Министерство образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

Кафедра электротехники и электрооборудования

В.М. ГЛАЗОВ, Г.П. ЕЛЕЦКАЯ, В.И. ЛОВЧАКОВ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Лабораторные работы

Часть третья “Электрические машины”

Методические указания

Под редакцией Г.П. Елецкой

Тула 2004

Введение

Настоящие методические указания предназначены для студентов вечернего и заочного обучения всех не электротехнических специальностей, а также студентов дневного обучения специальностей, учебные планы которых предусматривают небольшой объем электротехнической дисциплины. Они включают в себя описание семи лабораторных работ и содержат необходимые сведения по экспериментальному исследованию в лабораторных условиях характеристик электрических машин – основных источников и потребителей электрической энергии.

Цель данного цикла работ – закрепить теоретические знания и обеспечить практическую подготовку инженеров не электротехнических специальностей по разделу “Электрические машины” различных электротехнических дисциплин. Это позволит грамотно выбирать и эксплуатировать электрические машины, управлять их характеристиками и осуществлять контроль за их эффективной и безопасной работой.

Объем каждой лабораторной работы выбран с таким расчетом, чтобы студент за одно лабораторное занятие имел возможность полностью выполнить задание и составить отчет по работа при наличии заранее заготовленных бланков протокола испытаний и расчетно-графической части.

Работы №12, 13 составил доцент Глазов В.М., 914,18-ассистент Ловчаков В.И., работы №15, 16, 17 – доцент Елецкая Г.П. Редакция 2004г. Вып. Доц. Илюшин В.С.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОДГОТОВКЕ, ВЫПОЛНЕНИЮ

И ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Прохождение лабораторного практикума включает в себя три этапа:

1) самостоятельную подготовку к работе;

2) проведение экспериментов в лаборатории;

3) обработку результатов экспериментов и оформление отчета.

1. В процессе самостоятельной подготовки студенты обязаны:

а) уяснить цель работы и повторить основные теоретические положения по данной теме, для чего использовать конспект лекций и рекомендованные преподавателем учебные пособия.

Качество своей подготовки можно оценить с помощью контрольных вопросов, приведенных в каждой лабораторной работе;

б) изучить содержание и порядок выполнения работы;

в) оформить бланки протокола испытаний и расчетно-графической части отчета. При этом необходимо зарисовать конструктивную схему объекта и записать расчетные зависимости. Формы бланков даны для каждой работы в приложении к методическим указаниям.

Перед началом работ преподаватель проводит собеседование с каждым студентом, проверяя уровень подготовки к работе.

Студент допускается к работе, если предъявил грамотно оформленные бланки, ответил на контрольные вопросы и объяснил назначение всех элементов схемы и порядок проведения любого эксперимента в лабораторной работе.

По результатам с собеседования выставляется оценка, которая учитывается при защите лабораторных работ.

Экспериментальные исследования проводятся на лабораторных стендах в составе бригад по 3-4 человека, в соответствии с графиком, составленным преподавателем. В процессе работы каждый член бригады выполняет определенные обязанности при сборке электрических цепей, снятии показаний измерительных приборов, регулировке параметров исследуемых объектов. В последующих работах обязанности членов бригады должны перераспределяться таким образом, чтобы каждый участник эксперимента приобрел навыки по всем видам работ лабораторного исследования электрических машин.

Сборка электрических цепей, включающих в себя электрические машины, трансформаторы, пускорегулирующую аппаратуру и измерительные устройства осуществляется согласно схемам, приведенным в протоколах испытаний с помощью комплекта проводников каждого стенда. После сборки цепи ее необходимо предъявить для проверки преподавателю или лаборанту.

Включать цепь под напряжение можно только получив на это разрешение. Самовольное включение исследуемой цепи даже после незначительных ее изменений категорически запрещено.

Если невыполнение этих требований повлекло за собой выход из строя приборов и оборудования, виновный несет материальную ответственность.

Применяя измерительные приборы, следует внимательно ознакомиться с передней панелью прибора, назначением ручек и переключателей. При необходимости следует обратиться за помощью к преподавателю.

В процессе выполнения работы таблицы протокола испытаний заполняют данными экспериментальных измерений. После завершения работы, не разбирая электрическую цепь, протокол испытаний предъявляют для проверки преподавателю, который своей подписью удостоверяет правильность результатов. После этого электрическую цепь следует разобрать.

