Будова лабораторного стенда
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №11
ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
МЕТА РОБОТИ: вивчити будову трансформатора: дослідним шляхом визначиш параметри холостого ходу й КЗ; розрахувати опір схеми заміщення трансформатора й побудувати основні характеристики трансформатора в функції навантаження.
Програма роботи
11.1.1. Ознайомитися з приладами, апаратами і обладнанням експериментальної установки, записати їх технічні характеристики в протокол випробувань.
11. 1.2. За паспортними даними трансформатора визначити номінальний струм первинної і вторинної обмоток; підібрати відповідні вимірювальні прилади.
11.1.3. Скласти схему експериментальної установки для дослідження однофазного трансформатора. Ручку автотрансформатора встановити в нульове положення, вимикач Вї встановити в положення "вимкнуто".
11 !.4. Виконати дослід холостого холу трансформатора Речультаги вимірювань занести в таблицю 11.1 Таблиця 11.1
| № п/п | Результати вимірювань | Результати обчислень | ||||||
| напруга | струм | Активна потужність | Параметри гілки намагнічування | |||||
| U1,B | U2,B | І,А | Р1,Bт | R0,Oм | X0,Ом | Z0,Ом | Кт | |
11.1.5. Виконати дослід навантаження трансформатора. Результати досліджень занести в таблицю 11.2. Таблиця 11.2
| № п/п | Результати вимірювань | Результати обчислень | |||||||
| U1,B const | I1,A | P1,Bт | U2,B | І1,А | 
| P2,Bт | 
| cos 
| |
11.1.6. Виконати дослід КЗ. Результати досліджень занести в таблицю 11.3
Таблиця 11.3
| № п/п | Виміряно | Розраховано | ||||||||
| U1к,B | І1= І2н, А | Рк,Bт | Zк,Ом | Rк,Ом | Xк,Ом | R1,Ом | X1,Ом | R2,Ом | X2,Ом | |
11.17. За даними досліду холостого ходу обчислити параметри лайки намагнічення схеми заміщення трансформатора R0, X0, Z0 і коефіцієнт трансформації Кт.
11.1.8. За даними досліду КЗ визначити параметри обмоток трансформатора R1, X1, R2, X2.
11.19. Розрахувати і побудувати в загальній, системі координат робочі характеристики трансформатора U2, I2, І.і2, cos 1 , =f( ).
11.110. Накреслити схему заміщення трансформатора і визначити значення всіх її параметрів.
11.1.11. Зробити висновки за результатами виконаної роботи.
11.2 Програма домашньої підготовки до виконання лабораторної
Роботи
1. Повторити за підручником [1] теоретичний матеріал: будову і принцип дії трансформатора, рівняння електричного та магнітного стану, досліди холостого ходу і КЗ. схему заміщення трансформатора, робочі характеристики.
2 Підготувати протокол випробувань із схемами лабораторних установок і таблицями для занесення результатів досидів.
3. Відповісти на контрольні запитання до лабораторної роботи.
11.3 Основні теоретичні відомості
Трансформатором називається електромагнітний апарат, який призначений для перетворення електричної енергії в ланцюгах змінного струму і одним співвідношенням напруги й струму в електричну енергію з іншим співвідношенням напруги й струму при незмінній частоті.
Вивчення роботи трансформатора під навантаженням полягає в дослідженні двох граничних режимів його роботи: холостого ходу і КЗ.
Під холостим ходом (х.х.) розуміють такий режим роботи трансформатора, при якому до первинної обмотки підводиться номінальна напрїга. а вторинна обмотка розімкнена чи замкнена через вольтметр з великим внутрішнім опором. Із досліду х.х. можна визначити:
а) коефіцієнт трансформації трансформатора К. який приблизно дорівнює відношенню напруг на затискачах первинної U1 і вторинної U2 обмоток:
б) втрати в магнітопроводі (втрати в сталі) трансформатора Рст, які дорівнюють активній потужності. яка споживається в режимі х.х. Рх.
в) значення активного Ro і реактивного Хo опорів схеми заміщення (опори Ro і Хо вводять в схему заміщення, щоб врахувати процеси в магнітопроводах трансформатора).
Під КЗ розуміють такий режим, при якому вторинна обмотка замкнена накоротко, а до первинної обмотки підводиться понижена проти номінальної напруга, яка називається напругою КЗ Uk. Ця напруга складає декілька відсотків від номінальної U1н (Uк =5,5-10.5% U1н). При подачі на затискачі первинної обмотки напруги Uк, в досліді КЗ в ланцюгах первинної і вторинної обмоток діють номінальні значення струмів І1н і І2н .
Дослід КЗ дає можливість визначити:
а) втрати в обмотках (електричні) Рсл, які дорівнюють активній потужності, що споживається трансформатором в досліді КЗ Рк;
б) значення активних опорів R1, R2, а також реактивних опорів розсіювання Х1 і Х2 відповідно до первинної і вторинної обмоток трансформатора.
Будь-який навантажувальний режим можна розглядати як проміжний між двома граничними режимами роботи трансформатора. В режимі навантаження підведена до первинної обмотки трансформатора напруга U1 врівноважується ЕРС первинної обмотки Е1 і спадом напруги на повному опорі цієї обмотки Z1;. 
де i1 комплекс струму в первинній обмотці.
У вторинній обмотці трансформатора збуджується ЕРС Е2. Якщо до вторинної обмотки, повний опір якої Z2, приєднати навантаження, то у вторинній обмотці потече струм і2 і на затискачах встановиться напруга U2
значення якої залежить від характеру навантаження і може бути визначено із зовнішніх характеристик трансформатора (рис. 11,1).
