/
Author: Жерве Г.К.
Tags: электротехника электрические машины и аппараты электронно-и аппаратостроение электрические машины
Year: 1984
Text
ББК 31.281
Ж 59
УДК 621.313.001.41
Рецензент Г. В. Карпов
Жерве Г. К.
Ж 59 Промышленные испытания электрических машин.— 4-е
изд., сокр. и перераб.— Л.: Энергоатомиздат. ЛенинЬр.
отд-ние, 1984.— 408 с., ил.
В пер.: 1 р. 80 к.
Рассмотрены вопросы промышленных испытаний электрических машин. Опи-
саны испытания, общие для всех машин и применяемые для каждого из их
основных видов. 3-е издание вышло ь 1968 г. Настоящее издание переработано
и сокращено главным образом за счет расположения материала по основным ви-
дам испытаний с дальнейшим рассмотрением их особенностей для отдельных
видов машин.
Для инженерно-технических работников электромашиностроительных пред-
приятий, электростанций и промышленных предприятий, эксплуатирующих элек-
трические машины.
2302030000—126
Ж 051(01)—84
102—84
ББК 31.261
6П2.1.081
© Энергоатомиздат, 1984
ПРЕДИСЛОВИЕ
В книге рассматриваются испытания электрических машин,
которые должны проводиться согласно требованиям, предъяв-
ляемым соответствующими стандартами. Как правило, такие
испытания выполняются на вполне готовых и собранных ма-
шинах; если же в отдельных случаях некоторые из них могут
или должны быть проведены до полной сборки машины, то это
оговаривается в тексте.
Как и в первых трех изданиях, основное внимание в книге
уделено испытаниям электрических машин средних и крупных
мощностей общего назначения — генераторов и двигателей по-
стоянного тока, синхронных генераторов, двигателей и компен-
саторов и бесколлекторных асинхронных двигателей, т. е. наи-
более распространенных в СССР видов электрических машин.
Вопросы испытания специальных машин и микромашин, вы-
ходящие из пределов испытаний, общих для всех машин»
в книге не рассматриваются.
Книга не является энциклопедией в области испытаний
электрических машин; с одной стороны, этого не допускает ее
объем, а с другой — в ней выдерживается принцип, положен-
ный в основу еще первого ее издания — охватывать только ме-
тоды, реально находящие применение при промышленных ис-
пытаниях, достаточно проверенные либо автором лично, либо
заслуживающими доверия организациями или отдельными ли-
цами, работающими в данной отрасли, и притом не требующие
ни специальной аппаратуры, выходящей из пределов обиходно
применяемой на промышленных испытательных станциях, ни
особых методов обработки полученных результатов.
В целях ограничения объема книги порядок изложения зна-
чительно отличается от предыдущих изданий: для устранения
повторений все вопросы, общие для машин разных видов, со-
браны в отдельные главы. Пересмотрен и сокращен состав при-
ложений, из которых исключены второстепенные таблицы, но
зато введен перечень наиболее существенных стандартов в об-
ласти технических требований к электрическим машинам, ме-
тодов их испытаний и некоторых других, могущих понадо-
биться при испытаниях (приложение 1). Практически пол-
ностью исключены количественные требования стандартов»
I*
з
подверженные изменениям с течением времени; книга не ста-
вит своей задачей заменить стандарты, но лишь указывает, как
нужно понимать и выполнять их требования. Стандарты, отно-
сящиеся к испытуемым видам машин, всегда должны нахо-
диться под рукой у ведущего испытания.
Применение Международной системы единиц (СИ) позво-
лило исключить в целом из текста единицы, применение кото-
рых оговаривается лишь в относительно немногочисленных
случаях,— дольные и кратные единицы этой системы или неко-
торые внесистемные единицы; полностью устранить последнее
пока затруднительно. В приложении 6 дана таблица единиц
всех применяемых в книге величин.
Обозначения приведены в соответствие с международными
рекомендациями, однако индексы при них преимущественно
русские; латинские или греческие допущены лишь в случаях,
признанных в международном масштабе, причем по возможно-
сти избегается применение двойных или более сложных ин-
дексов. Электрические величины, измеряемые в абсолютных
единицах, обозначены заглавными буквами; однако величины,
относящиеся к цепям возбуждения, обозначаются здесь строч-
ными буквами, что дает возможность избежать применения
сложных индексов. Обращено внимание на то, чтобы обозна-
чения по возможности совпадали с обозначениями в соответ-
ствующих стандартах; однако поскольку последние пока еще
не подчинены единой системе, в отдельных случаях были неиз-
бежны некоторые второстепенные отступления.
В программы испытаний машин различных видов входят
некоторые испытания, не находящиеся в непосредственной
связи с общими свойствами этих машин, но требующие для
своего выполнения специальной подготовки, как, например, из-
мерение уровня шума или радиопомех; обычно их выполнение
поручается специально обученному персоналу и рассматривать
их здесь не представляется возможным. Совершенно не рас-
сматриваются испытания, предназначенные для проверки сте-
пени защищенности электрических машин от внешних воздей-
ствий, в том числе климатических факторов; как правило, они
по своему содержанию и выполнению не имеют ничего общего
с испытаниями по программам стандартов.
Замечания и пожелания по книге просьба направлять по
адресу: 191041, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение
Энергоатомиздата.
Автор
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ИСПЫТАНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
1.1. ДОКУМЕНТЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТАВ
И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
Целью промышленных испытаний электрических машин,
как и всяких других изделий промышленности, является
проверка их пригодности к той работе, к которой они пред-
назначены изготовителем. Критерием этой пригодности яв-
ляется удовлетворение ряда требований, предъявляемых к ма-
шине техническими документами, определяющими ее проек-
тирование, изготовление и эксплуатацию потребителем.
Такими документами являются стандарты и технические ус-
ловия.
Государственные стандарты СССР (ГОСТ) выпускаются
центральными органами стандартизации и обязательны для
применения всеми ведомствами на территории Советского
Союза. Их система охватывает основные виды «электрических
машин, . изготовляемых предприятиями электротехнической
промышленности.
Технические условия составляются в основном изготовите-
лем данной электрической машины при участии, если это не-
обходимо, ее потребителя, и распространяются только на оп-
ределенный тип машины; в них уточняются, главным образом
в количественном отношении, общие требования стандартов и
устанавливаются в случае надобности особые требования,, спе-
цифические для данного типа.
Среди государственных стандартов в области электриче-
ских машин с точки зрения их содержания можно различить
несколько групп. В первую очередь это стандарты, содержа-
щие технические требования, предъявляемые к машинам; из
них прежде всего следует назвать стандарт «Машины электри-
ческие вращающиеся. Общие технические требования». Он рас-
пространяется на вращающиеся электрические машины посто-
янного и переменного тока без ограничения мощности, напря-
жения и частоты, за исключением машин, предназначаемых
для применения на подвижных средствах транспорта всех ви-
дов— наземного, водного, воздушного и космического, по-
скольку требования, предъявляемые к таким машинам, могут
резко отличаться от общих. Это, однако, не исключает возмож-
ности ссылок на данный стандарт в тех случаях, когда его
требования пригодны и для таких $ашин.
5
К этой группе относится ряд стандартов на отдельные виды
машин; в них содержатся, технические требования, предъявляе-
мые к машинам данных видов и характерные только для них,
так что включение таких требований в общий стандарт было
бы нецелесообразно. Сюда относятся стандарты на турбогене-
раторы, гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и на от-
дельные категории двигателей и генераторов как общепро-
мышленного, так и специализированного применения.
Устанавливая технические требования, стандарты и техни-
ческие условия, как правило, не содержат указаний, каким об-
разом надлежит проверять выполнение этих требований. По-
следнему вопросу посвящена группа стандартов на методы
испытаний вращающихся электрических машин; как и в пре-
дыдущей группе, все, что является общим для машин всех ви-
дов, вынесено в стандарт на общие методы испытаний элек-
1 трических машин. Его дополняют стандарты на методы неко-
торых испытаний сложного состава, таких, как определение *
потерь и КПД, испытания на нагревание и некоторые другие. ’ ?
Далее следуют стандарты на методы испытаний электрических f
машин трех основных видов — машин постоянного тока, син-
хронных машин и асинхронных двигателей.
Кроме того, существует ряд стандартов на методы специ-
фических испытаний электрических машин, как, например, из-
мерения вибрации, шумов, расходов охлаждающих газов и *
т. п.; как правило, это измерения, требующие применения спе- |
циально предназначенной только для них аппаратуры. |
Обширная группа стандартов нормализует значения техни-
ческих показателей рядов электрических машин определенных
категорий: мощности, напряжения, частоты вращения, КПД, <
а для асинхронных двигателей— еще и коэффициента мощно- |
сти, и некоторых других; сюда же следует отнести стандарты f
на установочные и присоединительные размеры электрических
машин.
Наконец, существуют стандарты, которые было бы трудно
объединить в определенные группы; к ним относятся стан- Ж
дарты в области терминологии, классификации машин по кон-
структивным формам и исполнениям, защиты от воздействия
факторов окружающей среды и т. д.
Согласно действующему положению о государственных ft.
стандартах, никакое определение стандарта не должно дубли-
роваться другими стандартами; поэтому в нужных случаях J
^стандартах делаются ссылки на другие стандарты. Зачастую
также в стандартах общего содержания встречаются указания Й
на то, что данный вопрос должен быть уточнен в стандартах |
или технических условиях на конкретные виды машин. :
Помимо государственных стандартов,, обязательных для ।
всех ведомств, существуют отраслевые стандарты (ОСТ), обя-
зательные только в пределах выпустившего:: их ведомства.
В частности, следует отметить серию” отраслевых: стандартов,
•6
каждый из которых посвящен подробному описанию какой-
либо одной операции из программ испытаний, предписываемых
государственными стандартами. Назначением этих стандартов
является установление единства выполнения таких операций
всеми -предприятиями отрасли для возможности проверки ре-
зультатов испытаний и их воспроизводимости.
После образования Совета Экономической Взаимопомощи
(СЭВ) стран социалистического содружества в его системе
была создана комиссия для разработки рекомендаций по стан-
дартизации с целью возможной унификации стандартов стран
содружества; после нескольких лет работы выяснилась воз-
можность и целесообразность замены ряда таких рекоменда-
ций едиными документами для всего содружества— стандар-
тами Совета Экономической Взаимопомощи (СТ СЭВ). В ре-
зультате некоторые государственные стандарты СССР прямо
заменены стандартами СЭВ, а другим параллельно с их номе-
рами присвоены номера стандартов СЭВ; если ни того, ни
другого. нет и почему-либо представляется целесообразным
сохранить данный стандарт СССР, то принимаются меры
к тому, чтобы он не находился в противоречии со стандар-
тами СЭВ.
Помимо всего, проводится систематическое выравнивание
предписаний всех этих стандартов с. рекомендациями Между-
народной электротехнической комиссии (МЭК), что особенно
важно при поставках продукции в зарубежные страны и за-
купках в них.
ГДля персонала, занятого испытаниями электрических ма-
шин, следует считать обязательным детальное знакомство
с предписаниями действующих в данный момент стандартов,
прежде всего имеющих общий характер, а затем и стандар-
тов на машины тех видов, которые подвергаются испытанию
этим персоналом (если такие стандарты существуют), и стан-
дартов на методы испытаний машин данного вида. Это не сле-
дует понимать как требование заучивания таких документов;
гораздо важнее овладение их сущностьки
Отнюдь не в каждые технические условия на конкретные
виды машин включаются такие сведения, которые должны учи-
тываться при испытании, главным образом приемочном; но
если они имеются, то персонал, производящий испытание, дол-
жен быть ознакомлен с ними специальным уведомлением.
1.2. ВИДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ
Число видов испытаний, которым согласно стандартам
СССР могут подвергаться те или иные промышленные изде-
лия, исчисляется десятками; но в применении к электрическим
машинам оно сильно ограничено. Различаются следующие
виды испытаний: приемочные, приемо-сдаточные, периодиче-
ские и типовые испытания. .
7
Приемочные испытания проводятся над первыми промыш-
ленными образцами машины данного типа по наиболее по-
дробным программам, составленным таким образом, чтобы
в процессе испытаний можно было установить, что машина
данного типа полностью удовлетворяет всем предъявляемым
к ней требованиям. Число образцов, подвергаемых приемоч-
ным испытаниям, устанавливается в стандартах или техниче-
ских условиях на конкретные виды машин; в отношении более
или менее крупных машин обычно считается достаточным вы-
полнить приемочные испытания на одном образце' — головном.
Поскольку программы приемочных испытаний довольно об-
ширны, было бы немыслимо подвергать последним каждую»
выпускаемую машину; для этого установлены приемо-сдаточ-
ные испытания, программы которых являются выборками и»
программ приемочных испытаний, произведенными с таким
расчетом, чтобы при минимальной затрате времени можно
было установить общую пригодность данного экземпляра ма-
шины к эксплуатации. Их задача— проверка основных техни-
ческих показателей машины как непосредственно опытами, так
и путем сравнения с результатами ранее проведенного при-
емочного испытания машин данного типа.
Следует отметить, что зачастую, электромашиностроитель-
ные предприятия по собственной инициативе более или менее
значительно расширяют состав приемо-сдаточных испытаний,,
особенно когда дело касается сложных и ответственных ма-
шин, как, например, крупные машины постоянного тока, тур-
богенераторы и некоторые другие. Напротив, при массовом
производстве машин небольших мощностей, преимущественно»
асинхронных двигателей, когда механизировано и автоматизи-
ровано большинство технологических процессов, в том числе
и приемо-сдаточные испытания, считается возможным сокра-
тить последние, выполняя некоторые опыты лишь выборочно.
Периодические испытания предназначаются для того, чтобы
в определенные сроки, устанавливаемые в стандартах или тех-
нических условиях на конкретные виды машин, проверять, на-
сколько обеспечивается производством поддержание качеств
выпускаемых машин на мровне, соответствующем результатам
приемочных испытаний. В таком направлении и должны со-
ставляться содержащиеся в этих документах программы пе-
риодических испытаний; ойи значительно полнее программ1
приемо-сдаточных испытаний и иногда мало отличаются от
программ приемочных испытаний.
Периодические испытания' могут быть проведены и до исте-
чения установленного для них срока в том случае, если ре-
зультаты приемо-сдаточных испытаний покажут систематиче-
ски повторяющиеся отклонения от результатов приемочных
испытаний; тогда их задачей будет выяснение причин таких
отклонений, что может оказать влияние на их программы.
Типовые испытания должны проводиться тогда, когда либо
8
в конструкцию машины вносятся какие-нибудь изменения, либо
производится замена применяемых материалов, либо, наконец,
изменяется технология изготовления машины, причем все это
так, что способно повлиять на ее качества. Соответственно
этому программа типового испытания должна составляться
с таким расчетом, чтобы давать возможность проверки именно
тех сторон работы машины, на которые могли повлиять вне-
сенные изменения; невозможно заранее регламентировать это
более подробно.
В отдельных случаях испытаниям, проводимым в целом по
программам приемочных или с некоторыми изъятиями из них,
придается специальное целевое назначение; так, под квалифи-
кационными испытаниями понимаются испытания, проводимые
особой комиссией над отобранными образцами установочной
•серии или первой промышленной партии с целью проверки го-
товности предприятия к выпуску продукции данного типа в за-
данном объеме. Подобным же образом под аттестационными
испытаниями понимаются испытания, проводимые для оценки
уровня качества продукции при ее аттестации. Проведение та-
ких испытаний поручается специально назначенным комис-
сиям, члены которых принимают участие в испытаниях вместе
с постоянным персоналом испытательной станции.
Наконец, в крупном электромашиностроении нередко бы-
вает, что однажды выпущенная машина того или иного типа
повторяется затем только через значительный промежуток вре-
мени, иногда измеряемый годами. Если даже в ее исполнение
формально не внесено никаких изменений, в таких случаях не-
обходимо проведение более подробного испытания, нежели
приемо-сдаточное, так как за истекшее время состояние техно-
логии производства и качество материалов и полуфабрикатов
могли измениться так, что это способно отразиться на свойст-
вах машины, но не всегда может быть отчетливо учтено. Со-
ответственно этому такое испытание должно быть отнесено
к одной из упомянутых категорий.
В процессе эксплуатации крупных электрических машин
в определенные сроки проводятся эксплуатационные испыта-
ния, целью которых является проверка исправности машины;
их программы устанавливаются самим потребителем.
Кроме этих видов нормальных промышленных испытаний,
могут проводиться еще специальные и исследовательские ис-
пытания.
Специальные испытания проводятся дополнительно к при-
емочным или приемо-сдаточным испытаниям по специальным
программам и имеют целью установление соответствия ма-
шины особым требованиям, определяемым стандартами или
техническими условиями на машины данного вида и выходя-
щим из пределов требований общих стандартов.
Исследовательские испытания проводятся над машиной или
группой машин данного типа, данной серии или данного вида
9
по программе, разработанной для каждого отдельного случая.
Цели этих испытаний могут быть самыми различными; наибо-
лее характерными из них являются:
получение исходных данных для проектирования новых ти-
пов или технического усовершенствования существующих;
установление возможности экономии применяемых материа-
лов и замены их другими материалами;
проверка влияния новых технологических процессов, приме-
няемых при изготовлении машин, на их качества;
разработка новых методов расчета и уточнение сущест-
вующих;
исследование новых схем и сочетаний машин как друг
с другом, так и с иными механизмами и т. д.
Специальные и исследовательские испытания могут в зна-
чительной части состоять из тех же опытов, которые входят
в программы приемочных испытаний; однако нередко в них
включаются особые опыты, которые выходят из пределов этих
программ.
1.3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРОВЕРЯЕМЫЕ ИСПЫТАНИЯМИ
Требования, предъявляемые стандартами, вырабатываются
на основе многолетних наблюдений и опыта эксплуатации
большого числа готовых изделий; они охватывают разнообраз-
ные свойства и режимы работы этих изделий и ставят своей
задачей поддержание их качества на определенном уровне и
нормализацию таких элементов и свойств, которые влияют на
работу или конструкцию смежных устройств. Регламентируется
также взаимозаменяемость, определяемая как конструктив-
ными размерами, так и электромеханическими свойствами из-
делий. Ниже рассматриваются основные требования, проверка
удовлетворения которым Является целью промышленных ис-
пытаний электрических мадонн.
Требования в отношении нагревания электрических машин
устанавливают те предельные значения температуры, до кото-
рых могут нагреваться различные части электрических машин,
в частности изолированные обмотки, без таких изменений изо-
ляции, которые способны сократить нормальный срок службы
машины. Изоляция, температура которой никогда и нигде не
превосходит установленных ^пределов, может работать в тече-
ние практически приемлемого срока службы машины, обычно
15—20 и более лет. ,
Требования к электрической прочности изоляции обмоток по
отношению к корпусу и между отдельными витками указы-
вают те выработанные практикой запасы электрической проч-
ности изоляции, которые обеспечивают ее надежную работу
при условии, что не нарушаются требования в отношении на-
гревания. Вследствие сложности и стесненности конструкции
электрических машин требования к электрической прочности
10
их изоляции значительно ниже, чем к изоляции трансформато-
ров, проходных и опорных изоляторов, кабелей и аппаратуры.
Таким образом, в отношении изоляции электрическая машина
обычно является наиболее уязвимым местом в той системе, где
она работает.
Требования к механической прочности вращающихся частей
машины определяются соображениями безопасности как самой
машины и окружающего оборудования, так и, особенно, об-
служивающего персонала. В зависимости от вида машины эти
требования тем выше, чем больше ненормальные повышения
частоты вращения, возможные в процессе ее эксплуатации.
Требования к экономическим показателям (КПД, коэффи-
циент мощности) машин устанавливают значения этих пока-
зателей, которые должны иметь машины при номинальном ре-
жиме работы.
Требования к эксплуатационным показателям (отношение
начального пускового, наибольшего и наименьшего вращаю-
щих моментов к номинальному, отношение начального пуско-
вого тока к номинальному, скорость нарастания напряжения
возбуждения, значения различных параметров и т. д.) опреде-
ляются соображениями устойчивости работы машины, усло-
виями пуска, поведением машины в нормальных и аварийных
условиях и т. д.
Требования к работе щеточного аппарата коллекторных
машин постоянного и переменного тока имеют целью обеспече-
ние эксплуатационной надежности этих машин путем установ-
ления предельно допустимой степени, искрения щеток, не пре-
пятствующей нормальной работе машины в соответствии с ее
назначением.
Требования к выносливости при кратковременных перегруз-
ках для каждого вида машин выливаются в специфическую
форму; так, например, для машин постоянного тока они, пр
существу, сводятся к установлению необходимого запаса на-
дежности работы щеточно-коллекторного узла. Сюда же отно-
сятся требования к синхронным машинам в отношении меха-
нической прочности при внезапных коротких замыканиях.
Требования в отношении продолжительной или кратковре-
менной работы в ненормальных условиях относятся к работе
машйн при ненормальном напряжении, для машин переменного
тока — еще и при ненормальной частоте, а для машин трех-
фазного тока — также при несимметрии нагрузки фаз.
Требования в отношении вибрации в виде ее предельных
значений, допустимых для работы машины в совокупности
с другими механизмами или сооружениями, устанавливаются
специальными стандартами, а в некоторых случаях уточняются
1)ли ужесточаются стандартами на отдельные виды машин. Не-
которыми стандартами выдвигается требование обязательной
динамической, балансировки вращающейся части машины, вы-
полняемой при полной рабочей частоте вращения.
Требования в отношении шума определяются главным об-
разом общими условиями гигиены труда и в зависимости от
вида и назначения машин могут изменяться в очень широких
пределах.
Требования в отношении индустриальных радиопомех отно-
сятся к машинам, имеющим скользящие контакты, которые яв-
ляются источником радиопомех в электрических машинах;
строгость этих требований определяется назначением машины
и устанавливается техническими условиями, проверка удовлет-
ворения которым составляет особую область измерений.
Различные специфические требования предъявляются к ма-
шинам отдельных узких разновидностей, как, например, про-
верка газовой плотности машин с водородным охлаждением
и т. п.
[Вследствие неизбежных производственных отклонений раз-
личные машины одного и того же типа по своим эксплуатаци-
онным и экономическим показателям имеют некоторый раз-
брос, обычно тем меньший, чем выше культура производства
на данном предприятии. По этой причине установлены пре-
дельные допускаемые отклонения на ряд показателей, норми-
руемых стандартами или техническими условиями на конкрет-
ные виды электрических машин. Машина считается удовлетво-
ряющей всем предъявляемым к ней требованиям, если ни один
из ее нормированных показателей не выходит из пределов до-
пускаемых отклонений.
1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСПЫТАНИИ
ПО СПОСОБАМ ВЫПОЛНЕНИЯ
Все испытания электрических машин в собранном виде мо-
гут быть разделены по технике их выполнения на испытания
неподвижных машин — в покое и вращающихся машин — на
ходу. По способу приведения машин во вращение испытания
подразделяются на испытания в режиме генератора, когда ма-
шина независимо от ее назначения приводится во вращение
каким-нибудь двигателем, электрическим или неэлектриче-
ским, и испытания в режиме двигателя, при которых испытуе-
мая машина приводится во вращение от источника электриче-
ской энергий, соответствующего задачам данного испытания
по мощности и напряжению, а при переменном токе — еще и
по числу фаз и частоте.
