Холостой ход и короткое замыкание асинхронного двигателя

Двигатели асинхронные — методы испытаний — ГОСТ 7217-87 — Определение тока и потерь кз, начального пускового вращающего момента

Содержание материала

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА И ПОТЕРЬ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, НАЧАЛЬНОГО ПУСКОВОГО ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА И НАЧАЛЬНОГО ПУСКОВОГО ТОКА

5.1. Ток и потери короткого замыкания определяют из опыта короткого замыкания.
Начальный пусковой вращающий момент и начальный пусковой ток определяют из опыта короткого замыкания, из опытов пуска или снятия кривой момента по разд. 8.
За начальный пусковой вращающий момент принимается наименьшее значение вращающего момента, а за начальный пусковой ток — наибольшее значение пускового тока из измеренных различными методами.

(Измененная редакция, Изм. № 2)

5.2. Опыт короткого замыкания следует выполнять при заторможенном роторе (обмотка ротора двигателей с фазным ротором должна быть накоротко замкнута на кольцах). Перед затормаживанием ротора должно быть проверено направление вращения двигателя методом пробного включения. К обмотке статора двигателя подводят практически симметричное напряжение номинальной частоты. В процессе опыта одновременно измеряют линейные напряжения, линейные токи, подводимую мощность, а для двигателей мощностью до 100 кВт и вращающий момент. Непосредственно после отключения измеряют сопротивление обмотки статора между двумя линейными выводами. Подводимую мощность рекомендуется измерять по схеме двух ваттметров или трехфазным ваттметром. Если источник питания обеспечивает отклонение линейных напряжений не более 1 %, то допускается измерять два линейных тока и одно линейное напряжение.
Вращающий момент при опыте короткого замыкания измеряют динамометром, весами или торсиометром. При измерении вращающего момента ротор должен быть заторможен в таком угловом положении, при котором пусковой момент минимален. Это положение определяется путем 8—10 измерений момента при напряжении, указанном в табл. 2, при различных угловых положениях ротора. Для двигателей мощностью свыше 100 кВт вращающий момент при опыте короткого замыкания измеряют или рассчитывают по электромагнитной мощности (п. 5.4).

(Измененная редакция, Изм. № 2)

5.3. Опыт короткого замыкания следует начинать в практически холодном состоянии машины или после опыта холостого хода. Двигатель включают на напряжение, указанное в табл. 2, и производят первый отсчет.

Номинальное напряжение двигателя, В

Напряжение короткого замыкания, В

Для двигателей, номинальные напряжения которых отличаются от указанных в табл. 2, напряжение короткого замыкания следует определять по формуле

