Караулов В.Н., Громов А.К.: Испытания синхронных машин. Методические указания к лабораторным работам
Подождите немного. Документ загружается.
31
Рис. 3.2. U-образные характеристики синхронного двигателя
3.4. Определение электромеханических характеристик синхронного
двигателя
Электромеханические характеристики синхронного двигателя
представляют зависимость I, Р
1
, i
f
, η, М
2
= f (Р
2
) при сos ϕ = 1=const.
Для снятия электромеханических характеристик двигатель надо
запустить вхолостую, установить ток возбуждения такой величины, чтобы
ток якоря был наименьший. Этому току соответствует cos ϕ = 1.
Затем постепенно увеличивают нагрузку двигателя до тех пор, пока ток
якоря не достигнет номинальной величины; при этом необходимо изменять
ток возбуждения i
f
синхронного двигателя так, чтобы изменение тока якоря I
при выставленной нагрузке определяло значение cos ϕ постоянным и равным
единице в соответствии с уравнением
i
f1
i
f
2
I
cos
ϕ
cos
ϕ
P
2
=0
I
P
2
=0,5 Рн
i
f
0
.
IлUл3
P
cos
1
=ϕ
(3.1)
Необходимо сделать 5-6 замеров токов якоря I, возбуждения i
f
и подводимой
электрической мощности Р
1
, на основании которых составляется табл. 3.3 для
построения характеристик.
Таблица 3.3.
Электромеханические характеристики синхронного двигателя
Из опыта Из расчета
Р
1
, Вт I, А i
f
, А p
о
, Вт р
ма
, Вт Р
2
, Вт
η, о.е.
М
2
, Нм
cos ϕ, о.е.
Полезная мощность на валу двигателя, Вт,
. (3.2)
Суммарные потери в синхронном двигателе, Вт,
, (3.3)
где p
ст
– потери в стали якоря;
p
мех
– механические потери;
p
ма
– потери в обмотке якоря;
р
доб
– добавочные потери в двигателе.
Потери холостого хода определены в п. 3.3., Вт,
. (3.4)
Потери в обмотке якоря необходимо определить для каждого значения
тока.
При соединении обмотки якоря звездой
р
ма
=3I
2.
R
а
, (3.5)
где R
а
– активное сопротивление фазы якоря (дано на стенде).
Добавочные потери, Вт,
р
доб
=P
1
.
0,005.
Коэффициент полезного действия
pPP
1
2
∑−=
добмaмехcт
ppppp +++=∑
мехстo
ppp +=
1
2
P
P
=η
. (3.6)
Момент на валу синхронного двигателя, Нм,
n
P
55,9
n
P
2
60
М
22
2
=
π
=
, (3.7)
где Р
2
– в ваттах, n –
в об/мин.
3.5. Определение рабочих характеристик синхронного двигателя
Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют
зависимость Р
1
, I, М
2
, , cos ϕ = f(P
2
) при U = const, f = const, i
f
= const.
Для снятия рабочих характеристик двигатель надо запустить
вхолостую, установить ток возбуждения такой величины, чтобы ток якоря
был наименьший. Этому току соответствует cos ϕ = 1.
Затем постепенно увеличивают нагрузку двигателя до тех пор, пока ток
якоря не достигнет номинальной величины. При этом необходимо сделать 5–
6 замеров тока якоря I и подводимой мощности Р
1
, на основании которых
составить таблицу 3.4 для построения рабочих характеристик.
При расчете рабочих характеристик используют формулы,
приведенные в п. 3.4. Примерный вид рабочих характеристик представлен на
рис. 3.4.
η
32
33
Таблица 3.4.
Рабочие характеристики синхронного двигателя
Из опыта Из расчета
Р
1
, Вт I, А i
f
, А p
о
, Вт р
ма
, Вт Р
2
, Вт
η, о.е.
М
2
, Нм
cos ϕ, о.е.
Рис. 3.4. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Контрольные вопросы
1.
Объясните образование электромагнитного момента в синхронном
двигателе.
2.
Почему синхронный электромагнитный момент не обеспечивает запуск
синхронного двигателя при подключении его к сети со стандартной
частотой?
3.
Объясните процесс асинхронного пуска синхронного двигателя.
4.
Как изменить механическую нагрузку синхронного двигателя?
5.