Согласно принципу обратимости электрических машин пе-
реход из одного режима работы в другой должен быть возмо-
жен для машин всех видов; однако для некоторых машин он
представляет более или менее значительные затруднения. В ка-
честве примера можно указать на сварочные генераторы по-
стоянного тока с расщепленными полюсами или с поперечным
полем, синхронные генераторы высокой частоты и некоторые
другие, для которых режим двигателя возможен в настолько
12
узких пределах нагрузки,' что лишен практического зна-
чения.
Для машин переменного тока возможен еще один режим
работы — режим. электромагнитного тормоза, при котором как
механическая энергия вращения машины приводным двигате-
лем, так и электрическая энергия, подводимая от источника
питания, преобразуются в потери внутри машины; он находит
некоторое применение для вспомогательных машин.
Многие испытания машин постоянного тока и синхронных
машин могут быть проведены в режиме как генератора, так и
двигателя. Для машин обоих видов возможно составление про-
грамм приемо-сдаточных испытаний с проведением всех опы-
тов только в одном из этих режимов независимо от назначе-
ния машины. Результаты испытания на нагревание синхронных
машин также практически не зависят от характера режима
работы.
Однако большинство испытаний либо дает более полноцен-
ные результаты, либо удобнее проводится преимущественно
в одном режиме работы; его выбор должен определяться как
предъявляемыми требованиями, так и возможностями испыта-
тельной станции. Испытания асинхронных двигателей могут
проводиться только в режиме двигателя.
Испытания в обоих режимах работы могут быть как с от-
дачей энергии, так и без нее. К испытаниям без отдачи энер-
гии относятся такие, как опыты холостого хода и короткого
замыкания, проводимые для определения соответствующих ха-
рактеристик или для испытания на нагревание в этих режимах
работы. К испытаниям с отдачей энергии относятся опыты по
непосредственному определению характеристик — внешних, ре-
гулировочных и т. д., а также испытания на нагревание в ра-
бочих режимах. Промежуточное положение занимают испыта-
ния синхронных машин при реактивной нагрузке, когда ма-
шина не отдает ни электрической, ни механической энергии,
но нагружена током, равным номинальному или близким
к нему, при более или менее полном напряжении.
Испытания с отдачей энергии могут быть подразделены на
испытания с безвозвратным поглощением энергии, когда вся
отдаваемая машиной энергия поглощается в нагрузочных уст-
ройствах— реостатах в случае работы генератором и тормозах
в случае работы двигателем, и испытания с возвратом (реку-
перацией) энергии, конечно частичным, так как доля затрачи-
ваемой энергии теряется на покрытие потерь в испытуемой
машине и во всех сопряженных с ней машинах и устройствах.
Испытания с возвратом энергии требуют многократного
преобразования электрической энергии в механическую и об-
ратно; схемы, составленные из ряда машин, последовательно
совершающих эти преобразования, носят общее название схем
возвратной работы. В частном случае, когда две одинаковые
или близкие По своим данным машины механически и элек-
13
i
i
трически соединены так, что одна работает в режиме двига-
теля, а другая — в режиме генератора, причем электрическая j
энергия генератора непосредственно передается двигателю и
механическая энергия двигателя — генератору, а потери в обеих
машинах возмещаются электрическим или механическим пу-
тем, возвратная работа называется взаимной нагрузкой. Осо- i
бое распространение она получила для машин постоянного
тока, так как не требует применения специальных устройств,
необходимых для синхронных или асинхронных машин. '
Первичным источником энергии можно считать распреде- !
лительную сеть данного предприятия; от нее начинается и ею '
заканчивается круговорот энергии в схемах возвратной ра-
боты. Как правило, таким источником служит сеть трехфазного
тока промышленной частоты напряжением 6 или 10 кВ — в бо-
лее крупных установках, 380 В — в более мелких. Не исклю-
чается случай распределения энергии на постоянном токе, на- i
пример при испытаниях, проводимых на транспорте всех видов.
Дальнейшее изложение ориентировано в основном на слу-
чай распределения энергии трехфазным током; напряжение и
частота распределительной сети считаются нерегулируемыми,
и отклонения их от номинальных значений — не выходящими <
из пределов ±5 % для напряжения и ±2 % для частоты неза-
висимо от того, что в данный момент считается допустимым
для энергетической системы.
1.5- ДОКУМЕНТАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ
Результаты всех опытов, проводимых в процессе испытания
любого вида, должны регистрироваться определенным образом '
не только для контроля деятельности испытательного персо-
нала, но и для возможности последующих справок, например
в случае предъявления рекламаций потребителями. Что каса-
ется результатов приемочных испытаний, то они должны слу-
жить для сравнения при приемо-сдаточных, периодических и
типовых испытаниях машин данного типа на протяжении всего
времени их выпуска изготовителем.
Документом, регистрирующим результаты опыта, является
его протокол, составляемый по определенной форме, принятой
на предприятии; в него должны вноситься все данные измере-
ний и те сопутствующие факторы, которые могут оказывать на
них влияние. Так, например, при испытаниях на нагревание i
подобным фактором может явиться атмосферное давление.
Желательным следует считать внесение в протокол номеров
всех измерительных приборов, участвовавших в опыте; реко-
мендуется отмечать в протоколе время начала и окончания
опыта. Каждый протокол должен быть датирован и подписан ,
его составителем.
Приемочные испытания, состоящие из большого числа опы-
тов, оформляются в виде технических отчетов, содержащих не
14
только совокупность протоколов всех выполненных опытов, но
и техническое заключение по испытанию в целом.
Для протоколов приемо-сдаточных испытаний рекомендуй
ется иметь печатные бланки по каждому виду испытуемых ма-
шин, в которых предусмотрены места для вписывания всего
необходимого, причем по возможности с одной стороны листа.
Даже наиболее крупные предприятия с разнообразной продук-
цией вполне могут обойтись тремя-четырьмя такими формами;
однако давать здесь какие-либо их образцы было бы затрудни-
тельно, так как они в сильной степени определяются местными
условиями.
, Напротив, для приемочных испытаний нецелесообразно
разрабатывать многочисленные формы и предпочтительно
иметь лишь два вида графленых бланков — с вертикальными
столбцами и с горизонтальными, заголовки которых давали бы
возможность приспособить их к любому виду опыта.
Каждый отдельный бланк должен быть помечен так, чтобы
не возникало никаких сомнений, к какой машине он относится,
когда и кем проведено испытание. Если результаты какого-
либо опыта, при приемочных или типовых испытаниях при-
знаны неудовлетворительными, в результате чего в машину
следует внести те или иные изменения или исправления, то
причины этого должны быть обстоятельно отмечены в прото-
коле данного опыта. Если же неудовлетворительными при-
знаны результаты опытов приемо-сдаточного или периодиче-
ского испытаний, то это влечет за собой забракование машины
с вытекающими из него последствиями: либо ее исправлением
и повторным предъявлением к приемо-сдаточному испытанию,
либо сдачей в лом. Кроме того, отрицательные результаты при
периодических испытаниях, полученные в первый раз, ведут
к повторению испытаний, обычно на большем числе образцов,
а полученные вторично могут иметь следствием прекращение
изготовления машин данного типа с полным пересмотром рас-
чета, конструкции, материалов и технологии производства.
Результаты, получаемые при испытаниях любого вида, дол-
жны быть сопоставлены с предъявляемыми к машине требова-
ниями, пока данная машина еще находится на испытательном
стенде; отсюда следует, что обработка материалов испытания
должна производиться немедленно по их получении и пред-
почтительно тем же персоналом, который их получил. Естест-
венно, что для промышленных испытаний электрических ма-
шин не могут быть рекомендованы такие методы, которые тре-
буют сложной обработки, особенно когда для последней необ-
ходимо применение электронной вычислительной техники или
иных средств, требующих обслуживания специально предна-
значенным для этого персоналом.
Яри всем том следует иметь в виду, что некоторые испыта-
ния, будучи однажды проведены, более не подлежат повторе-
нию на данной машине, иначе как при условии замены испы-
туемой части на новую, еще не проходившую это испытание.
Так, испытание электрической прочности изоляции какой-либо
обмотки по отношению к корпусу или между витками полным
испытательным напряжением допускается только после замены
этой обмотки, хотя и не возбраняется повторение испытания
при значительно пониженном напряжении. Испытание при по-
вышенной частоте вращения для данной вращающейся части
вообще не повторяется ни при каких условиях.
Все проводимые испытания следует регистрировать в соот-
ветствующем журнале (или журналах, если это целесооб-
разно), причем система регистрации должна обеспечивать как
немедленное нахождение по журналу всех относящихся к делу
материалов, так и столь же быстрое отыскание регистрации
в журнале по этим материалам. Перечень сведений, вносимых
в журнал при регистрации, определяется системой кодирова-
ния производства, существующей на данном предприятии, и г
потому, не может быть заочно рекомендован.
Система хранения материалов испытаний определяется ха-
рактером испытуемой продукции и не может быть одинаковой
при индивидуальном производстве крупных машин и серийном
производстве средних и мелких машин, особенно автоматизм <
рованном. Однако некоторые общие положения все же могут
быть высказаны.
Первичным документом, определяющим выполнение испы-
таний, обычно является бланк заказа, по которому изготовля-
ется машина или партия машин; в нем должны перечисляться
основные номинальные данные, сроки изготовления и число
машин. Обязательным приложением к бланку заказа служат
электрические данные машины, содержащие главные размеры 1
магнитных сердечников и полные сведения обо всех обмот-
ках—числа витков, поперечные сечения проводников и харак-
теристику их соединения между собой, а для коллекторных
машин еще и сведения о коллекторе и щетках — размеры,
число и марка. Дополнительно конструкторская часть пред-
приятия сообщает различные сведения, характеризующие ма-
шину этого типа — основные расчетные данные, с которыми не- :
обходимо сопоставлять получаемые результаты испытаний,
указания по выполнению опытов, если В этом имеется нужда,
и т. п. В отдельных случаях могут прилагаться те или иные ;
чертежи машины, например необходимые для ее установки и )
сопряжения с другими мёХян^мами; желательно наличие пе- ]
речня всех чертежей, по которым машина изготовлена.
Для машин ответственного назначения, в которых применя-
ются материалы особо повышенного качества, удостоверяемого
специальными сертификатами, эти последние должны быть
приложены к прочим документам испытуемой машины; в за- ;
дачу проводящего испытание входит проверка таких сертифи- .(
катов и сопоставление их с требованиями, предъявляемыми ;j
к машине. !
16 "' • : ' I
Материалы приемочного испытания следует подшивать от-
дельно; если этому испытанию подвергаются несколько машин
одного и того же типа, то нужно принять меры к тому, чтобы
они были легко различимы по принадлежности. Сюда же це-
лесообразно подшивать в дальнейшем материалы периодиче-
ских и типовых испытаний, если последние придется произво-
дить. Что касается материалов приемо-сдаточных испытаний,
то их целесообразно группировать по типам машин и, если
дело касается более или менее крупных машин, выпускаемых
мелкими партиями или даже одиночными экземплярами, заво-
дить на каждый тип машины сводную таблицу, в которую вно-
сятся основные результаты приемо-сдаточных испытаний и их
сопоставление с приемочными.
При массовом производстве машин небольших мощностей,
особенно с механизированным процессом испытания, нет ни
возможности, ни надобности составлять протокол приемо-сда-
точного испытания каждого отдельного экземпляра машины;
вместо этого достаточно вносить основные результаты в таб-
лицу, общую для целой партии машин. Более того, при высо-
кой степени автоматизации весь процесс испытания сводится
к оценке «годен — не годен», а экземпляры, не удовлетворив-
шие какому-либо испытанию, автоматически маркируются как
брак. Чрезвычайную ценность в этих условиях представляет
статистика обнаруживаемого брака с разбивкой его по кате-
гориям, так как это очень верно отражает состояние произ-
водства.
Все вышеизложенное относится к испытаниям электриче-
ских машин в условиях их производства, когда эти испытания
выполняются постоянно и регулярно специально предназначен-
ным для этого персоналом; однако во многих случаях испыта-
ния имеют эпизодический характер и многое из сказанного
к ним не приложимо. Тем не менее несомненно, что и в таких
случаях материалы испытания должны содержаться в порядке,
выработать который составляет одну из немаловажных задач
тех, кто эти испытания проводит.
1.6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
[нЪсти. Так, на-
фяо)№емных и
ч’^ёХжакими-
гбра'Й^ь вни-
^тгйб^еко-
машин.
На испытательные станции и вообще территории, на кото-
рых проводятся испытания электрических машин, распростра-
няются требования по обеспечению' безопасностц^во многих на-
правлениях и с различными степенями специф^ “ ~
пример, обеспечение безопасности при
транспортировочных работах вряд ли отличает^
либо особенностями, на которые нужно было б:
мание; но уже пожарная безопасность требует пц
торых особых мер в зависимости от вида испытуем!
Если испытаниям подвергаются только машины с^йоДши^
никами качения, то специфдч испытательной стияцйи*
"------J потека | XZ'
: глто I Y г-о
Т*гчугс\ая
ЦБС
является лишь применение «сухих» огнетушителей, но отнюдь
не пенных, так как действие ими может представлять опас-
ность поражения напряжением в случае попадания струи на
распределительные устройства, щиты управления, неизолиро-
ванные части электрических машин и т. п.
Применение подшипников скольжения, особенно с проточ-
ной смазкой, определяет повышенную пожарную опасность по-
мещения, усиливаемую тем, что всегда возможные в работе
станции воспламенения проводов легко могут перерастать
в возгарание пропитавшихся маслом частей окружающей об-
становки. Однако особую опасность представляет использова-
ние водорода для охлаждения машин; помимо категорического
запрещения курения на всей территории, должны применяться
усиленные средства пожаротушения, например углекислым га-
зом из баллонов. При этом возникает новая опасность — уду-
шение персонала, находящегося в низко расположенных поме-
щениях, с чем необходимо считаться при проектировании ис-
пытательной станции.
Всюду, где работают вращающиеся машины, полагается
устанавливать ограждения шкивов, маховиков, ременных и
прочих передач, муфт и иных частей и работа со снятыми ог-
раждениями не допускается. Это относится и к испытательным
установкам, но их специфика состоит в том, что они непре-
рывно изменяются — одни машины устанавливаются, другие
снимаются со стенда, и в этих условиях необходим особенно
строгий надзор за применением ограждений. Однако в некото-
рых случаях вращающиеся части не могут быть снабжены за-
крытиями по технологическим причинам, так как они препят-
ствуют выполнению каких-либо операций по испытаниям; спо-
собом борьбы с этой опасностью является ограничение времени,
в течение которого машина остается без закрытий, и недопу-
щение к ней персонала, не занятого непосредственно данным
испытаниям.
Каждая испытуемая машина, установленная на испыта-
тельном стенде, пускается в первый раз после ее сборки, во
время которой внутри ее может быть оставлен инструмент,
крепежный материал и всевозможные другие предметы, при-
меняемые при сборочных операциях. Все это может либо быть
непосредственно выброшено из машины при пуске, либо вы-
звать повреждения, также сопровождаемые выбрасыванием об-
ломков; поэтому, невзирая на обязательный тщательный
осмотр полости машины перед пуском, необходимо удалять
персонал из зоны возможных поражений на все время до пол-
ного разворачивания машины.
Испытание при повышенной частоте вращения в случае
разрыва вращающейся части способно привести к тяжелым
разрушениям и человеческим жертвам; в наиболее ответст-
венных случаях, например для турбогенераторов и особо бы-
быстроходных двигателей, оно проводится в специально по-
18
строенных для этой цели блиндажах, одновременно используе-
мых для динамической балансировки. Однако проводить испы-
тание всех машин в таких сооружениях не представляется воз-
можным и его приходится выполнять на стенде в собранной
машине. Ее корпус в некоторой степени может служить защи-
той от вылетающих частей, но для обеспечения безопасности
испытание следует приурочивать к таким периодам, когда из
помещения может быть удален весь персонал, не занятый не-
посредственно этой операцией, а участвующих в ней надо рас-
полагать таким образом, чтобы они не могли пострадать.
Наименьшую опасность представляют в этом отношении
машины постоянного тока и асинхронные двигатели с фазными
роторами, в которых наиболее слабым местом являются бан-
дажи на лобовых частях обмотки. Разрыв этих бандажей сам
по себе — это авария, которая в закрытых и защищенных ма-
шинах обычно не выходит из их пределов и только при откры-
том исполнении может нанести повреждения окружающему
оборудованию и травмы персоналу; однако разорвавшийся
бандаж, особенно проволочный, способен вызвать короткие за-
мыкания внутри машины с более или менее тяжелыми по-
следствиями.
Особое внимание следует уделять машинам с вентилято-
рами или вентиляционными крыльями на вращающейся части.
Массы этих деталей обычно невелики, но, вылетая с большой
скоростью, их оторвавшиеся части могут быть причиной не-
счастного случая. Наибольшую опасность представляет испы-
тание машин с литыми ободами вращающейся части или махо-
виками, особенно когда они имеют явновыраженные полюсы,
прикрепленные болтами. Разрыв обода или отрывание полюса
является крупной аварией, ведущей к полному разрушению
машины, если ротор подвергается испытанию в статоре, и
может сопровождаться большими повреждениями и 'человече-
скими жертвами.
Особое внимание должно быть уделено электробезопасно-
сти, имеющей в испытательных установках много специфиче-
ских особенностей. Более крупные испытательные станции
имеют четкое разграничение площадей на собственно испыта-
тельную станцию, т. е. помещение, в котором располагаются
испытательные стенды, измерительные столы или пульты и
различные вспомогательные устройства, и преобразовательную
подстанцию, предназначенную для обеспечения испытаний
электроэнергией с различными параметрами, по своему уст-
ройству мало отличающуюся от промышленных машинно-
трансформаторных подстанций.
Однако резкое различие существует здесь в отношении
режима работы. Именно: коммутационные операции на про-
мышленных подстанциях производятся относительно нечасто и
большей частью ограничиваются только пуском и остановкой
агрегатов, но на преобразовательной подстанции, обслуживаю-
19
щей' испытания, эти операции часты и сложны, так как не-
редко требуют совместной работы нескольких агрегатов.
Если применить в этих условиях нормальный порядок ра-
боты по нарядам, в которых описываются все операции, под-
лежащие исполнению, то подстанция станет неоперативной.
Поэтому здесь с успехом применяется система работы по схе-
мам-нарядам. Такой наряд имеет вид полной схемы подстан-
ции, но на местах всех коммутационных аппаратов оставлены
пробелы. Вместо выписывания номеров аппаратов, подлежа-
щих включению или отключению, на схеме заполняются соот-
ветствующие пробелы с указанием цифрами необходимой по-
следовательности операций, если в этом имеется нужда. Прак-
тика показывает, что при такой системе аварийность по вине
персонала становится минимальной. В остальном же работа
подстанции производится по действующим правилам техниче-
ской эксплуатации.
Иначе обстоит дело в отношении работы на самой испыта-
тельной станции, где нет постоянных коммуникаций и, следо-
вательно, о схемах-нарядах не может быть речи. В этих усло-
виях основными техническими мероприятиями по обеспечению
безопасности является установление видимых разрывов в це-
пях не только высокого, но и низкого напряжения и примене-
ние блокировок ограждений, как постоянных, так и временных
или переносных. Что касается организационных мероприятий,
то прежде всего здесь нужен более частый инструктаж персо-
нала с систематической проверкой знаний устройства станции
и свойств испытуемых машин.
Особую опасность представляет операция испытания изоля-
ции обмоток на электрическую прочность, при которой приме-
няются напряжения, значительно превосходящие уровень экс-
плуатационных. При испытании машин небольшой мощности
и массы безопасность обеспечивается наилучшим образом при-
менением шкафов или постоянных загородок с блокирован-
ными дверьми; но испытание обмоток более крупных машин
приходится проводить на тех же местах, где проходят все про-
чие испытания. Тогда могут применяться переносные огражде-
ния с блокировкой, сигнальными лампами, предупредитель-
ными плакатами и особенно с расстановкой постов охраны во-
круг огражденной площади.
Испытательная установка должна быть устроена так, чтобы
сигнальные лампы загорались до момента включения источ-
ника испытательного напряжения, а его включающий аппарат
был блокирован ограждением, при нарушении которого вклю-
чение становится невозможным.
Испытание электрической прочности междувитковой изоля-
ции обмоток тоже представляет опасность, особенно в круп-
ных машинах открытого исполнения. Пробой междувитковой
изоляции может сопровождатвся вспышкой с выбрасыванием
брызг расплавленного металла, от которых могут пострадать
20
окружающие; для предупреждения этого следует удалять пер-
сонал от машины на время испытания.
В машинах постоянного тока разновидностью пробоя меж-
дувитковой изоляции является перекрытие изоляции между со-
седними пластинами коллектора, переходящее в так называе-
мый круговой огонь, который опасен не только разбрызгива-
нием металла, но и сильным ослепляющим действием; поэтому
нужно предписывать всему персоналу даже издали не смотреть
в это время-на машину, особенно на ее коллектор. Применение
защитных темных очков понижает опасность ослепления, но
лишает персонал подвижности и уверенности движений, что,
в свою очередь, может служить источником несчастных слу-
чаев.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ИСПЫТАНИЯ, ОБЩИЕ ДЛЯ МАШИН ВСЕХ ВИДОВ
2.1. ПОДГОТОВКА МАШИНЫ К ИСПЫТАНИЮ
Электрическая машина, подаваемая на испытание в собран-
ном виде, должна быть, как правило, законченной, с пол-
ным комплектом полагающихся для нее деталей и с вполне
отделанными внутренними поверхностями; однако внешнюю
отделку целесообразно производить после испытания, так как
в процессе последнего она легко повреждается. Комплектность
машины и правильность сборки должны проверяться органами
производства и его технического контроля до внутренней от-
делки.
Однако более крупные машины, особенно те, которые по
конструкции не могут быть перенесены в собранном виде, при-
ходится впервые собирать на испытательном стенде, а крупные
гидрогенераторы с вертикальным валом — даже только на ме-
сте установки. В этих условиях персонал, проводящий испыта-
ния, имеет возможность принимать участие в проверке состоя-
ния частей машины как первой операции ее подготовки к ис-
пытанию. В частности, надлежит проверить, нет ли внутри
машины, посторонних предметов — забытого в ней инстру-
мента, гаек, болтов, кусков изоляционных материалов и т. п.
При подшипниках скольжения с самосмазкой, не имеющих
маслоуказателей с видимым уровнем масла, уровень послед-
него в камере проверяется прутком, опускаемым через верх-
нюю крышку подшипника; в случае кольцевой смазки следует
убедиться, что кольцо не прижато вкладышем, а при диско-
вой— что скребок свободно сидит в своем гнезде. Проверить
правильность работы этих деталей можно только в процессе
21
пуска. При подшипниках качения проверка достаточности (но
не избыточности) смазки может производиться выборочно.