Второй отсчет проводят при напряжении (100±10) % номинального для двигателей мощностью до 100 кВт (fн = 50 Гц) и не менее 40 % номинального для двигателей мощностью до 100 кВт (fн ¹ 50 Гц) и для двигателей мощностью свыше 100 кВт. При этом рекомендуется включить двигатель на напряжение меньше вышеуказанного, затем напряжение быстро поднять до требуемого значения. При испытании двигателей мощностью выше 100 кВт и вертикальных двигателей после снятия отсчета при наивысшем напряжении следует измерить сопротивление обмотки статора.
Остальные 3—5 отсчетов выполняют при разных значениях подводимого напряжения. Отсчеты по приборам при каждом значении подведенного напряжения производят за время не более 10 с во избежание чрезмерного нагрева обмотки током короткого замыкания.
Сразу после отсчета двигатель отключают.
Для двигателей мощностью до 100 кВт рекомендуется для определения пускового момента снять точку в нагретом состоянии при температуре близкой к рабочей при номинальном напряжении. Эту точку можно не снимать, если пусковой момент определяют по статической кривой момента. Для двигателей мощностью свыше 100 кВт допускается измерять пусковой момент в холодном состоянии.
При испытаниях короткозамкнутых двигателей мощностью свыше 1000 кВт (если определение пускового тока проводят из опыта пуска) ток короткого замыкания должен быть не менее 2-кратного от номинального. Для двигателей с фазным ротором при построении круговой диаграммы ток короткого замыкания должен быть не менее 2,5-кратного от номинального.
5.4. Коэффициент мощности короткого замыкания определяют по формуле
,
где Uк — линейное напряжение короткого замыкания, В;
Iк — линейный ток короткого замыкания, А;
Pк — подводимая мощность короткого замыкания, кВт.
Результаты опыта следует представить в виде зависимостей тока Iк, потерь Pк, коэффициента мощности cosjк и момента Mк от напряжения Uк в табличной или графической форме.
Для двигателей мощностью свыше 100 кВт вращающий момент при коротком замыкании Mк в Н·м определяют по формуле
,
где nс —синхронная частота вращения, мин-1.
Kмп = 0,9 — коэффициент, учитывающий возможное уменьшение Mк, обусловленное добавочными потерями;
Pэк — электромагнитная мощность, кВт;
Pэк = Pк – Pм1к – Pст,
где Pм1к — потери в обмотке статора, кВт, при опыте короткого замыкания;
Pст — потери в стали, кВт, взятые из опыта холостого хода при напряжении, равном напряжению короткого замыкания.
Потери в обмотке статора Pм1к в кВт при опыте короткого замыкания определяют по формуле
,
где R1лк —сопротивление обмотки статора, Ом, при постоянном токе, измеренное между линейными выводами непосредственно после снятия точки короткого замыкания при наибольшем токе.
Если опыт короткого замыкания при номинальном (или близком к нему) напряжении не проводился, то для определения тока и вращающего момента при номинальном напряжении вводят поправку на насыщение путей потоков рассеяния, которая состоит в том, что дальнейшее возрастание тока короткого замыкания предполагается по касательной к кривой (черт. 1), изображающей зависимость тока от напряжения.

Ток короткого замыкания Iкн при номинальном напряжении, называемый начальным пусковым током, определяют по формуле
,
где Iк и Uк — соответственно, наибольшие ток, А и напряжение, В, по кривой (черт. 1);
Uн — номинальное напряжение, В;
— напряжение, В, соответствующее отрезку, отсекаемому на оси абсцисс касательной к кривой, изображающей зависимость тока от напряжения (черт. 1).
Начальный пусковой вращающий момент при коротком замыкании Mкн, соответствующий номинальному напряжению, определяют по формуле
.
где Mк — вращающий момент, Н·м, измеренный или рассчитанный при наибольшем напряжении опыта короткого замыкания.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2)

5.5. При приемосдаточных испытаниях ток и потери короткого замыкания определяют только при напряжении, указанном в табл. 2 или отличающемся от указанного в табл. 2 не более чем на ±15 % с последующим приведением результатов к регламентированному значению напряжения. При этом ток пересчитывают пропорционально первой степени напряжения, а мощность — пропорционально квадрату напряжения.

Режим короткого замыкания АД

Если теперь ротор оставить неподвижным, а его обмотку замкнуть, то будет иметь место короткое замыкание АД, подобное короткому замыканию трансформатора. Этот режим имеет место в первый момент пуска АД, когда ротор еще не пришел во вращение. Ток ста-тора АД при коротком замыкании составляет (4…7) ?н, поэтому во избежание чрезмерного нагревания и повреждения изоляции обмоток двигатель нельзя длительно оставлять при коротком замыкании под полным напряжением.
Часть картины распределения магнитных полей АД при коротком замыкании показана на рис.1 (б).

Рис. 1 — Распределение магнитных полей заторможенного асинхронного двигателя при коротком замыкании

Основной магнитный поток Ф_о создается в этом режиме совместным действием МДС статора F₁ и ротора F₂

т.е. выполняется равенство:

где m₁ и m₂ – число фаз обмотки статора и ротора соответственно, p –число пар полюсов.

Это равенство можно преобразовать к виду:

Уравнение носит название уравнения равновесия токов и справедливо для любого режима работы АД.

Если величиной тока ?_о пренебречь, то будет иметь равенство:

Магнитный поток рассеяния Ф_рс2 создает в обмотке ротора ЭДС рассеяния Е_рс2, величина которой определяется равенством:

где x₂ – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора.

Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки ротора равно:

Уравнения равновесия ЭДС для обмоток статора и ротора имеет вид:

Схема замещения вторичной цепи при неподвижном роторе представлена на рис. 2.

