Электр маш конспект. Трансформаторы основные теоретические сведения

• Название: Трансформаторы основные теоретические сведения
• Дата: 18.04.2023
• Размер: 0.96 Mb.
• Имя файла: Электр маш конспект.docx
• Тип: Документы; #1070624
• страница: 3 из 8

2.4.2. Опыт короткого замыкания

Опыт короткого замыкания проводится по такой же схеме, как и в опыте холостого хода, но при этом измерительные приборы должны быть выбраны в соответствии с пределами измерения тока, напряжения и мощности. Ротор двигателя следует жестко закрепить. Предельное значение тока статора при опыте короткого замыкания устанавливают исходя из допустимой токовой нагрузки питающей сети и возможности провести опыт в минимальный срок, чтобы не вызвать опасного перегрева двигателя. Для двигателей мощностью до 1 кВт возможно проведение опыта начиная с номинального напряжения . В этом случае предельный ток . При выполнении опыта короткого замыкания желательно соединение обмотки статора звездой.

Определив диапазон изменения тока статора при опыте короткого замыкания, опыт начинают с предельного значения этого тока, установив соответствующее напряжение короткого замыкания U_к. Затем постепенно снижают это напряжение до значения, при котором ток U_к достигнет нижнего предела установленного диапазона его значений. При этом снимают показания приборов для 5—7 точек, одна из которых должна соответствовать номинальному току статора ( ).

Продолжительность опыта должна быть минимально возможной. После снятия последних показаний приборов двигатель следует отключить и сразу же произвести замер активного сопротивления фазы обмотки статора r₁', чтобы определить температуру обмотки. В зависимости от схемы соединения обмотки статора, линейные напряжения и токи пересчитывают на фазные U_к и I_к по формулам, аналогичным (2.6) и (2.7).

Активную мощность короткого замыкания Р_к измеряют ваттметром. По полученным значениям напряжений U_к, токов I_к и мощностей Р_к вычисляют следующие параметры:
коэффициент мощности при коротком замыкании:

; (2.13)

полное сопротивление короткого замыкания (Ом):

; (2.14)

активные и индуктивные составляющие этого сопротивления (Ом):

. (2.15)

При опыте короткого замыкания обмотки двигателя быстро нагреваются до рабочей температуры, так как при неподвижном роторе двигатель не вентилируется. Температуру (°С) обмотки статора Т₁ обычно определяют по сопротивлению фазы r₁^/, измеренному непосредственно после проведения опыта, по формуле:

, (2.16)

где r_1.20 — сопротивление фазы обмотки статора в холодном состоянии (обычно при температуре 20 °С), Ом.

Если же температура обмотки оказалась меньше расчетной рабочей температуры Т₂ для соответствующего класса нагревостойкости изоляции двигателя, то активное сопротивление короткого замыкания r_к (Ом) пересчитывают на рабочую температуру:

, (2.17)

где r_к^/ — активное сопротивление короткого замыкания при температуре Т₁, отличающейся от расчетной рабочей; α = 0,004.

Затем пересчитывают на рабочую температуру параметры асинхронного двигателя:

полное сопротивление:

, (2.18)

ток короткого замыкания:

, (2.19)

мощность короткого замыкания:

. (2.20)

На характеристиках короткого замыкания отмечают значения величин Р_Кном и U_Кном, соответствующих току короткого замыкания

Опыт, проведённый при пониженном напряжении, относительно номинального, требует введения поправки на насыщение (ГОСТ7217-79). Эта поправка состоит в том, что выше наибольшего значения, при опыте короткого замыкания, ток предполагается возрастающим по касательной к кривой, изображающей его зависимость от напряжения.

Ток и мощность короткого замыкания пересчитывают на номинальное напряжение U_1ном по формулам:

; (2.21)

. (2.22)

Следует иметь в виду, что такой пересчет является приближенным, так как при U_К = U_1ном наступает магнитное насыщение сердечников (особенно зубцовых слоев) статора и ротора; это приводит к уменьшению индуктивного сопротивления Х_к.