Время проведения эксперимента должно составлять не более 30-35 мин.

3. Обработка результатов измерений, оформление расчетно-графической части и сдача отчетов производится в лаборатории непосредственно после выполнения работы. Поэтому студенты обязаны иметь с собой на каждом, занятии чертежные принадлежности (карандаш, линейку, циркуль, лекало, транспортир) и микрокалькулятор (или логарифмическую линейку).

Лабораторная работа засчитывается, если отчет содержит подписанный протокол испытаний, грамотно оформленную в соответствии с требованиями ЕСКД расчетно-графическую часть, поясняемую краткими выводами по результатам исследований.

Если студент проявил посредственные знания при допуске к лабораторной работе, проводится ее защита. При этом студент должен обнаружить знания устройства и принципа работы объекта, понимание физических процессов, объясняющих полученные в работе результаты. По результатам защиты выставляется оценка.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

На вводном занятии преподаватель знакомит студентов с инструкцией по технике безопасности при эксплуатации электроустановок и вращающихся электрических машин. В этой инструкции изложены основные правила, которые необходимо соблюдать при работе в лаборатории. Студенты, прошедшие инструктаж, долины расписаться в журнале по технике безопасности и строго следовать положениям инструкции.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО СИЛОВОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить устройство и принцип действия силового трансформатора.

2. Освоить методику опытного определения коэффициента трансформации и потерь в стали магнитопровода.

3. Исследовать влияние тока нагрузки на величины вторичного напряжения и коэффициентов полезного действия.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте посредством электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода и уложенных на его стержнях двух или нескольких обмоток. Магнитопровод трансформатора для снижения потерь на вихревые токи собирают из тонких, изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Двухобмоточный трансформатор имеет обмотку высшего напряжения (ВН с большим числом витков и обмотку низшего напряжения (НН) с меньшим числом витков. Обмотка, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной, а обмотка, от которой отводится электрическая энергия к приемнику, называется вторичной.

Конструктивная схема двухобмоточного трансформатора показана на рис.1. При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального тока с напряжением по ней пойдет электрический ток i,(I), который создаст в магнитопроводе основной магнитный поток (t). Переменный магнитный поток (t), замыкаясь по магнитопроводу, пронизывает обе обмотки и в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. Их мгновенные значения определяются выражениями:

и

где W₁, W₂- числа витков первичной и вторичной обмоток.

ЭДС е₁(t) уравновешивает приложенное напряжение U₁(t), а действие

ЭДС е₂(t) приводит к появлению на зажимах вторичной обмотки напряжения U₂(t) и при подключении нагрузки к протеканию в ней тока i₂,(t). Таким образом, посредством магнитного поля осуществляется передача электрической энергии от первичной цепи ко вторичной.

Режим работы трансформатора без нагрузки, т.е. при разомкнутой вторичной обмотке ( ) называется холостым ходом трансформатора.

Действующие значения ЭДС в первичной и вторичной обмотках определяются выражениями:

где - амплитудное значение магнитного потока, Вб;

f – частота переменного тока, Гц.

Одним из основных параметров трансформатора является коэффициент трансформации n, определяемый как отношение напряжения на обмотке ВН к напряжению на обмотке НН при холостом ходе трансформатора

.

В данной лабораторной работе исследуется понижающий трансформатор, у которого обмоткой ВН является первичная обмотка, поэтому, учитывая, что в режиме холостого хода U₁=E₁ и U_ZX=E_Z для него справедливо выражение

Ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода, называется током холостого хода I_1X. Его часто выражают в процентах от номинального тока I_1НОМ:

Для силовых трансформаторов величина составляет обычно 1...10 % .

Процесс преобразования энергии в трансформаторе сопровождается электрическими и магнитными потерями.

Магнитные потери - это потери энергии на перемагничивание магнитопровода и нагревание его вихревыми токами. Величина магнитных потерь при фиксированной частоте зависит только от значения магнитной индукции в магнитопроводе, которая в свою очередь определяется направлением, приложенным к первичной обмотке, и, следовательно, не зависит от нагрузки. Мощность магнитных потерь Δ?_M примерна равна активной мощности, потребляемой трансформатором из сети в режиме холостого хода, т.е. Δ?_M =Р_X.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод трансформаторов избирают из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали, что повышает сопротивление для вихревых токов. Снижение потерь на перемагничивание требует применения для магнитопровода материала с узкой петлей гистерезиса.