Измерение зазора („междужелезного пространства") не вхо-
дит в программы испытаний, но может потребоваться по ходу
испытания; однако если производить его в неподвижной ма-
шине, то оно не даст представления о форме ни вращающейся,
ни неподвижной частей, поскольку не будет известно, чем обус-
ловлены различия отдельных измерений. . ,
Но если измерять зазор под одной и той же точкой непо-
движной части, подводя под нее поочередно все полюсы вра-
щающейся части или точки, равномерно расположенные по ее
окружности, то это даст представление о форме вращающейся
части. Если же производить измерения над одной и той же
точкой вращающейся части, поочередно поворачивая послед-
нюю на одно полюсное деление или на иные равные доли ок-
ружности, то этим будет выяснена форма неподвижной части.
При больших числах полюсов явнополюсных машин такая
операция кропотлива, но в ряде случаев к ней приходится
прибегать.
В машинах, у которых осевая длина сердечника мала по
сравнению с диаметром, зазор достаточно измерять только
с одной стороны машины, но в более длинных машинах отно-
сительно небольшого диаметра измерение следует производить
с обеих сторон; указать здесь какую-либо границу было бы
трудно, поскольку соотношения трех размеров — осевой длины,
диаметра и зазора — могут быть самыми различными.
Помимо зазора в магнитной цепи машины, должно быть
обращено внимание на зазоры между обоймами щеткодержа-
телей и поверхностью коллектора или контактных колец, если
они имеются. Эти зазоры не требуется измерять, но'надо не-
пременно их проверять при помощи калибра в виде пластины
из твердого неметаллического материала, толщина которой
равна заданному зазору. При радиальных щеткодержателях
следует одновременно проверить их перпендикулярность по-
верхности коллектора или колец.
Если машина имеет вентилятор на валу, то при проворрчи-
чднии нужно проследить, не задевает ли он за неподвижные
части корпуса как в радиальном, так и в осевом направлении;
это особенно важно при вентиляторах, изготовленных из тон-
колистовых -материалов.
Щетки в щеткодержателях должны быть пригнаны к кон-
тактной поверхности. Правильно пригнанные щетки сразу на-
чинают прирабатываться по всему зеркалу после самого не-
продолжительного вращения, но полная приработка наступает
только после тем большего времени работы, чем, тверже м'арка
щеток. Если же щетки прирабатываются только в середине,
а края остаются долгое время неприработанными, это свиде-
тельствует о том, что пригонка производилась протаскиванием
абразивной бумаги без ее прилегания К контактной поверхнр-
22
сти и потому края щеток подрезаны. Другим дефектом при-
гонки является возникновение на зеркале щеток отпечатков
промежутков между пластинами коллектора, указывающее на
то, что при пригонке коллектор оставался неподвижным; но
этот дефект следует считать все же менее вредным, чем пре-
дыдущий.
Если предназначаемая для испытания машина может быть
пущена до ее механического соединения с другими машинами
или механизмами, входящими в ее комплект или присоединяе-
мыми только на время испытания, то при подшипниках сколь-
жения следует проверить наличие свободного разбега вала
между упорными поверхностями вкладышей; но для этого вал
машины должен находиться в горизонтальном положении,
чтобы вращающаяся часть не набегала на вкладыши. Если
вкладыши состоят из двух половин, то горизонтальность вала
проверяется уровнем на шейках вала при снятом верхнем
вкладыше. Более или менее длинные валы могут иметь прогиб,
обнаруживаемый уровнем; тогда отклонения последнего на
обеих шейках вала должны быть одинаковыми и направлен-
ными в противоположные стороны. Если к машине с таким ва-
лом присоединяется другая машина, значительно меньшей
мощности, как, например, приводной Двигатель при испыта-
ниях в косвенных режимах, то эта машина может быть при-
центрована после выверки горизонтальности вала испытуемой
машины; но если для испытания механически жестко соеди-
няются две примерно одинаковые машины с длинными валами,
как, например, два турбогенератора, то выверка горизонталь-
ности должна производиться для них совместно. Проверка
разбега производится при холостом ходе с номинальным на-
пряжением; для нее достаточно сообщать вращающейся части
легкие толчки в том и другом направлениях, упирая неметал-
лический стержень в торцы вала или галтели. Положения вала
отмечаются карандашными рисками; желательно, чтобы поло-
жение равновесия находилось примерно посредине между ними.
2.2. ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
В процессе испытаний производятся многочисленные изме-
рения как электрических, так и неэлектрйческих величин, при-
чем последние — как электрическими, так и неэлектрическими
способами. Ряд измерений выполняется при испытаниях лишь
одного какого-либо вида и при помощи аппаратуры, применяе-
мой только для него; их и следует рассматривать в соответ-
ствующих разделах. Здесь же имеются в виду измерения об-
щего характера, в первую очередь электрические, производимые
электроизмерительными приборами.
Несмотря на большие успехи, достигнутые электроприборо-
строением, стандарты не предъявляют особо высоких требова-
ний к точности электрических измерений при испытании элек-
23
трических машин, так как не имеет смысла, чтобы она была
выше точности других измерений, производимых совместно и
в равной степени определяющих конечные результаты испы-
таний.
Согласно требованиям стандартов класс точности показы-
вающих приборов — вольтметров, амперметров и ваттметров,
а также мостов при измерениях в цепях с частотой до 400 Гц
должен быть не ниже 0,5, за исключением многосистемных
ваттметров трехфазного тока, допускаемых к применению
только при приемо-сдаточных испытаниях (или при измерениях
во вспомогательных цепях); они могут иметь класс точности 1,0.
Применение приборов более высоких классов не воспрещается,
а в некоторых случаях может быть даже рекомендовано, как,
например, при измерении сопротивлений методом вольтметра и
амперметра, где легко может быть реализована точность класса
0,2. Самые низкие требования предъявляются к приборам для
измерения сопротивления изоляции, которые могут быть класса
2,5, но для этого измерения и такая точность избыточна по
причинам, рассматриваемым в следующем параграфе.
При измерениях в цепях переменного тока частоты выше
400 Гц допускается применение приборов, в том числе частото-
меров, класса 2,5; более высокая точность, с одной стороны,
трудно достижима, а с другой — в ней нет особой необходимо-
сти, так как мощность машин на такие частоты обычно неве-
лика, их КПД невысок и они, как правило, применяются только
в отдельных устройствах.
При приемо-сдаточных испытаниях машин массового выпу-
ска, проводимых на механизированных и автоматизированных
испытательных устройствах — конвейерах, каруселях и т. п., до-
пускается применение приборов класса точности 1,5, однако,
при условии, что максимальная погрешность измерения не
должна превышать 8% допускаемого отклонения измеряемого
параметра от нормированного значения. При таких испытаниях
проводится очень немного опытов, подобранных так, чтобы на
основе* сравнения их с результатами приемочных испытаний ма-
шин этого типа иметь суждение, в каких пределах могут быть
допущены отклонения от них, чтобы машина все же соответ-
ствовала стандартам.
Показывающие измерительные приборы сравнительно редко
включаются в цепи без применения вспомогательных приборов,
предназначаемых в первую очередь для расширения пределов
измерения, а в цепях переменного тока — еще и для электри-
ческого изолирования показывающих приборов от напряже-
ния этих цепей. Для вольтметров и цепей напряжения ваттмет-
ров применяются добавочные сопротивления, для амперметров
постоянного тока — шунты, для всех приборов переменного
тока — измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Класс точности всех этих вспомогательных приборов должен
быть не ниже, чем у обслуживаемых ими показывающих при-
24
боров, а для шунтов и добавочных сопротивлений —не менее
чем на класс выше.
Стандартами допускается применение специальных измери-
тельных электронно-вычислительных систем при условии, что их
точность не уступает указанным выше требованиям; однако
пока еще нельзя рассчитывать на широкое применение этих си-
стем вследствие высокой стоимости, громоздкости и малой при-
способленности к перемещениям. К ним должны быть отнесены
также цифровые измерительные приборы для отдельных изме-
рений, отличающиеся высокой точностью, которая, однако, в об-
становке испытательных станций может являться некоторым
образом помехой, так как непрерывное мелькание четвертого,
а иногда и третьего знака измеряемой величины, не демпфи-
руемое инерцией подвижной системы обычных приборов, за-
трудняет отсчеты.
Электрическим измерениям при испытаниях большей частью
сопутствует измерение частоты вращения. Наиболее часто при-
меняемые для него приборы — тахометры разных систем —
в целом не- отличаются большой точностью, что вынуждает не
предъявлять к ним особенно высоких требований: достаточным
считается класс точности 0,5. При этом оговаривается, что при-
меняемые приборы не должны оказывать сколько-нибудь замет-
ного тормозящего действия на испытуемую машину, что при ис-
пытании очень небольших машин имеет серьезное значение. По-
этому преимущество должно отдаваться способам измерения,
при которых отсутствует механическое соединение измеритель-
ного элемента с испытуемой машиной.
Для того чтобы результаты измерений соответствовали
классу точности применяемых измерительных приборов, должен
соблюдаться ряд условий, первым из которых является пра-
вильный подбор пределов измерения. Согласно требованиям
стандартов отклонения приборов должны находиться в преде-
лах от 30 до 95 % их шкал; это определяется тем, что соотноше-
ния пределов измерения приборов обычно соответствуют ряду
1,5—3,0—7,5—15..., т. е. соседние пределы находятся в отноше-
ниях либо 1:2, либо 1:2,5. Для ваттметров достаточно, чтобы
измеряемые напряжения и токи были не меньше 30 % соответ-
ствующих пределов измерения.
Измерительные приборы должны быть защищены от дейст-
вия магнитных полей. Для этого внутри измерительных столов
или пультов не должны размещаться проводники со значитель-
ными токами, измерительные и другие трансформаторы и иные
источники магнитных полей; все это должно быть достаточно
удалено от приборов. Проводники, которыми амперметры по-
стоянного тока присоединяются к внешним шунтам, должны
быть калиброванными, т. е. иметь сопротивление, либо простав-
ленное на шкале прибора, либо вычисляемое по его номиналь-
ным данным, и их сечения должны быть несоразмерны с весьма
малыми передаваемыми токами.
25
Трансформаторы тока и напряжения не следует перегру-
жать, чтобы они не выходили из своих классов точности, но
требования при этом взаимно противоположны: сопротивление
всей цепи, присоединяемой к измерительной обмотке трансфор-
матора тока, должно быть не больше соответствующего его
номинальной мощности, а для трансформатора напряжения, на-
оборот, не меньше его. И то, и другое ограничивает число при-
боров, присоединяемых к измерительной обмотке трансформа-
тора тока последовательно, а к измерительной обмотке транс-
форматора напряжения — параллельно; кроме того, для транс-
форматоров тока сечение проводников измерительной цепи при
увеличении расстояния следует соответственно повышать.
Общим требованием ко всем измерительным цепям является
их бифилярность, для чего их проводники должны быть пере-
виты. Неплохие результаты дает применение концентрических
проводников, например гибкого медного проводника в медной
же оплетке с общей изоляцией: Это требование распространя-
ется на измерительные цепи как переменного, так и постоян-
ного тока. Кроме того, особенно в цепях постоянного тока,
нужно соблюдать однородность материала проводников, тем бо-
лее при большой длине, когда концы участка из другого мате-
риала могут оказаться при различной температуре, в резуль-
тате чего возникают термоэлектродвижущие силы.
Современные измерительные приборы большей частью либо
астатичны, либо экранированы, что позволяет пренебрегать их
взаимным влиянием и располагать на измерительном столе ря-
дом; однако в случае применения приборов более старых вы-
пусков, особенно электродинамической или электромагнитной
систем, рекомендуется выдерживать расстояние между осями
приборов не менее 400 мм, например, чередуя их с приборами
постоянного тока.
Измерительные схемы переменного тока могут быть непо-
средственными, когда вольтметры и обмотки напряжения ватт-
метров включаются со своими добавочными сопротивлениями
прямо на выводы объекта испытания (или, когда это нужно,
соединенной с ним вспомогательной машины), а амперметры и
обмотки тока ваттметров — в рассечки питающих проводов; по-
лукосвёнными, отличающимися от предыдущих тем, что ампер-
метры и обмотки тока ваттметров включаются через трансфор-
маторы тока, и косвенными, когда в дополнение к этому вольт-
метры и обмотки напряжения ваттметров включаются через
трансформаторы напряжения.
При непосредственных схемах измерительные приборы нахо-
дятся под полным напряжением и потому могут представлять
опасность для персонала, особенно в цепях постоянного тока,
в которых они не могут быть изолированы от напряжения, сколь
высоко оно ни было бы. В цепях переменного тока непосред-
ственные и полукосвенные схемы применяются при испытаниях
машин с номинальным напряжением до 380—400 В; приследую-
26
щей ступени 660—690 В следует по возможности применять
косвенные схемы, а при всех более высоких ступенях — только
косвенные, с непременным заземлением измерительных цепей.
Переносные приборы высших классов точности обычно
имеют несколько пределов измерения, переключаемых различ-
ными способами, что представляет определенные удобства; од-
нако чем больше таких пределов, тем выше стоимость прибора
и тем труднее его ремонт в случае повреждения, и потому сле-
дует избегать применения приборов с очень большим числом
пределов. Особенно это относится к приборам постоянного
тока, зачастую имеющим очень много пределов измерения и
напряжения, и тока.
2.3, ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
Первым пунктом всех программ испытаний является измере-
ние сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса ма-
шины и между обмотками. Эта крайне изменчивая величина не
является параметром электрической машины, но только харак-
теризует состояние изоляции в данный момент, и ее измерение
имеет одну цель —установить возможность проведения испы-
таний машины без повышенного риска ее повреждения; однако
абсолютных критериев минимально допустимого значения со-
противления изоляции не существует.
Изменчивость сопротивления изоляции определяется тем, что
оно сильно зависит от многих факторов, в первую очередь от
температуры изоляции и от ее влажности; оба эти фактора по-
нижают его значение, но если первый из них может быть из-
мерен, то второй никакой количественной оценке не поддается,
а качественная на уровне «допустимо — недопустимо», сама яв-
ляющаяся результатом измерения, выносится отчасти на основе
накопленного опыта и в очень значительной степени — по нор-
мативам, не имеющим строгого обоснования.
Измерение сопротивления изоляции производится мегаом-
метром, содержащим источник постоянного напряжения в виде
^ибо магнитоэлектрического генератора, либо выпрямительного
устройства, питаемого от сети переменного тока. В случае при-
менения мегаомметра с генераторным источником вращение
его приводной рукоятки должно произвЬдиться непрерывно и
равномерно, пока стрелка прибора не установится; при всяком
замедлении или перерыве вращения обмотка разряжается через
мегаомметр на корпус, что затягивает измерение, особенно для
обмоток крупных машин, имеющих значительную емкость.
В таких случаях рекомендуется применение мегаомметра с дви-
гательным приводом генератора или с выпрямительным устрой-
ством.
Сопротивление изоляции обмоток с номинальным напряже-
нием до 500 В включительно надлежит измерять мегаомметром
с напряжением 500 В, а для обмоток с более высоким номи-
нальным напряжением—прибором с напряжением 1000 В. При
27
номинальном напряжении обмотки 3000 В и выше могут при-
меняться мегаомметры и с более высоким напряжением, напри-
мер 2500 В, но это не обязательно, а только рекомендуется для
обмоток наиболее крупных машин со значительной емкостью по
отношению к корпусу.
Измерение надлежит производить поочередно для каждой
электрически независимой цепи, т. е. имеющей самостоятельные
выводы начала и конца, при соединении всех остальных цепей
с корпусом; этим одновременно производится измерение сопро-
тивления изоляции как по отношению к корпусу, так и между
обмотками. В машинах переменного тока большей частью каж-
дая фаза имеет выводы начала и конца; однако многие машины
небольшой мощности имеют глухое сопряжение фаз внутри ма-
шины в звезду или в треугольник, не подлежащее нарушению.
Напротив, некоторые машины имеют самостоятельные выводы
не только фаз, но и частей, на которые подразделены фазы, для
переключения на разные напряжения или числа полюсов. Во
всех таких случаях любая установленная норма для сопротив-
ления изоляции электрически независимой цепи подлежит пере-
счету, так как при работе машины все части обмотки по отно-
шению к корпусу соединяются параллельно и проводимости их
изоляции складываются.
Замкнутые обмотки якорей коллекторных машин не имеют
начала и конца, за которые может быть принята любая точка
присоединения обмотки к коллектору. Изолированные обмотки,
во время эксплуатации машины нормально соединенные с ее
корпусом непосредственно или через конденсаторы, на время
измерения сопротивления изоляции следует отсоединять и от
корпуса, и от конденсаторов.
Нормы для измеренного сопротивления изоляций обмоток
различных машин могут устанавливаться в стандартах или
в технических условиях на конкретные виды машин, но в лю-
бом случае должно быть указано, к какому значению темпера-
туры изоляции они относятся и каким способом надлежит пере-
считывать результат измерения, если температура, при кото-
рой он получен, имеет иное значение. Во всяком случае эта
температура подлежит измерению, которое необходимо также
для измерения сопротивления самих обмоток и рассматрива-
ется в следующем параграфе.
Если обмотка имеет непосредственное водяное охлаждение
проводников, то после ее гидравлического опробования, которое
производится задолго до установки машины на испытание, пол-
ное удаление воды из каналов практически невозможно. Сопро-
тивление изоляции оказывается зашунтированным гораздо .бо-
лее низким сопротивлением остатков воды; в таких условиях
измерение сопротивления изоляции может быть произведено
только до первого заполнения обмотки водой, т. е. на стадии
пооперационного контроля.
По окончании измерения сопротивления изоляции каждой
28
электрически независимой цепи обмоток с номинальным напря-
жением 3000 В и выше необходимо отводить накопленные в них
заряды в землю, так как в противном случае они, сохраняясь
продолжительное время, могут служить причиной поражения
персонала при прикосновении к выводам. Для этого каждая
цепь после измерения сопротивления ее изоляции соединяется
с корпусом машины на время не менее 15 с при мощности ма-
шины до 1000 кВт (или кВ «А), не менее 1 мин при более высо-
кой мощности и не, менее 3 мин в случае применения мегаом?
метров на 2500 В и выше,
Продолжительность установления показаний мегаомметра
при измерении сопротивления изоляции обмоток высокого на-
пряжения тем больше, чем меньше содержание влаги в изоля-
ции. Это положено в основу оценки степени увлажненности изо-
ляции так называемым методом абсорбции — по скорости уста-
новления показаний мегаомметра при его непрерывном и
равномерном вращении.
Эта скорость условно определяется, отношением двух пока-
заний мегаомметра: J?i5 по истечении 15 с после начала враще-
ния и У?» по истечении 60 с. Изоляция считается достаточно су-
хой, если отношение /?во к Ris, называемое коэффициентом аб-
сорбции k—ReolRis, превосходит некоторое значение, большее
единицы, обычно £^1,3; однако некоторые ведомства считают
приемлемыми и более низкие значения, особенно когда это каса-
ется ускоренного ввода в эксплуатацию вновь установленных
машин. '
Очень низкое сопротивление изоляции —до десятков тысяч
ом — можно измерять посредством омметров, мостов и т. п.; при
этом следует производить каждое измерение дважды, изменяя
направление тока через изоляцию. Если такие два измерения
дают неодинаковые результаты, это указывает, что изоляция
влажна, так как присутствие влаги создает ЭДС между медью
обмотки и сталью сердечника. Одинаковость результатов обоих
измерений свидетельствует о том, что причиной низкого сопро-
тивления изоляции является загрязнение или запыленность про-
водящей пылью.
Увлажненность обмоток может быть устранена их сушкой,
а для устранения запыленности применяется продувка машины
сжатым воздухом и протирание сухой чистой ветошью. Из раз-
личных видов загрязнений наиболее типично замасливание
внутренних поверхностей машины в сочетании с запылением
проводящей пылью, при котором приходится применять проти-
рание их с растворителями, желательно негорючими, а при
особо сильном загрязнении — промывку этими растворителями,
после чего может потребоваться восстановление слоя покров-
ного лака.
Помимо сопротивления изоляции обмоток, подлежит измере-
нию сопротивление изоляции подшипников, применяемой в круп-
ных машинах и многомашинных агрегатах для предотвращения
29
возникновения подшипниковых токов. При этом один подшип-
ник машины или целого агрегата оставляется неизолированным
для отведения в землю статических зарядов вращающихся ча-
стей; для измерения сопротивления изоляции изолированных
подшипников приходится на время измерения вводить между
валом и вкладышем неизолированного подшипника сухую изо-
лирующую прокладку.
В крупных быстроходных машинах, как, например, в турбо-
генераторах и синхронных компенсаторах, для возможности
непрерывного контроля изоляции изолированных подшипников
под каждый из них подкладывается промежуточный металличе-
ский лист, двусторонне изолированный от фундаментной плиты
и от подшипника, и во все маслопроводы врезаются двусто-
ронне изолированные вставки. Тогда проверка изоляции под-
шипника сводится к измерению сопротивления изоляции про-
межуточного листа и вставок относительно корпуса подшипника
и фундаментной плиты. Это, однако, не да$т полной гарантии
исправности изоляции, так как остается возможность замыка-
ния подшипника на один из фундаментных болтов в обход
изолированного листа, что следует иметь в виду при выполне-
нии измерения.
В гидрогенераторах с вертикальным валом подвесного типа
обычно изолируется ванна опорного подпятника й корпус верх-
него направляющего подшипника, а в гидрогенераторах зонтич-
ного типа — только корпус направляющего подшипника, если
он находится выше ротора.
Если в машину заложены термопреобразователи, то сопро-
тивление их изоляции по отношению к корпусу машины и ее об-
моткам тоже должно быть измерено при соединении всех об-
моток с корпусом. При этом измерению подвергаются сопротив-
ление изоляции не столько самих термопреобразователей,
сколько проводов внутри машины, соединяющих их с доской вы-
водов; они могут быть повреждены в процессе обмотки и сборки
машины. Их изоляция не рассчитывается на работу при сколько-
нибудь значительном напряжении, но ее нарушение может при-
вести не только к искажению показаний термопреобразовате-
лей, но и к выходу из строя всего измерительного устройства
вследствие образования контуров, связанных с большими маг-
нитными потоками. Это измерение следует производить прибо-
ром с напряжением не выше 250 В, так как более высокое на-
пряжение может пробить изоляцию проводов.
2.4. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ОБМОТОК
ПРИ ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
Вторым пунктом программ испытаний машин всех видов яв-
ляется измерение сопротивлений обмоток при постоянном токе
в практически холодном состоянии электрической машины, при
котором температура любой ее части отличается от темпера-
30
туры окружающей среды не более чем на ±3 К. От точности
измерения сопротивлений обмоток в холодном состоянии зави-
сит правильность определения ряда важнейших величин. При
промышленных испытаниях электрических машин могут нахо-
дить применение только те способы измерения сопротивлений,
которые удовлетворяют следующим требованиям.
