчивости напряжения генератора при работе и о пределах, в которых можно регулировать напряжение.

    Если бы точка А находилась на прямолинейной части характеристики, то незначительные изменения , вызывали бы значительные изменения ЭДС и напряжения. В этом случае работа генератора была бы неустойчивой.

    Если точка А находится на участке 2 – 3, то колебания напряжения незначительны, и генератор работает устойчиво, но возможность регулирования напряжения невелика, так как магнитная система машины насыщена. Поэтому точка А, соответствующая номинальной ЭДС, расположена на “колене” характеристики холостого хода.

    Генераторы независимого и параллельного возбуждения имеют аналогичные характеристики холостого хода.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки  при ; .

Уравнение электрического состояния цепи якоря

,                                                        (2)

где  – внутреннее сопротивление цепи якоря, состоящее из сопротивления обмотки якоря, обмотки дополнительных полюсов, сопротивления щеток и коллектора;

– для генератора независимого возбуждения;

– для генератора параллельного возбуждения;

– ток нагрузки.

   Как видно из уравнения (2), напряжение на зажимах генератора независимого возбуждения при увеличении тока нагрузки уменьшается по двум причинам:

1. Увеличение падения напряжения  в цепи якоря.

2. Возрастающее влияние потока якоря на основной поток полюсов (размагничивающее действие реакции якоря), приводящее к уменьшению ЭДС .

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения имеет вид кривой  1  (рис.5).

    В генераторах параллельного возбуждения к двум указанным причинам добавляется третья – уменьшение тока возбуждения  вследствие понижения напряжения, вызванного первой и второй причинами. Уменьшение тока возбуждения вызывает уменьшение  магнитного потока, ЭДС () и дополнительное уменьшение напряжения (см. рис. 5. кривая 2) – внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения.                                             Рис. 5

    Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки, ток нагрузки увеличивается лишь до критического значения , а затем начинает самопроизвольно уменьшаться до тока короткого замыкания . При этом напряжение на зажимах генератора и ток возбуждения резко уменьшаются и исчезают. Ток короткого замыкания якоря генератора параллельного возбуждения определяется только потоком остаточной намагниченности и поэтому мал.                                                Рис. 6.

    Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки  при , и .

    Очень важной характеристикой генератора является его КПД

,                                           (3)

где   – полезная мощность, отдаваемая генератором;

– мощность потерь в цепи возбуждения;

– мощность потерь в цепи якоря.

Формула (3) для расчета КПД генератора является приближенной, так как не учитывает магнитные и механические потери. Обычно магнитные и механические потери в генераторах очень малы.

2 Расчет

    Порядок  работы:

1.) Исследовать и построить для генератора постоянного тока независимого возбуждения характеристики холостого тока, внешнюю, регулировочную.

2.) Исследовать и построить для генератора постоянного тока параллельного возбуждения характеристики внешнюю, регулировочную.

3.) Рассчитать КПД генератора.

Схема включения генератора для проведения исследований

    Схема для исследования генератора независимого возбуждения и снятия его характеристик приведена на рис. 2.1,а, схема для исследования генератора параллельного возбуждения – на рис. 2.1,б. На рис. 2.2 приведена схема управления нагрузкой генератора.

Оборудование электрической установки

Лабораторная установка для исследования свойств генераторов постоянного тока состоит из генератора постоянного тока, включаемого по схеме независимого или параллельного возбуждения; нагрузочного реостата Кн, сопротивление которого изменяется при помощи промежуточных реле 1К -5К (рис. 2.1); трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя для вращения якоря генератора. Для пуска в ход асинхронного двигателя на панели стенда предусмотрена кнопка «пуск»

    В цепь возбуждения генератора включен регулировочный реостат К1 для изменения тока возбуждения и амперметр Аг на 2А для его измерения.А1 - амперметр постоянного тока на 30 А для измерения тока нагрузки;V - вольтметр постоянного тока на 150 В для измерения напряжения генератора.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с машинами, аппаратурой, приборами и записать технические характеристики генератора в табл. 1.

Таблица1

Рн,кВт

Uн,В

Iн,А

nн,об/мин

Rя,Ом

0,2

110

246

3000

0,5

2.)  Собратьэлектрическую цепь по схеме (рис.2.1 а).

3.) Снять   характеристику  холостого  хода:   пустить   в   ход   первичный двигатель нажатием кнопки «пуск»; записать ЭДС, индуктируемую в якоре полем  остаточной  намагниченности  (1В  =  0),  включить  цепь возбуждения    и,    не    нагружая    генератор,    постоянно    увеличивать   ток возбуждения реостатами КЛ и К.2 от нуля до возможного максимума.

Рис 2.1

Рис 2.2

    Для проведения опыта короткого замыкания нажать на несколько секунд кнопку 8В5, после чего кнопкой "XX" отключить нагрузку. Показания приборов записать в табл.2

Таблица 2

№,п/п

I,А

Iв,А

U,В

1(хх)

0

210*10^-3

110

2

0,8

200 Исследование цепей синусоидального тока с конденсатором и индуктивной катушки на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННЫХ ЦЕПЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

2. Реферат ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ЦЕПЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

3. Реферат Исследование разветвленной линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

4. Реферат Исследование цепей переменного тока

5. Реферат ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

6. Реферат ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

7. Реферат Исследование линейных электрических цепей постоянного тока

8. Реферат Исследование электрических цепей постоянного тока Лабораторная работа

9. Реферат ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМИ И ИНДУКТИВНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ

10. Реферат ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА