Сергеев Валерий Сергеевич 4 страница

Рабочее задание

1. Начертить принципиальную электрическую схему лабораторной установки (рис. 5.1) и таблицу 5.1 результатов опытов. Записать паспортные величины, характеристики объектов и средств исследования.

2. Собрать цепь в соответствии со схемой (рис. 5.1) с помощью испытательных проводников и подсоединить ее к настенному щиту с линейным напряжением 380 В. После разрешения преподавателя включить установку в сеть U_Л/U_Ф = 380/220 В автоматическим выключателями щита QF.

Рис. 5.1. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

для исследования нагрева электродвигателя.

3. Используя кнопочный элемент SB1 "Работа электродвигателя", запустить электродвигатель, и через каждые 15 минут его работы (в целом электродвигатель работает 45 минут) определять температуру Q_дв нагрева обмоток двигателя, а также превышение температуры t = Q_дв - Q₀, где Q_дв - показания указателя температуры, Q_О – температура окружающей среды, равная первоначальной температуре двигателя.

Данные измерений (температуру окружающей среды Q₀, температуру Q_дв нагрева обмоток двигателя, времени нагрева t, активной мощности одной фазы электродвигателя Р_Ф, линейного напряжения U_Л по вольтметру PV, линейного тока I_Л по амперметру PА занести в таблицу 5.1.

Таблица 5.1. Результаты исследования процесса нагрева электродвигателя

№ опыта	Измерения	Вычисления
Q0	t	РФ	UЛ	IЛ	Р	t
°C	мин	Вт	В	А	Вт	°С

4. Исходя из результатов проведенных опытов вычислить и записать в таблицу 5.1 следующие величины: активную мощность электродвигателя Р, сопротивление фазной обмотки R_o в начале работы двигателя при времени нагрева, равным нулю, сопротивление нагретой фазной обмотки R в момент времени t.

5. По полученным данным построить кривую превышения температуры обмотки электродвигателя при работе t = f (t), установившееся превышение температуры t_уст и постоянную времени нагрева T_н методом трех точек (трех температур).

Программа подготовки к выполнению рабочего задания

1. Изучить необходимые разделы в рекомендуемой литературе [1, 9.3, с.348...353], [4, глава 13, с.566...568], [5, § 8-1, с.116...119], [21, с.85...91].

2. Записать паспортную табличку электродвигателя и проанализировать его номинальные данные.

3. Записать формулы, необходимые для расчета активной мощности электродвигателя Р и превышения температуры t.

Методические указания по выполнению рабочего задания

и обработке результатов эксперимента

1. Перед включением установки в сеть необходимо убедиться в надежности соединения монтажных проводников.

2. При работе с электроустановкой необходимо соблюдать правила техники безопасности и эксплуатации электроустановок потребителей.

3. При измерениях следить за показаниями приборов и не перегружать их.

4. Результаты расчетов по данным опытов вычислить:

- активная мощность двигателя:

Р = 3 Р_Ф;

превышение температуры

t = Q – t₀.

5. При построении кривой превышения температуры обмотки двигателя следует исходить из того, что по оси абсцисс откладывается время нагрева от 0 до 45 мин с интервалом в 15 мин, а по оси ординат – соответствующее превышение температуры t. По построенной кривой нагрева по способу трех температур или трех точек определить постоянную времени нагрева:

где t₁, t₂, t₃ – три замера превышения температуры нагрева двигателя с нарастающим значением величины температуры, снятые через равные промежутки времени Dt = 15 мин.

Затем определить установившееся превышение температуры двигателя t_уст исходя из условия, что при t = T_н ордината кривой нагрева t = 0,632 t_уст (при условии t_о = 0).

6. Пересчет мощности электродвигателя Р_х на действительную температуру окружающей среды выполнить по выражению:

где Р_н - номинальная мощность электродвигателя при стандартной температуре окружающей среды Q, °С, кВт;

DQ = 40 - Q – разница температур (стандартной 40 °С и окружающей среды Q, °С;

t_уст.н = Q_пред - 40 – допустимое превышение температуры для данного класса изоляции, °С (для класса изоляции В обмоток электродвигателя Q_пред = 130 °С);

a = 0,5 - коэффициент потерь (для асинхронного двигателя).

Контрольные вопросы

1. От чего зависит температура нагрева обмоток электродвигателя и до какой максимальной температуры допустим их нагрев?

2. Что такое установившееся температура двигателя, когда она достигается и от чего зависит?

3. Раскройте физический смысл постоянных времени нагрева Т_н и охлаждения Т_охл.

4. Какие существуют способы определения постоянных времени нагрева Т_н и охлаждения Т_охл и их сущность?

5. Написать уравнения теплового баланса электродвигателя и сделать его анализ.

6. Написать уравнение нагрева и охлаждения электродвигателя и объяснить их.

7. Написать и объяснить уравнение допустимой нагрузки двигателя в зависимости от температуры окружающей среды.

Основные положения при исследовании процесса нагрева

электродвигателя

Мощность, которую способен развить электродвигатель без вредных последствий, определяется его степенью нагрева и максимальным вращающим моментом. Решающую роль в определении момента двигателя играет нагрев его обмоток. При работе двигателя с той или иной нагрузкой в нем возникают потери энергии, выделяющиеся в виде тепла и приводящие к нагреву двигателя. Нагрев обусловлен различными потерями (тепловыми в обмотках, на гистерезис, вихревые токи, трение и другие), которые учитываются к.п.д. h двигателя:

где DР - теряемая мощность (полные потери), превращающаяся в тепло, кВт;

Р₁ - мощность подводимая к двигателю от сети, кВт;

Р₂ - полезная мощность на валу двигателя, кВт;

h - к.п.д. двигателя.

Секундные потери тепла, Вт:

Q = k DP,

где k = 1 - коэффициент пропорциональности.

В первый момент после включения двигателя в сеть выделяемое в нем тепло расходуется, главным образом, на нагрев двигателя и лишь небольшая часть его рассеивается в окружающую среду. Поэтому температура двигателя растет довольно быстро. Рассеивание тепла в окружающую среду (теплоотдача) по мере нагрева двигателя его поверхностью увеличивается, что ограничивает нагрев двигателя при условии, что выделение тепла в нем остается постоянным. Повышение температуры двигателя по истечении некоторого времени прекращается, наступает равновесие. Это происходит тогда, когда количество тепла, рассеиваемого в окружающую среду, будет равным количеству тепла, выделяемого в двигателе. Наступает момент времени, при котором достигается постоянство температуры электродвигателя, так называемая установившаяся температура.

Потери энергии в электродвигателе вызывают нагрев его отдельных частей. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. Чем больше нагревостойкость, тем меньше размеры двигателя при той же мощности или при тех же размерах можно увеличить его мощность. Лучшему использованию двигателя способствует также более совершенная система его охлаждения.

Элементарная теория нагрева двигателя исходит из представления двигателя как однородного тела с едиными тепловыми свойствами по всей его массе. Хотя такая теория и отходит от действительных условий, но она дает весьма хорошие результаты при изучении работы двигателя под нагрузкой.

Дифференциальное уравнение теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке имеет вид:

Q dt = A t dt + c dt,

где Q - количество теплоты, выделяемой в единицу времени, Дж/с;

A - теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемой двигателем в окружающую среду и единицу времени при разности температуры в 1°С, Дж / (с·°С);

t - превышение температуры над температурой окружающей среды, °С;

C - теплоемкость двигателя (количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 °С), Дж/°С;

dt - бесконечно малое приращение температуры двигателя за время dt, °С.

Интегрирование дифференциального уравнения дает выражение кривой нагрева:

где t_уст = Q / A – установившееся превышение температуры двигателя над температурой охлаждающей среды, °С;

t_o - начальное превышение температуры (если нагрев двигателя производят от температуры охлаждающей среды, то t_o = 0), °С;

t - время нагрева, с;

Т_н - постоянная времени нагрева, с.

При t_о = 0:

Постоянная времени нагрева Т_н характеризует скорость нагрева двигателя и представляет собой время, в течение которого превышение температуры от t = 0 достигло бы установившегося значения t_уст при Q = const и отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. Постоянная времени нагрева Т_н определяется следующими способами:

- аналитически – Т_н = С / А;

- по назначению t_уст, исходя из условия, что при t = T_н ордината кривой нагрева t = 0,632t_уст (при условии, что t_о = 0);

- по касательной к кривой нагрева (касательная к кривой нагрева проводится в любой ее точке до пересечения с асимптотой t_уст). Постоянная времени нагрева равна от резку асимптоты, заключенной между вертикалью из точки касания и точкой пересечения с касательной;

- интегральный по формуле Т_н = S / t, где S - площадь фигуры в именованных единицах °С×с, расположенная над кривой нагрева и заключенная между следующими линиями: отрезком ординаты t от значения t = 0 до t = t_уст, асимптотой t_уст на длине от t = 0 до любого текущего значения t, отрезком t от асимптоты t_уст до точки кривой нагрева при времени t и кривой нагрева на участке от t = 0 при времени t, где t – значение превышения температуры t при времени t.

Номинальная мощность двигателя Р_н, указанная на его щитке, соответствует температуре окружающей среды, равной +40 °С. При более низкой температуре окружающей среды двигатель может быть недогружен, а при более высокой – нагружен выше номинальной мощности. Величина мощности Р_х, до которой может быть нагружен двигатель при данной температуре окружающей среды, определяется формулой:

где DQ = 40 - Q – разница температур (стандартной 40 °С и окружающей среды Q, °С;

t_уст.н = Q_пред - 40 – установившееся превышение температуры для данного класса изоляции, °С;

a = 0,5…0,7 - коэффициент потерь (для асинхронного двигателя).

Работа 6. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОГО

АСИНХРОННОГО КОРОТКО­ЗАМКНУТОГО

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Цель и порядок выполнения работы

Цель работы: 1. Изучить факторы, влияющие на коэффициент мощности электроустановок.

2. Исследовать способы компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронным электродвигателем, с помощью нагрузки и батареи статических конденсаторов.

При выполнении работы необходимо: 1. Ознакомиться с основными паспортными данными испытуемого электродвигателя и измерительных приборов.

2. Собрать электрическую схему лабораторной установки (с ее проверкой) для снятия коэффициента мощности электродвигателя.

3. Опытным путем снять данные для определения коэффициента мощности при изменении нагрузки на валу двигателя и подключении батареи статических конденсаторов.

4. Определить емкость и мощность трехфазной батареи стати­ческих конденсаторов для компенсации коэффициента мощности до определенной величины.

Объект и средства исследования

На рабочем месте расположена лабораторная установка, состоящая из асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, генератора постоянного тока с параллельным возбуждением, являющимся наг­рузкой для испытуемого электродвигателя, а также батарея стати­ческих конденсаторов. Загрузка электродвигателя регулируется лампами накаливания.

Основные технические данные электродвига­теля: тип АИР80А6УЗ, номинальная мощность Р_н = 0,75 кВт; соединение фаз - треугольник/звезда; номинальное напряже­ние U_н = 220/380 В; номинальный ток I_н = 3,9/2,3 А; коэффициент полез­ного действия h_н = 70 %, коэффициент мощности cos j_н = 0,72; частота вращения n_н = 920 об/мин, режим работы S1; класс изоляции F. Генератор с самовозбуждением имеет следующие паспортные данные; тип G5, P_н = 0,5 кВт; U_н = 220 В, I_н = 3,3 А, n_н = 930 об/мин. Батарея статических конденсаторов содержит три конден­сатора емкостью 20 мкФ каждый, рабочее напряжение U_р = 500 В.

Средствами исследования служат: комплект измерительный К505, в который входят амперметр PA1 и вольтметр PV1 электромагнитной системы, ваттметр PW ферроди­намической системы с пределами измерения без трансформа­тора по напряжению 30...60В, по току 0,5...10А, по мощности 10...4000 Вт вольтметр PV2 типа Э59 электромагнитной системы с пределами измерения 75, 150, 300, 600 В; амперметр PА2 типа Э59 электромагнитной системы с пределами измерения 2,5 и 5 А; лампы накаливания HL1...HL4 мощностью 200 Вт и напря­жением 245...255 В; пускатель нажимной вибростойкой серии ПНВ для подключения батареи статических конденсаторов на напряжение 500 В переменного тока и ток 12,5 А; тахометр ТЧ 10-Р часового типа с пределом измерения 10000 об/мин; установочные выключате­ли SА1...SА4 на напряжение 500 В и ток 6 А.

Рабочее задание

1. Начертить принципиальную электрическую схему лаборатор­ной установки (рис. 6.1) и таблицу 6.1 результатов опытов (измере­ний и вычислений). Записать паспортные величины, характеристики объекта и средства исследования.

2. Собрать цепь в соответствии со схемой (рис. 6.1) с по­мощью монтажных проводов и подсоединить ее к силовому нас­тенному щиту с линейным напряжением 380 В. После разрешения преподавателя включить установку в сеть, а затем приступить к непосредственному выполнению опытов по определению коэффициента мощности электродвигателя при изменении его загрузки и подклю­чении батареи статических конденсаторов, проведя для этой цели десять опытов.