Достаточная точность измерений. Способ должен обеспечи-
вать погрешность измерения сопротивления обмотки, не превос-
ходящую той, с которой производится измерение ее темпера-
туры в практически холодном состоянии. Если учесть, что
обычно применяемые способы измерения температуры обеспечи-
вают погрешность в пределах ±1,0 К, что соответствует изме-
нению сопротивления обмотки на ±0,4 %, то последнее и
должно считаться допускаемой погрешностью измерения сопро-
тивления при приемочных испытаниях. При испытаниях, к кото-
рым предъявляются менее высокие требования, погрешность из-
мерения сопротивления может быть допущена до ± 1 %.
Быстрота выполнения измерений. В ряде случаев момент из-
мерения должен быть отчетливо ориентирован во времени, что
невозможно, если измерение требует кропотливых операций.
Подвижность измерительного устройства. Так как измере-
ния приходится производить в различных местах, то измеритель-
ное устройство должно допускать легкую переноску без после-
дующей настройки или регулировки. Применение стационарных
измерительных устройств, от которых прокладываются провод-
ники к объектам измерения, удаляет наблюдателя от послед-
них, затрудняет связь и вносит дополнительные погрешности.
Способ обыкновенного моста (Уитстона) имеет тот недоста-
ток, что при нем к измеряемому сопротивлению прибавляется
сопротивление соединительных проводников и, что еще хуже, их
контактов; поэтому его применение допускается для измерения
сопротивлений не менее 1 Ом. Появившиеся в последние годы
четырехзажимные мосты, при которых к объекту измерения
раздельно подключаются два смежных плеча моста и по од-
ному проводнику от источника тока и гальванометра, не ис-
ключают полностью влияние контактов при данном способе.
Способ двойного моста (Томсона) свободен от этого недо-
статка; но, чтобы получить от него большую точность, нужно
применять его с гальванометрами высокой чувствительности,
требующими стационарной установки. Кроме того, для измере-
ния малых сопротивлений требуются внешние эталонные сопро-
тивления, которые дороги и неудобны для переносных устройств,
а иногда и очень громоздки.
Быстрота измерений при мостовых способах зависит от кон-
струкции аппаратуры: как правило, чем большую быстроту из-
мерений допускает конструкция моста, тем меньшую точность и
надежность она обеспечивает. Наконец, стоимость хорошего
моста со всеми необходимыми для него принадлежностями
весьма значительна.
31
Способ омметра с логометром прост и обеспечивает быстроту
измерения, так как его результат прямо указывается стрелкой
по шкале, но отличается наименьшей точностью и может быть
допущен только при приемо-сдаточных испытаниях машин мас-
сового выпуска с относительно большими сопротивлениями об-
моток.
Способ вольтметра и амперметра лучше всего удовлетворяет
всем предъявляемым требованиям; при условии применения
приборов соответствующего класса он обеспечивает требуемую
точность, дает большую быстроту измерений и легко приспо-
сабливается к требованиям подвижности измерительного уст-
ройства. При выборе приборов для него нужно обратить внима-
ние на то, чтобы они имели как можно меньшую вариацию по-
казаний. Чтобы способ давал достаточно пра-
вильные результаты, необходимо соблюдение
ряда условий.
1. Вольтметр должен присоединяться непо-
средственно к выводам объекта измерения
Рис. 2.1. Схема для измерения сопротивлений способом
вольтметра и амперметра
(рис. 2.1); если для присоединения применяются иглы, то они
должны быть хорошо заточенными и изготовленными из зака-
ленной стали, но отнюдь не из латуни или меди, так как в этом
случае они быстро затупляются и теряют возможность прока-
лывать пленку окисла на поверхности металлов.
2. Число разъемных контактов в схеме должно'быть мини-
мальным, а все неразъемные следует надежно пропаивать.
3. Источником постоянного тока должна быть хорошо заря-
женная переносная батарея аккумуляторов; если из-за малости
измеряемого сопротивления приходится производить измерение
при больших токах, то источником может служить отдельный
генератор или даже общая сеть постоянного тока, но присущие
последней колебания напряжения затрудняют измерения.
4. Отсчеты по обоим приборам должны производиться одно-
временно по команде, подаваемой наблюдателем на вольтметре,
показания которого менее устойчивы, чем показания ампер-
метра, вследствие индуктивности, свойственной обмоткам элек-
трических машин.
5. Каждое сопротивление следует измерять при нескольких
различных значениях тока, переходя от больших к меньшим.
Нормально число измерений берется равным трем; при испыта-
ниях повышенной точности его рекомендуется брать не менее
пяти, но при приемо-сдаточных испытаниях машин мощностью
до 100 кВт (или кВ • А) допускается однократное измерение.
Результаты измерений одного и того же сопротивления не
должны отличаться от среднего из них более чем на 0,5 %, а за
32
действительное значение принимается среднее арифметическое
из результатов всех измерений, удовлетворяющих этому требо-
ванию.
6. При измерении одного и того же сопротивления сле-
дует по возможности не изменять пределы измерения при-
боров.
7. При измерениях повышенной точности следует учитывать
специально для этого получаемые поверочные поправки при-
боров.
8. Во избежание нагревания обмотки измерительным током
значение последнего следует выбирать по данным обмотки так,
чтобы адиабатное повышение температуры обмотки за время
измерения не превосходило 1 К; если же данные обмотки не-
известны, то значение измерительного тока должно быть не
выше 20 % номинального тока обмотки, а длительность измере-
ния—не более 1 мин.
9. Подсчет результатов измерения должен производиться не-
медленно по его окончании.
Если порядок измеряемого сопротивления известен, то пре-
делы измерения обоих приборов могут быть установлены зара-
нее, но цепь вольтметра в момент замыкания цепи тока должна
быть разомкнутой. При подключении устройства к неизвестному
объекту измерения и замыкании цепи тока амперметр и вольт-
метр должны быть предварительно включены на наибольшие
пределы измерения. После замыкания цепи приспособление, ре-
гулирующее ток, ставится в положение наибольшего измери-
тельного тока. Если при этом показание амперметра меньше
40 % его полной шкалы, то необходимо перейти на следующий,
меньший предел измерения, и так далее до тех пор, пока не бу-
дет получено удовлетворительное отклонение; подбор предела
измерения вольтметра производится таким же способом. Когда
пределы шкал обоих приборов установлены, можно приступить
к отсчетам. После каждого отсчета ток несколько понижается
регулирующим приспособлением и производится следующий от-
счет и т. д.
Если обмотка обладает сильно выраженной индуктивностью,
то на момент каждого перехода с высшей ступени измеритель-
ного тока на низшую необходимо размыкать цепь вольтметра,
иначе ее можно повредить импульсами, индуктируемыми при
резком понижении измерительного тока. Кроме того, такие об-
мотки и сами могут быть повреждены при отключении больших
токов — может быть пробита их изоляция по отношению к кор-
пусу или между витками; поэтому при измерении сопротивле-
ний обмоток возбуждения предписывается понижать измери-
тельный ток перед отключением до значения не более 5 % но-
минального тока данной обмотки.
По окончании измерений оба прибора должны быть постав-
лены на наибольшие пределы измерения, а регулирующее при-
способление — на низшую ступень тока.
2 Заказ № 512 33
Под адиабатным понимается процесс нагревания обмотки, при котором
Вей теплота, выделяемая в ней током, идет на повышение ее температуры,
т. е. нет никакой отдачи теплоты в окружающую среду, в том числе в изо-
ляцию обмотки. Такой процесс в чистом виде существовать не может; но
'Теплопроводность большинства изоляционных материалов, применяемых
электрических машинах, настолько низка, что начальная часть процесса
^тало отличается от адиабатного нагревания. Энергия, выделяемая током
в единице объема проводника, равна
Г =
где J — плотность тока в проводнике; р — удельное сопротивление материала
проводника; / — продолжительность процесса.
При адиабатном нагревании проводника эта энергия равна
Рис. 2.2. Адиабатное повышение
температуры обмоток на 1 К
W — ?сД&,
где у —плотность материала провод-
ника; с — теплоемкость материала про-
водника; ДО — достигнутое повышение
температуры; отсюда
72р/ — или t =
Для медной обмотки в практически
холодном состоянии можно приняты
у=8900 кг/м3; е=383 Дж/(кг-К); р=
“1,75-10~8 Ом-м; отсюда при плотно-
сти тока /, выраженной в амперах на
квадратный метр, продолжительность
нагревания
t _ 8900-383ДО _ 195 1012Да
~ l,75-10"8J2~ J2
В пересчете на более привычную
единицу плотности тока — ампер на
квадратный миллиметр—это дает
t = 195Да/J2 « 200ДО//2.
Для алюминиевой обмотки соответственно у=2700 кг/м3; с=
= 890 Дж/(кг-К); р=2,8-10“8 Ом-м; отсюда
t « 86ДШ2.
На рис. 2.2 представлены графики зависимости времени нагревания на
1 К от плотности тока для обмоток из меди и алюминия.
Пример. Обмотка ротора турбогенератора изготовлена из медного про-
водника прямоугольного сечения размером 7X28 мм. Номинальный ток об-
мотки 660 А. При испытании на нагревание косвенным методом предполага-
ется нагружать обмотку током не более % номинального, т. е. 440 А.
Требуется определить, за сколько времени можно произвести измерение
сопротивления обмотки ротора в холодном состоянии при таком токе, чтобы
ее температура за это время повысилась не более чем на 1 К.
Плотность тока при предполагаемом измерении
J =440/(7-28) = 2,24 А/мм%
34
следовательно, повышение температуры обмотки на 1 К произойдет за
время не менее
Z^200/2,242 = 39,9 с,
что вполне достаточно для измерения.
Если бы требовалось измерить сопротивление этой обмотки при номи-
нальном токе, т. е. при плотности тока в 1,5 раза большей, то время нагре*
вания на 1 К сократилось бы в 1,52=2,25 раза и составило
Г = 39,9/2,25 = 17,7 с;
при хорошей тренировке персонала и этого достаточно, чтобы получить один
достоверный отсчет.
Когда сопротивление цепи вольтметра на данном пределе из-
мерения настолько велико по сравнению с измеряемым сопро-
тивлением, что потреблением тока в вольтметре можно прене-
бречь, искомое сопротивление 7? может быть представлено как
результат деления измеренного напряжения U на измеренный
ток /:
R=U/I.
Если св — цена деления вольтметра, v— его отклонение в де-
лениях, а са и а — те же величины для амперметра, то резуль-
тат измерения может быть получен и так:
Са а
Когда сопротивление цепи вольтметра 7?в недостаточно ве-
лико по сравнению с сопротивлением объекта измерения и по-
треблением тока в вольтметре пренебречь нельзя, то искомой
сопротивление будет
1 — и/Къ caa — cBv/RB
Для придания этому выражению более удобного вида сле-
дует помножить числитель и знаменатель дроби в знаменателе
на £а:
_________СтР_________ св_____
с а — CaCBv/(caRB) С а G — kv
Значения k могут быть заранее подсчитаны для всех воз-
можных значений са; для данного вольтметра отношение ев/7?в
постоянно на всех пределах его измерения, если только при них
сохраняется схема его внутренних соединений.
Применение поправки обязательно, если сопротивление
вольтметра превосходит измеряемое сопротивление менее чем
в 100 раз при классе точности приборов 0,5 и менее чем в 250
раз при классе 0,2.
Пример. Производится измерение сопротивления обмотки возбуждения
двигателя постоянного тока. Для измерения применены: магнитоэлектриче-
2* 35
схий вольтметр со шкалой на 150 делений с пределом измерения 15 В и та-
кой же амперметр с пределом измерения 0,3 А. Сопротивление цепи вольт-
метра составляет /?в=5000 Ом. При трех произведенных отсчетах получены
следующие показания приборов:
Вольтметр .... 112,2 96,7 80,4
Амперметр .... 98,9 85,1 70,7
Требуется определить сопротивление обмотки с учетом тока, расходуе-
мого в цепи вольтметра.
Цена деления вольтметра при пределе измерения 15 В
св = 15/150 = 0,1 В/дел.
Цена деления амперметра при пределе измерения 0,3 А
са = 0,3/150 = 0,002 А/дел.
Постоянная k для данного случая равна
0,002-5000
Таким образом, для учета тока, расходуемого в цепи вольтметра, сле-
дует от каждого показания амперметра отнять 1 % соответствующего пока-
зания вольтметра.
Если измерение сопротивления производится приборами класса 0,2, то
вносимая поправка в пять раз превосходит допустимую погрешность ампер-
метра, а потому обязательно должна быть учтена.
Вычисление результатов измерения по формуле
R Съ v ~ 50а
са a — kv а — 0,01о
дает следующие значения сопротивления: 57,4; 57,45; 57,4 Ом.
Очевидно, за искомое сопротивление следует принять /?=57,4 Ом; без
введения поправки результат измерения составлял бы 56,8 Ом, т. е. на
0,6 Ом или 1,05 % меньше.
При применении мостовых схем предписывается также трех-
кратное измерение каждого сопротивления путем нарушения
равновесия моста после каждого из них, однако это не остав-
ляет после себя документального свидетельства.
Измеренные значения рекомендуется приводить к определен-
ной условной температуре для возможности сравнения с расче-
том или с результатами измерения на других аналогичных объ-
ектах. Между сопротивлением металлического проводника 7?^
при температуре Ф и его сопротивлением /?0 при температуре Фо
существует зависимость
^ = /?0[1 + а(Ф-Ф0)],
где а — температурный коэффициент материала проводника,
равный относительному увеличению его удельного сопротивле-
ния при температуре Фо вследствие нагревания на Г К. Если
принять Фо=15°С, то для меди с достаточной точностью можно
считать а=0,004= 1/250, откуда
Я» = Я15 [1 + 0,004 (Ф —15)] = Т?15 (0,94 + 0,004Ф).
Таким образом, приведение к температуре +15 °C сопро-
тивлений медных обмоток, измеренных при температуре Ф,
36
может производиться по формуле
r _______________
16 0,94 + 0,0040 ’
Алюминий имеет менее определенное значение температур-
ного коэффициента, и его нужно определять для каждой пар-
тии проводника из этого металла.
Для определения температуры обмоток при измерении их
сопротивлений в практически холодном состоянии рекоменду-
ется пользоваться показаниями термометров, находящихся
внутри машины, или заложенных термопреобразователей. Если
машина их не имеет, измерители необходимо встраивать в нее
заблаговременно — не менее чем за 15 мин до начала измере-
ния, чтобы они могли принять температуру частей машины,
и в следующем количестве:
Мощность машины
Р, кВт (кВ • А) . . . Р < 10 10 < Р + 100 100 < Р < 1000 1000 < Р
Число точек изме-
рения, не менее ... 1 2 3 4
При двух и более точках измерения последние нужно рас-
пределять по возможности равномерно внутри машины, а за
температуру обмотки принимать среднее из измеренных значе-
ний. В случае невозможности непосредственного измерения
температуры обмоток допускается выдерживать машину в не-
рабочем состоянии в окружающей среде в течение времени,
достаточного для того, чтобы все части машины практически
приняли ее температуру, но сама эта температура за все это
время не должна изменяться более чем на ±5 К, что необхо-
димо учитывать.
При приемо-сдаточных испытаниях разрешается произво-
дить измерение сопротивлений обмоток в несобранной машине
при условии, что в обмотке после этого не будут выполняться
никакие производственные операции, которые могут вызвать из-
менение сопротивления, и она не будет повреждена при сборке.
Как и при измерении сопротивления изоляции, измерению
сопротивления в практически холодном состоянии должна быть
подвергнута каждая электрически независимая часть обмотки,
имеющая самостоятельные выводы. Для обмоток, имеющих про-
межуточные отводы, помимо общего сопротивления между на-
чалом и концом, рекомендуется измерять и сопротивления всех
частей, последовательно заключающихся между отводами, н@
нельзя требовать, чтобы сумма этих частичных сопротивлений
была в точности равна сопротивлению всей обмотки.
Обмотки трехфазного тока могут иметь различные числа вы-
водов: три при глухом сопряжении фаз в треугольник или
в звезду, а при последней — еще и четыре в случае вывода ней-
трали; шесть при выводе начал и концов всех фаз; двенадцать,
если каждая фаза разделена на две равные части для последо-
вательного или параллельного включения; это число может
37
быть уменьшено до девяти, если одна половина обмотки на-
глухо сопряжена в звезду. Двенадцать или девять выводов
могут иметь обмотки весьма крупных машин с двумя парал-
лельными ветвями, но в отличие от предыдущих параллельные
ветви соединяются наглухо на линейных выводах, а в нейтрали
выведены раздельно для возможности применения поперечной
дифференциальной защиты; очень большие числа выводов
имеют обмотки генераторов, предназначаемых для оборудова-
ния испытательных станций; большие числа выводов могут
иметь обмотки двигателей с переключениями на несколько чи-
сел пар полюсов; во всех таких случаях (кроме только послед-
него) измерение сопротивления желательно производить для
каждой пары выводов отдельно, но при глухом сопряжении фаз
в треугольник или в звезду без вывода нейтрали измерить со-
противление каждой фазы в отдельности невозможно.
Если обмотка с глухим сопряжением фаз принадлежит к од-
ному из типов, при которых все её секции имеют одинаковые
размеры и форму, то сопротивления ее фаз не должны сущест-
венно различаться; точность изготовления таких обмоток обес-
печивает в среднем отклонение измеренных сопротивлений
в пределах 2—3 %, а более значительные отклонения застав-
ляют предполагать какие-либо неисправности в обмотке, как,
например, ошибки соединений или междувитковые замыкания
Однако обмотки с различными формами и длиной лобовых
частей, как, например, двух- и трехъярусные катушечные об-
мотки, хотя и являются устаревшими исполнениями, но все еще
встречаются как в статорах, так изредка и в роторах. По-
скольку в этих обмотках в фазы попадают разные числа кату-
шек различных ярусов, их сопротивления могут довольно за-
метно отличаться друг от друга. Указать здесь допустимые пре-
делы отклонений было бы трудно: они Тем шире, чем меньше
длина машины по сравнению с полюсным делением.
При измерении сопротивления обмотки с глухим сопряжением фаз
в звезду между каждыми двумя выводами оказываются включенными по-
следовательно две фазы и результат измерения дает сумму их сопротивле-
ний {рис. 2.3). Пусть /?i, R% и Ra —- действительные значения сопротивлений
фаз, примыкакдцих к выводам У, 2 и 3 (безотносительно к направлению 4e-j
редования фаз и примененной маркировке выводов по какой-либо из суще-т
ствующих систем), a Ri2, R2z и R3i—результаты измерений, произведенных
соответственно между выводами 1 и 2, 2 и 5, 3 и тогда
#12 — #1 4" R%', #23 = #2 + #з! #31 ~ #3 + #!•
Решение этой системы относительно неизвестных Ri, R2 и R$ дает
п #31 + #12 ---- #23 .
*1=--------------— ’
г> #12 + #23 --- #31 ,
2
п _ #23 ~Ь #31 — #12
38
В случае сопряжения фаз в треугольник между каждыми двумя выво-
дами при измерении сопротивления оказываются включенными параллельно
две ветви, одна из которых состоит из одЪой фазы, а другая — из двух фаз
в последовательном соединении (рис. 2.4).
Сохраняя для действительных сопротивлений фаз прежние обозначения
и обозначая через /?ц, Т?22 и 7?33 сопротивления, измеренные на выводах этих
фаз, можно написать
D — 1 Ri (Rs + Rs)
fill •
1/Ях+!/(/?«+ J?,) Ri + Rz + Rs
1
/\22 — l/Rs + l/(Rs + Ri) Ri + R» + Rs
7?зз = - 1 _ R»(R1 + Rs)
1/R,+ + Яа) 7?i + T?2 + 7?з
Рис. 2.3. Измерение
сопротивления об-
мотки при глухом
сопряжении фаз
в звезду
Рис. 2.4. Измере-
ние сопротивле-
ния обмотки при
глухом сопряже-
нии фаз в тре-
угольник
Решение этой системы относительно искомых сопротивлений /?ь /?2 и /?3
дает
_ 1 Г____47?227?зз
2 L 2?22 + 2?зз — /?ц
1 Г_____4/?зз2?ц
2 L 2?зз4-/?ц — /?22
_ 1 Г______4/?п₽22
2 L 7?и + ^?22 — 7?зз
(7?22 + /?33 — 7?11)
(7?зз + Ян — 7?2а)
(/?11 + Т?22 — *3з)
Если расхождение измеренных сопротивлений не превосходит 2 % при
сопряжении фаз в звезду или 1,5 % при сопряжении в треугольник, то со-
противление одной фазы допускается определять упрощенно: при сопряжении
фаз в звезду
7?i — 7? 2 = 7?з = 7?/2
и при сопряжении их в треугольник
/?1 — 7?2 ~ 7?з = 3/?/2,
где 7?—среднее из измеренных значений.
39
Для обмоток двигателей с переключением чисел пар полю-
сов измерение сопротивление следует производить для каждого
числа пар полюсов отдельно.
Измерение сопротивлений обмоток, соединенных с коллек-
торами, рассматривается ниже, в главе, посвященной особен-
ностям испытаний машин постоянного тока.
2.5. ИСПЫТАНИЕ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЕ ВРАЩЕНИЯ
Для проверки механической прочности вращающихся частей
машины программы предусматривают испытание при повышен-
ной частоте вращения; будучи однажды выполнено, это испы-
тание может быть повторено только при условии замены вра-
щающейся части.
Машина должна выдержать это испытание в течение двух
минут без повреждений и остаточных деформаций (разумеется,
не только металлических частей, но и изоляции обмоток); по-
этому испытание при повышенной частоте вращения следует
проводить до испытания изоляции обмотки вращающейся част»
относительно корпуса, а если на вращающейся части располо-
жена обмотка, в которой индуктируются ЭДС, то — и до испы-
тания междувитковой изоляции этой обмотки.
Если машина подвергается приемочному испытанию, то ис-
пытание при повышенной частоте вращения надлежит прово-
дить в нагретом состоянии машины, например после испытания
на нагревание. Неявнополюсные роторы синхронных машин все
без исключения должны проходить испытание при температуре
обмоток, близкой к рабочей, но это испытание проводится
обычно на установках, предназначенных для динамического ба-
лансирования, как завершающая стадия этой операции.
В большинстве случаев испытание проводится повышением
частоты вращения на 20 % сверх ее номинального значения
(если оно одно), или сверх наибольшего из номинальных зна-
чений (если их несколько), или сверх предельной частоты вра-
щения (для машин с регулированием частоты вращения); од-
нако некоторые виды электрических машин благодаря особен-
ностям услввий их работы нуждаются в испытании при более
значительном повышении частоты вращения, что рассматрива-
ется несколько ниже в этом же параграфе.
Если испытуемая машина при испытании сопрягается с дви-
гателем постоянного тока, имеющим достаточную мощность и,
разумеется, достаточную механическую прочность, или если она
сама является машиной постоянного тока, которая может быть
пущена в режиме двигателя, то повышение частоты вращения
осуществляется беспрепятственно; его целесообразно произво-
дить повышением приложенного напряжения, однако не более-
чем на 15—20 % сверх номинального; если же этого недоста-
точно, то дальнейшее повышение следует производить ослабле-
нием возбуждения.
40
Если же приводным является двигатель переменного тока
(кроме некоторых систем коллекторных двигателей, допускаю-
щих регулирование частоты вращения выше синхронной), то
повышение частоты вращения возможно следующими спо-
собами.
