Регулируемая реактивная катушка

Лабораторная работа №9

ИСПЫТАНИЕ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫВ РЕЖИМАХ ИНДУКЦИОННОГО РЕГУЛЯТОРА, ФАЗОРЕГУЛЯТОРА И РЕГУЛИРУЕМОЙ РЕАКТИВНОЙ КА­ТУШКИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Асинхронная машина с фазным ротором, помимо двигательного и генераторного режимов, мо­жет быть использована. Во многих случаях специально рассчитана и сконструирована, для работы в качестве индукционного регулятора (поворотного автотрансформатора), фазорегулятора (поворотного трансформатора) и регулируемой реактивной (дроссельной) катушки.

Индукционные регуляторы позволяют плавно и в сравнительно широких пределах регулировать вторичное напряжение. Поэтому они применяются в отдельных линиях станций и подстанций, для ши­рокого регулирования напряжения отдельных приемников, например электродвигателей, электропечей, и главным образом в лабораторной практике.

Фазорегуляторы позволяют плавно поворачивать фазу вторичного напряжения (не изменяя его по величине) относительно первичного в пределах угла а = 0°÷360° эл. Они применяются для регу­лирования угла зажигания ионных выпрямителей, в автоматике, в измерительной технике и особенно в лабораторной практике.

Регулируемые реактивные катушки позволяют плавно изменять реактивное сопротивление, что дает возможность применять их для создания практически чисто индуктивной нагрузки генераторам пе­ременного тока. Используются они преимущественно в лабораторной практике.

Во всех выше указанных режимах асинхронная машина работает при неподвижном роторе, и по­этому вопрос ее охлаждения имеет большое значение.

При малой мощности и небольшом напряжении они выполняются с воздушным охлаждением, а при сред­них и больших мощностях они имеют преимущественно масляное охлаждение и вертикальное испол­нение.

Целью данной работы является исследование работы асинхронной машины с фазным ротором в режимах индукционного регулятора, фазорегулятора и регулируемой реактивной катушки.

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Индукционный регулятор

Индукционный регулятор представляет собой трехфазную асинхронную машину с фазным ротором, обмотки статора ротора которой электрически соединены, а ротор заторможен при помощи червячной передачи. Последняя при необходимости используется для изменения расположения ротора относительно статора.

Электрическая схема трехфазного индукционного регулятора представлена на рис.9.1.

Рисунок 9.1 – Схема индукционного регулятора

Обмотка, которая присоединяется к сети параллельно, называется первичной, или питающей. Она обычно соединена звездой, изредка встречается соединение её треугольником. Другая обмотка, называемая вторичной, или проходной, имеет разомкнутые фазы. Она присоединяется к сети последовательно, т. е. между сетью и потребителем, требующим регулирования напряжения.

В специально изготовленных заводами индукционных регуляторах первичной обмоткой, как правило, является обмотка ротора, а вторичной — обмотка статора.

Если же в качестве индукционного регулятора используется асинхронный двигатель с фазным ротором, то первичной обмоткой преимущественно является обмотка статора, а вторичной — обмотка ротора.

Принцип работы индукционного регулятора заключается в следующем. Ток I₁ протекающий по первичной обмотке, создает вращающееся магнитное поле, которое наводит в обмотках индукционного регулятора электродвижущие силы Е_1Ф и Е_2Ф: в первичной Е_1Ф = сФW₁ и во вторичной Е_2Ф = сФW₂, где Ф — поток вращающегося магнитного поля; W₁ и W₂ — число витков первичной и вторичной обмоток (на одну фазу); с — постоянный коэффициент.

Электродвижущая сила первичной обмотки Е_1Ф при отсутствии нагрузки индукционного регуля­тора практически равна напряжению сети U_1Ф и находится с ним в противофазе.