Зовнішні характеристики отримують при 
, 
, і 
, де 
- коефіцієнт потужності навантаження. Відсоткова зміна вторинної напруги 
показує, наскільки напруга на затискачах вторинної обмотки при навантаженні U2 відрізняється від цієї напруги при х.х.:
Робочими характеристиками трансформатора називають залежності вторинної напруги U2, первинного струму І1, ККД , коефіцієнта потужності від вторинного стуму І2 при незмінній напрузі живлення U1, частоті f1 і коефіцієнті потужності навантаження . Наближений вигляд цих характеристик подано на рис. 11.2.
Опис лабораторного стенда
Експериментальні дослідження однофазного трансформатора виконують на лабораторному стенді, принципова схема якого зображена на рис. 11,3.
Живлення первинної обмотки АХ дослідного трансформатора Тр здійснюється через лабораторний трансформатор ЛАТР і автоматичний вимикач ВА. Для вимірювання первинного струму її, первинної напруги U1 і потужності Р1, яка підводиться, в коло первинної обмотки увімкнені вимірювальні прилади: амперметр А1, вольтметр V1, та ватметр W.
До вторинної обмотки ах трансформатора підключений резистор R, який дозволяє змінювати струм навантаження. Значення вторинного струму І2 і напруги U2 вимірюють амперметром А2 і вольтметром V2. Вимикач В1, забезпечує розмикання кола навантаження и досліді х.х. 
11. 5 Порядок виконання лабораторної роботи
11.5.1. В досліді х.х. автотрансформатором ЛАТР на затискачах первинної обмотки встановлюють номінальну напругу . Вимикач ВА повинен бути розімкненим (рис. 11.3).
Вхідний опір трансформатора при досліді х.х.:
практично дорівнює повному опору Zо ланки намагнічення, оскільки опори Rо і Хо в сотні разів перевищують активний R1 і реактивний опір розсіяння X1 первинної обмотки трансформатора. З урахуванням цього, опори Rо і Хо знаходять так:
Коефіцієнт трансформації:
11.5.2 Для здійснення досліду навантаження вмикають вимикач ВА змінюючи за допомогою реостата R навантаження трансформатора, повільно збільшують струм І2 до номінального. Робочі характеристики розраховують за такими формулами:
коефіцієнт навантаження: 
потужність навантаження: 
Оскільки навантаження чисто активне, то 
коефіцієнт потужності 
коефіцієнт корисної дії 
11.5.3 В досліді КЗ до первинної обмотки трансформатора підводять знижену напругу, яка складає кілька відсотків від номінальної, а вторинні обмотку замикають накоротко проводом (рис 11.4).
Ручка автотрансформатора ЛАТР перед вмиканням установки обов'язково повинна бути виведена на нуль. Потім напругу, що підводиться до первинної обмотки, плавно збільшують доти, поки струм не стане рівний номінальному. Покази приладів, що відповідають значенню струму КЗ І1к=І1ном позаносять в таблицю 11.4.
Таблиця 11.4
| № п/п | Виміряно | Розраховано | ||||||||
| U1к, B | І1 =І1к, A | Pк, Bт | Zк, Oм | Rк, Oм | Xк, Oм | R1, Oм | X1, Oм | R2, Oм | X2, Oм | |
Розрахункові величини обчислюють за такими формулами:
напруга КЗ у відсотках для номінальної первинної напруги:
повний опір КЗ трансформатора
активна Rк та реактивна Хк складові опору КЗ
опори первинної обмотки і зведені опори вторинної обмотки
опори вторинної обмотки
11.6 Завдання на підготовку до лабораторно-практичного завдання
Перед виконанням лабораторної роботи необхідно:
1) ознайомитись із теоретичними відомостями, які приведені дійсних методичних вказівках і в [1.c 295-332.2.С.2.238-266];
2) розв'язати за вказівкою викладача;
3)підготувати в робочому зошиті протокол лабораторних дослідів однофазного трансформатора.
11.7. Питання для самоконтролю і задачі для самостійного розв'язування
1. Зобразіть будову однофазного трансформатора. Основні елементи конструкції і їх призначення.
2. Поясніть принцип дії трансформатора в режимі холостого ходу.
3. Напишіть рівняння електричного стану первинної обмотки і миттєвими і комплексними значеннями величин. Поясніть їх.
4. Побудуйте векторну діаграму трансформатора в режимі холостого ходу, покажіть на ній вектор напруги на опорі розсіювання первинної обмотки.
5.Визначте ЕРС первинної обмотки, якщо частота струму f=50 Гц, число витків W1=500, амплітуда магнітного потоку 0,0005 Вб.
6.Напруга живлення первинної обмотки дорівнює 100 В. його частота 50 Гц, число витків первинної обмотки W1=1000. Знайдіть основний магнітний потік.
7.Нарисуйте схему заміщення трансформатора в режимі холостого ходу і покажіть як розраховувати параметри цієї схеми.
8. Яку потужність можна визначити і досліду холостого ходу ?
9. Зобразити принципову схему роботи трансформатора в режимі навантаження. Показати направлення КРС, струмів, потоків - основного і розсіювання.
10.Поясніть, чи зміняться струми обмоток при зміні навантаження трансформатора, як саме і чому ?
11.Запишіть рівняння МРС і поясніть, як зміняться доданки урн збільшенні і зменшенні навантаження.
12.Запишіть рівняння електричного стану для первинної і вторинної обмоток миттєвими і комплексними значеннями з урахуванням ЕРС розсіювання, а також рівняння з приведеними значеннями.
13.Поясніть, з якою метою параметри вторинної обмотки приводяться до числа витків первинної обмотки.
14.Побудуйте векторну діаграму трансформатора, що працює на активно-індуктивне навантаження, і поясніть порядок її побудови.