Электромагнитная мощность в режиме короткого замыкания, передаваемая на ротор двигателя, равна электрическим потерям в обмотке ротора Р_э2к, поэтому электромагнитный момент при опыте короткого замыкания(Н·м) определяется по формуле:

, (2.23)

где электрические потери в обмотке статора при опыте короткого замыкания:

(2.24)

Магнитные потери при опыте к з. Р_мк приближенно определяют по характеристикам холостого хода при напряжении U₁ = U_к.

В режиме холостого хода магнитный поток Ф больше, чем в режиме короткого замыкания, но если в режиме холостого хода магнитные потери происходят только в сердечнике статора, то в режиме короткого замыкания (s = 1) магнитные потери происходят еще и в сердечнике ротора, так как f₂ = f₁.

Характеристика короткого замыкания воспроизводит начальные пусковые условия АД и потому позволяет определить – начальный пусковой ток и начальный пусковой момент.
2.4.3. Рабочие характеристики АД

Под рабочей характеристикой АД (ГОСТ7217-79) понимают зависимость ряда величин:Р₁, I₁, S, сos._, К.П.Д от полезной мощности Р₂., при условии неизменного приложенного напряжения и его частоты.

Снятие рабочей характеристики следует производить при нагретых до рабочей температуры обмоток статора и ротора.

При пуске двигателя с фазным ротором в цепь ротора включается добавочное активное сопротивление — пусковой реостат. Пусковой реостат обычно имеет несколько ступеней и рассчитывается на кратковременное протекание тока.

При включении активного сопротивления в цепь ротора уменьшается начальный пусковой ток I_п и увеличивается начальный пусковой момент М_п

Активное сопротивление цепи ротора определяется выражением:

(2.25)

где r_доб — электрическое сопротивление пускового реостата, приведенное к обмотке статора.

Влияние возросшего значения активного сопротивления на пусковой момент двигателя М_п следует из формулы:

(2.26)

Это влияние графически показано на рисунке 5., из которого видно, что при отсутствии пускового реостата, т.е. при активном сопротивлении цепи ротора , пусковой момент М_п = М_п0 .

При введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления r_доб, когда , пусковой момент возрастает и при достигает наибольшего значения М_п.наиб .

При пусковой момент уменьшается.



Рисунок 2.4 - Зависимость пускового момента от активного сопротивления цепи ротора
При выборе сопротивления пускового реостата r_доб исходят из условий пуска двигателя: если двигатель включают при значительном нагрузочном моменте на валу, сопротивление пускового реостата r_доб выбирают таким, чтобы обеспечить наибольший пусковой момент (см. рисунок 2.4); если же двигатель включают при небольшом нагрузочном моменте на валу, когда пусковой момент не имеет решающего значения для пуска, оказывается целесообразным сопротивление пускового реостата r_доб выбирать несколько больше значения, соответствующего наибольшему пусковому моменту, т. е. чтобы . В этом случае пусковой момент оказывается несколько меньшим наибольшего значения, но зато пусковой ток значительно уменьшается.

В процессе пуска двигателя ступени пускового реостата переключают таким образом, чтобы ток ротора оставался приблизительно неизменным, а среднее значение пускового момента было близко к наибольшему М_{п mах}.



Рисунок 2.5 - Зависимость пускового момента асинхронного двигателя с фазным ротором при разных значениях ступеней пускового реостата
Следует иметь в виду, что при слишком быстром переключении ступеней реостата пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений.

Пусковые реостаты состоят из кожуха, рычага с переключающем устройством и ступеней сопротивлений, выполненных из металлической проволоки или ленты, намотанной в виде спирали. Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременное протекание тока, а поэтому рычаг пускового реостата нельзя долго задерживать на промежуточных ступенях, так как сопротивления реостата могут перегореть. По окончании процесса пуска, когда рычаг реостата находится на последней ступени, обмотка ротора замкнута накоротко.

В асинхронных двигателях с фазным ротором обеспечивается наиболее благоприятное соотношение между пусковым моментом и пусковым током: большой пусковой момент при небольшом пусковом токе (в 2—3 раза больше номинального). Недостатками пусковых свойств двигателя с фазным ротором являются сложность, продолжительность и неэкономичность пусковой операции.

По мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата уменьшают, переходя с одной его ступени на другую. Этот переход может осуществляться как вручную, так и автоматически путем закорачивания части сопротивления с помощью контактов.