Рис. 2 — Схема замещения вторичной цепи при неподвижном роторе

Ток ротора ?₂ определяется из выражения:

Если в асинхронной машине с заторможенным ротором в цепь обмотки ротора включить сопротивление нагрузки, то ее можно использовать в качестве трансформатора.

Опыт холостого хода

Опыт холостого хода асинхронного двигателя заключается в снятии его характеристик при работе без нагрузки на валу.

Характеристики холостого хода представляют собой графически изображённые зависимости тока статора I₁₀, потребляемой мощности P₁₀, и коэффициента мощности cos₁₀ от подведённого к обмотке статора напряжения U₁ при постоянной частоте сети f₁

I₁₀, P₁₀, cos₁₀= (U₁) при f₁=const.

Опыт холостого хода осуществляется по схеме, изображённой на рис. 6.1. Приложенное к статору двигателя напряжение необходимо изменять с помощью индукционного регулятора в пределах , причём изменение напряжения следует производить в сторону уменьшения. Для определения скольжения в данном случае удобно воспользоваться стробоскопическим методом. Показания приборов для 5–6 значений напряжения следует заносить в табл. 6.1.

Характеристики холостого хода двигателя

Продолжение табл. 6.1

,

В табл. 6.1 приняты следующие обозначения величин:

U_АВ, U_ВС, U_СА– линейные напряжения;U₁– среднее значение фазного напряжения; I_А, I_В, I_С – линейные токи;I₁₀ – среднее значение фазного тока;Р_А, Р_В,Р_С– потребляемые мощности фаз двигателя;Р₁₀ – мощность холостого хода;n_з– число оборотов стрелки при вычислении скольженияsстробоскопическим методом за времяt;cos – коэффициент мощности машины; r₁– среднее значение сопротивления фазы обмотки статора. Сопротивлениеr₁ можно измерить с помощью измерительного моста или с помощью амперметра и вольтметра.

Опыт короткого замыкания

Опыт короткого замыкания асинхронного двигателя заключается в снятии его характеристик при неподвижном и замкнутом накоротко роторе. Характеристики короткого замыкания представляют собой графически изображённые зависимости тока статора I_1к, потребляемой мощности P_1к, и коэффициента мощности cos_1к от напряжения U_1к при неподвижном и замкнутом накоротко роторе

I_1к, P_1к, cos_1к= (U_1к)

Опыт короткого замыкания осуществляется по той же схеме, что и опыт холостого хода, но при соответствующей замене приборов или изменении предела их измерений. Схема представлена на рис. 6.1. Ротор при помощи тормозного устройства установить в неподвижное положение. Приложенное к статору двигателя напряжение U_1кследует изменять с помощью индукционного регулятора в таких пределах, при которых ток статора изменяется в пределах, причём изменение напряжения следует производить в сторону уменьшения тока. Во избежание значительного изменения температуры обмоток машины опыт следует проводить быстро, начиная его с наибольшего тока короткого замыкания. Показания приборов для 5–6 значений тока следует заносить в табл. 6.2.

Режимы работы трансформатора

В зависимости от величины сопротивления нагрузки трансформатор может работать в трех режимах:

1. Холостой ход при сопротивлении нагрузки zн = ∞.

2. Короткое замыкание при zн = 0.

3. Нагрузочный режим при 0

Имея параметры схемы замещения, можно анализировать любой режим работы трансформатора . Сами параметры определяют на основе опытов холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора является разомкнутой.

Опыт холостого хода трансформатора проводят для определения коэффициента трансформации, мощности потерь в стали и параметров намагничивающей ветви схемы замещения, проводят его обычно при номинальном напряжении первичной обмотки.

Для однофазного трансформатора на основе данных опыта холостого хода можно рассчитать:

– процентное значение тока холостого хода

– активное сопротивление ветви намагничивания r0, определяемое из условия

– полное сопротивление ветви намагничивания

– индуктивное сопротивление ветви намагничивания

Часто определяют также коэффициент мощности холостого хода:

В некоторых случаях опыт холостого хода проводят для нескольких значений напряжения первичной обмотки: от U1 ≈ 0,3U1н до U1 ≈ 1,1U1н. По полученным данным строят характеристики холостого хода, которые представляют собой зависимость P0, z0, r0 и cosφ в функции от напряжения U1. Пользуясь характеристиками холостого хода, можно установить значения определяемых величин при любом значении напряжения U1.