15 Нарисуйте повну схему заміщення трансформатора і поясніть як визначити параметри схеми заміщення ?
16.Нарисуйте схему досліду короткого замикання трансформатора і вкажіть умови проведення досліду.
17.Яку потужність можна визначити з досліду короткого замикання ?
18.Нарисуйте схему заміщення однофазного трансформатора при короткому замиканні, як визначити параметри схеми заміщення .
19 Напишіть формулу для визначення активної і реактивної складових напруг короткого замикання.
20.Знайдіть напругу короткого замикання, якщо відомі номінальна потужність Sква= 10 кВА, потужність втрат короткою замикання Рк ном=400 Вт, реактивна складова напруги короткого замикання 3%.
21.При номінальному активному навантаженні активна складова напруги короткого замикання рівна 3%. Визначити напругу в опорі навантаження, якщо номінальна напруга складає 400 В.
22.Знайдіть відсоткову зміну напруги, якщо відомо, що номінальна потужність однорідного трансформатора 10 кВА, потужність втрат короткого замикання 300 Вт, напруга короткого замикання 5%, зсув фаз 
60 коефіцієнт навантаження 0,8.
23.Зобразіть зовнішню характеристику трансформатора і поясніть її.
24.Перерахуйте потужність втрат в трансформаторі і поясніть, як залежить ККД від коефіцієнта навантаження.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №12
ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГУНА З КОРОТКОЗАМКНУТИМ РОТОРОМ
МЕТА РОБОТИ: вивчити будову і принцип дії трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором; розрахувати і побудувати на підставі експериментальних даних робочі характеристики асинхронною двигуна.
Програма роботи
12.1.1. Ознайомитися з будовою лабораторної установки, записати паспортні дані дослідного двигуна та навантаженого генератора, підібрати відповідні їм вимірювальні прилади.
12.1.2. Виміряти напругу мережі живлення, визначити схему з'єднання статорної обмотки, скласти схему для дослідження асинхронного двигуна.
12.1.3. Здійснити прямий пуск асинхронного двигуна на х.х. та визначити кратність пускового струму.
12.1.4. Отримати робочі характеристики двигуна 
.
І2.1.5. За дослідними даними побудувати робочі характеристики — 
в одних координатних осях: — 
— в інших.
12.1.6. З характеристики 
визначити максимальне значення ККД і навантаження, при яких ККД максимальний.
І2.1.7. Розрахувати максимальний ККД двигуна і його навантаження, при цьому порівняти їх зі значеннями, отриманими експериментально.
12.2 Програма підготовки до виконання лабораторної роботи
12.2.1 Повторити за підручником [1] теоретичний матеріал, будову та принцип дії трифазного асинхронного двигуна; ковзання та способи його визначення; механічну і робочі характеристики двигуна
12.2.2.Підготувати протокол випробувань із схемами лабораторних установок і таблицями для занесення результатів дослідів.
12.2.3.За паспортними даними дослідного двигуна розрахувати і побудувати механічну характеристику.
12.2.4.Накреслити наближений вигляд робочих характеристик, асинхронного двигуна.
12.2.5. Відповісти на контрольні запитання.
12.3 Основні теоретичні відомості
Асинхронна машина — машина змінного струму, в якій швидкість ротора при незмінній частоті напруги живлення змінюється в залежності від навантаження валу. Основний робочий режим асинхронної машини - режим двигуна, хоч вона може використовуватися в режимах генератора, електромагнітного гальма і фазорегулятора.
Трифазний асинхронний двигун складається з нерухомого статора та обертального ротора. В пази осердя статора, набраного з окремих, ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі, укладені котушки трифазної статорної обмотки, яки створює обертальне з кутовою швидкістю 
і магнітне поле:
де f - частота струму в обмотці статора:
Р- число пар полюсів обмотки.
Ротор асинхронного двигуна також містить осердя, в пази якого укладена обмотка. В залежності від конструкції обмотки розрізняють короткозамкнений і фазний ротор. Короткозамкнений ротор має обмотку, що складається з окремих мідних або алюмінієвих стержнів, які замикаються накоротко кільцями. В пази осердя фазного ротора закладена котушкоподібна трифазна обмотка, з’єднана зіркою.
Три вільних кінці цієї обмотки виведені на ізольовані один від одного та від вала ротора контактні кільця, до яких за допомогою щіток підключаються додаткові опори.
Створене статорною обмоткою магнітне поле збуджує в обмотці ротора ЕРС, під впливом якої в ній виникають індуктивні струми. Взаємодія магнітного поля статора зі струмами ротора приводить до утворення на роторі електромагнітного моменту, в результаті чого ротор починає обертатися. Очевидно, що виникнення струмів у роторі й утворення обертального моменту можливі лише при відносному рухові проводів ротора в магнітному полі машини, тобто швидкість обертання ротора двигуна 
завжди менша швидкості обертання магнітного поля машини .
Швидкість обертання поля відносно ротора називають швидкістю ковзання: 
При аналізі роботи асинхронних машин зручно користуватися безрозмірною величиною 
яка має назву ковзання.
Швидкість обертання ротора на х.х. двигуна мало відрізняється від швидкості обертання магнітного поля статора і ковзання в цьому режимі складає долі відсотка. При збільшенні навантаження швидкість обертання ротора трохи зменшується, а ковзання збільшується, досягаючи при номінальній потужності на валу значення Sном=(3... 8)%.
Залежність обертального моменту М від ковзання S визначається кривою М=f(S) (рис. 12.1. ). Номінально моменту Мн відповідає номінальне ковзання Sн . Короткочасне перевантаження асинхронного двигуна визначається критичним моментом Мкр, якому відповідає ковзання Sкр. Відношення критичного моменту до номінального характеризує перевантажувальну здатність двигуна.
