По данным опыта короткого замыкания построить характеристики короткого замыкания I1K, P1K, cosK= f(U1К). Определить расчетные значения I1K, P1K, cosK для I1K= I1Н.

Рассчитать параметры схемы замещения. Расчет параметров и схему замещения привести в отчете.

По данным опыта п. 5 построить рабочие характеристики I1, P1, M, s, , cos=f(P2). Пояснить вид характеристик. Сравнить рабочие характеристики двух режимов.

По данным опыта п. 5 построить механические характеристики двигателя M=f(s). Пояснить вид характеристик.

По характеристикам холостого хода разделить потери холостого хода и, используя опыт короткого замыкания, определить коэффициент полезного действия двигателя косвенным методом в номинальном режиме.

Рассчитать рабочую точку режима (по указанию преподавателя), используя схему замещения, и сравнить полученные величины с экспериментом по п. 5.

По данным опыта короткого замыкания определить пусковые ток и момент.

По данным опытов холостого хода и короткого замыкания построить круговую диаграмму двигателя.

Определить рабочую точку режима (по указанию преподавателя), используя круговую диаграмму, и сравнить полученные величины с экспериментом по п. 5.

Построить рабочие характеристики, используя круговую диаграмму.

Построить механическую характеристику M=f(s) и кривую тока I1=f(s) для диапазона s (01), используя круговую диаграмму.

Примечание. Набор выполняемых пунктов программы устанавливается преподавателем.

Экспериментальная часть

Исследование асинхронного двигателя с фазным ротором проводится по схеме, показанной на рис. 3. Перед пуском двигателя следует проследить, что введены все ступени реостата (R), включенного в цепь обмотки ротора.

По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения все ступени пускового реостата должны быть выведены (выключены). Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором проводится по схеме, показанной на рис. 4. На время пуска двигателя обмотку статора переключают с нормальной схемы "треугольник" на пусковую схему "звезда". По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора вновь переключают на нормальную схему "треугольник". Питание к обмотке статора подводится через трехфазный регулятор напряжения (РНТ). Все измерения проводятся с помощью измерительного комплекта.

Опыт холостого хода

При проведении опыта холостого хода изменяют напряжение, подводимое к обмотке статора с помощью РНТ (рис. 3, 4). Опыт начинают с напряжения, равного (1,11,2)UH и постепенно снижают его до величины, при которой начинается резкое уменьшение частоты вращения двигателя, производя по 5-6 замеров по каждой фазе.

Показания приборов записывают в табл. 1 протокола испытаний.

Таблица 1. Данные опыта холостого хода .

Опыт короткого замыкания

Под коротким замыканием асинхронного двигателя подразумевается такой режим его работы, когда обмотка статора подключена к питающей сети при заторможенном роторе и замкнутой накоротко его обмотке.

При проведении опыта короткого замыкания к обмотке статора подводится регулируемое напряжение, причем во избежание перегрева обмоток это напряжение должно быть таким, чтобы ток в обмотках не превышал (1,11,5)IH.

При проведении опыта производят 5-6 замеров при различных значениях подводимого напряжения. Значения показаний приборов по каждой фазе заносят в табл. 2.

Таблица 2. Данные опыта короткого замыкания1

Опыт нагрузки

При проведении опыта нагрузки обмотка статора через прибор К50 (К505) подключается (ВК) к сети с линейным напряжением 220 В.

При исследовании асинхронного двигателя с фазным ротором возможны два режима нагрузки - при выведенном реостате в цепи ротора (естественный режим) и введенном реостате в цепи ротора (искусственный режим). Изменение нагрузки на валу осуществляется с помощью регулируемого электромагнитного тормоза, шкала которого проградуирована в Нм. Нагрузка изменяется в диапазоне (01.2) Мн. Номинальный момент определяется по паспортным данным двигателя

,

где nн - номинальная частота вращения в об/мин.

