Описание лабораторной установки

Министерство образования, науки, молодежи и спорта Украины

Донбасская государственная машиностроительная академия

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

Для студентов специальности 7.092301

«ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ»

Дневной и заочной форм обучения

Краматорск 2013

УДК 621.791

Электрические машины: методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 7.0923 01 «Технология и оборудование сварки» дневной и заочной форм обучения / Сост.: Лысак В.К., Бойко И.А. Краматорск: ДГМА, 2011. – 40с.

Представлены лабораторные работы по изучению и исследованию электрических машин. Содержат необходимый теоретический материал, описание лабораторного оборудования, порядок выполнения работ и методику проведения исследований, требования к содержанию отчета и контрольные вопросы по каждой из лабораторных работ.

Составители                                             В.К. Лысак, ст. преп.

                                                                   И.А. Бойко, ассист.   

Ответственный за выпуск                       Н.А. Макаренко, проф.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………… 4

1 Лабораторная работа 1. Изучение и исследование однофазных

трансформаторов ………………………………………………………. 5    

2 Лабораторная работа 2. Изучение и исследование трехфазных

трансформаторов ………………………………………………………. 14  

3 Лабораторная работа 3. Изучение и исследование генератора

постоянного тока ………………………………………………………. 19    

4 Лабораторная работа 4. Изучение и исследование двигателя

постоянного тока ………………………………………………………. 24

5 Лабораторная работа 5. Изучение и исследование трехфазного

 асинхронного электродвигателя ..…….………………………………. 31
Список рекомендованной литературы ………………………………. 39

ВВЕДЕНИЕ

Электрические машины и аппараты широко применяются во всех областях жизни и деятельности современного общества.

Выработка электрической энергии на электростанциях осуществляется генераторами. При передаче электроэнергии от электростанции к потребителю производится неоднократное повышение и понижение напряжения с помощью трансформаторов.

Трансформаторы и электродвигатели различных типов входят в состав большинства приборов бытовой техники, а также промышленного оборудования и инструмента.

Очень широко применяется электрические машины и аппараты в составе оборудования сварочного производства. Трансформаторы являются важной составной частью источников питания для большинства способов электрической сварки. Генераторы постоянного и переменного тока применяются в агрегатах для сварки в полевых условиях. Электродвигатели широко применяются в приводах подачи электродной проволоки полуавтоматов и автоматов для дуговой сварки, приводах перемещения сварочных аппаратов и изделий со скоростью сварки, приводах сварочных кантователей, вращателей, манипуляторов, оборудования заготовительного производства.

Цель лабораторного практикума – закрепить и углубить теоретические знания студентов о принципах построения электрических машин. Приобрести навыки исследования статических и динамических характеристик однофазных и трехфазных трансформаторов, электродвигателей и генераторов постоянного и переменного тока

1 Лабораторная работа 1

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Цель работы – ознакомиться с конструкцией и принципом действия однофазных трансформаторов. Путем снятия электрических характеристик исследовать работу трансформатора.

Теоретические сведения

Трансформатором называется электротехническое устройство служащее для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Трансформатор состоит из двух основных частей – магнитопровода (сердечника) из ферромагнитного материала и обмоток.

Трансформаторы могут выполняться на магнитопроводах стержневого, броневого или кольцевого типа (рис.1.1). В стержневых трансформаторах обмотки охватывают стержни магнитопровода, в броневых - сердечник частично охватывает обмотки.

                              а                   б                      в                          г

а,б – стержневой; в – броневой; г – кольцевой

Рисунок 1.1 –  Магнитопроводы трансформаторов

  Части магнитопровода, на которых размещены обмотки, называют стержнями, а части его без обмоток соединяющие стержни – ярмами. 

   Обмотка, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной, а обмотка, от которой отводится электрическая энергия к приемнику – вторичной.

Трансформатор может работать в режиме холостого хода, в режиме нагрузки и в режиме короткого замыкания.

    Рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа (рис. 1.2).

     В режиме холостого хода вторичная цепь разомкнута (I₂ = 0). В первичной обмотке протекает сравнительно небольшой ток I₁₀. Намагничивающая сила первичной обмотки (I₁₀w₁) создает в сердечнике магнитный поток

                                                                              (1.1)

где Ф_1m – амплитудное значения потока, R_М – сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток.

            а                                                             б

а – с разнесенными, б – с совмещенными обмотками

               Рисунок 1.2 - Магнитные потоки трансформатора

Магнитный поток Ф₁ делится на две части: главный (основной) поток Ф₁₀, замыкающийся по магнитопроводу, и поток рассеяния Ф_1Р, замыкающийся по воздуху в пространстве вокруг первичной обмотки.

    При работе трансформатора в режиме холостого хода поток рассеяния во много раз (10 …100 ) меньше основного потока, так как сопротивление магнитной цепи ферромагнитного магнитопровода во много раз меньше сопротивления магнитной цепи, по которой замыкается поток рассеяния.

В передаче мощности от первичной обмотки ко вторичной участвует только основной поток, который сцеплен с витками как первичной, так и вторичной обмоток. Поток рассеяния сцеплен с витками только первичной обмотки. Основной магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке ЭДС холостого хода.

        .                           (1.2)

Здесь С =  f – частота питающей сети; Ф_10m – амплитудное значение основного магнитного потока.

В первичной обмотке ЭДС индуцирует как основной поток Ф₁₀, так и поток рассеяния Ф_1Р. Напряжение U₁, подведенное к первичной обмотке, уравновешивается этими ЭДС и падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки.  Пренебрегая незначительным сдвигом по фазе магнитных потоков Ф₁₀ и Ф_1Р, можно для действующих значений напряжений и ЭДС записать

(1.3)

Обмотки трансформатора выполняются медным или алюминиевым проводом достаточного сечения и, следовательно, имеют малое активное сопротивление. В свою очередь ток холостого хода I₁₀ не более 3-10% номинального первичного тока трансформатора (тем меньше чем мощнее трансформатор). Поэтому величина I₁₀R₁ ничтожно мала по сравнению с U₁ и ей можно пренебречь. Тогда получим, что в режиме холостого хода первичное напряжение U₁ практически равно по величине (и противоположно по фазе) ЭДС Е₁

                                                              (1.4)

В соответствии с (1,2) и (1,4) коэффициент трансформации определится выражением  

                                                   (1.5)

где К_М –коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками:

                                                             (1.6)

В трансформаторах с нормальным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки совмещены (например, намотаны концентрично одна поверх другой),  К_М » 1. В трансформаторах с увеличенным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены на разные стержни или на разные участки одного стержня, К_М < 1 (К_М=0,9–0,98). При этом, в соответствии с выражением (1.5)

                                                         (1.7)

То есть наличие потоков рассеяния приводит к некоторому снижению напряжения холостого хода трансформатора, что необходимо учитывать при расчете количества витков вторичной обмотки.

 При подключении нагрузки во вторичной обмотке появляется ток I₂, который создает магнитный поток Ф₂, направленный встречно потоку Ф₁:

                                                  .                                        (1.8)

Основная часть этого потока Ф₂₀ замыкается по магнитопроводу трансформатора, а часть потока замыкается в пространстве вокруг вторичной обмотки, образуя поток рассеяния вторичной обмотки Ф_2Р ( рис. 1.2)

Магнитный поток, сцепленный с витками первичной обмотки, в режиме нагрузки определится разностью потока, созданного намагничивающей силой первичной обмотки (I_1Hw₁), и основной частью магнитного потока вторичной обмотки

                                                                             (1.9)

Результирующий магнитный поток сцепленный с первичной обмоткой,  индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, которая в основном уравновешивает подведенное к ней напряжение U₁ (см. (1.4). Поэтому Ф_1РЕЗ остается почти неизменным при любых режимах работы трансформатора.

                                                                                                               (1.10)

Следовательно, увеличение вторичного тока сопровождается соответствующим увеличением первичного тока

                                                                                                (1.11)

и мощности, потребляемой трансформатором от питающей сети.

      Магнитный поток рассеяния вторичной обмотки не сцеплен с витками первичной обмотки и, следовательно, не компенсируется соответствующим увеличением первичного тока. Следовательно результирующий магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, а значит и ЭДС индуктируемая во вторичной обмотке,  уменьшается с увеличением тока нагрузки.

Коэффициент пропорциональности между потокосцеплением y = wФ и током в катушке определяет ее индуктивность

                                                                                          (1.12)

Магнитным потокам рассеяния соответствуют эквивалентные индуктивности рассеяния

                                                            (1.13)

   В цепи синусоидального переменного тока индуктивностям рассеяния соответствуют индуктивные сопротивления X_1p = wL_1Р, X_2p = wL_2Р, а трансформатору в целом эквивалентное индуктивное сопротивление X_Т. 

Уравнение трансформатора (в векторной форме) приближенно можно записать в виде

                            ,                                 (1.14)

где R_Т – эквивалентное активное сопротивление обмоток трансформатора.

Векторная диаграмма напряжений трансформатора при активной нагрузке R_Н  приведена на рис.1.3.

Рисунок 1.3 - Векторная диаграмма трансформатора

Обмотки трансформатора обладают малым активным сопротивлением. Падение напряжения на активном сопротивлении при номинальном для данного трансформатора токе составляет 1…3% от напряжения холостого хода:

.

Если трансформатор выполнен с нормальным рассеянием, то есть его первичная и вторичная обмотки совмещены, то магнитный поток, создаваемый намагничивающей силой каждой из обмоток, практически полностью сцеплен с обеими обмотками, а потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки практически полностью компенсируют друг друга (рис.1.2б). Магнитные потоки рассеяния и эквивалентные им индуктивности рассеяния при этом близки к нулю.

                  , ,      .