Пусковий момент Мп, повинен бути трохи більшим віл номінального
Звичайно Мп 
1,2Мп. Властивість асинхронного двигуна визначають з його механічної 
(рис 12.2.) і робочих 
характеристик (рис. 12.3.), які отримують при незмінних напрузі U1 і частоті f1, мережі живлення.
Опис лабораторного стенда
Експериментальне дослідження трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором виконують на стенді, зображеному на рис. 12.4.
Момент опору на валу двигуна утворюється генератором постійного струму G з незалежним збудженням, Для вимірювання струму І1, напруги U1, та коефіцієнта потужності 
в коло статора дослідного двигуна ввімкнені амперметр А, вольтметр V та фазометр 
.
Обмотка статора дослідного двигуна розрахована на напругу 220В і в залежності від напруги в мережі з'єднується трикутником або зіркою.
Запуск в хід двигуна здійснюється на х.х., тобто при не навантаженому генераторі ( Іг=0, Ів=0). При вмиканні автоматичного вимикача ВА на обмотку збудження подається напруга Uв , після чого за допомогою регулювального реостата Rв на затискачах якоря виставляють номінальні напругу. Струм якоря генератора змінюється зменшенням опору якірного кола за допомогою магазину опорів R.
Ковзання двигуна вимірюється стробоскопічним методом, котрий дає можливість безпосередньо виміряти частоту обертання та ковзання . Для вимірювання швидкості обертання стробоскопічним методом на вал двигуна насаджують диск, розділений поперемінно на однакові білі та чорні сектори, які освітлюються миготливим з частотою струму в мережі світлом неонової лампи. Якщо частота спалаху лампи при цьому
дорівнює частоті обертання диска, то освітлені сектори здаються спостерігачу в наслідок стробоскопічного ефекту нерухомими. Якщо ж частота спалахів лампи більша частоти обертання лиска, то спостерігається повільне його обертання проти ходу машини з швидкістю 
. Визначивши явне число повних обертів диска 
за час 
знаходять частоту обертання ковзання
а потім значення ковзання
і частоту обертання ротора
12.5 Порядок виконання лабораторної роботи
12.5.1.Зібрати схему лабораторної установки (див. рис 12.4.)
12.5.2. Ввімкнути автоматичний вимикач живлення ВА, запустити двигун і виміряти всі параметри, що характеризують роботу двигуна на х.х. Результати вимірювань занести в таблицю 12.1.
12.5.3.Ввімкнути напругу збудження, збудити генератор, що навантажується. За допомогою регулювального реостата в ланцюгу збудження встановити на затисках якірної обмотки номінальну напругу Uя =Uяк. Далі змінюють струм генератора Іг в таких границях, щоб струм двигуна І змінювався від струму х.х. І10 до 1,21к. Зняти 5-6 точок і результати занести в таблицю 12 .1.
Таблиця 12.1
| № п/п | Результати вимірювань | Результати обчислень | ||||||||||||
| U1, B | I1, A | P1, кВт | Uя, B | Iя, A | 
| S | 
| 
| Pг, Вт |
| P2, Вт | M,
| 
| |
12.5.4. За результатами вимірювань розраховують:
частоту обертання магнітного поля ковзання: 
потужність генератора: 
потужність на валу двигуна.
де - ККД генератора, визначається з характеристики 
приведеної на лабораторному стенді;
механічний момент на валу двигуна: М=9550 Р2/ 
коефіцієнт потужності:
коефіцієнт корисної дії:
12.5.5. Механічну характеристику можна побудувати за паспортними даними двигуна ( 
),.Для цього визначають:
номінальний момент двигуна 
критичний момент 
номінальне ковзання 
критичне ковзання 
момент двигуна і його частоту обертання для ряду значень. Ковзання (S=0,2; 0.4;0,6; 0,8; 1):
На рисі2.5 зображено залежність від навантаження.
12.6 Завдання на підготовку до лабораторно-практичного заняття.
Перед виконанням лабораторної роботи необхідно розв'язати декілька задач, умови яких приведені далі.
Перед розв'язуванням задач рекомендується ознайомитись з теоретичними відомостями, які приведені в дійсних методичних вказівках і в [1. с.382-427; 2. с.329-322]
12.7 Питання для самоконтролю і задачі для самостійного
розв'язування
1. Зобразіть ескіз будови трифазного асинхронного двигуна і поясніть призначення його основних частин.
2. Як зє’днані між собою обмотки статора і ротора. Що представляє собою магнітопровід трифазного асинхронного двигуна.
3. Зобразіть з'єднання обмоток статора в зірку і трикутник.
4 Умови, необхідні для отримання обертального магнітного і поля.
5.Що розуміють під режимом холостого холу двигуна? Струм холостого ходу асинхронного двигуна. Порівняти це значення зі струмом холостого ходу трансформатора. Чим пояснити різницю між ними ?
6.Що таке ковзання? Формула, яка визначає ковзання.
7. Зв'язок між частотою струму ротора і статора.
8. Запишіть формули ЕРС. яка знаходиться в обмотці статора; в обмотці нерухомого ротора і в обмотці обертального ротора.
9.Відомо, що f=50 Гц, ЕРС і індуктивний опір нерухомою ротора відповідно Е2=129 В і Х2=130 Ом і ковзання складає S=3%. Знайти 
10.Трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором живиться від мережі з лінійною напругою Uл=380 В при частоті f=50 Гц. Номінальні дані двигуна: Рном=20 кВт, 
=960 об/хв, 
. Визначити; номінальний струм в фазі обмотки статора, ковзання, номінальний момент на валу ротора критичний момент і критичне ковзання. Побудувати механічну характеристику n=f(М).