Электрические потери – это потери энергии ив нагревание обмоток трансформатора, проходящими по ним таком. Мощность электрических потерь ΔР, может быть определена по экспериментальным данным специального опыта, называемого опытом короткого замыкания

где – коэффициент нагрузки;

Р_к – активная мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания.

Она может быть найдена также аналитически:

Таким образом, мощность суммарных потерь можно найти по формуле

(3)

Полезная мощность Р₂ , передаваемая нагрузке, отличается от потребляемой из сети мощности Р₁ на величину суммарных потерь, т.е.

Важным экономическим показателем является коэффициент полезного действия (КПД ) трансформатора

(4)

У силовых трансформаторов КПД достаточно высок и достигает величин порядка 0,95...0,99 .

При изменении нагрузки КПД незначительно меняется ( ). График зависимости КПД от тока нагрузки представлен на рис.2.

И зменение нагрузки влечет за собой, также изменение вторичного напряжения U_Z. Это связано с тем, что рост токов в обмотках трансформатора вызывает увеличение падений напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях обмоток. Зависимость напряжения на вторичной обмотке от тока нагрузки U₂(I₂) называется внешней характеристикой трансформатора. При активном и активно-индуктивном характере нагрузки напряжение U₂ с ростом тока нагрузки будет уменьшаться. График внешней характеристики U₂(I₂) имеет вид, представленный на рис.3.

Изменение вторичного напряжения ?U₂ при данном I₂ можно выразить в процентах от напряжения U_2Х,

где U₂= U_2x- U₂

При номинальной нагрузке величина U_2% составляет обычно несколько процентов.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

В лаборатории №224 объектом исследования является однофазный трансформатор, нагрузкой для которого служит ламповый реостат, в лаборатории №251 исследуют одну фазу трехфазного трансформатора, а в качестве нагрузки используется жидкостный реостат. Трансформаторы крепятся в нижней части стенда. Начала и концы обмоток трансформаторов подключены к зажимам, расположенным на щитке.

Маркировка замков для однофазного трансформатора: начало обмотки ВН – А, конец -обмотки ВН - Х, начало обмотки НН – а, конец обмотки НН - х.

Маркировка замков для трехфазного трансформатора:

начало обмоток фаз ВН – А,В,С; концы обмоток фаз ВН – Х,У, Z; начала обмоток фаp НН - а,b,с; концы обмоток фаз НН – х, у, z. Электроизмерительные приборы размещены на лицевой панели стенда

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Внимательно ознакомиться с конструкцией; трансформатора. Найти на клеммном щитке зажимы начал и концов обмоток ВН и НН.

2. Записать в табл.1 (прил.) паспортные данные трансформатора

3. Собрать электрическую цепь, схема которой представлена на рис.5 (прил.). В качестве нагрузки R_н в лаборатории №224 используется ламповый реостат, а в лаборатории №251 – жидкостный реостат. Переключатели пределов ваттметра установить: для тока 5А для напряжений 300 В.

4. Для исследования режима холостого хода трансформатора в ламповом реостате отключить все лампы, а в жидкостном реостате вынуть пластины из воды, Амперметр А1 должен обеспечивать измерение тока холостого хода.

4.1. После проверки преподавателем правильности сборки электрической цепи подать напряжение на стенд, нажав кнопку "Пуск" на торцевой панели стенда, и с помощью регулятора напряжения установить номинальное значение напряжения U_1ном.

4.2. Подключить к сети первичную обмотку трансформатора, нажав кнопку "Пуск" на передней панели стенда. В режиме холостого хода замерить ток I_1x, активную мощность Р_x и напряжение на вторичной обмотке U_x. Результаты записать в твбл.2 (прил.)

5. Для исследования трансформатора в режиме нагрузки отключить трансформатор от сети, нажав кнопку "Стоп" на передней панели стенда. Заменить амперметр А1 на прибор, позволяющий измерить номинальное значение первичного тока I_1НОМ Амперметр А2 должен быть рассчитан на измерение I _2НОМ.