Повышение частоты приложенного напряжения. Для этого
источник переменного напряжения должен иметь привод, до-
пускающий необходимое повышение его частоты вращения.
Если испытанию подвергается такая машина переменного тока,
которую можно пустить в режиме двигателя, то напряжение
повышенной частоты может быть приложено непосредственно
к ней.
Замена приводного двигателя более быстроходным. В слу-
чае если в качестве приводного применен асинхронный двига-
тель с фазным ротором, то его номинальная частота вращения
должна быть не меньше, но может быть и больше той, которую
требуется получить; тогда избыток частоты вращения погаша-
ется введением реостата — регулятора скольжения в цепь ро-
тора. Если же это асинхронный Двигатель с короткозамкнутым
ротором или синхронный двигатель, то его номинальная ча-
стота Вращений должна быть равна требуемой, что возможно
только В редких случаях.
Введение повышающего редуктора между приводным дви-
гателем и испытуемой машиной.
Питание фазного ротора асинхронного двигателя от преоб-
разователя частоты — асинхронного или коллекторного. Общий
недостаток многочисленных возможных схем такого питания —
их сложность и трудность подбора входящих в них элементов.
Пользование ручным тахометром для измерения частоты
вращения ври испытании может подвергать опасности изме-
ряющего; поэтому предписывается ее дистанционное измерение.
В отдельных случаях возможно применение вибрационных та-
хометров или частотомеров, располагаемых на плите или на
подшипнике испытуемой машины; их показания могут быть
ясно различимы с довольно значительного расстояния.
Если повышение частоты вращения Производится Способом
повышения частоты питания, то по последней может опреде-
ляться частота вращения, Но если для привода испытуемой ма-
шины применён асинхронный двигатель и потери испытуемой
машины являются для него заметной нагрузкой, то следует по-
вышать частоту с запасом, достаточным для компенсации сколь-
жения двигателя.
При испытаниях роторов Синхронных машин вне статора
можно применить катушку с сердечником, располагаемым на
некотором расстоянии от активной поверхности полюсов ротора,
соединенную с вибрационным частотомером. Если подать в ро-
тор небольшое возбуждение, то при достаточном числе витков
индуктированная в катушке ЭДС приводит в действие часто-
томер. Необходимо, чтобы сердечник катушки был надежно
41
закреплен, так как в противном случае он может быть притя-
нут полюсами ротора.
Повышение частоты вращения следует производить плавно,
так как этим уменьшается возможность случайно превзойти за-
данный предел. По истечении срока испытания предписывается
понижение частоты вращения до полной остановки машины,
для чего обычно достаточно отключения электрического пита-
ния схемы испытания. Для сокращения времени выбега может
быть допущено торможение потерями холостого хода или ко-
роткого замыкания как приводного двигателя, так и испытуе-
мой машины, а если испытание проводится способом повыше-
ния частоты вращения двигателя постоянного тока, то — и
динамическое торможение путем его перевода в режим гене-
ратора, что, однако, требует от персонала определенного навыка.
После остановки следует произвести тщательный осмотр ма-
шины и измерение биения таких деталей, как коллектор или
контактные кольца.
Для двигателей постоянного тока с параллельным или неза-
висимым возбуждением считается достаточным повышение ча-
стоты вращения на 20 % сверх наибольшей номинальной. Это
же относится к двигателям со смешанным возбуждением, для
которых предусматривается регулирование частоты вращения
не свыше 35 % номинального значения, но с оговоркой, что по-
вышение должно быть не меньше чем на 50 % сверх номиналь-
ного значения. При регулировании в более широких пределах,
а также при последовательном возбуждении эта оговорка со-
храняется, однако повышение ограничивается 10 % сверх пре-
дельного значения.
Наиболее жесткие требования предъявляются к крановым
и металлургическим двигателям, которые могут сильно разго-
няться своими приводными механизмами, например при спуске
груза. Хотя согласно соответствующим стандартам такие дви-
гатели должны выдерживать повышение частоты вращения
сверх предельного значения только на 10 %, но само это пре-
дельное значение согласно тем же стандартам превышает но-
минальное для двигателей постоянного тока в 3,5 раза, а для
крановых трехфазных асинхронных двигателей — в 2,5 раза.
Для машйй 0 последовательным возбуждением можно реко-
мендовать проведение испытания при независимом питании об-
мотки возбуждения; однако если такая машина, испытываемая
в режиме двигателя, может быть нагружена на 15—20 % номи-
нальной мощности, то испытание можно проводить и при рабо-
чем соединении обмоток за счет повышения приложенного на-
пряжения, но не более чем на 20 % сверх номинального, при-
меняя шунтирование обмотки возбуждения.
Испытание при повышенной частоте вращения для машин
постоянного тока целесообразно проводить в нагретом состоя-
нии с тем, чтобы иметь возможность проверить монолитность
коллектора. Если коллектор недостаточно тщательно отформо-
42
ван, то его изоляция в нагретом состоянии размягчится и до-
пустит такие перемещения пластин, которые при холодном кол-
лекторе не могут быть выявлены. После этого испытания сле-
дует измерить биение коллектора.
Гидрогенераторы, сопрягаемые с турбинами, имеющими ав-
томатическое регулирование, т. е. практически все машины
этого вида крупных мощностей, должны выдерживать частоту
вращения, превышающую на 15 % номинального значения ту
частоту, которую достигает агрегат при исправной системе ре-
гулирования после сброса полной нагрузки, но не менее 1,75
номинальной частоты вращения.
Гидрогенераторы, сопрягаемые с турбинами, имеющими руч-
ное управление, должны выдерживать так называемую угон-
ную частоту вращения, т. е. ту частоту, которая установится
при полном открытии направляющего аппарата турбины и не-
нагруженном генераторе; если эта частота вращения меньше
1,75 номинального значения, то достаточно, чтобы генератор
выдерживал фактическую угонную частоту вращения.
Однако испытанию при указанных выше значениях частоты
вращения гидрогенераторы в действительности большей частью
не подвергаются по той причине, что их вращающаяся часть
изготовляется из листовых материалов, которые не могут со-
держать скрытых внутренних пороков, и потому запас проч-
ности, вычисляемый на основании хорошо известных механиче-
ских свойств этих материалов, не нуждается в проверке. Лишь
гидрогенераторы малых мощностей, роторы которых собира-
ются на заводе-изготовителе, проходят данное испытание на-
равне с прочими машинами, если их конструкция содержит
элементы, нуждающиеся в его проведении, как например, ка-
тушки полюсов быстроходных машин, крепления которых могут
вызывать опасения.
Указанные значения повышенной частоты вращения распро-
страняются также на все вспомогательные машины, либо нахо-
дящиеся на общем валу с гидрогенератором, либо приводимые
от него электрически, такие, как возбудительный двигатель-ге-
нератор или регуляторный генератор с полюсами из постоян-
ных магнитов и двигатели тех вспомогательных механизмов, ко-
торые не отключаются при сбросе нагрузки; все эти машины
должны быть испытаны на заводе-изготовителе.
Асинхронные двигатели с фазными роторами имеют на ло-
бовых частях обмотки бандажи, большей частью проволочные,
прочность которых при повышении частоты вращения может
оказаться недостаточной, и потому все такие двигатели должны
были бы подвергаться испытанию при повышенной частоте вра-
щения; однако оно входит только в программу приемочного ис-
пытания, как и для короткозамкнутых двигателей (за исклю-
чением крановых, упомянутых выше). Двухполюсные двига-
тели более крупных мощностей, у которых окружная скорость
настолько велика, что короткозамыкающие кольца обмотки
43
ротора сами по себе не могут ей противостоять и потому /снаб-
жаются стальными бандажными кольцами, подлежат испыта-
нию в обязательном порядке. '
2.6. ИСПЫТАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК
ОТНОСИТЕЛЬНО КОРПУСА
Четвертым пунктом программ испытаний электрических ма-
шин всех видов является испытание изоляции обмоток на элек-
трическую прочность относительно корпуса машины и между
обмотками, которое следует проводить практически синусои-
дальным переменным напряжением частотой 50 Гц. Значения
этого напряжения определяются формулой
ии —qUn-\-r-1000,
где U„ — номинальное напряжение обмотки; q — множитель,
обычно равный двум, но иногда достигающий более высоких
значений; г чаще всего равно единице, но в отдельных слу-
чаях — нулю или 0,5. Для многих категорий обмоток устанав-
ливается минимальное значение испытательного напряжения
t/и, равное 1500 В.
Если машина обматывается на месте ее установки, то испы-
тание изоляции нужно выполнять на всех этапах по нормам
контроля завода-изготовителя, чтобы не снижать электрической
надежности таких машин. Если же часть обмотки укладыва-
ется на месте установки (как, например, секции разъемных ста-
торов гидрогенераторов, находящиеся против мест разъема), то
эта часть до соединения с уложенной на заводе-изготовителе
должна испытываться в соответствии с нормами послеопераци-
онного контроля предприятия, а после окончательного соедине-
ния вся обмотка — полным испытательным напряжением.
Нередко практикуется перевозка громоздких машин на ме-
сто установки отдельными обмотанными частями. Если каждая
из них на заводе-изготовителе подвергалась испытанию полным
напряжением, то после сборки на месте установки и сушки
(если последнюю необходимо произвести) вполне собранная
машина можцт подвергаться испытанию напряжением, равным
80 % полного. Оно обязательно для турбогенераторов, гидроге-
нераторов и синхронных компенсаторов, а для прочих машин
проводится по усмотрению потребителя.
Если при ремонте бывшей в эксплуатации машины перемен-
ного тока вся изоляция обмотки статора или ротора была заме-
нена новой, то ее испытание проводится как для новой машины,
т. "е. полным испытательным напряжением. Но на якорь ма-
шины постоянного тока это может быть распространено лишь
тогда, когда одновременно с заменой всей изоляции обмотки
производится также замена изоляции коллектора относительно
корпуса; в противном случае такому испытанию обмотка может
быть подвергнута только до соединения с коллектором, после
44
котового оно должно быть проведено как при частичном ре-
монта обмотки.
Если же при ремонте только часть обмотки заменена новой,
то иск^танию полным напряжением может быть подвергнута
лишь йа часть до соединения с остальной обмоткой, после ко-
торого вся обмотка испытывается напряжением, пониженным
по усмотрению потребителя против испытательного напряже-
ния, указанного для данного вида обмоток, но не выше 80 %
табличного значения.
Окончательное испытание изоляции должно проводиться во
вполне готовой и полностью собранной машине, так как в не-
собранной или частично собранной машине остаются невыде-
ленными места, в которых изоляция может быть пробита после
полной сборки, например между лобовыми частями обмотки
статора и щитами или вентиляторами. Это требование не обя-
зательно для крупных машин со стержневыми обмотками, при
которых размеры лобовых частей выдерживаются достаточно
правильно.
Источником испытательного напряжения должен служить
специально предназначенный для этой цели трансформатор од-
нофазного тока; однако при испытаниях на местах установки
приходится применять и нормальные трехфазные силовые
трансформаторы.
Испытуемая обмотка, особенно высокого напряжения, обла-
дает заметной емкостью, между тем как активная проводи-
мость изоляции обычно невелика. Поэтому для испытательного
трансформатора обмотка является почти чисто емкостной на-
грузкой, полное сопротивление которой обратно пропорцио-
нально частоте. Отсюда следует, что трансформированное испы-
тательное напряжение должно быть как можно ближе к сину-
соидальному, и первым мероприятием по обеспечению этого
является питание трансформатора линейным напряжением трех-
фаэной системы, но не фазным; в последнем могут содержаться
высшие гармонические, особенно третьего порядка, искажаю-
щие его, но отсутствующие в линейном напряжении. Это иска-
жение повышает максимальное значение кривой напряжения,
мало отражаясь на действующем.
Источником питания испытательного трансформатора может
быть отдельный синхронный генератор; но так как трансформа-
тор является для него однофазной нагрузкой, искажающей
форму кривой напряжения генератора за счет обратносинхрон-
ной составляющей поля реакции якоря, то необходимо, чтобы
такой генератор имел исключительно сильные средства успо-
коения.
При питании испытательнго трансформатора сетевым на-
пряжением регулирование испытательного напряжения произ-
водится большей частью посредством индукционного регуля-
тора, плавно изменяющего подводимое к трансформатору на-
пряжение. Желательно, чтобы этот регулятор не был насыщен,
45
/
так как иначе в кривой его намагничивающего тока будёт со-
держаться явно выраженная третья гармоническая. /
Мерой степени насыщения регулятора служит его характе-
ристика холостого хода, т. е. зависимость намагничивающего
тока от подводимого напряжения. Регулятор можно /Считать
ненасыщенным, пока эта характеристика остается практически
прямолинейной; отклонение ее от прямой должно быть /не более
10 %. По этой причине можно рекомендовать, чтобы нбминаль- .
ное напряжение индукционного регулятора было выше линей-
ного напряжения питающей его сети, например 500 В при на-
пряжении сети 380 В.
Если, тем не менее, приходится применять регулятор, насы- ।
щением которого пренебречь нельзя, то может быть применено
включение балластного сопротивления параллельно испытатель-
ному трансформатору. Сумма мощности, поглощаемой в бал-
ластном сопротивлении, потерь в трансформаторе и потерь от i
токов утечки в изоляции объекта испытания может составлять
при высшем пределе применяемого испытательного напряжения
до 70 % мощности регулятора.
Для небольших установок возможно регулирование напря-
жения реостатом, включенным последовательно в цепь первич- 4
ной обмотки трансформатора; однако при этом всякое искаже-
ние тока, потребляемого обмоткой, будет создавать падение
напряжения на реостате, в свою очередь, искажающее подводи- :
мое к трансформатору напряжение. Это явление можно осла-
бить потенциометрическим включением реостата (рис. 2.5) и
тем успешнее, чем больше ток, потребляемый потенциометром,
по сравнению с отбираемым от него током питания трансформа-
тора, нагруженного объектом испытания; можно рекомендовать,
чтобы отношение этих токов было не менее чем 5:1.
Если сам испытательный трансформатор насыщен, в его
намагничивающем токе содержится третья гармоническая, соз-
дающая падение напряжения на всех предвключенных сопротив-
лениях, что тоже способствует искажению кривой испытатель- ?
ного напряжения. Меры борьбы с этим — те же, что были ука-
заны в отношении регуляторов: выбор по возможности более
высокого номинального напряжения и включение балластного
сопротивления в цепь испытательного напряжения; тогда на-
добность в балластном сопротивлении в цепи регулятора отпа-
дает. Однако в применении к крупным трансформаторам такое
сопротивление вместе со своими опорными изоляторами полу- ।
чается очень громоздким.
Измерение испытательного напряжения должно произво-
диться непосредственно у объекта испытания, т. е. в цепи
трансформированного напряжения, а отнюдь не пересчетом под-
водимого к трансформатору напряжения в соответствии с его <
коэффициентом трансформации.
При испытательных напряжениях до 3000 В допускается не- j
посредственное включение вольтметра с добавочным сопротив-
46
лениём, которое в таком случае одновременно играет роль бал-
ластного, так как в нем поглощается довольно значительная
мощность.
Прй более высоких напряжениях возможны различные спо-
собы измерения. Вольтметры электромагнитной или электроди-
намической систем могут подключаться к трансформаторам
напряжения или к специальным измерительным обмоткам, ко-
торыми иногда снабжаются крупные испытательные трансфор-
маторы; рни учитывают действующее значение измеряемого
напряжения. Если параллельно к такому прибору подключить
статический вольтметр, отградуиро-
ванный на наибольшие значения
напряжения, то чем ближе к кор-
ню из двух будет отношение его
показаний к показаниям первого
прибора, тем меньше отклонение
напряжения от синусоидального.
С этой же целью при испытании
обмоток с номинальным напряже-
нием 6000 В и выше для машин
мощностью более 2000 кВт (кВ*А)
рекомендуется включать парал-
лельно объекту испытания шаро-
вой разрядник, пробивное напря-
жение которого предварительно
должно быть установлено не более
чем на 10 % выше данного испыта-
тельного напряжения. Если искро-
вой промежуток будет пробит при
Рис. 2.5. Потенциометрическая
схема включения регулирую-
щего реостата
подъеме испытательного напряжения, контролируемого вольт-
метром, учитывающим действующее значение, это будет слу-
жить признаком недопустимого искажения формы кривой испы-
тательного напряжения. Для того чтобы пробивание искрового
промежутка не являлось коротким замыканием трансформа-
тора, в цепь разрядника должно быть включено защитное со-
противление, например водяное. В наиболее крупных испыта-
тельных установках для контроля формы кривой напряжения
применяется электронно-лучевой осциллограф.
Обычно считается, что мощность испытательного трансфор-
матора должна составлять 0,5—1,0 кВ*А на каждые 1000 В
его номинального напряжения; но при испытании изоляции
крупных машин очень высокого напряжения этого может ока-
заться недостаточно. Так, например, для испытания одной
фазы обмотки статора крупного турбогенератора требуется
мощность 100—150 кВ • А и более.
С другой стороны, емкость изоляции обмоток машин отно-
сительно небольшой мощности — сотни киловатт при напряже-
нии до 6000 В — настолько умеренна, что в качестве испы-
тательного с успехом может быть применен измерительный
47
трансформатор напряжения. При этом измерение испытатель-
ного напряжения должно производиться вторым таким же
трансформатором с вольтметром. / (
Испытательное напряжение выше 3000 В не должно прикла-
дываться мгновенно, так как большая крутизна фронта его
волны способствует пробою изоляции; кроме того, при Мгновен-
ном включении трансформатора в нем возможны перенапряже-
ния. Испытание должно начинаться не более чем с Половины f
окончательного значения напряжения; если его регулирование
производится ступенями, то каждая из них не должна быть
болвше 5 % этого значения, а подъем от половинного до пол-
ного значения напряжения должен занимать не менее 10 с.
Полное напряжение выдерживается в течение 1 мин, после чего
оно сначала должно быть снижено до половинного значения,
а потом может быть отключено.
Подразделение на части времени, в течение которого должно Д
продолжаться испытание, не допускается. I
Практически эти указания обычно выдерживаются даже бо-
лее строго, так как индукционным регулятором, а тем более i
отдельным генератором можно начать регулирование напряже- |
ния со значения, близкого к нулевому, и производить его плавно,
без заметных ступеней. При составлении на местах установки
испытательных схем необходимо, чтобы подобранное оборудова-
ние удовлетворяло требованиям регулирования напряжения.
Указанный порядок проведения испытания обязателен во
всех случаях, кроме машин мощностью не более 15 кВт с но- .
минальным напряжением не свыше 660 В, при массовом вы-
пуске которых на механизированных и автоматизированных уст-
ройствах допускается сокращать продолжительность испытания
до 5 с или даже до 1 с, но в последнем случае йспытание про-
водится напряжением, повышенным на 20 % против полного.
Во избежание возникновения коммутационных перенапряжений
должно сразу прикладываться испытательное напряжение тре- .
буемого значения от постоянно включенного источника; это мо-
жет производиться соответствующим автоматическим устройст-
вом или вручную щупом при принятии всех необходимых мер
по обеспечению безопасности.
Испытание для всех обмоток, кроме обмоток роторов син-
хронных машин с неявновыраженными полюсами, следует про-
водить при неподвижном состоянии машины, и если она под-
вергалась испытанию на нагревание,—по его окончании при (
температуре обмоток, по возможности близкой к рабочей. Но С
если испытание на нагревание не проводилось, то испытание
изоляции выполняется при практически холодных обмотках;
несмотря на то что условия работы изоляции в холодном и на-
гретом состоянии неодинаковы, стандарты не делают различия <
между такими испытаниями. *
Испытанию изоляции должны предшествовать: измерение
сопротивления изоляции, которое служит для предварительного
48
\ 4
контроля ее состояния; испытание прй повышенной частоте вра-
щения; испытание при кратковременной перегрузке по току или
по вращающему моменту; испытание синхронных машин при
внезапном коротком замыкании, если оно проводится на данной
машице, т. е. те испытания, при которых изоляция может полу-
чить тё или иные повреждения, а также различные другие испы-
тания, ^предусматриваемые стандартами на отдельные виды
машин «дли на методы их испытаний. Сюда относится также
испытание изоляции выпрямленным напряжением для обмоток
машин Переменного тока с номинальным напряжением 3000 В
и выше, если оно проводится.
Эта очередность испытаний не обязательна для машин посто-
янного тока с номинальным напряжением до 100 В включи-
тельно, для которых испытательное напряжение настолько
низко, а изоляция имеет такие большие относительные запасы
электрической прочности, что необходимость в указанной Оче-
редности испытаний становится излишней.
Для обмоток роторов неявнополюсных синхронных машин —
турбогенераторов и турбодвигателей испытание изоляции сле-
дует проводить при вращении с номинальной частотой и по
возможности в нагретом состоянии, потому что под действием
центробежных сил обмотка может продавливать изоляцию, раз-
мягченную нагреванием, особенно в лобовых частях, а при не-
подвижном состоянии — отходить от продавленных мест и этим
скрывать повреждение.
Обмотки с непосредственным жидкостным охлаждением про-
водников, в том числе и водяным, должны подвергаться испы-
танию изоляции при нормальном функционировании системы
охлаждения. Возникающие при этом активные токи утёчки че-
рез жидкость возрастают во много раз по сравнению с сухими
обмотками, но все же остаются меньше токов емкостной про-
водимости изоляции. Если же проводить испытание без проте-
кания жидкости, то возникновение токов утечки через остатки
жидкости в соединительных гибких шлангах между обмоткой
и сборными коллекторами приведет к повреждению этих шлан-
гов.
Испытанию подвергается поочередно каждая электрически
независимая цепь, а все остальные обмотки на это время сое-
диняются с корпусом машины. В машинах постоянного тока
обмотка якоря и соединенные с ней обмотки добавочных полю-
сов и компенсационные обмотки могут считаться за одну цепь;
но различные обмотки возбуждения главных полюсов должны
рассматриваться как электрически независимые цепи.
В машинах переменного тока электрически независимой
цепью считается всякая обмотка, начало и конец которой имеют
самостоятельные выводы, в частности отдельные фазы много-
фазных обмоток, имеющих выводы начал й концов всех фаз.
\ В машинах постоянного тока и в асинхронных двигателях
| с фазными роторами, имеющих металлические бандажи, элект-
49
рически не соединенные с корпусом, должна быть подвергнута
испытанию их изоляция относительно обмотки. Для этой цели
вполне достаточно на время испытания изоляции обмотки (Отно-
сительно корпуса соединить с последним все бандажи. Еслй по-
чему-либо это неудобно, то изоляция бандажей должна/быть
испытана отдельно тем же напряжением, которое предписано
для обмотки, при соединении последней с корпусом. Лишь в мел-
ких машинах постоянного тока, в которых бандажи использу-
ются в качестве уравнительных соединений петлевой обмотки
якоря, изоляция таких бандажей относительно обмотки в гото-
вой машине не может быть испытана.
Изолированные обмотки некоторых видов машин иногда нор-
мально соединяются с корпусом; на время испытания такие
обмотки должны быть отключены от него.
Защитные конденсаторы, которые подключаются к выводам
машин для подавления радиопомех, не рассчитываются на испы-
тательное напряжение обмоток; на время испытания изоляции
они должны быть отключены от выводов, так как иначе неиз-
бежно выходят из строя.
Изоляция считается выдержавшей испытание, если не про-
изошло ее пробоя; при этом явление короны или возникновение
поверхностных скользящих разрядов не принимаются во вни-
мание. Однако с поверхностными разрядами не следует смеши-
вать пробой по поверхности. Разница между ними состоит в том,
что поверхностный разряд, начавшись при некотором напряже-
нии, исчезает после его понижения и вновь возникает примерно
при этом же напряжении; между тем пробой по поверхности
прекращается только после сильного понижения напряжения,
а при повторном прикладывании напряжения начинается при
гораздо меньших его значениях, так как сопровождается по-
вреждением наружных слоев изоляции и резким падением их
сопротивления.
В большинстве случаев пробой по поверхности происходит
вследствие ее загрязнения; это особенно характерно для машин
со щеточными контактами, когда их внутренние поверхности
загрязнены пылью от щеток. Очень часто после тщательной
очистки поверхности изоляции пробой больше не повторяется,
если только при нем не произошло упомянутого повреждения
поверхностных слоев. Следует принять за правило производить
перед испытанием изоляции продувку машины сжатым возду-
хом; это предотвратит многие случаи пробоя по поверхности.
Замасливание поверхности изоляции парами или брызгами
масла из-за неплотности подшипников очень способствует осе-
данию пыли и затрудняет ее удаление.
Если изоляция обмотки не выдержала испытание и была
пробита, напряжение испытательного трансформатора должно
быть немедленно понижено до нуля.
Испытание изоляции обмоток относительно корпуса не огра-
ничивается одним лишь установлением факта пробоя изоляции,
50
\ 4
если он имел место; необходимо найти, где именно произошел
этот пробой, для того чтобы его устранить.
Отыскание места пробоя изоляции производится повторным
прикладыванием напряжения и наблюдением за появлением
искр, выделением дыма или треском от проскакивающей искры,
не видной снаружи. В тех случаях, когда место пробоя скрыто
от наблюдения (например, находится в пазовой части обмотки),
приходится отыскивать его путем деления испытуемой обмотки
распайкой соединений последовательно на все меньшие части.
Наибольшие трудности представляет нахождение пробитого
места в обмотках неявнополюсных роторов синхронных машин,
которые со всех сторон окружены металлом и недоступны для
наблюдения. При отыскании мест пробоя приходится прибегать
к методам, применяемым при определении мест повреждения
в кабелях. Большинство этих мест обычно приходится на лобо-
вые части под бандажами, которые необходимо снимать для
устранения повреждения; можно считать успехом, когда уда-
ется определить, под каким именно бандажом произошел про-
бой, чтобы избежать снятия второго.
Наряду с испытанием изоляции переменным напряжением не-
которые стандарты допускают испытание электрической проч-
ности изоляции обмоток с номинальным напряжением 3000 В
и выше еще и выпрямленным напряжением, равным 1,6 дей-
ствующего значения переменного напряжения, с измерением
токов утечки; допускается применение выпрямительных уст-
ройств как с двухполупериодным, так и с однополупериодным
выпрямлением.
В качестве такого устройства может применяться переносная
кенотронная установка для испытания трансформаторного
масла, имеющаяся во всяком электротехническом хозяйстве,
эксплуатирующем трансформаторы. Обычно такие установки
имеют предел выпрямленного напряжения 70 кВ и выпрямлен-
ный ток до 5 мА, что достаточно для испытания обмоток элек-
трических машин почти самого высокого напряжения.
Пример. Турбогенератор мощностью 500 МВт имеет номинальное напря-
жение £7н=20 кВ. Требуется определить, при каком сопротивлении изоляции
обмотки статора можно провести ее испытание выпрямленным напряжением,
пользуясь установкой для испытания трансформаторного масла с пределом
выпрямленного напряжения 70 кВ и выпрямленным током не более 5 мА.
Испытательное переменное напряжение для новой обмотки с нормальным
напряжением 20 кВ составляет
V* = 2С7Н + 1000 = 2-20 000 + 1000 - 41 000 В;
следовательно, значение выпрямленного напряжения должно быть 1,6 X
Х41 000=65 600 В; таким образом, предел напряжения установки больше
этого значения всего лишь в 70 000/65 000=1,08 раза.
Чтобы установка не перегрузилась, сопротивление изоляции испытуемой
части обмотки, измеренное перед опытом, должно быть не менее 70 000/0,005 =
= 14* 106 Ом=14 МОм.
Подъем испытательного напряжения должен производиться
не менее чем тремя ступенями, одна из которых (не обяза-
51
тельно первая) должна соответствовать половине испытатель-
ного напряжения, а другая — полному, причем подъем напряже-
ния от ступени к ступени должен производиться плавно/при-
мерно за 10 с. Время снятия напряжения не нормировано./
Напряжение следует выдерживать на каждой ступенй в те-
чение 1 мин с измерением тока утечки через каждые 15 с.
На рис. 2.6 представлены три характерные формы/зависи-
мости тока утечки по истечении 1 мин на каждой ступени от
напряжений ступеней. Кривая 1 характерна для исправной
и сухой изоляции; она является прямой или имеет незначи-
Рис. 2.6. Зависимость
тока утечки от напря-
жения
тельный выгиб книзу. Кривая 3 типична
для исправной, но влажной изоляции;
она состоит из двух примерно прямоли-
нейных участков, переходящих один
в другой. Наконец, кривая 2 может на-
блюдаться при сухой, но поврежденной
изоляции — при наличии прокола или
трещины; она имеет явно выраженный
выгиб книзу.
Для того чтобы с уверенностью раз-
личить кривые типов 2 и 5, следует
иметь на каждой кривой достаточное
число точек; судить о форме кривой по
трем точкам, как это предписывают стан-
дарты, затруднительно. Поэтому, если
при. испытании изоляции выпрямленным
напряжением будет установлено замет-
ное отклонение токов утечки от пропор-
циональности напряжению, число ступе-
ней должно быть значительно увеличено; существуют рекомен-
дации производить подъем напряжения ступенями не более чем
по 2000 В.
Аналогично испытанию на месте установки переменным на-
пряжением, равным 80 % полного, для машин, испытанных на
заводе-изготовителе полным напряжением, допускается испыта-
ние выпрямленным напряжением, находящимся в указанном
выше отношении к переменному, т. е. в размере 1,6 от 80 %-кого
или 1,28 от полного переменного напряжения. Как и первое, это
испытание проводится по усмотрению потребителя.
Испытания изоляции переменным и выпрямленным напря-
жением не заменяют, но дополняют друг друга, потому что фи-
зическая природа их воздействия на изоляцию различна. Ста-
тистика показывает, что большинство случаев пробоя изоляции
в пазовой части обмоток и поблизости от выхода из паза падает
на испытание переменным напряжением, в то время как пробои
изоляции лобовых частей почти исключительно приходятся на
испытание выпрямленным напряжением.
Испытание выпрямленным напряжением имеет большее зна-
чение для машин, находящихся в эксплуатации, так как поз-
52
воляет судить об изменении состояния их изоляции, особенно
в лобовых частях, более подверженных различным влияниям,
в первую очередь влажности. Для электромашиностроительных
предприятий, имеющих дело с новыми обмотками, более важно
испытание переменным напряжением, а испытание выпрямлен-
ным является вспомогательным; по этой причине его целесо-
образно проводить до испытания переменным напряжением.
В яроцессе испытания выпрямленным напряжением об-
мотка получает очень высокие заряды, которые не могут сво-
бодно стекать с нее, поскольку выпрямительные вентили ис-
пытательной установки препятствуют этому; для обеспечения
безопасности персонала предписывается разряжать каждую
испытанную обмотку на корпус машины в течение не менее
5 мин.
Испытание изоляции выпрямленным напряжением для об-
моток с непосредственным водяным охлаждением можно про-
водить только при полном отключении всех шлангов, подво-
дящих и отводящих воду, либо от их коллекторов, либо от
обмотки.
В относительно недавнее время разработан еще один спо-
соб испытания изоляции по отношению к корпусу для обмоток
с очень высокими значениями номинального напряжения, ко-
торый по замыслу должен соединять в себе достоинства обоих
предыдущих, а именно комбинированным напряжением; под
этим понимается выпрямленное напряжение, полярность кото-
рого регулярно изменяется с низкой частотой. Применение его
допускается для обмоток с номинальным напряжением не ме-
нее 17 кВ по соглашению между изготовителем и потребителем.
2.7. ИСПЫТАНИЕ МЕЖДУВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК
Испытание междувитковой изоляции обмоток на электри-
ческую прочность является пятым пунктом программ испытаний
машин всех видов. Оно не распространяется, однако, на об-
мотки индукторов машин, возбуждаемых постоянным током;
их междувитковая изоляция не может быть испытана в соб-
ранной машине и испытывается до сборки пооперационным
контролем производства.
Междувитковая изоляция обмоток, подлежащих испытанию,
должна выдерживать при холостом ходе машины повышение
генерируемого (при испытании в режиме генератора) или при-
ложенного от постороннего источника (при испытании в ре-
жиме двигателя) напряжения в общем случае на 30 % сверх
номинального (или наибольшего из номинальных) значения
в течение трех минут. Исключение из этого составляют некото-
рые виды машин, которые по условиям своей работы нужда-
ются либо в более высокой надежности междувитковой изоля-
ции, либо, наоборот, в некотором облегчении условий испыта-
ния.
53
Будучи один раз проведено, испытание междувитковой изо-
ляции обмотки на электрическую прочность более не повто-
ряется; никакое подразделение на части установленной /про-
должительности испытания не предусматривается. /
В машинах, у которых подлежащая данному испытанию
обмотка находится на вращающейся части, его следует прово-
дить по возможности непосредственно после испытания при
повышенной частоте вращения, так как иначе останутся невы-
явленными такие замыкания, которые могут возникнуть при
последнем испытании вследствие перемещений в обмотке.
Для машин постоянного тока, у которых напряжение между
соседними пластинами коллектора настолько высоко, что воз-
никает опасность перекрытия промежутков между ними и, как
следствие, кругового огня на коллекторе, наибольшее допускае-
мое напряжение при испытании определяется из расчета сред-
него напряжения между соседними пластинами не более 24 В;
однако это распространяется только на машины с числом по-
люсов более четырех, потому что в небольших машинах, как
правило, четырехполюсных или даже двухполюсных, среднее
напряжение между пластинами по ряду соображений может
быть допущено и более высоким. Однако в крупных машинах
опасность, возникновения кругового огня существует и при
значениях ниже 24 В, и тем в большей степени, чем выше
номинальное напряжение машины и окружная скорость ее кол-
лектора. Поэтому подъем напряжения следует производить ос-
торожно и постепенно; для наиболее крупных машин не реко-
мендуется превышать 100 В в минуту.
Пример. Требуется определить напряжение для испытания междувит-
ковой изоляции обмотки якоря шестнадцатиполюсного прокатного двигателя
с номинальным напряжением Z7H=750 В, если число пластин коллектора
К=600.
На один полюс приходится К/(2р) =600/16=37,5 пластины; следова-
тельно, наибольшее допускаемое напряжение
max — 24*37,5 = 900 В,
т. е. всего лишь
100 = 100 • = 120 %
UH 750
номинального.
Для возбудителей, рассчитанных на форсировку напряже-
ния возбуждения, при которой оно может превосходить но-
минальное более чем на 30 % , испытание междувитковой изо-
ляции обмотки якоря на электрическую прочность должно про-
водиться при предельном напряжении форсировки, однако
только в течение одной минуты. Следует отметить, что очень
многие из таких возбудителей имеют четыре полюса.
Машины с последовательным возбуждением следует испы-
тывать при независимом возбуждении. Для машин с парал-
лельным возбуждением допустимо проведение испытания при
самовозбуждении, но независимое возбуждение обеспечивает
54
\
более устойчивое регулирование напряжения; кроме того, не
всякая машина позволяет поднять при самовозбуждении необ-
ходимое напряжение — его предельное значение может ока-
заться ниже требуемого для испытания.
Повышение частоты вращения машин постоянного тока при
испытании междувитковой изоляции обмотки якоря сверх наи-
большего номинального значения не предусматривается.
Если испытание междувитковой изоляции не может быть
проведено при вращении машины в режиме ненагруженного
генератора, то его можно выполнить в режиме ненагруженного
двигателя путем подведения напряжения, превышающего
на 30 % номинальное, однако, при условии, что частота вра-
щения при этом не превзойдет номинальную. Измерение на-
пряжения следует производить непосредственно на щетках.
Во избежание повышения частоты вращения последовательная
обмотка возбуждения, если она включена встречно параллель-
ной, должна быть отключена. Если параллельная обмотка воз-
буждения питается от того же источника, что и цепь якоря,
то все регулирующие сопротивления в ее цепи должны быть
выведены; если же источник питания самостоятельный, то сле-
дует подать наибольший возможный ток возбуждения. Подъем
напряжения, приложенного к машине, нужно производить
плавно, чтобы иметь возможность вовремя приостановить опыт,
если частота вращения превзойдет номинальную.
Защиту в цепи питания следует ставить на небольшой пре-
дел, с тем чтобы в случае замыкания витков обмотки якоря
или возникновения кругового огня машина автоматически от-
ключилась от источника питания.
Для всех синхронных машин, кроме турбо- и гидрогенера-
торов, испытание междувитковой изоляции обмоток перемен-
ного тока должно проводиться при напряжении, соответствую-
щем номинальному току возбуждения, но не менее 130 % но-
минального значения. Для турбогенераторов с многовитковыми
секциями обмотки статора напряжение при испытании ограни-
чивается 130 % номинального значения, но в течение не 3,
а 5 мин. Для гидрогенераторов с многовитковыми секциями
испытание должно проводиться повышением напряжения до
150 % номинального, поскольку при сбросе нагрузки с гидрав-
лических турбин возможно быстрое повышение частоты вра-
щения, а вместе с ней и напряжения, более значительное, чем
у первичных двигателей других видов.
Такое повышение напряжения не может быть достигнуто
лишь одним увеличением тока возбуждения, который уже при
130 % номинального напряжения холостого хода обычно имеет
один порядок с номинальным током возбуждения; поэтому раз-
решается производить одновременное повышение частоты вра-
щения, но не более чем на 15 % сверх номинальной. Это
разрешение распространяется и на те синхронные машины,
для которых испытание междувитковой изоляции производится
55
/
повышением напряжения до 130 % номинального, но пользо-
ваться им приходится редко. /
Для крупных турбо- и гидрогенераторов и синхронных 'ком-
пенсаторов с одновитковыми секциями обмотки статора между-
витковое замыкание может иметь место только при двойном
пробое корпусной изоляции, но изоляция обмотки по отноше-
нию к корпусу и между фазами ко времени испытания между-
витковой изоляции уже испытана, если и не в собранной ма-
шине, то в порядке пооперационного контроля, а замыкание
между витками одной и той же фазы крайне маловероятно.
Если испытание производится без повышения частоты вра-
щения, то отсчеты при нем по всем измерительным приборам
могут быть приняты в качестве первого отсчета характери-
стики холостого хода.
Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
испытание междувитковой изоляции проводится при их вра-
щении повышением приложенного напряжения до 130 % номи-
нального; если же магнитная цепь двигателя настолько на-
сыщена, что намагничивающий ток становится больше номи-
нального, то разрешается проводить испытание при повыше-
нии частоты, но не более чем на 15% сверх номинального
значения, а если этого нельзя сделать, то следует сокращать
продолжительность испытания до 1 мин.
В двигателях с фазными роторами испытание междувит-
ковой изоляции проводится при неподвижном и разомкнутом
роторе одновременно для обмоток статора и ротора. Замыка-
ние между витками обмотки ротора может служить причиной
трогания с места; однако ротор может начать вращаться и
при вполне исправной обмотке за счет вихревых токов между
листами стали сердечника или в стяжных шпильках и т. п.,
и его приходится притормаживать посредством хомута на валу,
бруса, вставленного между спицами шкива, и т. п.
Испытание междувитковой изоляции обмоток двигателей
с переключением чисел пар полюсов следует проводить для
каждого из последних особо, так как при переключениях могут
оказаться соприкасающимися различные части обмотки.
Для двигателей с номинальным напряжением не более
660 В допускается применять испытание междувитковой изо-
ляции посредством устройств, основанных на принципе исполь-
зования импульсного напряжения или напряжения повышенной
или высокой частоты, причем продолжительность испытания
может быть сокращена до 2 мин и менее; испытание проводится
в соответствии с инструкцией по применению этих устройств.
2.8. ИСПЫТАНИЕ
ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПЕРЕГРУЗКЕ ПО ТОКУ
Все машины постоянного тока должны без повреждений
и остаточных деформаций выдерживать в нагретом состоянии
перегрузку полуторакратным номинальным током в течение
56
1 tyHH, а возбудители с отношением предельного напряжения
к номинальному более 1,6 — нагрузку двукратным номиналь-
ным током возбуждения возбуждаемой машины в течение 1 мин.
Если один и тот же тип возбудителя применяется для возбуж-
дения машин различных типов, то принимается наибольший
из их токов возбуждения.
Полуторакратный и даже двукратный номинальный ток не-
достаточен для поломки вала или повреждения обмоток элект-
родинамическими усилиями; но такая перегрузка, будучи про-
изведена при нагретом состоянии машины, может вызвать
нарушение паяных контактов, в первую очередь петушков кол-
лектора. Кроме того, при перегрузке машин, особенно с после-
довательным возбуждением или со смешанным возбуждением
при согласном включении обмоток, возможны смещение или
изгибание вала якоря под влиянием возросшего тяжения маг-
нитного поля, что может вызвать задевание полюсных нако-
нечников якорем или обойм щеткодержателей коллектором. Од-
нако основной смысл испытания на кратковременную пере-
грузку по , току состоит в проверке коммутации.
Поскольку это испытание должно проводиться в нагретом
состоянии машины, целесообразно при приемочном испытании
выполнять его по окончании испытания на нагревание, а при
приемо-сдаточном — по окончании проверки номинальных дан-
ных машины, которая для машин мощностью до 500 кВт вклю-
чительно должна проводиться при работе в номинальном ре-
жиме в течение не менее 60 мин. Что касается машин более
крупных мощностей, то электромашиностроительные заводы,
как правило, расширяют для них программу приемо-сдаточных
испытаний почти до полного объема приемочных и прогревают
такие машины до установившейся температуры.
Способ перегрузки может не отличаться от способа пред-
шествовавшей ей нагрузки; но напряжение может быть пони-
жено против того, при котором производилась нагрузка, если
для оборудования поддержать его затруднительно; допускается
проводить это испытание в режиме короткого замыкания.
При наличии сильной последовательной обмотки, включен-
ной встречно, двигатель при перегрузке может недопустимо по-
высить частоту вращения; поэтому, если опыт проводится в ре-
жиме двигателя, следует либо отключать обмотку последова-
тельного возбуждения, либо даже включать ее согласно, однако
при понижении напряжения может быть трудно удержать но-
минальную частоту вращения вследствие чрезмерного намаг-
ничивания машины последовательной обмоткой.
Нельзя требовать, чтобы степень искрения при перегрузке
по току была той же, что и при номинальной нагрузке; обычно
она допускается техническими условиями на одну степень выше.
Так, например, если при номинальной нагрузке допустима сте-
пень искрения РД, то при перегрузке следует считать удовлет-
ворительным, если искрение не превосходит степени Р/2.
57
Суждение о степени искрения при перегрузке на основании
работы машины в течение 1 мин затруднительно, так как столь
малый промежуток времени недостаточен для образования по-
чернения на коллекторе и нагара на щетках, а расхождение
субъективных оценок почти неизбежно. Однако можно счи-
тать, что если при номинальной нагрузке по окончании пере-
грузки восстановится степень искрения, бывшая до нее, то при
ней степень искрения была не выше Р/г- Если же такое вос-
становление наступит лишь спустя некоторое время, например
в пределах сроков, установленных для проверки степени искре-
ния, то надо считать, что при перегрузке она была не выше 2,
так как в противном случае невозможно достаточно быстрое
самоустранение последствий искрения.
Испытание при перегрузке по току не может быть проведено
для тех машин с повторно-кратковременным или перемежаю-
щимся номинальным режимом работы, у которых продолжи-
тельность рабочего периода меньше 1 мин.
Для крановых и металлургических двигателей кратность
тока при проверке коммутации в зависимости от системы воз-
буждения и номинального напряжения установлена от 2,25
до 3,2 по отношению к номинальному току закрытого двига-
теля с естественным охлаждением при ПВ = 25%.
Для бесколлекторных машин переменного тока продолжи-
тельность испытания при перегрузке по току установлена
2 мин, а в случае непосредственного охлаждения обмоток —
1 мин; испытание допускается проводить в режиме короткого
замыкания, а для более или менее крупных машин оно и не
может быть произведено иначе. По окончании опыта надлежит
остановить машину и тщательно осмотреть ее, особенно креп-
ления лобовых частей обмотки статора.
2.9. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
МЕЖДУ КОНЦАМИ ВАЛА
Во вращающихся валах электрических машин могут наво-
диться ЭДС; при наличии цепи, замыкающейся через подшип-
ники и корпус или фундаментную плиту машины, возникают
токи, создающие опасность эрозии трущихся поверхностей под-
шипников, что ведет к расплавлению их вкладышей. Эти ЭДС
могут быть как постоянными, так и переменными.
Постоянные ЭДС характерны для машин постоянного тока
с неправильно выполненными соединениями обмоток, образу-
ющих виток вокруг вала,— обмотки добавочных полюсов и
компенсационной обмотки или последовательной обмотки
главных полюсов. МДС этого витка вызывает продольное на-
магничивание вала, и при его вращении в собственном магнит-
ном поле в нем возникает явление униполярной индукции.
В правильно сконструированных машинах постоянного тока
обращается внимание на то, чтобы соединения обмоток после-
58
довательной цепи представляли по отношению к валу практи-
чески бифиляр; хотя полностью устранить явление униполярной
индукции не удается, все же оказывается возможным свести
индуктированные ЭДС до безопасных значений.
Если наложить на вал машины по обе стороны от якоря
медные щетки, соединенные с магнитоэлектрическим вольтмет-
ром, то последний измерит ЭДС униполярной индукции при ус-
ловии изоляции хотя бы одного из подшипников. Эта ЭДС за-
висит не от возбуждения машины, а от ее токовой нагрузки,
причем безразлично, в каком режиме работы.
На рис. 2.7 показана зависимость ЭДС в вале от тока на-
постоянного тока от
тока нагрузки
Рис. 2.7. Зависимость по-
стоянной ЭДС в вале ма-
шины
грузки, полученная в режиме короткого замыкания крупного
генератора постоянного тока; на ней
отчетливо видно влияние гистерезиса.
Если снять нагрузку, то с течением
времени остаточное намагничивание
вала ослабевает и значение ЭДС па-
дает. Аналогичное явление, но в более
слабой степени, наблюдается в син-
хронных машинах, у которых соеди-
нения между отдельными полюсами
обмотки возбуждения образуют пол-
ный виток вокруг вала.