При исследовании асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором возможны два режима работы при нагрузке: работа при номинальном напряжении (схема обмотки - «треугольник») и при пониженном напряжении (схема обмотки - «звезда»). Изменение нагрузки на валу АД осуществляется с помощью тормозного момента генератора постоянного тока, который в ходе эксперимента не измеряется. Величина этого момента впоследствии может быть рассчитана по измеренным в эксперименте величинам Ia - тока якоря и Ua - напряжения на обмотке якоря генератора постоянного тока. Изменение тока якоря осуществляют ступенчато с помощью Rн, поддерживая напряжение Ua=Uн реостатом Rв в цепи возбуждения. Диапазон изменения нагрузки 0IaUa=P2н, где P2н - номинальная мощность асинхронного двигателя (Вт).

Данные опыта нагрузки заносят в табл. 3.

Таблица 3

Обработка опытных данных

Характеристики холостого хода

По данным опыта строят зависимости I10=f(U10), P0=f(U10), cos0=f(U10), вычисляя cos0 по формуле:

,

где U10ф, I10ф - фазные значения соответственно напряжения и тока.

На рис. 3 показан примерный вид характеристик асинхронного двигателя в режиме холостого хода.

Зависимость I10=f(U10) при малых значениях подводимого напряжения имеет линейный характер. С увеличением напряжения сталь машины насыщается, при этом резко возрастает реактивная составляющая тока холостого хода, и кривая I10=f(U10) отклоняется к оси ординат.

Из-за наличия воздушного зазора между статором и ротором ток холостого хода асинхронной машины имеет относительно большое значение (0,250,5)IН (для сравнения - ток холостого хода трансформаторов (0,020,1)IН).

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Мощность, потребляемая в режиме холостого хода асинхронной машиной, расходуется на покрытие потерь в меди (электрических), стали и механических. Электрические потери в обмотке статора пропорциональны квадрату тока I10, а потери в стали пропорциональны квадрату индукции pстВ2Ф2U210, механические потери в опыте холостого хода остаются неизменными, поэтому зависимость P0=f(U10) имеет вид, близкий к параболе.

Значение cos0 с увеличением подводимого напряжения уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом насыщения стали значительно возрастает реактивная составляющая тока холостого хода,

По данным опыта холостого хода можно разделить механические и магнитные потери в асинхронной машине. Разделение потерь холостого хода показано на рис. 3.

Сумма потерь в стали и механических для различных значений напряжения может быть определена как разность между полной мощностью, потребляемой машиной при холостом ходе, и электрическими потерями обмотки статора

.

Электрические потери вычисляются по формуле . Здесь m1 - число фаз обмотки статора, I10ф - значение фазного тока статора, r1 - активное сопротивление фазы обмотки статора.

По полученным результатам строится зависимость рмех+рст=f(U10) (рис. 4а). Если эту кривую экстраполировать до пересечения с осью ординат, то она отсечет отрезок, соответствующий механическим потерям. Так как проведение опыта холостого хода заканчивается при U10=(0,20,3)UH, то начало кривой Р0=f(U10) будет находиться на значительном расстоянии от оси ординат, и описанный способ не даст достаточно точных результатов.

Этот недостаток может быть устранен, если построить зависимость суммы механических и магнитных потерь от квадрата напряжения (рис. 4б), которая будет иметь вид прямой линии. Продолжая прямую до пересечения с осью ординат, получают отрезок Рмех, равный механическим потерям.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

По данным опыта холостого хода для точки, соответствующей Uн определяются параметры намагничивающей ветви схемы замещения

.

Характеристики короткого замыкания

По данным опыта короткого замыкания строят характеристики короткого замыкания, примерный вид которых изображён на рис. 5.

I1K, PK, cosK=f(U1K).

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Коэффициент мощности рассчитывают по формуле

,

где U1кф, I1кф - фазные значения соответственно напряжения и тока.

Зависимость I1К=f(U1К) несколько отклоняется от прямолинейной вследствие того, что хК не остается постоянным, а уменьшается из-за насыщения зубцовой зоны полями рассеяния. По этой же причине зависимость cosК=f(U1К) несколько возрастает.

Мощность, потребляемая в опыте короткого замыкания, идет в основном на покрытие электрических потерь в обмотках, поэтому зависимость PК=f(U1К) имеет характер, близкий к параболическому.

По данным опыта короткого замыкания определяются Zк, rк и Хк схемы замещения

.

Параметры схемы замещения определяют по следующим выражениям:

 (когда r1 известно);

(когда r1 не известно);

;

Рабочие характеристики

По данным эксперимента п. 5 строят рабочие характеристики, примерный вид которых показан на рис. 6.

Расчеты выполняют по следующим формулам:

(для фазного ротора);

(для короткозамкнутого ротора);

;

;

,

где n1 - синхронная частота вращения, получается путем округления nн до значения

,

где р=1,2,3,4.

(для короткозамкнутого ротора).

При построении механических характеристик двигателя M2=f(s) или n=f(M2) используют данные таблицы 3 и вышеприведенные формулы.

Поведение рабочих характеристик можно объяснить на основании следующего анализа.

Уравнение равновесия моментов на валу двигателя имеет вид

где J - момент инерции ротора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Рис. 6. Рабочие характеристики

Для установившегося режима работы двигателя Мвращ=Мст. При увеличении тормозного момента (Мст) нарушается равновесие моментов на валу, появляется отрицательный динамический момент, и частота вращения двигателя уменьшаются, а скольжение возрастает, при этом растут ЭДС и ток в роторе, что приводит к увеличению момента, развиваемого двигателем. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока вновь не установится равновесие Мвращ=Мст, но уже при другом значении n. Динамический момент при этом равен нулю, так как

.

Полезный момент и мощность на валу связаны зависимостью

Так как с ростом нагрузки n уменьшается, то М2 возрастает быстрее, чем Р2, а график М2=f(P2) несколько отклоняется к оси ординат.

Связь между током в обмотке ротора и моментом, развиваемым двигателем, описывается уравнением

,

где I2a - активная составляющая тока ротора.

Так как, с другой стороны,

,

то

где .

Таким образом, при Р2=0, I2a>0; при увеличении Р2 возрастает I2a, причем зависимость I2a=f(P2) отклоняется к оси ординат, так как при этом n уменьшается.

Ток I1, потребляемый из сети, больше тока в роторе на величину тока холостого хода. Поэтому зависимость I1=f(P2) также несколько отклоняется к оси ординат. Зависимость Р1=f(P2) несколько отклоняется к оси ординат за счет увеличения электрических потерь в обмотках двигателя.

Выше было показано, что при увеличении нагрузки на валу возрастает активная составляющая тока в обмотке ротора, это приводит к повышению коэффициента мощности (cos1) двигателя. При значительном увеличении Р2 резко возрастает скольжение (и реактивное сопротивление х2), это приводит к некоторому уменьшению cos1 двигателя.

Вид зависимости = f(P2) определяется соотношением между постоянными (потери в стали и механические) и переменными (электрические) потерями. КПД достигает максимума при равенстве постоянных и переменных потерь.

Расчет рабочих характеристик по схеме замещения

Для определения рабочих характеристик расчетным путем или расчёта рабочей точки следует Т-образную схему замещения преобразовать в Г-образную (рис. 7).

Появившийся в результате этого преобразования комплексный коэффициент имеет модуль 1,021,05 и угол по абсолютной величине меньше 2.

При упрощенном анализе для двигателей при РН>1 кВт полагают с11, что существенно облегчает расчеты и мало сказывается на точности полученных результатов. Г-образная схема замещения при с1=1 называется упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром.

Рабочие характеристики строятся в диапазоне от s=0 до s=1,2sH, т.е. в зоне устойчивой работы двигателя. Задаемся определенным значением скольжения (для конкретного случая s=sH). По упрощенной Г-образной схеме замещения определяем I0a, I0p, I0, I2a, I2p, I2, I1a, I1p, I1, а также значения углов 0, 1, 2.

Далее определяются:

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Потребляемая мощность,

;

Электрические потери в обмотках статора

;

Электрические потери в обмотках ротора

;

Потери холостого хода (по данным опыта холостого хода) для точки, соответствующей U10=UH;

Добавочные потери,

;

Суммарные потери,

;

Коэффициент полезного действия

;

Полезная мощность на валу,

;

Полезный момент,

;

Номинальный момент

;

Коэффициент мощности

.

Коэффициент полезного действия двигателя в номинальном режиме определяется по формулам 1-7, приведенным выше, где для точки I1н.

Для определения пускового тока Iкн (тока короткого замыкания, соответствующего номинальному напряжению) спрямляем кривую тока I1к и определяем U (см. рис. 5)

,

где U1к определено для Iн, как показано на рис. 8.

Перед построением круговой диаграммы составляем таблицу исходных данных, взятых из характеристик холостого хода и короткого замыкания.

Таблица 4

Построение круговой диаграммы следует вести в такой последовательности (рис. 8):

1. Выбрать масштаб тока mI.

2. Построить оси координат. Ось ОХ является линией подведенной мощности Р1.

3. На оси OY отложить отрезок Of, кратный 10, и радиусом Of провести окружность, которая является линией cos1. Отрезок Of проградуировать от 0 до 1.

4. На шкале Of отложить отрезок, равный значению cos10. Через эту точку провести горизонтальную линию до пересечения с линией cos1 (точка h). Соединить точку h с началом координат и на линии Oh (или на ее продолжении) в выбранном масштабе отложить значение I10 (точка Н).

5. На линии Of отложить отрезок, равный значению cos1к. Через полученную точку провести горизонтальную линию до пересечения с линией cos1 (точка d). Соединить точку d с началом координат и на линии Od (или на ее продолжении) в выбранном масштабе отложить значение I1к (точка К).

6. Соединить точки Н и К прямой, на середине которой отложить точку М. Прямая НК является линией полезной мощности Р2.

7. Из точки Н провести прямую, параллельную ОХ. Линия НС является линией мощности холостого хода Р0.

8. Из точки М восстановить перпендикуляр к линии НК до пересечения с прямой НС в точке О1 (центр окружности).

9. Из точки О1 радиусом О1Н описать окружность, которая должна пройти через точку К.

10. Из точки К опустить перпендикуляр на линию ОХ и отметить точки К1 и К2.

11. Прямую КК2 разделить на две части в отношении КК2/К2К3=rк/r1.

12. Через точку К3 провести НТ - линию электромагнитного момента.

Для построения линии скольжения поступают следующим образом. Через точку Н провести прямую, параллельную оси OY. От точки Н на линии НТ (или ее продолжении) отложить отрезок, удобно делящийся на 100 частей, и из конца этого отрезка восстановить перпендикуляр к оси ОХ о пересечения с линией НК (или ее продолжением, точка В). Через точку В провести прямую, параллельную оси электромагнитной мощности (линия АВ). Отрезок АВ градуируют от 0 до 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Построение рабочих характеристик с использованием круговой диаграммы

На окружности токов отметить несколько точек (1,2,3,4,5). Эти точки соединить с началом координат. Из отмеченных точек опустить перпендикуляры на ось ОХ и отметить точки пересечения этих перпендикуляров с линиями полезной, электромагнитной, потребляемой мощностей.

Ниже приведен пример определения Р1, Р2, I1, s, cos1 и т.д. для точки 5.

1. Из точки 5 опущен перпендикуляр на ОХ и получены точки a, l, g, m.

2. Из точки Н проведена прямая через точку 5 до пересечения с прямой АВ в точке t.

3. Точка пересечения прямой О5 (или ее продолжения) с линией cos1 обозначена n.

При помощи выполненных построений определяют:

величину потребляемого тока I1=m1O5, A;

подводимую мощность P1=mp5m, Вт, где mp=3UнmI;

мощность на валу двигателя P2=mp5а, Вт;

коэффициент мощности cos1 как проекцию отрезка On на шкалу Of;

скольжение s как отношение отрезка At к АВ;

Момент на валу М2mM5a, где mM=mP/2n1, n1 измеряется в об/с.

Примечание. Точки 1,2,3,4,5 должны быть выбраны таким образом, чтобы I1(т.5)1,5Iн.

Все величины, определяемые по круговой диаграмме для разных точек, заносят в табл. 5, а затем строят рабочие характеристики двигателя.

Таблица 5

Контрольные вопросы

Объясните принцип действия АД.

Как образуется вращающееся магнитное поле в АД? Почему в трехфазном АД магнитное поле вращается, а в трехфазном трансформаторе пульсирует?

Почему скорость вращения АД не может достигать синхронной скорости?

Что называется скольжением? Какова величина скольжения в режимах холостого хода и короткого замыкания? Укажите примерный диапазон номинальных скольжений.

Как изменяется ток в обмотке ротора по величине и по фазе при увеличении скольжения?

От чего зависит величина ЭДС в обмотке ротора? Как изменяется частота этой ЭДС при изменении скольжения?

Почему при изменении частоты вращения ротора МДС ротора остается неподвижной относительно МДС статора?

Изменится ли величина основного магнитного потока при изменении скольжения от 1 до 0?

Как изменить направление вращения асинхронного двигателя?

Как определить синхронную скорость и число пар полюсов исследуемого АД по паспортным данным? Опытным путем?

Назовите элементы конструкции АД с короткозамкнутым ротором (с фазным ротором).

Каковы особенности конструкции короткозамкнутого ротора (фазного ротора)?

Для чего сердечник статора (ротора) выполняют шихтованным?

На каких участках магнитопровода АД возникают потери при s=1, s=0, s=sном?

Напишите уравнения напряжений АД и объясните их.

Сравните векторную диаграмму АД с векторной диаграммой трансформатора.

Объясните физический смысл параметров схемы замещения. Для чего и как выполняется приведение параметров?

Как определить параметры схемы замещения опытным путем?

Проверьте, отражает ли схема замещения АД процесс преобразования энергии. Какими элементами схемы замещения учитываются следующие составляющие потребляемой мощности: Рэм, рэл1, рэл2, рст1, рст2, Рмех?

Какие существуют способы пуска АД с короткозамкнутым ротором (с фазным ротором)?

Почему величина пускового тока существенно превышает номинальное значение? Почему при проектировании двигателей стремятся ограничить пусковые токи?

Как изменяется пусковой ток и момент при переключении обмотки статора со «звезды» на «треугольник»? Что понимается под кратностью пускового тока и пускового момента?

Какое влияние на пусковой ток и пусковой момент оказывает введение в цепь ротора пускового реостата? При каком условии пусковой момент принимает максимальное значение?

Как и для чего проводится опыт холостого хода? Объясните характеристики холостого хода: I10=f(U10), cos0=f(U10).

Какие потери имеют место в опыте холостого хода? Объясните зависимость P10=f(U10), объясните разделение потерь холостого хода графическим путем.

Почему относительное значение тока холостого хода АД (по отношению к номинальному току) больше, чем в трансформаторе?

Как и с какой целью проводится опыт короткого замыкания? Объясните полученные из опыта короткого замыкания зависимости I1К=f(U1К), cosК=f(U1К), РК=f(U1К).

Чем отличаются режимы опытного и аварийного короткого замыкания?

Объясните рабочие характеристики АД. Как отличаются рабочие характеристики при соединении обмотки статора «звездой» от характеристик при соединении обмотки статора «треугольником» (напряжение сети неизменно)?

Как влияет на рабочие и пусковые характеристики изменение напряжения? Увеличение воздушного зазора?

Размещено на Allbest.ru