5.1. Исследовать работу трансформатора в режиме нагрузки для чего, отключив трансформатор из сети, увеличивать нагрузку, включая лампы, в ламповом реостате или погружая пластинки в воду в жидкостном реостате. По мере увеличения нагрузки до номинального режима снимать показания амперметров А1 и А2, ваттметров W и вольтметра V2 и записывать их в табл.З.

5.2. Выключить все лампы или вытащить пластины из воды и снять напряжение со стенда, нажав кнопку "Стоп" на торцевой панели.

6. Согласовать с преподавателем полученные результаты и разобрать электрическую цепь.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.По данным режима холостого хода рассчитать коэффициент трансформации трансформатора П по формуле (1) и относительную величину (в процентах) тока холостого хода I_1X% по формуле (2). Записать полученные результаты в табл.4 (прил.).

2. Для каждого из опытов режима нагрузки вычислить мощность суммарных потерь ?Ρ_Ζ по формуле (3) и КПД – трансформатора  по формуле (4). Результаты записать в табл.5 (прил.).

3. На рис.6 построить внешнюю характеристику трансформатора U₂=f(I₂); а на рис. 7 .зависимость КПД от тока нагрузки

p=f(I₂) по данным табл.3 и 5.

4. Для номинальной нагрузки вычислить процентное изменение вторичного напряжения ?U_2% по формуле (5). Результат занести в табл.4 (прил.)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как устроен однофазный трансформатор?

2. В чем заключается принцип работы трансформатора?

3. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора

4. От чего зависят ЭДС, индуктируемые в обмотках трансформатора?

5. Что такое ток холостого хода и какова его величина?

6. Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и как их определить?

7. Каким образом можно добиться снижения потерь энергии в магнитопроводе трансформатора

8.Что такое КПД трансформатора и как он зависит от нагрузки?

9 . Как зависит напряжение на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки и почему?

10. С какой целью проводят опыты холостого хода и нагрузки

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электротехника /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985.-С.237-240, 243-248,.251-252, 253-256.

2. Волынский В.А., Зойн Б.Н., Шатерников ВЛ. .Электротехника.: Энергоатомиздат, 1987. – С.295- 2, ЗО9-317.

Приложение

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

к лабораторной работе № 12

“Исследование однофазного силового трансформатора”

Конструктивная схема трансформатора Основные соотношения, поясняющие принцип действия трансформатора хода

e₁(t)= e₂(t)=

E₁= E₂=

n=

рис. 4

Паспортные данные трансформатора

Таблица 1

Sном, кВ*А	U1ном,В	I1ном,А	I2ном,А	R1,Oм	R2,Oм

Режим холостого хода

Таблица2

I1X,А	PX,Bт	U2X,B

Режим нагрузки

Таблица 3

№ опыта	I1,A	I2,A	P1,Bт	U2,B
1
2
3
4
5

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Таблица4 Таблица5

 I1X%,% U1X%,% № опыта	PX,Bт	
1
2
3
4
5

Внешняя характеристика U₂(I₂) Зависимость (I₂)



рис. 6 рис. 7

Краткие выводы по работе (содержит ответы на контрольные вопросы 7-9)

Группа____________________Студент________________________Дата_____

Преподаватель____________________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПУСКА, РЕВЕРСА И ХОЛОСТОГО ХОДА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Исследовать пусковые свойства двигателя при прямом пуске и при пуске с пониженным напряжением.

3. Освоить методику реверсов асинхронного двигателя.

4. Провести анализ эксплуатационных параметров двигателя в режиме холостого хода.

Основные теоретические положения

В народном хозяйстве в настоящее время около 60% всей электроэнергии потребляется асинхронными двигателями (АД), получившими большое распространение в качестве приводных двигателей различных производственных механизмов.

Трехфазный АД состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора (рис.1). Магнитопровод статора (1) представляет собой полый ферромагнитный цилиндр с продольными

пазами на внутренней поверхности, набранный из отдельных тонких листов электротехнической стали. В пазах статора уложена трехфазная обмотка, состоящая из 3Р одинаковых катушек. Каждая группа из последовательно или параллельно соединенных катушек принадлежит одной фазе обмотки статора, а магнитные оси двух соседних фаз смещены в пространстве друг относительно

друга на 120 эл. град. или на 120^о/p, где р – число пар полюсов машины. Начала и концы обмоток выведены на корпус машины и присоединены к зажимам, обозначенным: С1, С2, СЗ – начала обмоток; С4, С5, С6 - концы обмоток. Это

позволяет соединять обмотки статора как по схеме "звезда" (рис.2), так и по схеме “треугольник” (рис. 3).