Как и с какой целью регулируется cos ϕ синхронного двигателя при
постоянной нагрузке на валу?
6.
Почему в синхронном двигателе, работающем с постоянной нагрузкой на
валу, при изменении тока в обмотке возбуждения изменяется ток в обмотке
якоря?
7.
Объясните рабочие характеристики синхронного двигателя.
8.
Объясните электромеханические характеристики синхронного двигателя.
Р
2
2
М
Р
1
I
η
cos
ϕ
P
1
η
I
М
2
cos
ϕ
0
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ (4С)
4.1. Общие сведения о параметрах синхронных машин
Параметрами синхронной машины называются активные и
индуктивные сопротивления обмоток генератора и постоянные времени.
Параметры представляют синхронную машину в различных режимах, в том
числе - аварийных. Параметры используют при построении векторных
диаграмм, вычислении токов коротких замыканий, определении
перегрузочной способности, исследовании параллельной работы.
Параметры синхронной машины соответствуют теории двух реакций.
Предусматривается определение двух
индуктивных сопротивлений
(синхронного и сверхпереходного) по продольной (
х
d
, х
d
'') и двух – по
поперечной (
х
q
, х
q
'') осям. Кроме перечисленных, определяются индуктивные
сопротивления обратной и нулевой последовательностей (
х
2
, х
0
),
необходимые при анализе несимметричных режимов.
Для упрощения расчетов часто пренебрегают активными
сопротивлениями цепей машины. Это допущение также упрощает и
проведение опытов и не вносит заметной ошибки при определении
реактивных сопротивлений машин средней и большой мощности. Однако в
машинах малой мощности активные сопротивления становятся
соизмеримыми с индуктивными сопротивлениями и требуется их
учет.
Индуктивное сопротивление электрической цепи ненасыщенной
машины можно определить, используя уравнение для потокосцепления,
Ψ=
w
.
Ф=L
.
i.
По закону Ома для магнитной цепи,
Ф=F
.
Λ= w
.
i
.
Λ,
где Λ - магнитная проводимость на пути потока Ф,
w - число витков обмотки,
образующей электрическую цепь.
Решая эти уравнения относительно L, получаем
L=
w
2
Λ, или x=ωL=ω w
2
Λ.
То есть, при заданном числе витков
w (и ω=const) индуктивность L и
индуктивное сопротивление x пропорциональны магнитной проводимости Λ.
Определяющее влияние на значение Λ оказывает величина зазора на
пути магнитного потока Ф (при ненасыщенной машине). В синхронных
машинах зазор по окружности расточки якоря неодинаков. Поэтому для
потока вращающегося магнитного поля якоря проводимость будет
определяться взаимным расположением оси потокосцепления этого
поля и
оси полюсов. Проводимость максимальна при совпадении оси
потокосцепления вращающегося поля якоря с осью полюсов – продольной
осью (малый зазор и Λ
max
=Λ
d
) и минимальна – при совпадении с осью
34
35
междуполюсного пространства – поперечной осью (большой зазор и
Λ
min
=Λ
q
).
4.2. Программа испытаний
1.
Определить синхронные индуктивные сопротивления х
d
и х
q
методом
малого скольжения
2.
Определить сопротивления обратной последовательности х
2
и r
2
из
опыта обратного чередования фаз.
3.
Определить сопротивления нулевой последовательности х
0
и r
0
из опыта
однофазного питания трех фаз испытуемой машины.
4.
Определить сверхпереходные индуктивные сопротивления х
d
'' и х
q
''
питанием двух фаз при двух положениях ротора.
Определить по сверхпереходным параметрам сопротивление
х
2
; сравнить
полученное значение с результатом в п. 2.
4.3. Определение синхронных индуктивных сопротивлений х
d
и х
q
методом малого скольжения
Одним из методов экспериментального определения синхронных
индуктивных сопротивлений х
d
и х
q
является метод малого скольжения.
Схема для проведения опыта представлена на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема для определения сопротивлений х
d
и х
q
методом
малого скольжения
∼
=
C1
C2
C3
C4
C5
C6
И1
И
n
1
n
2
Я1
Я2
Ш1
Ш2
Ш
Л
1
Я
В
2
В
1
Д
2
V
A
V
К обмотке якоря (С1, С2, С3) подводится пониженное трехфазное
напряжение U
0,3U
Н
. Напряжение должно быть таким, чтобы машина не
втягивалась в синхронизм. Ротор синхронной машины с обмоткой
возбуждения И1-И2 вращают с помощью двигателя постоянного тока Д в
направлении вращения поля статора со скоростью мало (насколько это
возможно) отличающейся от синхронной. О правильности направления
вращения можно судить по вольтметру, подключенному к обмотке
возбуждения. При одинаковом направлении вращения поля статора и ротора
их относительная скорость будет мала, и, следовательно, будет
незначительна величина ЭДС, индуцированной в обмотке возбуждения. При
неправильном направлении вращения ротора относительная скорость поля
статора и ротора равна двойной синхронной скорости, вследствие чего в
обмотке возбуждения индуцируется ЭДС значительной величины. Показание
вольтметра при
этом будет больше, чем в первом случае.
При включении или выключении источника питания обмотки якоря
синхронной машины ее обмотка возбуждения должна замыкаться
накоротко или на сопротивление во избежание ее возможного повреждения.
Для изменения направления вращения ротора относительно поля
статора необходимо изменить направление вращения поля статора -
поменять местами два провода, идущих от сети к обмотке статора.
Замыкать
обмотку возбуждения накоротко в опыте малого скольжения нельзя во
избежание влияния на результат опыта индуцированных токов,
демпфирующих продольный поток реакции якоря.
При незначительной разнице в скоростях поля статора и ротора (при
малом скольжении) ток в цепи статора будет достаточно медленно
изменяться от наименьшего до наибольшего значения.
При проведении опыта измеряют по приборам ток и напряжение якоря.
Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси х
q
подсчитывают по измеренному во время опыта току I
max
и напряжению U
min
якоря при максимальном напряжении на обмотке возбуждения по формуле:
х
q
=
≤
max
min
I3
U
. (4.1)
Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси
х
d
определяют по результатам измерения напряжения U
max
и тока якоря I
min
в
момент, когда напряжение на разомкнутой обмотке возбуждения равно нулю
х
d
=
min
max
I3
U
. (4.2)
Опыт необходимо повторить при нескольких значениях напряжения U
(табл. 4.1). Полученные значения подсчитывают в относительных единицах:
36
b
d
z
x
, х
q
* =
b
q
z
x
х
d
*=
, (4.3)
где базисное сопротивление
нф
нл
b
I3
U
z = . (4.4)
Сопротивления, полученные в этом опыте, соответствуют
ненасыщенному состоянию машины, поскольку опыт проводится при
пониженном напряжении.
Таблица 4.1.
Синхронные индуктивные сопротивления х
d
и х
q
U
1
, В I
ф
, А х
d
, Ом х
q
, Ом z
b
, Ом х
d
*, о.е. х
q
*, о.е.
Внимание!
После проведения опыта п. 1 схему двигателя постоянного тока не
разбирать и не менять положений реостатов и регуляторов в этой схеме,
кроме пускового реостата. При этом скорость и вращение ротора после
включения двигателя постоянного тока будут иметь требуемое для
выполнения п. 4.4. значение и направление.
4.4. Определение сопротивлений обратной последовательности
Индуктивное х
2
и активное r
2
сопротивления обратной
последовательности определяются из опыта обратного чередования фаз.
В этом опыте обмотку возбуждения замыкают накоротко, как это
показано на схеме рис. 4.2.
К статору подводят пониженное напряжение такой величины, чтобы
ток в фазе не превышал номинального значения. С помощью постороннего
двигателя ротор приводят во вращение с синхронной скоростью против
направления
вращения поля статора. При этом машина работает в режиме
электромагнитного тормоза со скольжением равным двум.
При испытаниях измеряют напряжение U, ток I и подведенную
мощность Р для нескольких значений приложенного напряжения U=(0–
0,3)U
н
. Результаты записывают в табл. 4.2.
37
38
Рис. 4.2. Схема
методом
Рис. 4.3. Схема для определения х
0
, R
0
ое сопротивления r
2,
х
2
обратной
последовательности делять по формулам, Ом:
r
2
=
A
V
W
С1
С2
С3
С4
С5
С6
И1
И2
A
V
W
W
C1
C2
C3
С4
C5
C6
И1
И2
для определения х
2
, R
2
обратного вращения
Индуктивное и активн
следует опре
2
ф
1
I3
P
, z
2
=
ф
л
ф
ф
I3
U
I
U
= , х
2
=
2
2
2
2
rz − , (4.5)
где Р
1
– мощность, подведенная к обмотке якоря, Вт;
I
ф
–измеренный ток, А;
Uл –приложенное напряжение, В.
Индуктивное и активное сопротивления определяют для каждого
значения приложенного напряжения. На основании результатов опытов
строят их значения в относительных единицах в зависимости от тока.
В относительных единицах
r
2
*
=
b
2
z
r
,
х
2
*
=
b
2
z
x
, z
2
*
=
b
2
z
z
. (4.6)
Таблица 4.2.
Сопротивления обратной последовательности х
2
и R
2
Uл,
В
Iф,
А
Р,
Вт
r
2
,
Ом
z
2
,
Ом
х
2
,
Ом
z
b
,
Ом
r
2
*
,
о.е.
z
2
*
,
о.е.
х
2
*
,
о.е.
х
2
*
,
о.е.
4.4. Определение сопротивлений нулевой последовательности
В системе нулевой последовательности токи во всех трех фазах равны
и совпадают во времени. Чтобы создать такие же условия в опыте, три фазы
обмотки статора соединяют последовательно и подключают к источнику
однофазного напряжения. Для проведения опыта собирают схему рис. 4.3.
Напряжение подводится такой величины, чтобы ток статора не превышал
номинального значения.
Ротор
с замкнутой накоротко обмоткой возбуждения с помощью
постороннего двигателя приводят во вращение с синхронной скоростью.
Измерив ток I, мощность P при нескольких значениях приложенного
напряжения U, определяют сопротивления
z
o
=
ф
Л
I3
U
, r
o
=
2
ф
I3
P
, х
o
=
2
0
2
0
rz − , (4.7)
или в относительных единицах -
z
о
* =
b
o
z
z
, r
о
* =
b
o
z
r
,
х
о
* =
b
o
z
x
. (4.8)
Результаты записывают в табл. 4.3. По данным опыта необходимо построить
зависимость r
0
, х
0
от тока якоря.
Основные гармонические МДС токов нулевой последовательности
создают только поля рассеяния обмотки статора.
В зависимости от типа обмотки статора величина
х
с
может изменяться
в пределах
0 < х
o
< х
σ
.
Активное сопротивление нулевой последовательности r
0
= r
а
.
Таблица 4.3.
Сопротивления нулевой последовательности
U,
В
I,
А
Р,
Вт
r
0
,
Ом
z
0
,
Ом
х
0
,
Ом
z
b
,
Ом
r
0
*
,
о.е.
z
0
*
,
о.е.
х
0
*
,
о.е.
4.5. Определение сверхпереходных индуктивных сопротивлений
Для расчета токов короткого замыкания необходимо знать
сверхпереходные индуктивные сопротивления обмотки якоря по продольной
и поперечной осям х
d
'' и х
q
''.
39
Допускается находить указанные сопротивления из опытов питания
обмотки якоря от внешнего источника при двух положениях ротора.
Схема для проведения опыта представлена на рис. 4.4. К двум любым
линейным выводам обмотки якоря подводят пониженное регулируемое
напряжение
0,3U
Н
номинальной частоты; ротор неподвижен. Обмотка
возбуждения должна быть замкнута через амперметр. Однофазный ток,
протекающий по двум фазам статора, создает пульсирующее магнитное поле.
Медленно поворачивая ротор, можно найти такое положение, когда
продольная ось полюсов совпадает с осью пульсирующего поля статора. В
этом случае индуктивная связь между обмотками статора и ротора будет
наибольшей, о чем можно судить по наибольшему отклонению стрелки
амперметра, включенного в обмотку возбуждения.
U
≤
A
A
И1
И2
И1
A
V
W
C1
C4
C5
C2
C3
C6
И2
Рис. 4.4. Схема для определения сверхпереходных индуктивных
сопротивлений х
d
'' и х
q
''
Другое требуемое в опыте положение ротора будет найдено тогда,
когда ось пульсирующего поля статора совпадает с поперечной осью ротора.
В этом случае индуктивная связь между обмоткой статора и обмоткой
возбуждения отсутствует, и ЭДС и ток в обмотке возбуждения равны нулю.
Такому положению ротора соответствует сверхпереходное сопротивление
обмотки статора по поперечной
оси х
q
''.
40