Электродвижущая сила вторичной обмотки Е_2Ф, определяемая неизменным по величине маг­нитным потоком Ф и количеством витков W₂, имеет конкретное, неизменное по величине, значение. Направление ее по отношению к напряжению сети может быть различным в зависимости от взаимного расположения первичной и вторичной обмоток, которое можно изменить при помощи червячной пере­дачи.

Вторичное напряжение (напряжение на выходе) индукционного регулятора U₂ представляет со­бой геометрическую сумму напряжения сети U_1Ф, подводимого к первичной обмотке, и э. д. с. Е_2Ф, ин­дуктируемой во вторичной обмотке, т. е.

,

. (9.1)

Из этого выражения видно, что при плавном изменении угла между осями обмоток соответст­вующих фаз ротора и статора от 0° до ±180° эл. (электрических градусов) вторичное напряжение индук­ционного регулятора будет плавно изменяться от своего наибольшего значения до наименьшего .

При одинаковом количестве витков первичной и вторичной обмоток индукционный регулятор, работающий без загрузки, позволяет изменять вторичное напряжение в пределах от 0 до 2 . Верхний предел регулирования напряжения при нагрузке регулятора заметно снижается.

Зависимость вторичного напряжения U₂ от угла поворота ротора α при холостом ходе ин­дукционного регулятора. Снятие зависимости U₂ =f(α) при I₂=0 производят по схеме, представленной на рис.9.1, в такой последовательности.

Первичную обмотку индукционного регулятора включают на сеть (рубильник П₁). Затем определяют напряжение U_1Ф= , подводимое к первичной обмотке, э. д. с. Е_2Ф, индуктируемую во вторичной об­мотке, и проверяют симметрию вторичного напряжения U_2.

Значение напряжения U_1Ф, и э. д. с. Е_2Ф записывают в табл.9.1.

Линейные напряжения U₂ при симметричном напряжении U₁ должны быть одинаковыми. Если они значительно отличаются друг от друга, то это указывает на несоответствие присоединения первич­ной и вторичной обмоток в схеме индукционного регулятора. Несимметрия вторичного напряжения при этом получается за счет различных углов между обмотками соответствующих фаз ротора и статора. Чтобы получить симметричное вторичное напряжение, необходимо на зажимах сети поменять местами два провода, с помощью которых подводится напряжение к обмотке статора или ротора.

Далее, при помощи поворотного устройства устанавливают ротор в положение, при котором вторичное напряжение индукционного регулятора будет максимальным U₂макс. Это положение ротора соответствует совпадению осей обмоток ротора и статора, т. е. напряжение U_1Ф и э. д. с. Е_2Ф совпадают по фазе (угол α, определяемый по укрепленной на статоре шкале, равен ±180º). Плавно поворачивая ротор от его исходного положения (α = 180°) до положения, при котором угол α = 0° эл.; через каждые 15° эл. значения угла α измеряют вторичное напряжение U_2.

Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 9.1.

По данным табл. 9.1 на одном графике строят зависимости U₂=f(α) и U_2расч=f(α) – теоретически должны совместиться. Примерный вид этой зависимости представлен на рис. 9.2.

U1ф= U1/ = (В) E2ф= (В)
α°	-180	-165	-150	-135	-120	-105	-90	-75	-60	-45	-30	-15
U2ф, В
U2рас, В
α°
U2ф, В
U2рас, В

Таблица 9.1 – Зависимости напряжений от угла поворота ротора

Рисунок 9.2 – Зависимость выходного напряжения индукционного регулятора от угла поворота

 

Векторная диаграмма напряжений. Векторную диаграмму напряжений для одной фазы индукционного регулятора строят на основании полученных из опыта значений напряжения U_1Ф, подводимого к первичной обмотке, и э. д. с. Е_2Ф, индуктируемой во вторичной обмотке.

Построение производят в такой последовательности. От начала координат (рис. 9.3) в вы­бранном масштабе откладывают вектор напряжения U_1Ф. На продолжении этого вектора в том же масштабе откладывают вектор э. д. с. Е_2Ф. Из конца вектора напряжения U_1Ф, как из центра, описы­вают окружность радиусом, равным вектору э. д. с. Е_2Ф. Эта окружность является геометрическим местом концов вектора э. д. с. Е_2Ф и векторов вторичного напряжения U_2Ф, при различных углах по­ворота α ротора индукционного регулятора.

Отложив вектор э. д. с. Е_2Ф под любым заданным углом α и соединив конец этого вектора с нача­лом координат, получают в масштабе значение вторичного напряжения U_2Ф для данною угла поворота индукционного регулятора. Векторная диаграмма показана на рисунку 9.9.

Рисунок 9.3 – Векторная диаграмма индукционного регулятора для одной фазы

 

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики индукционного регулятора представляют собой зависимости вторичного напряжения U₂, тока I_1, потребляемой мощности P₁, коэффициента мощно­сти cos φ₁ и коэффициента полезного действия η от тока нагрузки I₂ при постоянных подводимом пер­вичном напряжении U₁, частоте f_H, угле поворота ротора α и коэффициента мощности нагрузки cos φ₂, т. е. U₂, I₁, P₁, cos φ₁ и η = f(I₂) при U₁ = const, f_H = const, α = const и cos φ₂= const.

Схема для снятия рабочих характеристик индукционного регулятора представлена на рис. 9.4.

Опыт производят в такой последовательности. При выключенном рубильнике П₂ индукционный регулятор включают на сеть рубильником П₁. Затем его ротор поворачивают по отношению к статору на такой угол α, при котором вторичное напряжение U₂ будет равно по величине первичному напряжению U₁. При отключенной нагрузке (рубильник П2) показания приборов при холостом ходе работы индукционного регулятора записываем в таблицу 9.2. После это­го включают активную нагрузку (рубильник П2) и, при неизменном ранее установленном положении ротора, постепенно увеличивают ток нагрузки I₂ от нуля до значения, равного номинальному току вторичной обмотки индукционного регулятора. Ток нагрузки следует изменять через примерно равные интервалы так, чтобы в заданном диапазоне изменения получить 4 ÷ 5 точек снимаемых характеристик.

Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 9.2.

Вычисляем потребляемую из сети активную мощность по формуле:

где Р₁ — потребляемая из сети активная мощность; U₁ — линейное напряжение, подводимое к первичной обмотке; I₁ — ток первичной цепи.

Рисунок 9.4 – Схема включения индукционного регулятора для снятия рабочих характеристик

Таблица 9.2 – Рабочие характеристики

№п.п.	Опытные данные	Расчетные данные
U1	I1	cosj1	U2	I2	P2	η	P1
1.(х.х)
2.
3.
4.
5.
6.

 

Коэффициент полезного действия индукционного регулятора рассчитаем по формуле:

где Р₂ - активная мощность потребляемая нагрузкой.

Рисунок 9.5 – Рабочие характеристики индукционного регулятора

 

По данным табл. 9.2 строят рабочие характеристики, примерный вид которых представлен на рис. 9.5.

Уменьшение вторичного напряжения U₂ с увеличением тока нагрузки I₂ объясняется увеличением падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях первичной и вторичной обмоток индукционного регулятора.

Характер изменения тока первичной цепи I₁ с увеличением тока нагрузки I₂ объясняется следующим. При токе I₂=0 ток I₁ в основном реактивный, создающий вращающееся магнитное поле. Значение его из-за большого магнитного сопротивления воздушного зазора сравнительно велико и примерно равно току холостого хода асинхронной машины в режиме двигателя. При небольших значениях активного тока нагрузки, когда реактивная составляющая тока первичной цепи превышает его активную составляющую, изменение общего тока первичной цепи незначительно. Дальнейшее увеличение тока нагрузки приводит к более интенсивному изменению тока в первичной цепи. Это обуславливается в значительной степени увеличением его активной составляющей (внешней нагрузкой) и некоторым увеличением его реактивной составляющей (потоками рассеяния обмоток). Поэтому зави­симость I₁=f(I₂) на графике изображается кривой, несколько выпуклой в сторону оси абсцисс.

Вид кривой η =f(I₂) зависит от соотношения постоянных и переменных потерь в индукционном регуляторе при различных нагрузках. При небольших токах нагрузки основную часть потерь составляют потери в стали Р_с, практически не зависящие от нагрузки. При этом потери в меди Р_м, пропорциональ­ные квадратам токов в обмотках, сравнительно малы. Поэтому с изменением тока нагрузки I₂ от нуля до некоторой величины суммарные потери увеличиваются значительно медленнее полезной (отдаваемой) мощности, а к. п. д. резко возрастает. Затем, при дальнейшем увеличении тока нагрузки, рост к. п. д. за­медляется, так как увеличивается влияние потерь в меди. При сравнительно больших токах нагрузки, близких к номинальному току, потери в меди, и следовательно суммарные потери, возрастают быстрее тока нагрузки, и к. п. д. индукционного регулятора уменьшается.

Зависимость Р₁= f(I₂) на графике имеет вид кривой, несколько выпуклой в сторону оси абсцисс. Это объясняется увеличением потерь в обмотках индукционного регулятора при увеличении тока на­грузки.

Характер кривой cos φ₁ = f(I₂) может быть вычеслен анализом уравнения:

где I_1а и I_1р —активная и реактивная составляющие тока в первичной цепи.

Из уравнения видно, что коэффициент мощности индукционного регулятора cos φ₁ определяется соотношением токов I_1а и I_1р. При холостом ходе из-за значительного преобладания тока I_1р над то­ком I_1а cos φ₁ имеет небольшое значение. По мере увеличения активной нагрузки cos φ₁ заметно воз­растает. Это обуславливается тем, что ток I_1а увеличивается в большей мере, чем ток I_1р. При сравни­тельно больших нагрузках увеличение cos φ₁ замедляется, так как ток I_1р вследствие значительного увеличения потоков рассеяния обмоток заметно возрастает. Последнее приводит к тому, что при пере­грузках

Фазорегулятор

Фазорегулятор, или поворотный трансформатор, представляет собой, как правило, трехфазную асинхрон­ную машину с фазным ротором, обмотки которой элек­трически не связаны (разъединены), а ротор заторможен при помощи червячной передачи. Обмотка статора, кото­рая обычно является первичной, включается в трехфазную сеть (рис. 9.6). При постоянном напряжении сети U₁, не­изменной частоте f₁ и отсутствии нагрузки поток вра­щающегося магнитного поля статора Ф, а, следовательно, индуктируемые э. д. с. первичной обмотки Е₁ и вторич­ной обмотки Е₂, также будут постоянными. Значение э. д. с. вторичной обмотки Е₂ определяется коэффициен­том трансформации э. д. с, а направление вектора ее отно­сительно вектора э. д. с. первичной обмотки Е₁ зависит от пространственного расположения осей первичной и вторичной обмоток (рис.9.6). Так как при помощи червячной передачи ротор можно поворачивать относи­тельно статора на различные углы, то сдвиг фаз между векторами первичной и вторичной э. д. с. может быть плавно изменен в пределах от нуля до 360° эл. Следовательно, такой трансформатор может иметь груп­пу соединений не только ряда целых чисел от 1 до 12, как в обычных трансформаторах, но и любых промежуточных значений.

Для исследования фазорегулятора собирают схему, представленную на рис.9.6. Так как токовая обмотка фазометра включена во вторичную цепь
фазорегуля­тора, а обмотки напряжения — в первич­ную, то при повороте ротора относительно статора на различные углы фазометр по­кажет косинус угла сдвига между вектора­ми первичного и вторичного напряжений.

Рисунок 9.6 - Схема соединения фазорегулятора

Опыт проводят так: нагружают фазорегулятор активной нагрузкой (ток нагрузки не должен превышать номинально­го тока фазометра). Затем плавно поворачивают ротор от исходного положения (по шкале, укрепленной на статоре, угол α =0°) до положения, при котором угол α = 180° эл. Через каждые 15° эл. угла α опреде­ляют значение cos φ₁₂ и угла φ₁₂.

Результаты измерений заносят в табл. 9.3.

 

Таблица 9.3 – Зависимость косинуса угла сдвига между вектора­ми первичного и вторичного напряжений от угла поворота ротора

№ п.п.

α, °

cosφ12

φ12

 

По данным опыта строят зависимость cos φ₁₂=f(α) примерный вид которой представлен на рис. 4.6.

Рисунок 9.7 – Зависимость косинуса угла сдвига э.д.с. первичной и вторичной обмоток от угла поворота ротора

Регулируемая реактивная катушка

Регулируемая реактивная катушка представляет собой трехфазную асинхронную машину с фазным ро­тором, у которой обмотки статора и ротора соединены последовательно или параллельно, а ротор заторможен при помощи червячной передачи. При конкретном номинальном напряжении сети выбор схемы соединения определяется номинальными напряжениями обмоток статора и ротора, а также диапазоном регулирования индуктивного сопротивления.

Рисунок 9.8 – Схема нагрузочного ротора

 

Схема последовательного соединения обмоток ротора и статора, обеспечивающая более широкий диа­пазон регулирования индуктивного сопротивления, представлена на рис. 9.8.

При этом соединении обмо­ток индуктивность одной фазы реактивной катушки.

L=L ₁+L ₂+L _12М cos α

где L ₁ и L ₂ - индуктивность одной фазы обмотки статора и ротора;

L _12М – максимальное значение взаимной индуктивности обмоток статора и ротора;

α – угол между осями обмоток фаз статора и ротора.

Из приведенной формулы следует, что при α= 0° индуктивность катушки L и, следовательно, ее индуктивное сопротивление X _L =ωL имеет наибольшее значение, а при α= 180°эл. – наименьшее значе­ние. Таким образом, ток регулируемой реактивной катушки при неизменном напряжении сети зависит от угла поворота ротора относительно статора.

Снятие характеристики I=(α) производят в такой после­довательности. Установив ротор в положение, при котором угол между осями обмоток соответствующих фаз статора и ротора ра­вен нулю (α = 0°), реактивную катушку включают на сеть. При этом ток в цепи катушки будет иметь наименьшее значение (I_мин). Затем, изменяя угол поворота ротора от α = 0° до α =180° эл. град. в одну и другую стороны, записывают в табл. 9.4 значения угла α, тока катушки I через каждые 15° эл.

По данным опыта строят зависимость I=f(α), примерный вид которой представлен на рис. 9.9.

Рисунок 9.9 – Зависимость тока регулируемой реактивной катушки от угла поворота ротора

 

Таблица 9.4 – Зависимость тока катушки I от угла поворота ротора

№ п.п.	Измерения	Вычисления
α°эл	I, A	XL, Ом

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляет собой индукционный регулятор, где он применяется и в чем заключается принцип его работы?

2. К чему приводит несоответствие присоединения первичной и вторичной обмоток в схеме индукционного регулятора?

3. Как строят векторную диаграмму напряжений индукционного регулятора?

4. Что называют рабочими характеристиками индукционного регулятора и как их снимают?

5. Какой вид имеют рабочие характеристики индукционного регулятора? Почему они имеют такой вид?

6. Что представляет собой фазорегулятор и где он применяется?

7. Какой вид имеет зависимость cos φ₁₂ фазорегулятора?

8. Что представляет собой регулируемая ре­активная катушка, как и почему изменяется ее сопротивление?