Ступени пускового сопротивления рассчитываются так, чтобы при переключениях вращающий момент двигателя менялся в выбранных пределах от М_п.mах до M_п.min

Сопротивление пускового реостата, соответствующее М_п=М_п.mах, определяют, приравняв критическое скольжение S_кр единице, т.е.

(2.27)

откуда приведенное к числу витков обмотки статора сопротивление пускового реостата

(2.28)
2.5. Пуск асинхронных двигателей
2.5.1. Общие положения

При рассмотрении возможных способов пуска необходимо учитывать следующие основные положения:

1) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной частоты вращения;

2) величина пускового тока должна быть ограничена таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети;

3) схема пуска должна быть по возможности простой, а количество и стоимость пусковых устройств — малыми.

При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс. При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается.

Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых песках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя.

Число пусков асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором мощностью 3—10кВт в обычных условиях допускают до 5—10 включений в час.

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором сопровождается переходным процессом, обусловленным переходом ротора и механически связанных с ним частей исполнительного механизма из состояния покоя в состояние равномерного вращения, когда вращающий момент двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов, действующих на ротор двигателя.

Пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором определяются в первую очередь значением пускового тока I_п или его кратностью I_п/I_ном и значением пускового момента М_п или его кратностью М_п/М_ном.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. Однако получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным.

В начальный момент пуска скольжение s=1, поэтому, пренебрегая током холостого хода, пусковой ток определяется по формуле:

(2.29)

Пусковой момент определяется по формуле:

(2.30)
Из этих формул следует, что улучшить пусковые свойства двигателя можно, увеличив активное сопротивления цепи ротора, так как в этом случае уменьшение пускового тока сопровождается увеличением пускового момента. В то же время напряжение по-разному влияет на пусковые параметры двигателя: с уменьшением напряжения пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, но одновременно уменьшается пусковой момент. Целесообразность применения того или иного способа улучшения пусковых свойств двигателя определяется конкретными условиями эксплуатации двигателя и требованиями, которые предъявляются к его пусковым свойствам.

Помимо пусковых значений тока I_п и момента М_п пусковые свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями продолжительность и плавность пуска, сложность пусковой операции, ее экономичность (стоимость и надежность пусковой аппаратуры и потерь энергии в ней)
2.5.2 Прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. Такой пуск называется прямым. При этом пусковой ток двигателя .

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируются с таким расчетом, чтобы они по величине возникающих при пуске электродинамических усилий, действующих на обмотки, и по условиям нагрева допускали прямой пуск. Поэтому прямой пуск возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10—15%).

Нормальным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором является прямой пуск.

При небольшой инерционности исполнительного механизма частота вращения ротора двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток также быстры спадает, не вызывая перегрева обмотки статора. Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен, применяются различные способы пуска двигателя при пониженном напряжении. Однако при этом пропорционально квадрату напряжения на зажимах обмотки статора или квадрату пускового тока двигателя понижается пусковой момент, что является недостатком пуска при пониженном напряжении.


Рисунок 2.6 - Графики изменения тока и момента при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Поэтому эти способы пуска применимы, когда возможен пуск двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Необходимость пуска при пониженном напряжении встречается чаще всего у мощных высоковольтных двигателей. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю напряжения.
2.5.3. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник
Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, работающего при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник. В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре снижается в раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазах обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному току, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток больше фазного в раз. Следовательно, включив обмотки статора звездой, линейный ток уменьшается в 3 раза.

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, переключатель быстро переводят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока является незначительным.

Рассмотренный способ пуска имеет существенный недостаток — уменьшение фазного напряжения в раз сопровождается уменьшением пускового момента в три раза, так как, пусковой момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором прямо пропорционален квадрату напряжения. Такое значительное уменьшение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.



Рисунок 2.7 - Графики изменения момента и фазного тока при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник.
Недостатком этого способа пуска является то, что при пусковых переключениях цепь асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором разрывается, что связано с возникновением коммутационных перенапряжений. Этот способ ранее широко применялся при пуске низковольтных двигателей, однако с увеличением мощности сетей потерял свое прежнее значение и в настоящее время используется сравнительно редко.