Переменные ЭДС могут возникать
в валах машин всех видов; источни-
ками их являются разного рода
местные сопротивления в магнитной
цепи рабочего потока машины, различные
и т. п.
несимметричности
В этом отношении наиболее характерны машины перемен-
ного тока с подразделенными на, части статорами, например
гидрогенераторы, в которых применяется деление на 3, 4 и 6
частей, и крупные тихоходные синхронные машины с разъемом
статора в горизонтальной плоскости на 2 части.
Аналогичное действие, хотя и не в столь сильной степени,
оказывают стыки отдельных листов активной стали статора,
пазы для ее направляющих клиньев, сквозные отверстия для
стяжных шпилек и т. п.
Если обозначить число мест увеличения магнитного сопро-
тивления через т, число пар полюсов машины через р и их
общий наибольший делитель через d, то переменные ЭДС воз-
никают тогда, когда m/J=2t+l, где i — любое целое число,
причем частота ЭДС равна частоте статора, увеличенной в mid
раз.
Переменные ЭДС в противоположность постоянным зави-
сят не от тока нагрузки машины, но от ее магнитного потока.
При этом ЭДС, возникающие под действием разъемов статора,
по мере увеличения магнитного потока в машине сначала воз-
растают примерно пропорционально напряжению машины, но
59
затем по меРе Увеличения насыщения, начинают убывать, так
как в'лияПие Разъемов при большом насыщении сглаживается
(рис. 2 8 кРявая Л- Наоборот, ЭДС, вызванные стыками ли-
стов" актиР110^ стали, сначала невелики, так как магнитная про-
водимости листов, перекрывающих стыки, достаточна для почти
равномер^ого распределения магнитного напряжения в сердеч-
нике- но ПРИ Дальнейшем увеличении потока эти листы насы-
щаются d ЭДС соответственно возрастает (рис. 2.8, кривая 2).
Из дрУги? причин возникновения переменных ЭДС наибо-
лее cvine</TBeiiHOa является неравномерность зазора между ста-
у тором и ротором. В двухполюсных
турбогенераторах неточность цент-
ровки ротора по отношению к статору
вызывает появление между концами
вала ротора ЭДС основной частоты,
достигающей десятков вольт.
Инструментом для измерения элек-
трического, напряжения в вале должен
служить вольтметр низкого сопротив-
ления; для этого измерения непри-
годны приборы с малым потреблением
тока, как, например, катодные вольт-
метры, так как они подвержены силь-
ному влиянию наводок от полей рас-
сеяния, способных полностью иска-
зить результат измеренйя.
Измерение напряжения между кон-
цами вала входит в программы при-
емо-сдаточных испытаний крупных
синхронных машин — турбогенерато-
Рис. 2.8. з^иисимость пере-
менной ЭД*-* в вале ма-
шины пере>,ен,кго тока от
„стока
ров, гидрогенераторов и синхронных
компенсатор03. Кроме того, для этих машин нужно измерять
напряжен^16 иеждУ изолированной опорой (подшипником или
подпятник014) и корпусом или фундаментной плитой при за-
шуптировДннЫХ масляных пленках всех опор, как изолирован-
ных так и неизолированных. Это шунтирование следует про-
изводить медными щетками, накладываемыми на вал в непо-
средствен^0** близости от опоры и надежно соединенными с ее
корпусом короткими гибкими проводниками большого сечения.
В7 случае нарушения изоляции какой-либо из изолирован-
ных опор напряжение между нею и корпусом или плитой дол-
жно быть меньше напряжения в участке вала между данной
опорой и ближайшей к ней неизолированной опорой. Однако
равенство этих напряжений не может служить достоверным сви-
детельствам того> что изоляция опоры имеет нужный уровень.
Токи Р подшипниках при неизолированных опорах могут
быть измеРеиы посредством трансформатора тока без первич-
ной ogMPTKH, имеющего достаточное окно для свободного
охвата вРла ВНУТРИ- машины и подвешенного на растяжках.
60
Для обеспечения правильности результатов измерений жела-
тельно, чтобы сердечник такого трансформатора был неразъ-
емным, что, однако, создает затруднения в его применении, так
как требует разборки машины для <его установки.
2.10. ИЗМЕРЕНИЕ БИЕНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ I ЧАСТЕЙ
Под биением вращающихся час-.тей понимается неодинако-
вость расстояний от оси вращения тгех их точек, которые соот-
ветственно конструкции должны (быть равноудаленными от
этой оси, т. е. лежать на окружности с центром на оси вра-
щения. Различаются статическое бивение, при котором геометри-
ческая ось вращающейся части в об5щем совпадает с осью вра-
щения (за исключением естественного прогиба, который может
быть заметен в длинных валах), hi динамическое биение, при
котором геометрическая ось вращающейся части не совпадает
с осью вращения, совершая по отношению к последней опре-
деленные перемещения, а в длинньпх гибких валах еще и пре-
терпевая более или меиее сложные отклонения от прямолиней-
ности. Простой общей связи междуг обоими видами биения не
существует; в отдельных случаях статическое биение может
исчезать при вращении с той или иной частотой и, наоборот,
динамическое биение способно возникать там, где статическое
биение практически отсутствовало, и отнюдь не обязательно,
чтобы в результате вибрации.
Измерение биения вращающихся частей производится при
медленном вращении, когда динамические явления не могут
возникать. Практически биения измеряются на поверхностях
коллекторов, контактных колец и свободных концов валов или
насаженных на них полумуфт, шкивюв и т. п.
Инструментом для измерения (биения служит стрелочный
индикатор. Если поверхности гладкие, то его наконечник мо-
жет упираться непосредственно в них; но для измерения бие-
ния прерывистой поверхности коллектора следует пользоваться
хорошо притертой к ней щеткой.
Если вращающаяся часть покоитгся в подшипниках качения,
то место расположения индикатора безразлично; но при под-
шипниках скольжения предпочтительно устанавливать его или
сверху, или снизу, так как покачшвание шеек во вкладышах
может исказить результаты измерешия в случае расположения
индикатора сбоку.
Если проворачивание вращающейся части производится на
своем ходу, то поверхность коллектора находится под напря-
жением; чтобы устранить возможность замыкания, индикатор
следует изолировать от корпуса машины или снабдить его
стержень насадкой из твердого нещроводящего материала. При
измерении биения установка штатива индикатора^ должна ис-
ключать его покачивание. Допустимго крепление штатива струб-
цинками к близлежащим неподвижным частям машины.
)
61
Измерение биения коллекторов должно производиться как
в холодном, так и в нагретом состоянии непосредственно после
испытания при повышенной частоте вращения с целью про-
верки их монолитности. При измерении биения коллекторов
необходимо обращать внимание не только на общие размеры
биения, но и на его характер. Плавное движение стрелки ин-
дикатора свидетельствует о достаточной цилиндричности кол-
лектора при некоторой его несоосности с шейками вала. На-
против, нерегулярные подергивания стрелки и скачкообразные
изменения ее положения указывают на особенно опасные для
работы щеточного аппарата местные нарушения цилиндрич-
ности, вызываемые провалами или выступами отдельных плас-
тин или групп пластин вследствие недостаточной формовки кол-
лектора. При возможности поворачивания коллектора на не-
большие углы может быть выяснено распределение биения по
окружности. Если поверхность коллектора цилиндрична, но
имеет эксцентриситет по отношению к оси вала, то эта зави-
симость будет синусоидальной с одним периодом за оборот
вала; однако производимые таким образом измерения не от-
личаются точностью.
Предельные допустимые значения биения коллекторов и
контактных колец официально не нормированы; поэтому могут
быть приведены только нормы, принятые некоторыми крупными
электромашиностроительными заводами для внутреннего поль-
зования (табл. 2.1 и 2.2). Они относятся к измерениям, произ-
водимым при окружной скорости не более 1 м/с, и к равномер-
ному распределению биения по окружности; выступание отдель-
ных пластин не допускается.
Таблица 2Л
Диаметр кол- Частота вращения п , об/мин
лектора, мм До 100 100—400 400-600 600—850 850-1250
До 600 — 0,04 0,06 0,03 0,05 0,03 0,04 0,02 0,04
600—900 0,05 0,08 0,03 0,03 0,03 0,05
900—1500 0,05 0,09 0,04 0,07 0,06 0,05
1500—1900 0,06 0,04 —
Свыше 1900 0,09 0,05 0,08 0,07
62
Таблица 2.2
Диаметр кон- тактных колец, мм Частота вращения п, об/мин
До 200 200-500 500—1000 1000-1500 1500—3000
До 200 0,03 0,03 0,03
1 >
0,05 0,04 0,04
0,04 0,04 0,03 0,03
200—360 — 0,06 0,06 0,05 0,05
0,05 0,04 0,04 0,03 0,03
360—600 1 1 " <
0,08 0,07 0,07 0,06 0,06
0,06 0,05 0,05
600—1000 1
0,091 0,08 0,08
Примечание. В числителях — биение в холодном состоянии машины,
в знаменателях — биение в нагретом состоянии.
Удовлетворительный результат измерения биения не дает
гарантии того, что при полной рабочей окружной скорости
данная поверхность будет работать спокойно; под влиянием
местных неуравновешенностей вращающаяся часть может пре-
терпевать деформации, вызывающие увеличение биения по
сравнению с измеренным при малой скорости, когда таких де-
формаций нет.
Иногда наблюдается, что поверхность, спокойно работаю-
щая на полном ходу, имеет значительное биение при медлен-
ном вращении; такой случай характерен для коллекторов и
контактных колец, у которых доводка поверхности произве-
дена при полной частоте вращения.
В недостаточно доброкачественно изготовленных коллекто-
рах наблюдается заметная разница биения в холодном и на-
гретом состояниях на ходу, причем в нагретом состоянии осо-
бенно отчетливо проявляются нарушения правильной цилинд-
ричности. Такие коллекторы требуют подтягивания в нагретом
состоянии (если только оно возможно по конструкции) с по-
следующей обработкой поверхности и повторной проверкой би-
ения также в нагретом состоянии на ходу. При этом важно
установить, какие именно пластины выступают, нарушая ци-
линдричность, для того чтобы знать, продолжается ли это вы-
ступание и после проведения указанных операций. С этой
целью коллектор приводится во вращение с номинальной
частотой и к его поверхности прижимается пригнанная к ней
буковая или дубовая колодка, трением которой коллектор
разогревается до требуемой температуры. При этом пластины,
имеющие даже ничтожное выступание, отчетливо выделяются
резким отличием цвета от остальной поверхности.
63
2.11. ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИИ И УРОВНЯ ШУМА
Оба данных испытания — измерение вибрации и измерение
уровня шума — входят в программы приемочных испытаний
машин всех видов, но для некоторых разновидностей либо одно,
либо другое, либо оба вместе могут быть настолько существен-
ными, что им должны Подвергаться все выпускаемые машины
данной категории, и они включаются тогда в программы при-
емо-сдаточных испытаний.
Несмотря на то что звуковые колебания являются по своей
природе продольными, Между тем как вибрации — главным об-
разом поперечными, между ними есть много общего и потому
имеет смысл рассматривать их совместно, тем более что во
многих случаях они имеют общие причины.
Причины возникновения вибрации различных частей элек-
трических машин разнообразны, но программы испытаний
имеют в виду главным образом наиболее существенную из
них недостаточную уравновешенность вращающейся части ма-
шины или ее небаланс. Частота этой вибрации /'=«/60, гдеп —
частота вращения машины. В неявнополюсных синхронных ма-
шинах с двумя полюсами на эту вибрацию может наклады-
ваться вибрация удвоенной частоты f"—2f'=n/30, происходя-
щая от неодинаковости статического момента инерции попе-
речного сечения ротора по двум взаимно перпендикулярным
осям из-за неравномерности распределения пазов по окружности.
Оба эти вида вибрации могут проявляться в виде шума, осо-
бенно при высоких значениях частоты вращения; но при низ-
ких частотах — от 100Q об/мин и ниже — они уже не могут
восприниматься на слуге
В машинах переменного тока сердечник, а вместе с ним и
корпус статора могут вибрировать с удвоенной частотой пере-
менного тока fj а именно f'"=2f; эта вибрация определяется
тяжением, производимом каждым полюсом магнитного поля
машины. Она способна передаваться от статора подшипникам,
б/5/И ,С,ВЯЗЬ межДУ ниь?и жесткая; в двухполюсных машинах
При промышленной частоте 50 Гц эта вибрация, как и про-
исходящая от недостаточной уравновешенности вращающейся
части, слабо воспринимается на слух, но в машинах повышен-
ной, а особенно высокий частоты определяемый ею шум может
быть очень значительным.
В машинах, сопряженных с другими механизмами, на все
указанные вибрации может накладываться вибрация от недо-
статочной уравновешенности этих механизмов или от погреш-
ностей прицентровки; частота таких вибраций обычно равна f'.
При чрезмерной вязкости смазочного масла в подшипниках.
например из-за слишком низкой температуры, также может
появляться вибрация, причем ее частота обычно ниже, чем
нередко она бывает близка к 0,5 f'.
64
Вибрация может иметь и постороннее: происхождение — от
других работающих машин, иногда находящихся на значитель-
ном расстоянии от данной машины, шопадающей, однако,
в зону пучности резонансных колебаний- 1Шумовые проявления
такой вибрации обычно ничтожны.
Все перечисленные виды вибраций мюгут сопровождаться
дребезжанием различных, плохо закрепленных деталей как са-
мих машин, так и их окружения, которьям вибрация переда-
ется через фундамент; их звуковой эфф»ежт может быть очень
значительным, но не является закономедэжым, и они подлежат
тщательному устранению, как помехи.
Относительно слабо проявляется в вид1е вибрации, но акус-
тически более существен шум от перем: аггничивания, вызывае-
мый явлением так называемой магнитост рикции — изменением
размеров магнитных тел при перемагншчшвании — и механиче-
ским взаимодействием их отдельных элементов, например ли-
стов сердечника якоря. При неудачном выборе соотношений
шагов пазов статора и ротора такой пиучи может отличаться
большой интенсивностью и иметь высокий тгон.
Вентиляционный шум создается колебаниями охлаждающего
газа, вызываемыми лопастями вентиляторов и всякими дру-
гими выступами на поверхности вращавопцейся части машины,
в сочетании с неоднородностями поверхности неподвижной
части, о которые разбиваются струи газа.. В машинах с разомк-
нутым циклом вентиляции значительную часть его составляет
шум воздуха в отверстиях для выхода последнего в атмосферу
и в меньшей степени — в отверстиях дл я входа. В быстроход-
ных машинах существенный шум можете производиться соеди-
нительной муфтой за счет головок болтов, а при работе ма-
шины в одиночку — за счет отверстий длгя них.
Щеточный шум коллекторных машин имеет сложное проис-
хождение; основой его является вибраци я щеток, зависящая от
многих факторов, из которых наиболее существен коэффициент
трения, в меньшей степени — давление щеткодержателй, за-
зоры между щеткой и обоймой щеткодержателя, линейная ско-
рость коллектора, соотношение между шириной щетки и деле-
нием коллектора и ряд других. КоэффиЩиент трения, в свою
очередь, не является постоянной величиной,, так как на него вли-
яют помимо материала щеток также (состояние поверхности
коллектора — степень наличия на ней гжолитуры; но еще силь-
нее на него влияет плотность тока в щеточном Контакте: силь-
ный шум при холостом ходе машины заметно ослабевает при
нагрузке и, наоборот, снова возникает при ее сбросе. В мень-
шей степени эти явления наблюдаются ша контактных кольцах,
особенно у быстроходных синхронных ма.шин.
Измерение вибрации и уровня шума производится в основ-
ном при работе машины в режиме холостого хода в одиночку,
ио многомашинные агрегаты зачастую содержат машины с не-
полным числом подшипников; эти машины не могут быть уста-
3 Заказ № 512
65
ным валом измерение производится на направляющих под-
шипниках, если они для этого доступны; в противном случае
точки измерения могут выбираться по соглашению.
Кроме вибрации опор, в более крупных машинах перемен-
ного тока следует измерять вибрацию сердечника статора в ра-
диальном направлении в середине длины пакета в точках,
доступных для установки вибропреобразователя, т. е. чувстви-
тельного элемента, воспринимающего вибрацию и преобразую-
щего ее в сигнал, подаваемый на виброизмерительный прибор.
Измерение уровня шума в полной мере может быть произ-
ведено только при испытании в специально предназначенном
для этого звукоизолированном помещении, а при его отсутствии,
Рис. 2.10. Измерение вибрации машины на стояко-
вых подшипниках
а также для машин значительной мощности оно должно вы-
полняться на общем испытательном стенде, и в задачу персо-
нала последнего может входить лишь обеспечение необходимых
для этого условий.
При измерении уровня шума следует принимать меры к по-
нижению посторонних шумов до возможного минимума, напри-
мер, проводя испытание в ночное время или в выходной день.
Измерение уровня шума турбогенераторов на заводе-изготови-
теле не производится, так как условия на испытательном стенде
и на месте установки не сопоставимы.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПИТАНИЕ, ПРИВОД И НАГРУЗКА
ИСПЫТУЕМЫХ МАШИН
3.1. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЯ
ИСПЫТУЕМЫХ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН
Как уже было отмечено, первичным источником энергии при
испытании электрических машин следует считать распредели-
тельную сеть трехфазного тока того или иного напряжения. Эта
сеть может являться непосредственным источником питания
испытуемой машины, если их номинальные напряжения (и ча-
стоты) одинаковы; при этом напряжение, подводимое к объекту
испытания, не регулируется, но и не остается неизменным, так
как на него влияют, с одной стороны, колебания напряжения
системы, а с другой — местные нагрузки, в том числе и самой
испытуемой машины, создающие падения напряжения. Поэтому
непосредственное питание может быть допущено лишь тогда,
когда отклонения напряжения либо не препятствуют процессу
испытания, либо могут быть учтены соответствующими пересче-
тами. При различии номинальных напряжений объекта испы-
тания и сети между ними может быть введен трансформатор,
но это не изменяет сущности дела.
Помимо напряжения, сетевое питание характеризуется
также частотой, однако с тем различием, что нагрузка объекта
испытания не может оказать никакого влияния на нее; кроме
того, отклонения частоты от номинального значения обычно
значительно меньше, чем отклонения напряжения, а ее колеба-
ния несравненно медленнее. Влияние отклонений частоты тоже
может быть учтено пересчетом, но зачастую это не строго обя-
зательно.
Фактором, определяющим качество сетевого питания, явля-
ется симметрия его напряжений. Хотя согласно определению
стандартов практически симметричной считается такая система
трехфазных напряжений, в которой составляющая обратной по-
следовательности не превосходит 1 % составляющей прямой по-
следовательности, но для целей испытания следует считать это
требование недостаточно жестким. Источником несиммётрии на-
пряжений может являться всякий трансформатор стержневого
типа, наиболее распространенного, и всякая однофазная на-
грузка как между фазами, так и между одной из фаз и ней-
тралью. .
Разного рода статические устройства для регулирования на-
пряжения, такие, как индукционные регуляторы, регуляторные
трансформаторы и т. п., хотя и позволяют плавно регулировать
напряжение в более или менее широких пределах, зачастую
даже от нуля, но не освобождают от влияния ни одного из пе-
речисленных факторов.
Для того чтобы напряжение источника не зависело от изме-
нений напряжения’ сети, он должен быть электрически отделен
от нее. Такому требованию удовлетворяет электромашинный
преобразовательный агрегат в составе двигателя и генератора
переменного тока; одновременно им обеспечивается симметрич-
ность напряжений, если только она не будет нарушаться не-
симметричностью нагрузки; но при всяких изменениях нагрузки
напряжение такого источника может оказаться зависимым от
нее в большей степени, чем сетевое. Разного рода автоматиче-
ские регуляторы напряжения усложняют оборудование и за-
трудняют его обслуживание, но не всегда решают поставлен-
ную задачу.
69
Генератор такого агрегата должен быть пригоден для пи-
тания приемников с различными напряжениями; с этой целью
целесообразно подразделять фазы обмотки его якоря на равные
синфазные части, выведенные самостоятельно к доске переклю-
чений выводов для последовательного, группового или парал-
лельного соединения и сопряжения в звезду или треугольник.
Что касается двигателя, то им может быть обыкновенная син-
хронная машина, но агрегат приобретет особую ценность, если
в качестве двигателя будет применена машина продольно-попе-
речного возбуждения, более подробно рассматриваемая ниже,
в § 3.6.
На небольших испытательных машинах, где проводятся в ос-
новном испытания асинхронных двигателей, для такого агре-
гата может быть применен асинхронный двигатель, но синхрон-
ный более желателен, несмотря на то, что обслуживание его
сложнее и стоимость больше.
Источниками постоянного тока для питания испытуемых и
вспомогательных машин служат генераторы постоянного тока,
которые целесообразно вводить по два одинаковых в агрегаты
с синхронными машинами, также снабжаемыми переключением
обмоток. Непременным условием является наличие легких по-
следовательных обмоток, включаемых в режиме генератора
встречно (на размагничивание).
Если надлежит производить испытания двигателей постоян-
ного тока, предназначенных для работы от статических вы-
прямителей, то испытательная станция должна располагать их
батареей с мощностью, достаточной для питания под нагруз-
кой с возвратом энергии через агрегаты; однако от этих вы-
прямителей в случае надобности могут получить питание и дви-
гатели агрегатов станции.
Таким образом, основное оборудование испытательной стан-
ции может состоять из преобразовательных агрегатов двух ти-
пов — двухмашинных из двух синхронных машин и трехмашин-
ных из одной синхронной машины и двух машин постоянного
тока, нормально включаемых параллельно или последовательно,
но лишь в редких случаях порознь. Как правило, агрегаты с ма-
шинами постоянного тока устанавливаются попарно для воз-
можности работы в качестве групп постоянно-переменной ча-
стоты; на больших испытательных станциях таких групп бывает
несколько — разной мощности.
Для испытательной станции важной является правильная
система возбуждения всех машин, как составляющих постоян-
ное оборудование, так и испытуемых и вспомогательных. Как
правило, возбуждение всех машин должно быть независимым
от источников с отдельным приводом. Установление любого за-
данного режима работы при независимом возбуждении проис-
ходит быстрее и точнее и требует меньше исправлений для
приближения к заданным параметрам, чем при самовозбужде-
нии в любой его форме. Поэтому последнее в практике испы-
7о
таний применяется только в тех случаях, когда требуется опре-
деление свойств машин, связанных именно с ним.
Более того, машины с возбудителями, имеющими собствен-
ные подшипники, не рекомендуется выставлять на стенды вме-
сте с ними, так как выверка слишком длинных валопроводов
и обеспечение их правильной работы на стенде, имеющем значи-
тельно меньшую жесткость, чем фундамент машины на
месте установки, излишне затруднительны. Синхронные машины
с бесщеточными системами возбуждения должны снабжаться
приставными контактными кольцами, устанавливаемыми
вместо этих систем, исключающих возможность измерения тока
возбуждения в процессе испытания с необходимой точ-
ностью.