Для определения напряжения короткого замыкания, потерь в обмотках и сопротивлений rк и xк проводят опыт короткого замыкания. При этом к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи обмоток короткозамкнутого трансформатора были равны своим номинальным величинам, т. е. I1к = I1н, I2к = I2н. Напряжение на первичной обмотке, при котором отмеченные условия выполняются, называется номинальным напряжением короткого замыкания Uкн.

Учитывая, что Uкн обычно составляет всего 5–10 % от U1н, поток взаимоиндукции сердечника трансформатора при опыте короткого замыкания в десятки раз меньше, чем в номинальном режиме, и сталь трансформатора ненасыщенна. Поэтому потерями в стали пренебрегают и считают, что вся подводимая к первичной обмотке мощность Pкн расходуется на нагрев обмоток и определяет величину активного сопротивления короткого замыкания rк.

Во время проведения опыта измеряют напряжение Uкн, ток I1к = I1н и мощность Pкн первичной обмотки. По этим данным можно определить:

– процентное напряжение короткого замыкания

– активное сопротивление короткого замыкания

– активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток, приблизительно равные половине сопротивления короткого замыкания

– полное сопротивление короткого замыкания

– индуктивное сопротивление короткого замыкания

– индуктивное сопротивление первичной и приведенной вторичной обмоток, приблизительно равны половине индуктивного сопротивления короткого замыкания

– сопротивления вторичной обмотки реального трансформатора:

– индуктивное, активное и полное процентные напряжения короткого замыкания:

В нагрузочном режиме очень важно знать, как влияют параметры нагрузки на КПД и изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности, передаваемой нагрузке, к активной мощности, подводимой к трансформатору.

КПД трансформатора имеет высокое значение. У силовых трансформаторов небольшой мощности он составляет примерно 0,95, а у трансформаторов мощностью в несколько десятков тысяч киловольт-ампер доходит до 0,995.

Определение КПД по формуле с использованием непосредственно измеренных мощностей P1 и P2 даёт большую погрешность. Удобнее эту формулу представить в другом виде:

где – сумма потерь в трансформаторе.

В трансформаторе имеются два вида потерь: магнитные потери, вызванные прохождением магнитного потока по магнитопроводу, и электрические потери, возникающие при протекании тока по обмоткам.

Так как магнитный поток трансформатора при U1 = const и изменении вторичного тока от нуля до номинального практически остаётся постоянным, то и магнитные потерив этом диапазоне нагрузок также можно принять постоянными и равными потерям холостого хода.

Электрические потери в меди обмоток ∆Pм пропорциональны квадрату тока. Их удобно выразить через потери короткого замыкания Pкн, полученные при номинальном токе,

где β – коэффициент нагрузки,

Расчетная формул для определения КПД трансформатора:

где Sн – номинальная полная мощность трансформатора; φ2 – угол сдвига фаз между напряжением и током в нагрузке.

Максимум КПД можно найти, приравняв первую производную к нулю. При этом получим, что КПД имеет максимальные значения при такой нагрузке, когда постоянные (не зависящие от тока) потери P0 равны переменным (зависящим от тока), откуда

У современных силовых масляных трансформаторов βопт = 0,5 — 0,7. С такой нагрузкой трансформатор наиболее часто работает в процессе эксплуатации.

График зависимости η = f(β) изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Кривая изменения КПД трансформатора в зависимости от коэффициента нагрузки

Для определения процентного изменения напряжения на вторичной обмотке однофазного трансформатора используют уравнение

где uКА и uКР – активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания, выраженные в процентах.

Изменение напряжения трансформатора зависит от коэффициента нагрузки (β), её характера (угла φ2) и составляющих напряжения короткого замыкания (uКА и uКР).

Внешней характеристикой трансформатора является зависимость при U1 = const и cosφ2 = const (рисунок 2).

Рисунок 2. Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощностей при различных характерах нагрузки

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: