Синхронные двигатели

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №10

Испытание синхронного двигателя

Цель работы:

Изучить принцип действия и устройство трехфазного синхронного двигателя.

Ознакомиться с особенностями  и порядком пуска в ход синхронного  двигателя.

Снять и построить U-образные характеристики. Убедиться, что перевозбужденный синхронный двигатель одновременно служит источником реактивной энергии и может использоваться для повышения коэффициента мощности электроустановок.

Снять и построить механическую и рабочие характеристики. Выявить  основные свойства синхронного двигателя и области его применения

Указания  к работе

 

Используя рекомендованную литературу, ознакомиться с принципом работы, конструкцией и назначением основных частей трехфазного синхронного двигателя.

Синхронным двигателем называется двигатель переменного тока, у которого частота вращения т.е. скорость ротора, равна частоте вращения магнитного поля и не зависит от нагрузки на валу.

Статор синхронного двигателя  не отличается по конструкции от статора  асинхронного двигателя. В пазы сердечника статора укладывается трехфазная обмотка. Каждая фаза занимает 1/3 пазов. Таким образом, все три фазы А,В и С обмотки статора смещены в пространстве под углом 120⁰ друг к другу. Обмотка соединяется по схеме ”звезда” или ”треугольник” и включается в сеть трехфазного тока. При этом создается вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля n_o называется синхронной. Синхронная частота вращения определяется числом пар полюсов статорной обмотки р и частотой изменения тока в сети f:

(1)

Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит постоянного тока. Он может иметь ярко выраженные и неявновыраженные полюсы. Постоянный ток в обмотку ротора подается от постороннего источника (возбудителя) через щетки и два контактных кольца.

Следует обратить внимание на особенности  пуска двигателя. Как известно, синхронный двигатель не имеет собственного пускового момента и не может  разогнаться без посторонней помощи. В связи с этим на роторе устанавливается дополнительная пусковая обмотка, выполненная по типу ”беличьего колеса” асинхронного двигателя. Пуск двигателя производится в два этапа. Сначала осуществляется асинхронный запуск, при котором ротор разгоняется до скорости близкой к синхронной (0,95n_o), благодаря пусковой обмотке. Затем подается постоянный ток в обмотку возбуждения ротора и двигатель автоматически втягивается в синхронизм.

Достоинства синхронного  двигателя:

• высокие технико-экономические показатели (КПД и);
• абсолютно жесткая механическая характеристика;
• возможность генерирования реактивной энергии;
• возможность конструирования тихоходных двигателей (с частотой вращения 94 - 100 об/мин) при сохранении высоких технико-экономических показателей;
• сравнительно высокая перегрузочная способность (т.е. отношение максимального вращающего момента к номинальному).

Недостатки:

• сложность конструкции и дороговизна;
• сложность регулирования скорости;
• необходимость в источниках переменного и постоянного тока;
• сложность пуска и реверсирования.

Применение. Синхронные двигатели применяют в установках средней и большой мощности (более 100 кВт), не требующих частых пусков, реверсирования и регулирования скорости. К ним относятся привода мощных насосов, компрессоров, воздуходувок, вентиляторов, аэродинамических труб и т.д.

Рабочее задание

1. Ознакомиться со схемой лабораторной  установки, приведенной на рисунке 1. На схеме приняты следующие обозначения:

СД	— синхронный двигатель;
ОВД	— выводы обмотки возбуждения синхронного  двигателя;
RД	— резистор для регулирования тока возбуждения IB синхронного двигателя;
Г	— генератор постоянного тока. Служит нагрузкой для синхронного  двигателя;
ОВГ	— обмотка возбуждения генератора;
RГ	— резистор для регулирования тока возбуждения нагрузочного генератора;
АГ	— амперметр. Измеряет ток нагрузочного генератора IГ;
RH	— нагрузочный резистор. Величину сопротивления отдельных ступеней резистора RH можно изменять с помощью тумблеров 1,2,3...7. При этом изменяется ток генератора IГ и, следовательно, нагрузка на валу;
VГ	— вольтметр. Измеряет напряжение генератора;
К	— трехполюсный выключатель. Служит для включения статорной обмотки  в сеть при пуске синхронного  двигателя;
АВД	— автомат для подачи возбуждения  в ротор СД;
АВГ	— автомат для включения обмотки  возбуждения нагрузочного генератора;
VC	— вольтметр. Измеряет линейное напряжение UC, подводимое к статорной обмотке синхронного двигателя;
АС	— амперметр. Измеряет линейный ток IC статорной обмотки СД;
АВ	— амперметр. Измеряет ток возбуждения IB обмотки ротора СД;
cos j	— фазометр. Измеряет коэффициент мощности синхронного двигателя;
n	— тахометр. Служит для измерения  частоты вращения двигателя.

2. Записать паспортные данные  синхронного двигателя и основные  сведения об электроизмерительных приборах.

Паспортные данные, указанные на корпусе двигателя, для удобства вынесены на лабораторный стенд.