Рис. 6.1. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

для исследования коэффициента мощности асинхронного двигателя.

Т а б л и ц а 6.1. Результаты исследования коэффициента мощности
электродвигателя

№ п.п

Нагрузка

Измерения

Вычисления

UФ

IЛ

РФ

n

Uг

Iг

S

сos j

Q

Ia

Ip

Pг

В

А

Вт

мин-1

В

А

В×А

-

вар

А

А

Вт

Данные опытов без батареи конденсаторов

Холостой ход

Включено ламп:

- одна

…

…

- четыре

Данные опытов с батареей конденсаторов

Холостой ход

Включено ламп:

- одна

…

…

- четыре

3. Изменяя загрузку электродвигателя, начиная с холостого хода (лампы накаливания не включены) и постепенным увеличением количества включенных ламп накаливания с помощью выключате­лей SА1...SА4, снять показания конт­рольно-измерительных приборов. Опыты выполнить без включения емкости и с ней. Данные измерений (фазного напряжения U_Ф по вольтметру PV1, линейного тока I_Л по амперметру РА1, фазной мощ­ности P_Ф электродвигателя PW, частоты вращения n вала электродви­гателя по тахометру, напряжения постоянного тока U_г по воль­тметру PV2, силы постоянного тока I_г по амперметру PА2, силы то­ка в цепи емкости I_c по амперметру PА3 занести в таблицу 6.1.

4. По результатам измерений вычислить и за­писать в таблицу 6.1 следующие величины: полную мощность элект­родвигателя S, коэффициент мощности cos j, реактивную мощность электродвигателя Q, активный I_a и реактивный I_p токb элект­родвигателя, мощность генератора P_г.

5. По полученным данным построить зависимость cos j = f (P_г/Р_гн), одна из которых соответствует выключенным конденсаторам, вторая – включенным. Объяснить характер измене­ния построенных кривых.

6. Исходя из данных опытов, определить емкость и мощность трехфазной батареи статических конденсаторов для полной компен­сации реактивной мощности.

Программа подготовки к выполнению рабочего задания

1. Изучить необходимые разделы в рекомендуемой литературе [3, 4.2, с.199...201], [4, 3.19, с.145...147], [22, с.145...148].

2. Записать технические характеристики электродвигателя с паспортной таблички и проана­лизировать их.

3. Записать формулы необходимые для расчета полной S и ре­активной Q мощностей электродвигателя, коэффициента мощнос­ти cos j электродвигателя, активного I_а и реактивного I_р токов элект­родвигателя, мощности генератора Р_г.

Методические указания по выполнению рабочего задания

и обработке результатов эксперимента

1. Перед включением установки в сеть необходимо убедиться в надежности соединения монтажных проводников.

2. При работе с электроустановкой необходимо соблюдать пра­вила техники безопасности и эксплуатации электроустановок пот­ребителей.

3. При измерениях следить за показаниями приборов и не пе­регружать их.

4. Результаты расчетов по данным опытов вычислять по следующим выражениям:

- полная мощность электродвигателя:

S = 3 U_Ф I_Л,

где U_Ф - фазное напряжение, В;

I_Л - линейный ток, А;

- коэффициент мощности электродвигателя:

cos j = 3 Р_Ф / S,

где Р_Ф - активная мощность одной фазы, Вт;

- реактивная мощность электродвигателя:

- активный и реактивный токи фазы двигателя:

I_a = I_Л cos j;

I_р = I_Л sin j;

- мощность генератора:

Р_г = U_г I_г,

где U_г, I_г - показания вольтметра и амперметра на постоянном токе;

- мощность батареи статических конденсаторов:

Q_c = P (tg j₁ – tg j₂),

где Р = 3 Р_Ф - активная мощность электродвигателя, Вт;

tg j₁, tg j₂ - соответственно тангенсы угла сдвига фаз до и после установки компенсирующего устройства (ба­тареи статических конденсаторов);

- емкость батареи статических конденсаторов:

где f = 50 Гц - частота то­ка питающей сети;

U = 220 В - напряжение на фазе конденсатора, В.

5. При построении кривых изменения коэффициента мощности cos j в зависимости от нагрузки cos j = f (P_г / Р_гн) (с емкостью и без нее) по оси абсцисс откладывается мощ­ность генератора в относительных единицах P_г / Р_гн, а по оси ординат соответствующее значение коэффициента мощности cos j.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент мощности и как он влияет на режим работы электрооборудования и на работу системы электроснабже­ния?