  Такой трансформатор в диапазоне рабочих токов при активной нагрузке имеет пологопадающую (близкую к жесткой) внешнюю характеристику, сдвиг фаз φ между напряжением холостого хода и током нагрузки близок к нулю, а коэффициент мощности cosφ , близок к единице.

Трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены, то есть размещены на разных стержнях (рис.1.2а).  или на разных участках одного стержня, обладают повышенной индуктивностью рассеяния и имеют падающие или крутопадающие внешние характеристики и крутизну наклона характеристики можно регулировать изменяя степень разнесения обмоток трансформатора.  Сдвиг фаз φ между напряжением холостого хода и током нагрузки может быть значительным, а коэффициент мощности cosφ , значительно меньшим единицы.

Описание лабораторной установки

  Для выполнения лабораторной работы используются:

1. Трансформатор с сердечником броневого типа и нормальным рассеянием (рис.1.4а).

2. Трансформатор с сердечником стержневого типа и повышенным рассеянием (рис.1.4б).

3. Нагружающий балластный реостат.

4. Измерительный комплект, который включает вольтметр, амперметр и ваттметр переменного|изменяемого| тока.

                        а                                                 б|б|

Рисунок 1.4 – Конструкции трансформаторов

Экспериментальное исследование трансформатора выполняется|исполняет| с использованием схемы измерений, приведенной на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 - Схема проведения эксперимента

                        |

             1.3 Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкцию и принцип работы трансформаторов.

2. Подключить к|до| схеме измерений трансформатор с нормальным рассеянием.

3. Провести измерение первичного U₁ и вторичного U₂ напряжений трансформатора, а также ток, в первичной обмотке I₁ и мощность P₁, потребляемую трансформатором в режиме холостого хода.

4. Изменяя сопротивление нагрузочного реостата, задавать указанные преподавателем значения тока нагрузки I₂ и измерять U₁, I₁, P₁, U₂, P₂. Результаты измерений занести в таблицу 1.1

5. Провести расчеты коэффициента полезного действия η = P₂ / P₁, и коэффициента мощности cosφ₁ = P₁ / U₁ I₁.

6. Подключить к|до| схеме измерений трансформатор с повышенным рассеянием и повторить измерения и расчеты указанные в пунктах 3 - 5. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1.2.

Таблица 1.1 – Результаты экспериментального исследования трансформатора с нормальным рассеянием

Таблица 1.2 – Результаты экспериментального исследования трансформатора с повышенным рассеянием

7. Для трансформатора, который имеет по две одинаковых катушки первичной и вторичной обмотки симметрично расположенные на стержнях трансформатора провести измерение напряжения холостого хода U₂₀, для способов соединения обмоток, указанных в табл. 1.3 и на рис. 1.6. Определить коэффициент трансформации  n = U₁/ U₂ для каждого из способов соединения. Точкой на рисунках обозначено начало обмотки.

       а                        б|б|                          в                                г

а – последовательное – параллельное, б|б| - последовательное – последовательное, в - параллельное - последовательное, г - параллельное – параллельное

Рисунок 1.6 – Способы соединения катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора.

8. Для трансформатора с повышенным рассеянием провести измерения и расчеты указанные в пунктах 3 - 5 для последовательного и параллельного соединения катушек как первичной, так и вторичной обмоток трансформатора. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.4.

9. По результатам измерений и расчетов, занесенных в таблицы 1.1, 1.2, 1.4 построить графики зависимостей U₂ = f(I₂) (внешняя вольт – амперная характеристика трансформатора); η = f(I₂); cosφ₁ = f(I₂).

10. Сделать|совершить| выводы по результатам|по результатам| работы.

Таблица 1.3 – Результаты экспериментального исследования, влияния способа соединения обмоток трансформатора на напряжение холостого хода

Таблица 1.4 – Результаты экспериментального исследования влияния способа соединения обмоток на характеристики трансформатора

Содержание отчета

1 Наименование и цель работы.

2 Конструкции трансформаторов (рис.1.4).

3 Схема проведения экспериментов (рис.1.5).

4 Схема переключения обмоток трансформатора (рис.1.6).

5 Таблицы результатов экспериментов.

6 Графики зависимостей U₂ = f(I₂) (внешняя вольт – амперная характеристика трансформатора); η = f(I₂); cosφ₁ = f(I₂).

7 Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1 Поясните назначение и принцип действия трансформатора.
2 Какую форму имеют магнитопроводы однофазных трансформаторов?
3 Какой магнитный поток в магнитной системе трансформатора называется главным (основным)?
4 Какой магнитный поток в магнитной системе трансформатора называется потоком рассеяния?

5 Что такое коэффициент магнитной связи между обмотками трансформатора?

6 Что называется коэффициентом трансформации трансформатора?

7 Каким выражением определяется вторичное напряжение холостого хода трансформатора?
8 Что такое внешняя вольт-амперная характеристика трансформатора?

9 Как зависит форма внешней вольт-амперной характеристики трансформатора от взаимного размещения его первичной и вторичной обмоток?

         
2 Лабораторная работа 2