Исследование однофазного автотрансформатора

Цель работы. Экспериментально подтвердить особые свойства автотрансформатора сравнением его параметров с параметрами трансформатора, полученными при исследовании совмещенной модели.

 Программа работы.  

1. Ознакомиться с конструкцией совмещенной модели трансформатора и автотрансформатора, записать ее техни­ческие данные, а также данные измерительных приборов и регулятора напряжения.

2. Собрать схему понижающего    трансформатора по рис. 34, α и после проверки ее  руководителем выполнить опыты х. х. и номинальной нагрузки.

3. Собрать схему понижающего автотрансформатора по рис. 34, б и после проверки ее руководителем выполнить опыты х.х. и номинальной нагрузки.

4. Собрать схему повышающего автотрансформатора о рис.34, в и после проверки ее руководителем  выполнить опыты х. х. и номинальной нагрузки.

5. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.

Подготовка к работе.   

1.Повторить теоретический материал: автотрансформаторы, их устройство, особенности рабочего процесса, достоинства и недостатки по сравнению с обычными двухобмоточными  трансформаторами; области применения автотрансформаторов.

  2. Подготовить в рабочей тетради таблицу для занесения результатов опытов.

Конструкция совмещенной модели трансформатора и автотрансформатора. Совмещенная модель трансформатора и автотрансформатора представляет собой однофазный трехобмоточный трансформатор, состоящий из магнитопровода (стержневого или броневого), и трех одинаковых электрически не связанных между собой обмоток. Различные комбинации соединения этих обмоток дают возможность исследовать все предлагаемые в данной работе варианты (рис34). Опытное исследование всех этих вариантов на одной модели позволяет сравнить результаты экспериментов и дать сравнительную оценку свойствам трансформатора и автотрансформатора (повышающего и понижающего). Обычно мощность исследуемой совмещенной модели невелика (300—500 В • А) и поэтому проста в изготовлении. Небольшая мощность модели способствует упрощению электрических схем исследования (включение ваттметров без трансформаторов тока и напряжения).

 

Рис34. Схемы соединений для исследования автотрансформатора:

а — понижающий трансформатор; 

 б — понижаю­щий автотрансформатор;

 в — повышающий авто­трансформатор

 

 

Задавшись размерами магнитопровода, определим число витков одной обмотки совмещенной модели

 

ω = 0,95U/(4,44fВ_сS_сk_с)

 

где U — напряжение на выводах обмотки, В; f — частота тока. Гц; В_с  - магнитная индукция в стержне магнитопровода, Тл; S_с -площадь поперечного сечения стержня, м²; k_c — коэффициент заполнения магнитопровода сталью (при толщине  листов 0,35 мм k_c = 0,90).

В стержне магнитопровода броневого типа из тонколистовой горячекатаной электротехнической стали марок 1211 или 1511 при частоте тока f = 50 Гц магнитная индукция В_с = 1,20 ÷ 1,35 Тл, а в магнитопроводе из холоднокатаной стали марок  3411, 3412 или 3413 индукция В_с =1,50 ÷ 1,65 Тл.

 

 

 

Рис35. Магнитопровод совмещенной модели «трансформатор -автотрансформатор»                                                                                                                                                                                                                                                             

 

Пример. Определить число витков диаметр обмоточного провода обмотки совмещенной модели «трансформатор — автотрансформатор» при следующих данных: напряжение U = 110 В, допустимая величина тока I_доп = 2,5 А, частота тока f = 50 Гц.

Решение. Выбираем магнитопровод броневого типа Ш40 X 80 из стандартных Ш-образных пластин (рис. 4.2). Площадь поперечного сечения сердечника S_c = 40 ∙ 80∙ 10^-6 = 3,2 ∙ 10^{-3 м2}.

Число витков в обмотке (4.1)

 

ω = 0,95 ∙ 110/(4,44∙50 ∙ 1,25 ∙ 3,2 ∙10^-3 ∙0,90) = 130 витков.

 

По допустимому значению плотности тока j = 2,0 А/мм², расчетное сечения провода q = 2,5/2,0 = 1,25 мм², ближайшее стандартное сечение провода q = 1,33 мм². Тогда принимаем диаметр обмоточного провода марки ПЭТВ d = 1,30 мм и диаметр с учетом толщины изоляции d_из = 1,41 мм. Все три обмотки располагаем на каркасе из картона толщиной 1 мм. При рядовой укладке витков число витков в одном слое

 

ω_сл = (100—2∙1)/ d_из = 98/1,41 = 70 витков,

 

число слоев в обмотке п_сл= ω/ω_сл= 130/70 ≈ 2 слоя, общее число слоев в  трех обмотках N_сл =2∙3=6 слоев.

Межслоевую изоляцию выполняем из лакоткани ЛХ в два слоя толщиной  0,5 мм, во всех обмотках общая толщина межслоевой изоляции 0,5 • 6 = 3,0 мм. Тогда расчетная высота окна намотки Нр = 1 + 3,0 + 1,41∙ 6 = 13 мм, что меньше фактической высоты окна намотки Н = 40 мм (рис. 4.2).

 

Технологическая карта№18.

 Исследование трехфазного синхронного генератора

 

Цель работы. Изучить устройство синхронного генератора и при­обрести практические навыки в сборке схем и снятии характеристик; получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведе­ниям о свойствах синхронного генератора.

Программа работы.

1. Ознакомиться с конструкцией синхронного генератора и приводного двигателя; записать их паспортные данные и данные измерительных приборов.

2. Собрать схему по рис.36 и после проверки ее руководителем  произвести пробный пуск генератора, проверить возможность регулирования параметров генератора.

3. Снять данные и построить характеристику х. х. генератора, сравнить эту характеристику с нормальной характеристикой х. х. синхронной машины.

4. снять данные и построить внешние характеристики генератора при активной (соsφ₁ = 1) и активно-индуктивной (соsφ₁ < 1) видах нагрузки; определить номинальное изменение напряжения генератора при сбросе нагрузки.

5. Снять данные и построить регулировочные характеристики генератора при активной (соsφ₁ = 1) и активно-индуктивной (соsφ₁ < 1) нагрузках; определить номинальное изменение тока возбуждения.

6. Собрать схему трехфазного к. з. по рис.37   и после проверки ее руководителем  снять данные и построить характеристику к. з. генератора; определить величину отношения короткого замыкания  генератора.

 

 

Рис.36. Схема включения трехфазного син­хронного генератора

 

7. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.

Подготовка к работе.  

 1. Повторить теоретический материал: типы синхронных генераторов, их устройство и способы возбуждения; реакции якоря синхронного генератора при активной, индуктивной емкостной и смешанной нагрузках; характеристики холостого хода, короткого замыкания внешние и регулировочные; номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и номинальное изменение тока возбуждения; отношение короткого замыкания синхронного генератора; потери и КПД синхронной машины.

   2. Подготовить в рабо­чей тетради таблицы для занесения результатов опытов и координатные сетки для построения графиков.

Порядок выполнения работы. Схема соединений. На рис.36 представлена схема соединений синхронного генератора. Для привода генератора применен двигатель постоянного тока параллель­ного возбуждения. Свойства этого двигателя позволяют путем изме­нения тока в обмотке возбуждения ОВ с помощью регулировочного реостата r_рг изменять частоту вращения так, чтобы она при любой нагрузке генератора оставалась равной синхронной частоте вращения

Пуск двигателя выполняется следующим образом: поставить рукоятку пускового реостата ПР в положение «Пуск», а движок регулировочного реостата г_рг в положение, соответствующее минимальному сопротивлению; затем включить рубильник Р1 и рычаг ПР медленно перевести в положение «Работа». Затем движок реостата г_рг поставить в положение, соответствующее синхронной частоте вращения. После включения цепи возбуждения генератора рубильником  Р2 контроль за частотой вращения удобно вести по показанию частотомеpa Hz, показание которого не должно отличаться от номинальной частоты тока в обмотке статора, например 50 Гц.

Для остановки двигателя необходимо разомкнуть рубильник Р1 и поставить рычаг ПР в положение «Пуск».                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

После сборки схемы (рис.36) и проверки ее руководителем выполняют пробный пуск генератора. Для этого пускают приводной двигатель и, замкнув рубильник Р2, постепенно увеличивают ток в обмотке  возбуждения генератора I_в, наблюдая за показаниями вольтметра V  и частотомера Hz. Затем, увеличивая сопротивление реостата r_рг в цепи возбуждения приводного двигателя, устанавливают синхронную частоту вращения. После этого, регулируя величину тока возбуждения генератора I_в, потенциометром R_п устанавливают на выходе  генератора номинальное напряжение U_1ном.

Характеристика холостого хода. Эта характеристика представляет собой зависимость ЭДС генератора в режиме х-х. Е_о от тока возбуждения I_в при номинальной частоте вращения n₂ =n₁. Характеристику х. х. принято строить в относительных величинах ЭДС Е₀ и. тока возбуждения I_в: E₀ = f(I_в), где Е_о =Е₀: U_1ном и I_в = I_в/ I_в0ном. За базовые величины при определении относительных значении ЭДС и тока возбуждения принимают соответственно поминальное значение напряжения на выходе генератора U_1ном и ток возбуждения U_в0ном, соответствующий ЭДС х. х., рав­ной номинальному напряжению генератора U_1ном.

После пуска приводного двигателя и установки номинальной частоты вращения доводят величину тока возбуждения генератора I_в до значения, при котором ЭДС х. х. Е₀ = 1,3 U_1ном, а затем по­степенно уменьшают ток возбуждения до нуля. При этом через приб­лизительно одинаковые интервалы ЭДС Е₀ снимают показания при­боров (амперметра А2 и вольтметра V) и заносят их в табл. 11.1,

 

Таблица 11.1

 

Намагничивание					Размагничивание
Номер измерения	Iв, А	Е0, В	I В	Е0	Номер изме­рения	Iв, А	Е0, В	Iв,	Е0

 

Показания приборов, снятые при увеличении тока возбуждения (при намагничивании), соответствуют восходящей ветви характерис­тики х. х., а показания, снятые при уменьшении тока возбуждения (при размагничивании), — нисходящей ветви этой характеристики. За характеристику х. х. принимают среднюю линию, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями. При снятии данных восходящей ветви характеристики х. х. необходимо, чтобы изменение тока возбуждения I_в  происходило только в направлении нарастания, при снятии данных нисходящей ветви — только в направлении убывания. Для сравнения характеристики х. х. полученной опытным путем, с нормальной характеристикой х. х. синхронной машины следует обе  характеристики строить в одних осях координат.

Ниже приведены данные нормальной характеристики х. х. синхронной машины:

 

I_в.... 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Е_о.... 0,58 1,0 1,21 1,33 1,10 1,46 1,51

 

Внешняя характеристика — это зависимость напряжения на выходе генератора U₁ от тока нагрузки I₁ при неизменных частоте вращения (п ₂ = п ₁), токе возбуждения I_в =соnst и коэффициенте мощности cosφ₁ = const.

Опыт проводят следующим образом. Включают приводной двигатель, устанавливают синхронную частоту вращения п ₂ = п ₁ и поддерживают ее неизменной в течение всего опыта. Затем подключают активную нагрузку (включением рубильника РЗ) и регулируют сопротивление нагрузки R_н и величину тока возбуждения таким образом, чтобы при номинальном напряжении (U₁ = U_1ном) ток нагрузки генератора был номинальным (1₁ = I_1ном). Потом постепенно  разгружают генератор до х. х. (I₁ = 0) и получают данные внешней характеристики при активной нагрузке (cosφ₁ = 1). После этого опыт  повторяют при активно-индуктивной нагрузке (РЗ разомкнут, Р4 замкнут). Показания амперметра А1 и вольтметра V заносят в табл. 11.2 и строят две внешние характеристики генератора в одних осях коор­динат.

 

Таблица 11.2    

                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

Номер измерения	cosφ1 = 1		Номер измерения	cosφ1 <1
	I1, А	U1, В		I1, А	U1, В

 

Таблица 11.3

 

Номер измерения	cosφ1 = 1		Номер измерения	cosφ1 <1
	I1, А	Iв, А		I1, А	Iв, А

 

При cosφ₁ = 1 и cosφ₁ < 1 номинальное изменение напряжения генератора (%) при сбросе нагрузки

 

                     ΔU_ном =                                 (11.1)

 

где U_o = E₀ — напряжение генератора в режиме х. х., В.

Регулировочная характеристика — это за­висимость тока возбуждения генератора I_в от тока нагрузки I₁ ПРИ неизменных частоте вращении п ₂ = п ₁  и напряжении U₁ = U_1ном

Генератор постепенно нагружают на активную нагрузку (РЗ зам­кнут) и регулируют ток возбуждения I_в таким образом, чтобы напряжение на выходе генератора в течение всего опыта оставалось неиз­менным и равным номинальному. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока нагрузки (амперметр А1) измеряют ток  возбуждения генератора (амперметр А2). Показания приборов занося в табл. 11.3. Опыт повторяют при активно-индуктиивной нагрузке  (РЗ отключен, Р4 включен).