11.Якщо відома ЕРС розсіювання статора і ротора, знайти їх індуктивний опір.
12.Як змінюються струми в рівнянні МРС зі збільшенням і зменшенням навантаження ?
13.Напишіть рівняння стану асинхронного двигуна.
14 Напишіть рівняння другого закону Кірхгофа для обмотки статора і для приведених параметрів обмотки ротора.
15. Рівняння другого закону Кірхгофа для ротора .
16. Схеми заміщення для фази двигуна.
17.Обертальний момент двигуна, зв'язок з напругою U1, і ковзання S.
18.Що називається механічною характеристикою ?
19.Зобразіть характеристики M=f(S) i n=f(M) в межах відповідно від S=0 до S=1 і від 
до 
.
20 Покажіть на характеристиці М=f(S) точки з координатами 
і поясніть особливості режиму роботи в цих точках.
21.Трифазний асинхронний двигун і фазним ротором живиться від мережі з нелінійною напругою Uл=З80 В при частоті f=50Гц. Номінальні данім двигуна: Uном=380/220 В, Рн=330 кВт, n=720 об/хв, 
. Визначити схему з'єднання фаз обмотки статора, номінальний момент, номінальний струм, що споживається двигуном з мережі, опір короткого замикання (на фазу), активні і індуктивні опори фаз статора і ротора (для ротора приведені значення), критичне ковзання.
22.Асинхронний двигун з фазним ротором, який приводить в рух підйомний механізм, номінальні дані: Рном=10 кВт, =1460 об/хв.
R2=0,18 Ом, Хк=0.52 Ом, Кн=2. Визначити опір Rдоб, який повинен бути ввімкнутий в фазу ротора для того, щоб початковий пусковий момент електродвигуна дорівнював критичному.
23. В чому полягають недоліки прямого запуску асинхронного двигуна ?
24. Як розрахувати пусковий струм і пусковий момент асинхронного двигуна ?
25.В чому полягає ефект витиснення струму ?
26.Напруга мережі 380 В. Номінальна напруга асинхронного двигуна Uном=380/220 В. Чи можливо застосувати при запуску двигуна перемикання обмоток статора іч зірки на трикутник ?
21. Напруга схеми запуску асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором при вмиканні в мережу статора пускових резисторів, пускових котушок і автотрансформатора. В чому переваги і недоліки розглянутих способів запуску ?
2Я. Електрична схема запуску асинхронного двигуна з фазовим ротором; використовуючи механічні характеристики, поясніть порядок запуску.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №; 13
ДОСЛІДЖЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА
МЕТА РОБОТИ: визначити залежність коефіцієнта потужності асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором від навантаження; ознайомитись з основними способами підвищення коефіцієнта потужності в електричних колах ч асинхронними двигунами.
Програма роботи
13.І.І.Ознайомитись з паспортними даними асинхронного двигуна і навантаженого генератора постійного струму і підібрати відповідні вимірювальні прилади.
13.1.2. Зібрати схему, зображену на рис. 13.1. Обмотки статора з'єднати за схемою зірка або трикутник в залежності від напруги мережі і паспортних даних дослідного двигуна.
13.1.3.Ввімкнути двигун при відімкнутих батареях конденсаторів і, змінюючи навантаження на валу, отримати залежність коефіцієнта потужності від навантаження.
13 14. Дослідним шляхом визначити ємність батареї конденсаторів яка забезпечувала б коефіцієнт потужності =0,95 на затискачах мережі при номінальному навантаженні асинхронного двигуна. Результати експерименту записати в таблицю 13. 1.
13.1.5.Обчислити величини, вказані в таблиці 13.1.
13.1.6.Побудувати залежності та 
в залежності від навантаження двигуна
13.1 7 Побудувати в масштабі векторні діаграми струмів для режиму Р2 =Р2н без компенсації і з компенсацію.
13.1.8. Зробити висновки про завантаження мережі до і після компенсації реактивної потужності.
13.2 Програма домашньої підготовки до виконання лабораторної роботи
13.2.1.Повторити за підручником [1] теоретичний матеріал: активна, реактивна і повна потужності кола змінного струму; коефіцієнт потужності; природні та штучні способи підвищення коефіцієнта потужності.
13.2.2.Підготовити протокол випробувань зі схемами лабораторних установок і таблицями для занесення результатів дослідів.
13.2.3.Розрахувати ємність конденсаторної батареї (на одну фазу), яка забезпечила б підвищення коефіцієнта потужності до значення =0,95 при номінальному моменті навантаження на валу двигуна (вказівка: скористуватися паспортними даними дослідного двигуна).
13.2.4. Побудувати векторні діаграми струмів електричного кола до і після компенсації реактивної потужності.
Таблиця. 13.1
| Режим роботи | Виміряно | Розраховано | ||||||||||
| U1, B | I1, A | P1, Bт | Uг, В | Іг, А | Іс, А | Рг, Вт |
| Р2, Вт |
|
|
| |
| Без компенсації | ||||||||||||
| Із компенсацією |
13.2.5. Відповісти на контрольні запитання до лабораторної роботи.
13.3 Основні теоретичні відомості
Розглянемо деякі положення і визначення до поняття "реактивна потужність". Нехай приймач електричної енергії приєднано до джерела синусоїдальної напруги 
. Він споживає синусоїдальний струм 
, зсунутий за фазою відносно напруги на кут (рис. 13.2, а).
Значення миттєвої потужності на затискачах визначається виразом :
(13.1)
тобто сумою двох величин, одна з яких постійна в часі, а друга пульсує з подвійною частотою (рис.13.2,6).
