Исследование синхронного двигателя

Цель работы – изучить способы пуска синхронного двигателя, а также ознакомиться с методами его испытания для получения рабочих характеристик.

Оборудование и приборы:

Трехфазный синхронный генератор СГР-4,5, трехфазный асинхронный двигатель ВАО-52-4, комплект измерительных приборов К-50, ламповий синхроноскоп, индукционный регулятор с выпрямителем, вольтметр и амперметр магнитоэлектрической системы.

однофазний реостат, дільник напруги .

Содержание работы:

1. Изучить конструкцию и паспорт синхронной машины.

Собрать схему для выполнения работы, рисунок 4.1.

Выполнить пуск синхронного двигателя.

4. Снять и построить U-образные характеристики синхронного двигателя.

5. Снять и построить рабочие характеристики.

Порядок выполнения работы

1. Изучение конструкции и паспорта синхронной машины проводится также, как в работе №1.

2. Собрать схему для исследования синхронного двигателя (рис. 4.1).

Обмотка статора синхронного двигателя включается на сеть через автомат АП1. Для измерения параметров работы двигателя используется комплект измерительных приборов К-50. Для обезпечения пуска синхронного двигателя обмотка статора через ламповый синхроноскоп ЛС соединяется с сетью с помощью автомата АП2. В качестве разгонного двигателя используется асинхронный двигатель, обмотка статора которого соединяется в «треугольник» и включается в сеть с помощью автомата АП3. Для нагрузки синхронного двигателя используется машина постоянного тока в режиме генератора постоянного тока независимого возбуждения.

3. Способы пуска синхронного двигателя.

Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя:

a) пуск с помощью дополнительного двигателя – ротор синхронного двигателя предварительно приводится во вращение с частотой вращения приблизительно равной синхронной частоте вращения. Затем машина включается в сеть методом точной синхронизации, или по методу грубой синхронизации (работа №3);

б) частотный способ пуска;

в) асинхронный способ пуска.

В лаборатории электрических машин пуск синхронного двигателя можно выполнить с помощью дополнительного (разгонного) двигателя с включением синхронной машины в сеть методом самосинхронизации (метод грубой синхронизации), или методом точной синхронизации (как в работе №3).

Дополнительный двигатель раскручивает ротор синхронной машины до частоты вращения, при которой скольжение достигает двух процентов синхронной частоты вращения (АД). После этого одновременно обмотка статора синхронной машины включается в сеть, а в обмотку возбуждения синхронной машины подается ток возбуждения, машина входит в синхронизм. Дополнительный двигатель отключается от сети, а синхронная машина переходит в режим синхронного двигателя.

При этом методе отпадает потребность в точном выравнивании частоты сети и синхронной машины, величины и фазы напряжений, процесс синхронизации упрощается и возможность ошибиться отпадает.

Б) При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя подключается к преобразователю частоты, который изменяет частоту от нескольких герц до номинальной частоты, а в обмотку возбуждения подается одновременно постоянный ток – ток возбуждения. При частотном пуске синхронный двигатель входит в синхронизм при малых частотах.

В) Асинхронный пуск синхронного двигателя является самым распространенным способом пуска. Для выполнения этого способа пуска в полюсах ротора имеется пусковая обмотка, которая подобна обмотке ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя. Роль пусковой обмотки могут выполнять и массивные полюсные наконечники явнополюсных двигателей. Во время пуска обмотку возбуждения на период пуска замыкают на активное сопротивление R=10×R_В, чтобы защитить изоляцию обмотки возбуждения от пробоя, а также чтобы защитить обслуживающий персонал.

Замыкание обмотки возбуждения накоротко недопустимо, поскольку под действием одноосного эффекта при пуске синхронный двигатель может «застрять» вблизи половины синхронной частоты вращения.

Для пуска обмотку статора синхронного двигателя включают в сеть, синхронный двигатель разгоняется подобно асинхронному двигателю. После достижения частоты вращения ротора, близкой к синхронной ( ), в обмотку возбуждения подается ток возбуждения и ротор СД втягивается в синхронизм. Только после этого активное сопротивление R отключают от обмотки возбуждения.

Сеть ~220 В

RНГ

Рисунок 4.1 – Схема включения СМ в качестве двигателя

В ЛАБОРАТОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН пуск синхронного двигателя осуществляется с помощью дополнительного двигателя – асинхронного. Сначала запускается дополнительный двигатель, для чего включається автомат АП3. В обмотку возбуждения подают с помощью АП2 ток возбуждения такой величины, чтобы напряжение на статоре синхронной машины было равно напряжениюусети. Одновременно АП2 подключает ламповый синхроноскоп ЛС. Если все три лампы одновременно загораются и одновременно гаснут, то в момент погасания ламп необходимо включить автомат АП1, присоединив обмотку статора синхронной машины непосредственно к сети. После этого дополнительный двигатель отключается от сети с помощью автомата АП3.

Если лампы ЛС засвечиваются и гаснут неодновременно, то необходимо отключить схему и изменить направление вращения приводного двигателя, для чего поменять порядок следования фаз статора асинхронного двигателя, или при том же направлении вращения разгонного двигателя поменять порядок следования фаз на статоре синхронной машины. Пуск повторить.