По регулировочным характеристикам определяют номинальное изменение тока возбуждения (%)

 

                   ΔI_в.ном. =                                       (11.2)

 

где I_в.ном и I_в0ном — значения токов возбуждения, соответствующие  номинальному напряжению генератора U_1ном при номинальной грузке и в режиме х. х. соответственно, А.

Характеристика короткого замыкания — зависимость тока статора при опыте к. з. I_1к и от тока возбуждения I_в при неизменной частоте вращения п₂ — п₁ Характеристику к. з. принято строить в относительных единицах: I_1к = f(I_в), где I_1к/I_1ном, а  I_в = I_в/I_вном.

 Собирают схему опыта трехфазного к з. синхронного генератора (рис 37) и после проверки ее  руководителем включают приводной двигатель при отключенном возбуждения генератора (Р2 разомкнут). Установив номинальную частоту вращения (п ₂ = п ₁) и поддерживая ее в течение всего опыта неизменной, включают рубильник Р2 и потенциометром R_п постепенно увеличивают ток возбуждения генератора до значения, при котором ток к. з. I_1к = 1,2 I_1ном. При этом через приблизи­тельно одинаковые интервалы тока I_1к (амперметр А1) измеряют ток возбуждения I_в (амперметр А2). Одно измерение должно соответство­вать току I_1к =  I_1ном. Показания приборов заносят в таблицу;

 

 

 

Рис. 11.2. Схема включения трех­фазного синхронного генератора при опыте трехфазного к. з.

 

 

I1к, А
Iв, А
I1к
Iв

 

Затем показания приборов пересчитывают на относительные значения и строят характеристику к. з.

Отношение короткого замыкания

 

                     ОКЗ = I_{в о ном} /I_в.к.ном                                 (11.3)

 

Где I_в.к.ном  — ток возбуждения генератора при опыте к. з., соответствующий номинальному току статора (I_1к = I_1ном), А.

Для явнополюсных синхронных машин ОКЗ = 0,9 ÷ 1,9.

Анализ результатов лабораторной работы. Анализируя результаты лабораторной работы, дают, заключение о соответствии характеристик генератора,  полученных опытным путем, типовым характеристикам, приведенным в учебнике. При этом объясняют физические процессы,  обуславливающие форму того или иного графика. Например, объясняют,  почему характеристика х. х. имеет криволинейный вид, а ее ветви при намагничивании и размагничивании не совпадают. При сравнении опытной характеристики х. х. с нормальной следует дать количественную оценку расхождению этих характеристик, рассчитав наибольшую величину этого расхождения (%):

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

                                    Е_{0 наиб}  = (Е_{0 оп} – Е_{0 нор}) 100,                         (11.4)

 

где Е_{0 оп} и Е_{0 нор} — относительные значения напряжений х. х., взятых по опытной и нормальной характеристикам х. х. соответственно при токе возбуждения I_в, соответствующем наибольшему расхождению этих характеристик.

При анализе внешних и регулировочных характеристик генератора следует объяснить причины, вызвавшие их расхождение при активной и активно-реактивной видах нагрузки. Анализируя свойства генератора, целесообразно воспользоваться понятиями номинального изменения напряжения при сбросе нагрузки (11.1) и номинального изменения тока возбуждения (11.2).

Анализируя результат опыта к. з., необходимо объяснить прямолинейный вид характеристики к. з.

Контрольные вопросы.  

1. Какова конструкция синхронных ма­шин с явнополюсным и неявнополюсным роторами?

2.  Какие способы возбуждения применяются в синхронных гене­раторах?

3. Можно ли регулировать напряжение синхронного генератора изменением частоты вращения ротора?

4. Почему характеристики х. х. синхронного генератора при на­магничивании и размагничивании не совпадают?

5. Почему внешние и регулировочные характеристики синхрон­ного генератора, снятые при разных видах нагрузки, не совпадают?

6. Чем объясняется прямолинейный вид характеристики к. з. синхронного генератора?

7.  Что такое отношение короткого замыкания синхронного гене­ратора и как влияет его величина на свойства генератора?

 

 

Технологическая карта№19.