Середнє значення миттєвої потужності Р за період напруги живлення Т повністю визначається першим доданком. Дійсно,
Ця величина, яка називається активною потужністю, характеризує енергію, що виділяється в одиницю часу на виробництво корисної роботи, наприклад, у вигляді тепла в приймачі і активним опором R:
Середнє значення він другого доданка миттєвої потужності (13.1) за час Т дорівнює нулю, тобто на її утворення не вимагається будь-яких матеріальних витрат і тому вона не може здійснювати корисну роботу. Її присутність вказує, що між приймачам і джерелом відбувається обмін енергією. А це можливо лише в тому випадку, якщо в електричному колі існують особливі, так звані реактивні елементи, здатні накопичувати і віддавати електромагнітну енергію - ємнісний та індуктивний. Повна потужність на затискачах приймача в комплексній формі:
(13.2)
де U - комплекс напруги: I -спряжений комплекс струму.
Величина UIsin називається реактивною потужністю і характеризує обмін енергією між джерелом і приймачем, а - коефіцієнт потужності.
Прийнято вважати, що якщо струм, який споживається, відстає за фазою від напруги (індуктивний характер навантаження), nо реактивна потужність має позитивний знак а якщо струм випереджає напругу (ємнісний характер навантаження) реактивна потужність має від'ємний знак.
З рівняння (13.2) маємо:
(13.3)
Основні споживачі реактивної потужності на промислових підприємствах — асинхронні двигуни (60... 65% загального споживання), трансформатори (20... 25%), вентильні перетворювачі, реактори, повітряні електричні мережі і інші приймачі (10%).
Передача значної реактивної потужності по лініях і через трансформатори невигідна з таких основних причин:
13.3.1.Виникають додаткові втрати активної потужності й енергії в усіх елементах електропостачання (генераторах, трансформаторах, ЛЕП), зумовлені завантаженням їх реактивною потужністю. Так, при передачі активної Р та реактивної Q потужності через елемент системи електропостачання з опором R втрати активної потужності становлять
(13.4)
Додаткові втрати активної потужності 
викликані проходженням реактивної потужності Q, пропорційні її квадрату.
13.3.2.Завантаження реактивною потужністю ліній електропередач і трансформаторів зменшує їх пропускну здатність і потребує збільшення перерізу проводу повітряних і кабельних ліній, збільшення номінальної
потужності і кількості трансформаторів підстанцій і т.п.
У зв'язку і цим реактивна потужність, яка споживається для кожного підприємства, суворо нормується енергосистемою. Оскільки .основними споживачами реактивної потужності є асинхронні двигуни то розглянемо режими їх роботи.
При вмиканні двигуна в мережу з напругою U він буде споживати струм І який відстає від прикладеної напруги на кут (рис 13.3). Активна потужність Р, яка споживається, і активна складова струму 
визначається величиною навантаження. Реактивна потужність Q, реактивна складова струму 
визначаються конструктивними особливостями двигуна та прикладеною напругою і практично не залежать від навантаження.
В режимі х.х. коли активна потужність незначна, коефіцієнт потужності також буде відносно невеликим. Із збільшенням навантаження на валу двигуна збільшуються 
практично не змінюються. що призводить до збільшення коефіцієнта потужності двигуна. Навантаження двигуна приводить до зменшення Іа, а отже, до збільшення кута і зменшення коефіцієнта потужності. При номінальному навантаженні асинхронні двигуни мають в межах 0.7... 0,9.
Таким чином, асинхронні двигуни завантажують генератори електричних станцій і мережу живлення реактивною потужністю, що є суттєвим недоліком двигунів.
Збільшення коефіцієнт потужності асинхронних двигунів може бути досягнуто дійсними і штучними методами.
До перших відносяться:
- обмеження часу роботи двигунів на х.х.;
- заміна малонавантажених асинхронних двигунів двигунами меншої потужності;
- завантаження двигунів до їх номінальної потужності;
- зниження напруги двигунів, що систематично працюють з малим навантаженням.
Використання всіх перерахованих заходів дає змогу збільшити коефіцієнт потужності до значень 0,8... 0,85. Подальше збільшення коефіцієнт потужності може бути досягнуто штучним шляхом за допомогою компенсувальних пристроїв - батарей статичних конденсаторів або синхронних компенсаторів, які є джерелами реактивної потужності. В цьому випадку мережа живлення частково ( 
) або повністю ( 
) розвантажується від реактивної потужності (рис. 13,4) 
, що в решті решт призводить до зменшення втрат активної потужності та електроенергії від протікання реактивних струмів.
На промислових підприємствах штучне підвищення коефіцієнта потужності в більшості випадків здійснюється за допомогою статичних, батарей конденсаторів. В залежності від напруги електричної мережі і номінальної напруги батарей статичних конденсаторів вони можуть бути включені зіркою або трикутником.
При включенні батарей трикутником ємність однієї фази можна визначити таким чином:
де Р - зшивна потужність двигуна;U - лінійна напруга мережі; 
- відповідно кут між векторами струму і напруги до і після компенсації.
Залежність до компенсації і після компенсації від навантаження показано на рис. 13.5.
Опис лабораторного стенда
Принципова схема лабораторного стенда зображена на рис. 13.1. Дослідний трифазний асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором може бути підключений до мережі трифазного струму з лінійною напругою 380 або 220 В. В залежності від цього, його статорна обмотка з'єднується зіркою або трикутником.
До затискачів двигуна приєднана батарея конденсаторів, ємність якої може змінюватися за допомогою перемикачів, встановлених на лицьовій панелі лабораторної установки.
Навантаження на валу двигуна створюється за допомогою генератора постійного струму з незалежним збудженням. Змінюючи опір якірного ланцюга Rн будемо змінювати і його електромагнітний момент який є навантажувальним для асинхронного двигуна.
13.5 Порядок виконання лабораторної роботи
1.1.5,1. При ввімкнених батареях конденсаторів і навантажувальному генераторі при відсутності збудження виконати запуск двигуна. Ввімкнути обмотку збудження 03 па постійну напругу і за допомогою регулювального реостата Rр встановити на затискачах обмотки якоря генератора номінальну напругу.
Зробити 5-6 вимірювань при різних навантаженнях двигуна (починаючи з х.х. і до номінального навантаження двигуна). Вимірювання на х.х. виконати при розімкнутому вимикачеві в колі навантаження генератора. Покази приладів записати в таблицю 13.1.
13.5.2.В кожну фазу мережі ввімкнути батарею конденсаторів ємністю, яка забезпечує роботу асинхронного двигуна при номінальному навантаженні з 
.
Для тих же навантажень, що і в п. 13.5.1. зробити 5-6 вимірювань. Покази приладів записати в таблицю 13.1.
13,5,3Основні розрахункові формули:
потужність генератора 
потужність навантаження на валу двигуна 
.
де 
- ККД навантаженого генератора (визначаться по кривій 
потужність, яку споживає двигун з мережі 
ККД двигуна, який використовується 
Питання для самоконтролю
1.Що таке реактивна потужність і які процеси в електричних системах вона характеризує ?
2.Якими показниками характеризується робота електричних приймачів при активно-індуктивному характері навантаження ?
3.З яких міркувань визначається ступінь доцільності компенсації реактивної потужності ?
4.Чим поясниш відносно низьке значення коефіцієнта потужності в асинхронних двигунах ? Чому в асинхронних двигунах менший, ніж у трансформаторів ?
5.Чому включення батареї конденсаторів дає можливість штучно підвищити коефіцієнт потужності установки ?
6.Чим пояснюється низьке значення коефіцієнта потужності при роботі двигуна на Х.Х. ?
7. Як впливає значення повітряного зазору на коефіцієнт потужності ?
8.Чому зі збільшенням навантаження двигуна збільшується коефіцієнт потужності ? [1,2,8]
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 14
ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ НЕЗАЛЕЖНОГО І ПАРАЛЕЛЬНОГО ЗБУДЖЕННЯ
МЕТА РОБОТИ: вивчити конструкцію генератора постійного струму і дослідити його роботу на х х. і під навантаженням; отримати його характеристики х.х., зовнішню і регулювальну.
Програма роботи
14.1.1. Ознайомитись з обладнанням, приладами і апаратами експериментальної установки, записати їх технічні дані в протокол випробувань.
14.1.2.Скласти схему установки для випробування генератора постійного струму незалежного збудження (рис. 14.1.).
14.1.3. Отримати характеристику холостою ходу 
14.1.4. Здійснити режим навантаження генератора і зняти його зовнішню характеристику 
.
14.1.5.Отримати регулювальну характеристику Ів =f(Іа) при U=Uн=cost.
14.1.6.Скласти схему установки для випробування генератора постійного струму паралельного збудження (рис. 14.2.).
14.1.7.Здійснити запуск установки і добитися самозбудження генератора.
14.1.8.Здійснити режим навантаження і отримати зовнішню і регулювальну характеристики.
14.1.9.Накреслити в масштабі характеристику х.х. генератора постійного струму з паралельним збудженням Е=f(IB) при n=сonst. Визначити величину ЕРС, яка збуджується потоком залишкового магнетизму і виразити у відсотках по відношенню до номінальної напруги.
14.1.10.Побудувати зовнішню характеристику генератора незалежного збудження і в тих же координатних осях зовнішню характеристику генератора паралельного збудження. З зовнішньої характеристики генератора незалежного збудження визначити еквівалентний опір обмотки якоря. Для різних способів збудження оцінити відсоткову зміну напруги при номінальному навантаженні.
14.1.11.Побудувати регулювальні характеристики генератора паралельного і змішаного збудження.
14.1.12.Зробити висновки за результатами виконаної роботи. Порівняти характеристики генераторів незалежного і паралельного збудження. Оцінити переваги і недоліки кожного з генераторів.
14.2 Програма домашньої підготовки до виконання лабораторної
Роботи
14.2.1.Ознайомитись із схемами включення обмоток збудженім генераторів постійного струму.
14.2.2.Перелічити умови самозбудження генератора паралельного збудження при незмінній швидкості і напрямку обертання якоря.
14.2.3.Вивчити методику визначення еквівалентного опору обмотки якоря генератора незалежного збудження за його зовнішньою характеристикою.
14.2.4.Приготувати протокол випробувань з таблицями для запису показів приладів.
14.2.5.Накреслити наближений графік характеристики х.х., зовнішніх і регулювальних характеристик генераторів постійного струму з різними способами збудження,
14.2.6.Ознайомитись з методиками отримання характеристик генераторів постійного струму: х.х., зовнішньої і регулювальної.
14.3 Основні теоретичні відомості
Генератор постійного струму складається з нерухомого статора і якоря, який обертається.
Статор генератора мас станину у вигляді порожнього стального циліндра, на внутрішній поверхні якого закріплене парне число головних полюсів. Кожний полюс має сердечник і обмотку, яка збуджує основне магнітне поле машини.
Якір генератора постійного струму складається з сердечника, який набирається з окремих ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі. Сердечник закріплений на валу машини і на зовнішній поверхні має пази, в які закладається обмотка якоря.
Якщо обмотка збудження живиться від стороннього джерела електричної мережі, тоді генератор називають генератором з незалежним збудженням, якщо ж обмотка збудження отримує живлення від обмотки якоря, тоді маємо генератори із самозбудженням.
