Лабораторная работа № 3 – 3. Цель работы: Общие сведения 1.

Лабораторная работа № 3 – 3.
Исследование генераторных режимов работы асинхронной
машины с короткозамкнутым ротором
Цель работы: исследовать характеристики асинхронной машины с
короткозамкнутым ротором в генераторных режимах работы
1.
Общие сведения
Асинхронный генератор, ведомый сетью. Чтобы перевести
асинхронную машину, включенную в сеть, в режим генератора, ее ротор необходимо привести во вращение с частотой вращения, превышающей синхронную частоту вращения n1. При этом: n 2  n1 ;
0  s   , а направление развиваемого ею момента противоположно
направлению вращения ротора (рис. 1).
n2 (s)
MЭМ
n1 n2
Режим
генератора
Мвр.
sкр. ген.
n1 (s = 0)
sкр. дв.
Режим
двигателя
МЭМ
Мmax.ген
Мmax.дв.
.
Рисунок 1 − Механическая характеристика и перевод асинхронной
машины в режим генераторного торможения
Асинхронные генераторы вырабатывают только активную мощность, а реактивную мощность, необходимую для создания основного
магнитного потока, потребляют из сети. Практическое значение этого
режима заключается в возможности осуществления так называемого
рекуперативного торможения, которое находит применение в грузо-
подъемных механизмах (скоростной спуск), электрической тяге, при
обкатке автотракторных двигателей, и других случаях. При его реализации ротор может вращаться не только каким-либо специальным
приводом, но и по инерции, или под действием потенциальной энергии грузов. Механическая мощность вращающегося ротора преобразуется в активную электрическую мощность, и за вычетом потерь в
самой машине возвращается (рекуперируется) в сеть.
В общем уравнении электромагнитного момента скольжение в
генераторном режиме необходимо брать со знаком «минус»:
М ЭМ  
Из неравенства:
3U12r'2
.
2


r' 
1s  r1  C1 2   x'к2 


s 


r1  C1
r'2
r'
 r1  C1 2
s
s
(1)
следует, что при:
s дв  sген в генераторном режиме работы момент всегда больше, чем
в двигательном: Мген  Мдв .
Зоне устойчивой работы соответствуют следующие пределы изменения скольжения и момента:
sкр  s  0 ; Мmax .ген  МЭМ  0 .
В режиме генераторного торможения АМ потребляет механическую мощность, равную произведению момента на частоту вращения:
Р 2  М ЭМ  2  0,105n 2 М ЭМ
(2)
Электромеханические характеристики, которые называют также скоростными, представляют собой зависимость приведенного тока
ротора от скольжения:
I' 2 
U1
2
r' 

 r1  С 1 2   х' к2
s 

.
(3)
В генераторном режиме есть два характерных значения тока.
Ток ротора достигает максимума, равного:
I' 2 max 
U1
,
x'к
(4)
r' 

если:  r1  2   0; s   r'2 , а при s   стремится к пределу:
r1
s 

U1
.
(5)
I' 2пред 
2
r1  х'к2
Общий вид зависимостей I'2  f s  показан на рис. 2. Сопротивления x’к и
r1  х' к2 очень малы, поэтому токи
2
I'2п р е д и I'2max
превышают пусковой ток АД.
Генераторное торможение
I’2
Режим
двигателя
I’2max
Торможение
противовключением
I’2пред
I’2пред
s
-∞

r'22
r1
0
1
+∞
Рисунок 2 − Электромеханические (скоростные) характеристики
асинхронной машины в различных режимах работы
Ток в обмотке статора получается путем геометрического суммирования тока ротора с током намагничивания. В режиме идеального
холостого хода: s  0 ; I'2  0 ; I 1  I 0 , а при s   : x'к  r1 . В результате векторы токов I 0 и I 2пред практически совпадают по фазе, а
ток статора равен их арифметической сумме: I1  I'2пред  I 0 (рис. 3).
I1
I0
I
I’2
I0
s
I0
-∞
0
+∞
Рисунок 3 − Зависимости тока статора асинхронной машины от
скольжения в различных режимах работы
Принцип действия асинхронного генератора с самовозбуждением основан на явлении остаточного магнетизма.
При вращении ротора внешним приводом остаточный магнитный поток Фост наводит в обмотках статора небольшую остаточную
ЭДС Еост. Для получения тока намагничивания, обеспечивающего
увеличение ЭДС до требуемого уровня, к выводам обмотки статора
подключаются конденсаторы (рис. 4 – а).
На рис. 4 – б изображены зависимость ЭДС от тока намагничивания (характеристика холостого хода) асинхронной машины 1, и
вольт-амперные характеристики конденсаторов 2 и 3. Характеристика 2 совпадает с линейной частью характеристики холостого хода, и
соответствует критическому значению емкости, при котором процесс
самовозбуждения будет неустойчив. При увеличении емкости наклон
характеристики увеличивается, и приращение ЭДС идет быстрее, чем
приращение напряжения UC на конденсаторах. Возникающий при
этом процесс самовозбуждения заключается в следующем. Под действием Еост в контуре, образованном обмоткой статора и конденсаторами, возникает ток, величина которого зависит от емкости конденсаторов. Этот ток, протекая по обмотке статора, индуктирует приращение ЭДС ΔЕ, которое в свою очередь вызывает приращение тока ΔI.
Процесс идет до тех пор, пока ЭДС и напряжение на конденсаторах не
сравняются, чему соответствует точка пересечения характеристик. В
этой точке ЭДС должна равняться желаемому напряжению холостого
хода Е1  U 0ном , чему соответствует ток I0ном.
U1
U0ном
U1, f1
2
3
1
n2
IC
Еост
IL
ΔЕ
IL (IC)
ΔI
I0ном
Рисунок 4 − Схема (а) и вольт-амперные характеристики (б) автономного асинхронного генератора с самовозбуждением
Емкость, необходимая для нормального самовозбуждения,
определяется исходя из условий:


I 0ном  I L  I C ; U0ном  I L xL  I L x1  x  I C xC  I C
1
,
1C
откуда следует:
C

1
1
1
,
 2 
1 х1  x
1 L1 2f1 2 L1


(6)

где х1  x , L1 – полное индуктивное сопротивление и полная индуктивность асинхронной машины в режиме холостого хода; f1 – частота генерируемой ЭДС.
Увеличение ёмкости сверх этого значения приводит к насыщению магнитной системы, резкому возрастанию тока и потерь холостого хода. Частота вращения ротора связана с частотой f1, числом пар
полюсов р, и скольжением зависимостью:
2  1 1  s  
2f1
1  s  ,
p
(7)
откуда следует, что постоянство частоты f1  const обеспечивается

 const. Однако, если скольжение изменяется в
только если: 2 
1  s
малых пределах, практически:  2  1 , и при достаточной мощности
первичного привода изменения частоты f1 будут незначительны.
Асинхронные генераторы с самовозбуждением находят применение в качестве автономных источников питания, сварочных генераторов и некоторых других случаях.
2. Указания по выполнению работы
2.1. Исследования ведомого сетью генератора
2.1.1. Рассчитать, используя данные предыдущих работ и формулы
(3), (4) значения максимального и предельного токов ротора.
2.1.2. В качестве первичного привода асинхронной машины в работе
используется машина постоянного тока с независимым возбуждением
(НМ), которая позволяет регулировать частоту вращения общего с
асинхронной машиной вала путем изменения напряжения, приложенного к обмотке якоря (рис. 5).
Rп
Rв
НМ
+
= 0 …220 В
ОВ
V
Iнм
-
АМ
mA
А В С
генератор
К 505
нагрузка
I, P, U
А
Рисунок 5 – Схема установки для исследования асинхронной
машины в режиме генераторного торможения
Для подготовки стенда к работе необходимо:




Установить переключатель пускового реостата Rn в крайнее левое
положение (максимальное сопротивление)
Установить рукоятку регулятора тока возбуждения RB в крайнее
правое положение (максимальный ток возбуждения)
Установить с помощью фазорегулятора минимальное значение
постоянного напряжения
Включив источник постоянного тока проверить наличие тока в
цепи возбуждения нагрузочной машины
2.1.3. Собрать схему изображённую на рис. 5, не подключая АМ к
источнику питания, произвести пробный пуск машины постоянного
тока и определить направление её вращения
2.1.4. Подключить к сети обмотки статора АМ и произвести её пробный пуск (не включая питание машины постоянного тока!).
Направление вращения машин должно быть одинаковым. В противном случае следует изменить порядок чередования фаз АМ.
2.1.5. По паспортным данным нагрузочной машины определить коэффициент пропорциональности между током и моментом СМ (можно
воспользоваться его значением, рассчитанным в предыдущей работе).
Поскольку НМ в данном случае не отдает, а потребляет мощность из
сети постоянного тока, ток в цепи якоря изменяет знак, и момент на
общем валу рассчитывается по формуле:
M ЭМ  СМ I 0  I нм 
(8)
2.1.6. Подготовить таблицу для записи показаний приборов и расчётных параметров по следующей форме:
п2, об/мин
s
n0  n2
n0
I0, A
Iнм, A
М  СМ I 0  I нм  , Нм
Р2 = 0,105п2 М, Вт
I1 
1
I1А  I1В  I1С  ,А
3
Р1 = Р1А+ Р1В+ Р1С, Вт
S1  3U1фI1 , ВА

Р1
Р2
2.1.7. Постепенно повышая напряжение и увеличивая частоту вращения, произвести необходимые замеры:



При минимальном напряжении в цепи питания НМ АМ работает в
режиме двигателя, и потребляет из сети активную мощность
(мощность положительна, частота вращения меньше синхронной
частоты вращения)
В режиме идеального холостого хода частота вращения ротора
равна частоте вращения поля статора, ток имеет минимальное значение, момент равен нулю, но мощность имеет положительное
значение (потери в обмотке статора)
В генераторном режиме частота вращения превышает синхронную
частоту, активная мощность изменяет знак, ток возрастает. Замеры
производить примерно до тех пор, пока генерируемая в сеть активная мощность не достигнет номинальной мощности АМ
2.1.5. Произвести необходимые расчеты. По полученным данным построить характеристики: I1  f s ; M  f s , I1  f (P2 ) ;
I1  f ( P1 ) ;
  f ( P2 ) ; n 2  f (P1 ) . Сделать выводы.
2.2. Исследования асинхронного генератора с самовозбуждением
2.2.1. Используя данные из предыдущих работ и формулу (6), определить требуемое значение ёмкости
2.2.2. Повторить выполнение всех операций, указанных в п. 2.1.2.
2.2.3. Собрать схему, изображённую на рис. 6, и произвести пробный
пуск. Постепенно подключая конденсаторы и поддерживая неизменной и равной синхронной частоте частоту вращения ротора, убедиться
в том, что асинхронный генератор нормально возбуждается
U 1, f 1
n0
АМ
генератор
К 505
нагрузка
I, P, U
Рисунок 6 – Схема установки для исследования асинхронного
ге6нератора самовозбуждением
2.2.4. Замерить токи и напряжения при различных значениях ёмкости
(начинать следует с максимальных величин). Определить оптимальное и критическое значения ёмкости.
2.2.5. По полученным данным построить кривую намагничивания и
вольт-амперные характеристики конденсаторов. Сделать выводы. Ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1.
При каких условиях асинхронная машина переходит в режим
рекуперативного торможения?
2.
Почему в генераторном режиме ток и момент превышают ток и
момент в двигательном режиме при равных по модулю значениях скольжения?
3.
Как найти максимальное и предельное значения тока ротора?
Чем они опасны?
4.
Пояснить методику экспериментальных исследований АМ в режиме генератора ведомого сетью
5.
Перечислить условия самовозбуждения АМ и охарактеризовать
процесс самовозбуждения
6.
Как определяется значение емкости, необходимое для нормального самовозбуждения?
7.
От чего зависит частота ЭДС, генерируемой асинхронным генератором с самовозбуждением?
8.
Пояснить методику экспериментальных исследований АМ в режиме генератора с самовозбуждением