В паспорте указать: тип двигателя  —;

UH	— номинальное напряжение двигателя  в В;
РН	— номинальная мощность на валу в  кВт;
IСН	— номинальный ток статора в  А;
n0	— номинальная (синхронная) скорость в об/мин;
hН	— номинальный К.П.Д. в %;
IBH	— номинальный ток возбуждения  в А;
cos jH	— номинальный коэффициент мощности;
f	— частота сети в Гц.

Определить число пар полюсов  р, используя выражение (1).

Определить номинальный  момент на валу:

.

(2)

Основные сведения об электроизмерительных приборах внести в таблицу 1.

• Таблица 1

Наименование и марка прибора	Система измерения	Класс точности прибора	Диапазон измерения прибора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема лабораторной установки

 

 

3. Пуск синхронного двигателя.

Собрать цепь обмотки возбуждения, показанную пунктиром на схеме рис. 1 и под наблюдением преподавателя  осуществить пуск синхронного двигателя.

Порядок операций при пуске:

• убедиться, что автоматы АВД и АВГ отключены;
• поворотом ключа К (по часовой стрелке) подать напряжение на обмотку статора двигателя;
• когда стрелка тахометра n приблизится к отметке 1500 об/мин (зеленая метка), подать возбуждение автоматом АВД;
• для остановки двигателя отключить статор двигателя ключом К. Затем обесточить обмотку возбуждения ротора автоматом АВД.

4. U-образные характеристики.

Снять и построить U-образные характеристики I_C = f(I_B) при холстом ходе и в нагрузочном режиме.

Характеристики снимаются  для трех значений нагрузочного момента.

а) М₁ = 0                                                   (холостой ход)

б) М₂ = 0,3М_Н                                                                (нагрузочный режим)

в) М₃ = 0,6 М_Н

Рис. 2. U-образные характеристики

По указанию преподавателя значения моментов могут быть изменены. Общий  вид U-образных характеристик показан  на рис. 2.

С особой тщательностью должна быть снята точка характеристики, соответствующая минимальному току статора. По показаниям фазометра этой точке должен соответствовать cos j = 1. Следовательно, ток статора имеет только активную составляющую. При моменте М = 0 этот ток обусловлен только потерями в двигателе. Указанный режим работы называется режимом нормального возбуждения. При этом ток возбуждения равен I_BH.

При уменьшении тока возбуждения I_B < I_BH наступает режим недовозбуждения. Он характеризуется потреблением из сети не только активной, но и индуктивной составляющей тока. В результате ток статора растет (левая часть U-образной характеристики).

При увеличении тока возбуждения I_B > I_BH наступает режим перевозбуждения. Он характеризуется потреблением из сети дополнительной емкостной составляющей тока. Ток статора снова растет (правая часть характеристики), а двигатель, подобно конденсатору, становится источником реактивной энергии. Этот режим имеет важное значение для повышения коэффициента мощности электроустановок.

При снятии U-образной характеристики в режиме холостого хода М₁ = 0 должна соблюдаться следующая последовательность операций:

а) убедиться, что двигатель вращается в режиме холостого хода (ток генератора I_Г = 0, автомат АВГ отключен);

б) изменяя ток ротора I_B перемещением движка резистора R_Д из одного крайнего положения в другое, записать в таблицу 2 результаты 10-12 измерений. В таблицу вносятся значения тока ротора I_B, тока статора I_C и cosj с указанием характера (”емк.” или ”инд.”). При зашкаливании стрелки фазометра указать лишь характер cos j.

Последовательность операций при  снятии U-образной характеристики в  режиме нагрузки:

а) получить у преподавателя значения нагрузочного тока генератора I_Г = I_Г1 и I_Г = I_Г2;

б) осуществить пуск двигателя (см. пункт 3);

в) включить АВГ и движком резистора R_Г установить напряжение генератора U_Г = 110 В;

г) тумблерами 1,2,3...7 установить заданный ток генератора I_Г = I_Г1;

д) изменяя ток возбуждения I_B резистора R_Д, записать в таблицу 2 результаты 10-12 измерений (следить за напряжением генератора и при необходимости поддерживать U_Г = 110 В);

е) повторить измерения при токе нагрузочного генератора I_Г = I_Г2. Результаты записать в таблицу 2.

Таблица 2

Холостой ход
IГ = 0					М1 = 0
IB, A
IC, A
cos j
Режим нагрузки
IГ = IГ1					М2 =
IB, A
IC, A
cos j
Режим нагрузки
IГ = IГ2					М3 =
IB, A
IC, A
cos j

 

Рис. 3. Градуировочная кривая M = F(I_Г)

5. Момент на валу синхронного  двигателя, соответствующий заданному  току генератора I_Г, следует определять с помощью градуировочной кривой М = f(I_Г). Эта кривая приведена на рис. 3.

6. Снять и построить рабочие  характеристики. Общий вид рабочих  характеристик n, I_C, P₁, h%, cos j = f(P₂) при U_C= const, I_B= const приведен на рис. 4.