4. U-образные характеристики синхронного двигателя – это зависимость тока статора І₁ от тока возбуждения І_f при постоянной мощности на валу машины. Одну характеристику снимают в режиме холостого хода, когда на валу машины отсутствует нагрузка, . Повышая ток возбуждения, устанавливают по комплекту К-50 ток статора синхронного двигателя приблизительно равному номинальному току и записывают І₁ и І_f, потом уменьшают І_f и записывают 5-6 точек правой ветви U-образной характеристики с обязательной фиксацией минимального тока І₁ соответственно І_f. Далее уменшают І_f и также фиксируют 5-6 точек левой ветви характеристики (рисунок 4.2)

Іf

Рисунок 4.2 – U-образные характеристики синхронного двигателя

В точках, соответствующих минимуму, ток статора является активным током (cosφ=1).

При уменьшении І_f возникает намагничивающая реакция якоря и ток І₁ возрастает за счет реактивной составляющей, которая отстает от вектора напряжения сети. Синхронный двигатель при недовозбуждении потребляет реактивную мощность из сети, cosφ двигателя уменьшается.

При увеличении І_f возникает размагничивающая реакция якоря, ток І₁ возрастает за счет реактивной составляющей, которая опережает вектор напряжения сети и носит емкостной характер. Синхронный двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Работа синхронного двигателя в перевозбужденном состоянии является номинальным режимом работы.

Потребляемая мощность синхронного двигателя в режиме холостого хода определяется потерями в двигателе и механическими потерями в асинхронном двигателе и в машине постоянного тока.

Для снятия другой U-образной характеристики, например при , нагрузку осуществляют генератором постоянного тока путем регулирования сопротивления реостата в цепи якоря генератора R_нг, устанавливают ток в цепи якоря приблизительно 0,5І_ном. При снятии характеристики действуют виыше описанным способом, поддерживая нагрузку постоянной и контролируя ее с помощью ватметра комплекта измерительных приборов К-50. Опытные данные записывают в таблицу 4.1

Таблица 4.1 – U-образные характеристики синхронного двигателя

	, А
Іf, А
	, А
Іf, А

5. Рабочие характеристики синхронного двигателя – это зависимостиі , М, η, cosφ=f( ) при І_f =const, =const. Нагрузка двигателя осуществляется реостатом R_НГ в цепи якоря генератора постоянного тока. Опыт проводится при токе возбуждения двигателя приблизительно І_f =(5-6)А=const. Данные измерений с помощью комплекта К-50 заносятся в таблицу 4.2

Таблица 4.2 – Рабочие характеристики синхронного двигателя

№ п/п

Измерено

Фаза А

Фаза В

Фаза С

В

А

Вт

А

Вт

А

Вт

В

А

Вычислено

М

cosφ

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

%

Нм

-

Расчет рабочих характеристик:

1. Потребляемая из сети мощность, Вт:

.

2. Электрические потери в обмотке статора, Вт:

,

где – среднее значение фазного тока;

– активное сопротивление обмотки статора (рис. 4.3): ,

3. Потери на возбуждение синхронного генератора, Вт:

,

где - активное сопротивление обмотки возбуждения, Ом:

,

ΔU_щ – падение напряжения в щеточном контакте, ΔU_щ = 1,5 В.

4. Добавочные потери при нагрузке сложно рассчитать и принимаются как 0,5%Р₁, Вт:

5. Постоянные потери, Вт:

,

где – потребляемая мощность двигателя в режиме холостого хода, Вт;

- потери в обмотке статора синхронного двигателя в режиме холостого хода, Вт.

.

6. Полезная мощность, Вт:

.

7. Вращающий момент синхронного двигателя, Н×м:

,

где – угловая синхронная скорость вращения, рад/с;

– синхронная частота вращения двигателя, об/мин;

.

8. Коэффициент мощности:

.

1. Коэффициент полезного действия:

.

На рисунке 4.4 приведен общий вид рабочих характеристик синхронного двигателя.

Рисунок 4.4 – Общий вид рабочих характеристик синхронного двигателя

Контрольные вопросы

1. Поясните конструкцию и принцип действия синхронного двигателя.

2. Какие существуют способы пуска синхронного двигателя?

3. В чем суть асинхронного пуска синхронного двигателя?

4. Поясните последовательность операций при асинхронном пуске синхронного двигателя.

5. Почему при асинхронном способе пуска синхронного двигателя обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление R=10R_ОВ?

6. Какие зависимости и каким условиям соответствуют U-образные характеристики?

7. Почему U-образная характеристика при холостом ходе не касается оси абсцисс?

8. Какой характер тока обмотки статора в недовозбужденной и перевозбужденой синхронной машине относительно напряжения сети?

9. В каком случае синхронный двигатель отдает реактивную мощность в сеть?

10. Может ли синхронный двигатель отдавать активную мощность в сеть?

11. Каким условиям соответствует случай, когда синхронный двигатель работает с коэффициентом мощности равным единице?

12. В чем преимущества синхронного двигателя в сравнении с асинхронным? Какие недостатки?

В отчете представить:

1. Цель работы, оборудование и приборы, содержание работы.

2. Схемы для проведения опытов.

3. Таблицы измеренных величин.

4. Расчет параметров для номинальной нагрузки.

5. Графики зависимостей І₁=f(I_f) при Р=const.

6. Графики рабочих характеристик.

7. Письменные ответы на вопросы 1,3,5,7,9,10,12.