Магнитопровод статора крепится в корпусе машины, состоящем из станины и подшипниковых щитков. Ротор АД (2) выполнен в виде цилиндра из тонких листов электротехнической стали. На внешней поверхности короткозамкнутого ротора имеются продольные пазы, в которых размещена обмотка ротора, представляющая собой алюминиевые или медные стержни, замкнутые по торцам кольцами. Такая конструкция обмотки называется "беличьей клеткой". Ротор закреплен на валу машины, который вращается в шариковых или роликовых подшипниках.

Принцип работы АД, т.е. процесс преобразования электрической энергии, подводимой к санаторной обмотке, в механическую энергию вращения ротора состоит в следующем. При подключении статорной обмотки к трехфазной сети в каждой из фаз обмотки будет протекать синусоидальный ток, сдвинутый во времени на 1/3 периода относительно тока в предыдущей фазе. Это обстоятельства в совокупности с указанным ранее расположением обмоток (смещение в пространстве на 120^о/р) приводит к образованию в магнитопроводе машины магнитного поля, вектор магнитной индукции которого, имея постоянную длину (B=const), вращается с некоторой постоянной скоростью. Такое магнитное поле называется вращающимся. Частота вращения магнитного поля n, называемая синхронной частотой вращения, зависит от частоты переменного тока в обмотке статора f₁ и числа пар полюсов машины р

.

Для промышленной частоты 50 Гц в зависимости от числа пар полюсов синхронная частота вращения принимает значения: 3000,

1500, 1000, 750, 600, 500 оборотов в минуту.

Вращающееся магнитное поле с магнитным потоком Ф , пересекая силовыми линиями проводники обмоток статора и неподвижного ротора, в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в них ЭДC, действующие значения которых соответственно равны:

;

Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, под действием наведенной ЭДC E₂ в ней возникнет электрический ток . Силы, действующие на проводники с током в магнитном поле (закон Ампера), создают вращающий момент, под действием которого ротор начнет вращаться в том же направлении что и магнитное поле статора. При этом частота вращения ротора n будет всегда несколько меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поскольку в случае их равенства для обмотки ротора перестанет действовать закон электромагнитной индукции. Отставание ротора от магнитного поля характеризуется параметром S , называемым скольжением

0<S<1

Поскольку ротор незначительно отстает от магнитного поля, значение S при номинальной нагрузке составляет обычно несколько процентов, а в режиме холостого кода – доли процента.

При вращении ротора частота и действующее значение ЭДС в обмотке ротора изменятся и будут определяться выражениями:

В момент подачи напряжения на статорную обмотку n=0, s=1 и ЭДС Е_2s будет максимальной. Это приведет к появлению большого тока I₂, в обмотке ротора, что в свою очередь вызовет увеличение тока обмотки статора I₁ для компенсации размагничивающего действия тока I₂. Величина пускового тока I_n обычно в 5-7 раз превышает номинальное значение I_1ном. Это обстоятельство вызывает кратковременную (на время разгона двигателя) перегрузку сети, что может неблагоприятно сказаться на работе других потребителей. уменьшение пускового тока может быть осуществлено временным снижением напряжения на статорной обмотке на время разгона двигателя. Этого можно добиться, например, с помощью регулируемого источника питания или путем изменения схемы подключения обмоток на время пуска (при пуске обмотки соединяются "звездой" с последующим переключением после разгона на "треугольник").

При отсутствии механической нагрузки на валу АД в статорной обмотке течет ток холостого хода I_1х , который может достигать 25...50 % от I_1ном, что значительно больше, чем ток холостого хода в трансформаторе. Это объясняется наличием воздушного зазора между статором и ротором, что существенно увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода и, следовательно, требует большего значения намагничивающей силы I_W для создания магнитного потока Ф. В режиме холостого хода АД потребляет из сети активную мощность

которая расходуется на магнитные и механические потери, поскольку электрические потери будут пренебрежимо малыми.

Для изменения направления вращения ротора (реверса) достаточно изменить направление вращения магнитного поля. Это достигается изменением порядка следования фаз трехфазного напряжения, для чего необходимо поменять местами две любые фазы в схеме подключения двигателя к сети.