При обертанні якоря в нерухомому магнітному полі машини в обмотці збуджується змінна ЕРС, яка за допомогою колектора і системи струмопровідних щіток перетворюється в ЕРС незмінного напрямку:
де Р - число пар полюсів машини: n- частота обертання якоря: N - число активних провідників якоря: Ф - значення магнітного потоку.
З останнього виразу видно, що ЕРС, яка збуджується в обмотці якоря при незмінній частоті його обертання, залежить тільки від магнітного потоку або струму збудження. Залежність Е отриману при відсутності струму в обмотці якоря, називають характеристикою х.х. (рис. 14.3.). При відсутності струму в обмотці збудження потік залишкового магнетизму збуджує в обмотці якоря невелику ЕРС Еост, величина якої складає 2...6%. Якщо обмотка збудження живиться від обмотки якоря, то для самозбудження необхідна наявність в магнітному колі генератора достатнього за величиною залишкового (магнетизму) магнітного потоку.
Під дню цього потоку в обмотці якоря збуджується ЕРС Еост і в обмотці збудження потече струм
Rз - опір обмотки збудження,
Rр - опір регулювального реостата.
Струм збудження створює в обмотці головних полюсів основний1 магнітний потік, який для запобігання розмагнічування машини повинен збігатися за напрямом відносно залишкового. Для успішного самозбудження генератора необхідно, щоб опір кола збудження був меншин деякого значення, яке називають критичним.
Якщо обмотку якоря збудженого генератора приєднати до навантаження, то в ній потече струм Ія, і на затискачах якоря встановиться напруга U=E-IяRя, де Rя - опір якірного кола.
Збільшення струму якоря призводить до зменшення напруги U (крива І на рис. 14.4.). Залежність U(Ia) називають зовнішньою характеристикою генератора. Струм якоря створює магнітний потік Фя, який при насиченні магнітного поля ослаблює основне магнітне поле. В результаті цього напруга буде зменшуватись швидше. В генераторі паралельного збудження зменшення напруги на затискачах якоря обмотки призводить до зменшення струму збудження, а значить магнітного потоку Ф і ЕРС. В результаті цього зовнішня характеристика генератора паралельного збудження буде розташована нижче (крива 2 на рис. 14.4), у порівнянні з генератором паралельного збудження.
Регулювання напруги генератора здійснюється примусово зміною струму збудження. Залежність Ів(Ія), яка показує як потрібно змінювати струм збудження, щоб при змінному струмі навантаження напруга на затискачах обмотки якоря залишалась постійною називають регулювальною характеристикою (рис. 14.5.).
Для підтримання постійної напруги при однаковому навантаженні в генераторі паралельного збудження потрібне більш сильне регулювання (крива2), ніж в генераторі з незалежним збудженням (крива 1).
Будова лабораторного стенда
Дослідження генераторів постійного струму незалежного і паралельного збудження виконують на установці, принципова схема якої зображена на рис. 14.1 та 14.2.
Привідним пристроєм якоря генератора G є трифазний асинхронний двигун М з короткозамкненим ротором. В залежності від лінійної напруги мережі живлення статорна обмотка його збирається за схемою трикутника або зірки.
В колі генератора передбачені прилади, за допомогою яких змінюють напругу, струм навантаження та струм збудження. Навантаження генератора здійснюється за допомогою опору навантажувального реостата Rн за допомогою вимикачів Вн.
В генераторі з незалежним збудженням обмотка збудження живиться від джерела постійного струм, а в генераторі з паралельним збудженням - від обмотки якоря.
Результуючий реостат R служить для зміни струму збудження, а вимикач Вв -- для розриву кола збудження.
Порядок виконания роботи
Зібрати схему установки для дослідження генератора постійного струму незалежного збудження
(див. рис. 14 .1.). Підключити до джерела струму первинний двигун. Перевірити правильність напрямку обертання у відповідності з напрямком стрілки, що вказала на корпусі генератора. Якщо напрям обертання протилежний вказаному, здійснити реверс первинного двигуна, для чого слід поміняти місцями дві фази статорної обмотки. Зняти характеристику х х.. для чого за допомогою регулювального реостата Rp встановити такий струм збудження, при якому напруга на затискачах якірної обмотки вища номінальної напруги генератора на 20%. Потім зменшувати струм збудження до мінімально можливого значення, виконуючи помітки і записуючи покази приладів.
За допомогою вимикача Вз розірвати коло збудження і записати ЕРС. яка обумовлена залишковою намагніченістю магнітного кола машини.
Ввімкнути Вз і виконати відліки на приладах. Потім, переміщуючи повзунок регулювального реостата Rр в зворотному напрямку, збільшувати струм збудження і записувати відповідні йому напруги. Струм збудження збільшувати доти, поки напруга на затискачах генератора не перевищить
номінальну на 20%. При зменшенні струму збудження і при, його збільшенні виконати 5-6 вимірювань.
Результати спостережень записати в таблицю 14.1.
Таблиця 14.1
| І3,мА | ||||||
| Е при зменшенні І3,В | ||||||
| Е при збільшенні І3,В |
Зовнішня характеристика знімається при незмінному опорі з колі збудження. Регулюючи навантаження і струм збудження встановити номінальний режим, при якому генератор працює при номінальній напрузі і номінальному струмові. В подальшому опір регулювального реостата не змінювати. Відключити навантажений реостат і записати показання приладів на х.х. Потім зміною числа ввімкнених резисторів навантажувального реостата збільшити струм навантаження генератора до1,2 Іном
Результати спостережень занести в таблицю 14.2.
Таблиця 14.2