2. Какое значение имеет улучшение коэффициента мощности для народного хозяйства?

3. Какие условия влияют на величину коэффициента мощности асинхронного электродвигателя?

4. Перечислить и пояснить способы улучшения коэффициента мощности.

6. Построить по опытным данным векторную диаграмму токов с учетом компенсации сдвига фаз (с включенной емкостью) и пока­зать все точки и углы сдвига фаз на ней.

6. Как определить мощность и емкость трехфазной батареи статических конденсаторов для компенсации реактивной мощности?

Основные положения при исследовании способов
улучшения коэффициента мощности электродвигателя

Коэффициент мощности асинхронного электродвигателя, а в целом и электроустановки, равен отношению активной мощности P к полной мощности S (кВт/кВА). Он представляет собой второй по значимости после к.п.д. показатель экономичности электроустановки. Когда установка питается строго синусоидальным напряжением, то вели­чина коэффициента мощности равна cos j – косинусу угла сдвига между током I и напряжением U. В остальных случаях cos j относится только к основной гармонике напряжения, и величина коэффициента мощности и cos j будут не совпадать.

Мощность, которая берется от электрических сетей и необратимо пре­образуется в другие виды мощностей (механическую, тепловую, световую и т. д.), в цепях переменного тока называется активной мощностью, ее величина при синусоидальном напряжении питающей сети:

Р = U I_a = U I cos j.

В реальных электрических сетях ток не совпадает по фазе с напряжением (j ¹ 0), в зависимости от вида реактивных сопротивлений он может отставать или опережать от напряжения. При одной и той же активной мощности потребляемый из сети ток может принимать раз­личные значения. Если угол j = 0, то источники дают ток, равный активному току потребителя I_a. Если же потребители имеют и реактивные сопротивления, то угол j ¹ 0, следова­тельно, ток источников возрастает. Даже при относительно небольших активных мощностях потребителей, но большом угле сдвига фаз между током и напряжением источники электрической энергии могут оказаться полностью загруженными.

Электрические машины, трансформаторы и другие электротех­нические устройства рассчитывают на определенный номинальный ток, обусловленный нагревом проводников этих устройств. Соот­ветственно наивысшее использование генерирующих и преобразующих электромагнитную энергию устройств будет в тех случаях, когда коэффициент мощности приемников, на которые они работают, равен единице. Если под U и I понимать номинальные значения (допускаемые при номинальном режиме работы) напряжения и тока электрической машины, трансформатора или дру­гих преобразователей энергии, то произведение S = U × I дает на­ибольшую возможную активную их мощность при наиболее благопри­ятных условиях (при cos j = 1).

Низкий коэффициент мощности отрицательно сказывается на электроснабжении потребителей, при этом реактивные токи непро­изводительно загружают электрические сети, генераторы и транс­форматоры, вызывают в них дополнительные потери на нагревание, увеличивают потерю напряжения и снижают использование установ­ленной мощности электростанций. Кроме того, при строительстве линий электропередач для потребителей с низким cos j необходимо увеличивать сечение проводов и вес опор, также нужно увеличить сечение соединительных прово­дов, используемых на самой установке. Это связано с тем, что потери в проводах при токе нагрузки I (в амперах), сопротивле­ние провода R (в Ом) и cos j составляют:

Поэтому при проектирования или эксплуатации сетей, работа­ющих с пониженным cos j, для сохранения потерь в пределах, допус­каемых нормами, приходится идти на уменьшение R, что связано с увеличением сечения проводов. Все это в целом ведет к убыткам в народном хозяйстве. Во избежание вышесказанного все пот­ребители должны иметь, согласно ПУЭ, нормативную величину коэф­фициента мощности не ниже 0,93...0,95.

Коэффициент мощности асинхронного электродвигателя опреде­ляется величиной l - отношением намагничивающей реактивной мощ­ности электродвигателя (в вар) к активной (в Вт) по выражению:

Поэтому коэффициент мощности зависит от величины намагни­чивающего тока и величины магнитного рассеяния. Реактивная мощ­ность (в вар), требуемая для намагничивания воздушного зазора, пропорциональна напряжению на зажимах электродвигателя и намаг­ничивающему току Q = U I_р, или, с другой стороны:

Q º B² V f º B² D l g f º D l g f,

где В - наибольшая принятая в расчете индукция;

V - объем воздушного зазора;

D - диаметр расточки статора;

l - осевая длина статора;

g - радиальный размер воздушного зазора;