В качестве источников возбуждения применяются генера-
торы постоянного тока с приводом асинхронными двигателями,
обычно по два в агрегате. Их возбуждение тоже должно быть
независимым от источника с постоянным напряжением, в каче-
стве которого лучше всего применять батарею аккумуляторов
или, при ее отсутствии, один из возбудительных агрегатов. Та-
кая система дает возможность квадратичного возбуждения всех
главных машин испытательных схем, при котором регулирова-
ние их возбуждения переносится в цепи возбуждения возбуди-
телей и может производиться регуляторами умеренных разме-
ров, но с большим числом ступеней. Все генераторы группы
возбудительных могут либо вовсе не иметь последовательной
обмотки, либо только очень слабую, включенную на подмаг-
ничивание.
Взамен источника подвозбуждения в виде батареи или аг-
регата возможно применение небольших тиристорных выпря-
мителей отдельно для каждого возбудителя; это удобно тем, что
миниатюрные потенциометры, необходимые для регулирования
их напряжения, могут быть встроены в измерительные пульты
на рабочих местах, так как выделение тепла в них ничтожно.
Однако применение тиристорных выпрямителей непосредст-
венно для возбуждения главных машин не может быть реко-
мендовано, особенно для машин постоянного тока, так как не-
благоприятно отражается на их коммутации.
3.2. ПРИВОД В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА
Для испытания машины любого вида в режиме генератора
необходимо ее сопряжение с приводным двигателем, в качестве
которого может быть применен любой механический двигатель,
но преимущественно электродвигатель, допускающий легкое и
точное измерение потребляемой мощности, а при возвратной
работе — локализацию ее внутри замкнутой цепи, составленной
только из электрических машин. Однако не исключается приме-
нение неэлектрических двигателей, например, при испытании на
месте установки машины.
71
Сопряжение машины, испытуемой в режиме генератора,
с ее приводным двигателем может производиться как муфтой,
эластичной или жесткой, так и ременной или клиноременной
(тексропной) передачей.
Если заданная частота вращения совпадает с одной из син-
хронных при промышленной частоте, то при непосредственном
сопряжении целесообразно применение синхронного двигателя,
обеспечивающего постоянство частоты вращения. Испытатель-
ная станция обычно имеет возможность включать его в сеть
точной синхронизацией, между тем как асинхронный двигатель
с короткозамкнутым ротором не может быть включен без толчка»
хотя бы кратковременного, даже если будет приведен во вра-
щение с синхронной частотой какой-либо другой машиной.
Но если пусковой ток асинхронного двигателя не превышает
возможностей испытательной станции и неточность поддержа-
ния частоты вращения вследствие скольжения не является не-
приемлемой, синхронный двигатель может быть заменен асин-
хронным. Коллекторные двигатели переменного тока допускают
не только поддержание частоты вращения, но и изменение ее
в более или менее широких пределах; однако их применению
в качестве приводных препятствует малая распространенность,
сложность обслуживания, ограниченность мощности и трудность
определения ее доли, передаваемой приводимому генератору.
В случае необходимости поддержания частоты вращения на
произвольном заданном уровне или изменения ее в более или
менее широких пределах наиболее общим решением является
привод двигателем постоянного тока, питаемым от преобразо-
вательного агрегата в составе двигателя переменного тока и
генератора постоянного тока или от статического выпрямителя,
питаемого от сети.
Если требуется вращение генератора, сопряженного с при-
водным двигателем переменного тока, с частотой, отличающейся
от той, с которой этот двигатель работает при питании от рас-
пределительной сети переменного тока, то необходимо питание
двигателя от источника с регулируемой частотой в составе двух
агрегатов — агрегата постоянной частоты из двигателя пере-
менного тока и генератора постоянного тока и агрегата пере-
менной частоты из двигателя постоянного тока и генератора
переменного тока, питающего приводной двигатель. При не-
больших мощностях агрегат переменной частоты может быть
снабжен коллекторным двигателем, питаемым прямо от сети
переменного тока.
Для привода тихоходных и относительно небольших синхрон-
ных машин, испытываемых в режиме генератора без отдачи
энергии, могут применяться пристроенные к ним возбудители
постоянного тока, особенно когда они сопряжены на одном
валу с возбуждаемыми машинами. В случае сопряжения возбу-
дителя с машиной при помощи клиноременной передачи за-
труднение представляет главным образом момент трогания
72
с места; для дальнейшего вращения мощность возбудителя
обычно достаточна.
Возбудители большей частью снабжаются последователь-
ной обмоткой возбуждения, включаемой согласно (на намаг-
ничивание). Для режима двигателя она окажется включенной
встречно и будет препятствовать пуску и устойчивой работе;
поэтому ее следует на время испытания переключить в обрат-
ном направлении. Если направление вращения испытуемой ма-
шины безразлично, то можно вращать ее в обратную сторону;
тогда последовательная обмотка станет намагничивающей в ре-
жиме двигателя. Для быстроходных синхронных машин мощ-
ность их штатных возбудителей для использования последних
в качестве приводных двигателей обычно недостаточна.
При сопряжении асинхронного приводного двигателя с ис-
пытуемым генератором посредством ременной передачи к сколь-
жению двигателя прибавляется скольжение ремня, которое не
может быть подчинено закономерной зависимости от переда-
ваемой мощности; поэтому применение ременной передачи не-
желательно, и если его нельзя избежать, то следует отдать пред-
почтение двигателю постоянного тока. Применение ременной
передачи препятствует определению мощности, подводимой к ис-
пытуемому генератору, так как при ней трудно учитывать по-
тери в передаче.
При сопряжении с испытуемым генератором посредством
жесткой или эластичной муфты все основные виды электриче-
ских двигателей, кроме коллекторных двигателей переменного
тока, допускают достаточно точное и простое определение мощ-
ности, подводимой к испытуемой машине. Обычно оно произ-
водится измерением электрической мощности, подводимой к при-
водному двигателю, с учетом потерь в нем на основании пред-
варительного тарирования, т. е. определения отдельных потерь
при всех применяемых частотах вращения, напряжениях и то-
ках. Другим способом является прямое измерение приклады-
ваемого к испытуемому генератору вращающего момента, для
чего применяются двигатели, подобные балансирным генера-
торам, упоминаемым ниже, в § 3.4.
Если испытание генератора ограничивается опытами без
отдачи энергии (холостой ход, короткое замыкание и т. п.), то
желательно, чтобы номинальная мощность приводного двига-
теля была только в 1,5—2 раза больше максимально возмож-
ной при этих опытах суммы потерь в испытуемой машине;
тогда неточности тарирования не внесут существенных ошибок
в результаты опытов, поскольку потери в приводном двигателе
будут малы по сравнению с отдаваемой им механической мощ-
ностью.
Однако у приводного двигателя, мощность которого мала по
сравнению с мощностью приводимого генератора, начальный
пусковой момент может оказаться недостаточным для трогания
с места, когда нужно преодолевать момент трения в подшип-
73
никах, во много раз превосходящий его значение после уста-
новления нормального режима смазки, наступающего уже при
самой незначительной частоте вращения.
Наиболее благоприятными для пуска являются двигатели
постоянного тока, особенно при наличии компенсационной об-
мотки и более или менее сильной последовательной обмотки,
включенной на подмагничивание. Предельно возможной крат-
ковременной форсировкой возбуждения можно довести магнит-
ный поток двигателя примерно до полуторакратного по отно-
шению к нормальному и перегрузкой по току до 2—2,5-кратной
развить при трогании 3—4-кратный момент, что недостижимо
для двигателя никакого другого вида. Приложенное к двига-
телю напряжение будет при этом состав-
1 лять только небольшую долю номинального
| и для его питания требуется, чтобы источ-
: ник постоянного тока обеспечивал лишь не-
nrad обходимый ток. После установления нор-
мального режима смазки подшипников
приводимой машины питание двигателя мо-
ану жет быть передано источнику с меньшим
__________номинальным током, но с напряжением и
И У мощностью, достаточными для дальнейшей
_____:Н; работы.
Рис. 3.1. Защемление конца троса на ободе муфты
Однако двигатели постоянного тока значительных мощно-
стей не могут быть построены на большие частоты вращения,
что препятствует их применению для привода крупных быстро-
ходных машин. Чтобы использовать их преимущества, применя-
ется сопряжение таких машин с двигателями постоянного тока
умеренной частоты вращения (500—750 об/мин) через повы-
шающий редуктор. Это имеет тот недостаток, что при опреде-
лении мощности, подводимой к объекту, помимо потерь в дви-
гателе нужно учитывать потери в редукторе, что не всегда
может быть сделано с достаточной точностью.
Если момент, развиваемый приводным двигателем, оказы-
вается недостаточным для трогания машины с места, то прихо-
дится прибегать к вспомогательным средствам для преодоления
начального момента трения. Простейшим из таких средств
является рычаг, которым можно одновременно с включением
приводного двигателя провернуть вращающуюся часть, и затем
быстро убрать во избежание подхвата ею; однако малейшая
оплошность при этой операции способна привести к тяжелым
последствиям, и потому она не может быть рекомендована.
Более безопасным является трогание при помощи крана тро-
сом, навитым на доступный для этого участок вращающейся
части, например на муфту между двигателем и генератором.
74
Во избежание несчастных случаев длина навитой части троса
не должна быть больше возможного подъема крюка и конец
троса следует лишь защемлять его собственными витками
(рис. 3.1). На случай возможного разрыва люди не должны
находиться поблизости от троса.
Наконец, с успехом применяется принудительная подача
смазочного масла перед началом пуска под шейку вала с дав-
лением, достаточным для ее подъема и растекания масла по
нижнему вкладышу подшипника, что требует, однако, специ-
ально приспособленных вкладышей. Возможно использование
также приставных устройств с гидравлическими домкратами,
приподнимающими вал на толщину масляной пленки, т. е.
порядка 0,3 мм, на системе подшипников качения.
Если мощность приводного двигателя сравнима с мощностью
приводимого генератора, то возможность пуска определяется
только энергетическими ресурсами испытательной станции.
3.3. ПИТАНИЕ И ПУСК ДВИГАТЕЛЕЙ
Различаются две основные разновидности питания: когда
напряжение должно оставаться неизменным и когда оно может
изменяться в более или менее широких пределах. При пере-
менном токе это же относится и к частоте, но большинство ис-
пытаний требует поддержания ее неизменной, например на
уровне номинальной.
Питание двигателя постоянного тока большей частью про-
изводится от отдельного источника — генератора постоянного
тока с независимым возбуждением; его напряжение можно бы-
стро и точно изменять в любых пределах — от нуля до наиболь-
шего допустимого. Источником постоянного тока может также
служить статический выпрямитель, тогда возможность регули-
рования напряжения определяется его устройством.
Если приходится применять источник постоянного тока с не-
регулируемым напряжением в виде распределительной сети
постоянного тока, то поддержание напряжения на неизменном
уровне и его регулирование возможны только поглощением
в реостатах избытка напряжения сверх требуемого, что допус-
тимо лишь при небольших мощностях. Если нагрузка двига-
теля во время испытания практически не изменяется и требу-
ется только поддерживать напряжение на заданном уровне, то
применяется последовательно включенное сопротивление Но
если нагрузка изменяется в широких пределах или если требу-
ется широкое регулирование напряжения, то такое сопротив-
ление становится чрезмерно громоздким и более удобно при-
менение потенциометрической схемы регулирования напряже-
ния. Чем меньше ток, потребляемый двигателем, по сравнению
с током, нагружающим потенциометр, тем устойчивее регули-
рование, так как тем в меньшей степени напряжение зависит
от тока двигателя.
75
Если для двигателя переменного тока требуется широкое
регулирование приложенного напряжения при неизменной ча-
стоте, то наиболее удобно питание от преобразовательного аг-
регата, состоящего из двигателя переменного тока и генератора
соответствующего напряжения, числа фаз и частоты. Двигатель
может быть асинхронным, если допустимо отступление частоты
от номинальной в пределах его скольжения; в противном слу-
чае следует применить синхронный двигатель.
Индукционный регулятор как источник широко регулируе-
мого напряжения применяется при небольших мощностях —
не свыше немногих десятков киловольт-ампер; при более зна-
чительных мощностях требуется его исполнение с масляным
охлаждением. Однако, если нужно только поддержание напря-
жения источника на определенном уровне, целесообразен воль-
тодобавочный индукционный регулятор с ограниченными пре-
делами регулирования напряжения; проходящая через него
мощность может быть во столько раз больше его собственной,
во сколько индуктированное в нем напряжение меньше прило-
женного.
При применении индукционного регулятора в сетях высо-
кого напряжения питание его намагничивающей обмотки
(обычно роторной) производится от сети низкого напряжения,
что освобождает от необходимости применения высоковольт-
ной изоляции для этой обмотки.
Относительно небольшой индукционный регулятор с широ-
ким регулированием напряжения можно использовать для ог-
раниченного регулирования напряжения при значительно боль-
ших мощностях, если применить вольтодобавочный трансфор-
матор, у которого каждая фаза обмотки низшего напряжения
включена последовательно в один из проводов питающей ли-
нии, а обмотка высшего напряжения получает питание от ин-
дукционного регулятора. Последовательно включенная обмотка
должна иметь номинальный ток, не меньший проходящего че-
рез нее, и изоляцию, достаточную для напряжения питания,
что трудно совместимо; однако если обмотка питаемого объекта
высокого напряжения имеет выводы начал и концов всех фаз,
то последовательная обмотка трансформатора может быть
включена в ее разомкнутую нейтраль (рис. 3.2) и заземлена
через сопротивление (или наглухо, если это может быть допу-
щено в данной сети). Неудобство такого варианта состоит в том,
что для измерения мощности, подводимой к двигателю, нельзя
пользоваться способом двух ваттметров, так как они учтут
и мощность трансформатора; возможен только способ трех
ваттметров с включением обмоток напряжения между нача-
лами и концами фаз двигателя.
В зависимости от согласования начал и концов обмоток
схемы, вольтодобавочный трансформатор с индукционным регу-
лятором может обеспечить регулирование напряжения в сто-
рону как повышения, так и понижения, но переход от одного
76
к другому должен производиться переменой местами начал и
концов всех фаз одной из обмоток трансформатора.
Замена схемы индукционного регулятора схемой фазорегу-
лятора позволяет плавно регулировать напряжение в обе сто-
Рис. 3.2. Включение вольто-
добавочного трансформа-
тора в нейтраль объекта
испытания
роны; для нее достаточно отключить от источника питания про-
ходную обмотку регулятора и замкнуть ее выводы накоротко.
При одном и том же оборудовании индукционный регулятор
дает вдвое более широкие пределы регулирования, чем фазо-
регулятор, зато последний обеспечивает непрерывность регу-
лирования, не требуя переключения при переходе от повыше-
ния напряжения к понижению или обратно.
Если требуется питание двигателя напряжением, не только
регулируемым в широких пределах, но и с частотой, не зави-
симой от распределительной сети, то
применяется схема с двумя преобразо-
вательными агрегатами — постоянной
и переменной частоты.
Для пуска двигателей постоянного
тока, как испытуемых, так и вспомо-
гательных, применяются все обычные
способы; однако преимущественное
применение при испытании, особенно
машин средней и крупной мощности,
находит пуск подъемом напряжения
источника индивидуального питания
при предварительно поданном неза-
висимом возбуждении.
Холостой ход двигателя постоян-
ного тока может производиться от ис-
точника, мощность которого доста-
точна лишь для покрытия механических потерь и потерь
в стали, т. е. составляет небольшую долю номинальной мощ-
ности пускаемой машины; однако повышенные значения на-
чального момента трения в подшипниках при трогании с ме-
ста и коэффициента трения щеток на коллекторе при малых
окружных скоростях заставляют либо выбирать источники
большей мощности, либо применять его форсировку в макси-
мально возможной степени, либо, наконец, прибегать к искус-
ственным способам преодоления начального момента.
Поскольку вращающий момент пускаемого двигателя про-
порционален произведению тока в цепи якоря на магнитный
поток, последний на время пуска имеет смысл предельно фор-
сировать; последовательная обмотка пускаемого двигателя (если
она имеется) должна быть включена согласно (на подмагни-
чивание), хотя обычно ее МДС составляет относительно не-
большую часть по отношению к МДС основной обмотки. Ком-
пенсированные машины пускаются легче некомпенсированных,
так как в них практически отсутствует ослабление поля реак-
цией якоря.
77
При трогании с места допустима значительная перегрузка
источника по току, которая определяется не столько перегре-
ванием обмоток, сколько его коммутационной способностью. )
Для двигателей переменного тока применимы всё сущест-
вующие способы пуска: непосредственное включение, пуск че-
рез реактор, автотрансформатор и т. п., если их допускают
энергетические ресурсы испытательной станции, и особенно
способы, не применяемые в обычной эксплуатации, а именно j
асинхронный пуск синхронных и асинхронных двигателей пу-
тем постепенного подъема напряжения и синхронный пуск син-
хронных двигателей путем постепенного подъема частоты.
Асинхронный пуск может быть применен к синхронным ма-
шинам, имеющим пусковую или успокоительную клетку на по-
люсах индуктора. При нем обмотка возбуждения индуктора не
должна оставаться разомкнутой, так как наводимая в ней
ЭДС представляет опасность для изоляции; ее следует замы- J
кать на 5—10-кратное сопротивление, но не накоротко, по-
скольку при этом возможно застревание на половине синхрон-
ной частоты вращения.
Пускаемая машина присоединяется наглухо к вращающе-
муся, но невозбужденному источнику, и подачей возбуждения <
напряжение последнего поднимается до тех пор, пока машина
не начнет вращаться. По достижении подсинхронной частоты
вращения, характеризуемой резким спаданием пускового тока
и повышением напряжения источника, пускаемая машина мо-
жет быть возбуждена, для чего обмотка ее индуктора пере-
ключается с пускового сопротивления на источник возбужде-
ния; при ^вращении с подсинхрснной частотой размыкание t
обмотки индуктора безопасно. Подачей возбуждения пускае-
мая машина втягивается в синхронизм с источником питания. ;
Синхронный пуск может быть применен к машинам, как
имеющим, так и не имеющим клетки на полюсах индуктора.
Пускаемая машина и неподвижный источник питания соединя- 4
ются наглухо, обеим машинам предварительно подается воз-
буждение. Наилучший результат достигается в том случае,
когда источнику питания подается ток возбуждения, соответ-
ствующий по его характеристике холостого хода номинальному
напряжению пускаемой машины или несколько больший, а пус-
каемой машине — примерно половина тока возбуждения, соот-
ветствующего ее номинальному напряжению.
После этого источник приводится во вращение; чем плав- *
нее его трогание с места, тем вернее пускаемая машина сразу ?
входит с ним в синхронизм. В более трудных случаях прихо-
дится прибегать к облегчению трогания пускаемой машины
искусственными способами; однако при этом следует тщательно
согласовать момент начала вращения источника с толчком, со- *
общаемым пускаемой машине извне. Дальнейшее разворачи-
вание машины до номинальной частоты вращения не представ-
ляет затруднений.
78
По окончании пуска нередко практикуется синхронизация
с распределительной сетью переменного тока по общим прави-
лам точной синхронизации, после чего источник питания может
быть отключен. Таким способом удается подключать крупные
машины к маломощным линиям, не могущим обеспечить их
пуск обычными способами.
Самосинхронизация на испытательных станциях обычно не
применяется, так как толчки тока при ней нарушают работу
других машин, подвергаемых в это время испытанию. Основ-
ная цель самосинхронизации — экономия времени на включе-
нии машины — здесь не имеет смысла.
Пуск асинхронных двигателей с фазными роторами спосо-
бом подъема напряжения производится нормально при замкну-
той накоротко обмотке ро-
тора; хотя начальный пуско-
вой момент при этом мал, его
обычно бывает достаточно для
трогания с места, поскольку
условия пуска легки. Если же
эти условия тяжелы, напри-
мер в случае привода круп-
ных машин двигателями от-
носительно малой мощности,
то целесообразно производить
трогание с места при включе-
нии в цепь ротора пускового
Рис. 3.3. Проверка направления вра-
щения двигателя постоянного тока
реостата, сопротивление которого соответствует максимальному
значению начального пускового вращающего момента, и начи-
нать его выведение не ранее достижения установившейся ча-
стоты вращения. Это сопротивление может быть подсчитано по
формуле
100 — sK
где /?2 — сопротивление фазы обмотки ротора; $к — критиче-
ское скольжение в процентах, соответствующее максималь-
ному моменту при замкнутом накоротко роторе, определяемое
по расчету или по диаграмме двигателя. Точность этой фор-
мулы невелика, поскольку критическое скольжение sK относи-
тельно мало, особенно в крупных машинах; но для данной цели
она достаточна.
Часто бывает необходимо точно знать, в какую сторону нач-
нет вращаться двигатель при пуске. Для двигателей постоян-
ного тока это выясняется проверкой полярности ЭДС якоря по
отношению к напряжению источника питания; если проворачи-
вать якорь в заданном направлении при поданном возбужде-
нии, то при двухполюсном разрыве полярности по обе его сто-
роны должны быть одинаковы (рис. 3.3, а), а при однополюс-
ном — противоположны (рис. 3.3, бив).
79
Для синхронных двигателей и асинхронных двигателей
с фазным ротором проверка производится подачей питания при
сильно пониженном напряжении, достаточном лишь для при-
ведения в действие частотомера, подключенного к разомкнутой
обмотке индуктора или фазного ротора. Если толкнуть ротор
двигателя в заданную сторону, то при правильном чередова-
нии фаз питания частотомер покажет заметное понижение ча-
стоты, а при неправильном — повышение.
Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
направление вращения может быть проверено только сравне-
нием усилий, необходимых для проворачивания ротора в том
и другом направлении при питании статора сильно понижен-
ным напряжением.
3.4. НАГРУЗКА БЕЗ ВОЗВРАТА ЭНЕРГИИ
Наиболее простым способом нагрузки как испытуемых, так
и вспомогательных генераторов является поглощение энергии
в нагрузочных сопротивлениях — реостатах всевозможных ви-
дов. При нем работа генератора вполне устойчива и нагрузка
регулируется изменением либо нагрузочного сопротивления,
либо возбуждения генератора.
Основной областью применения такого способа нагрузки
является испытание машин небольших мощностей, так как при
более значительных мощностях затраты энергии слишком ве-
лики, а нагрузочные сопротивления становятся громоздкими.
Указать пределы целесообразности применения поглощения
энергии трудно; они зависят от технической оснащенности ис-
пытательной станции, числа проводимых испытаний, соотноше-
ния между стоимостью труда, затрачиваемого на сборку схем
возвратной работы, и стоимостью сэкономленной энергии и т. д.
Однако в ряде случаев необходимость нагрузки на сопротивле-
ние определяется либо затруднительностью, либо даже невоз-
можностью применения иных способов нагрузки:
для генераторов постоянного тока малой и средней мощности
высокого напряжения (например, для питания радиостанций)
отсутствуют подходящие двигатели высокого напряжения;
генераторы для питания отдельных сварочных постов имеют
резко падающую внешнюю характеристику, препятствующую
совместной работе с двигателями;
генераторы переменного тока повышенной и высокой ча-
стоты (например, для питания закалочных и плавильных печей
и т. д.) ввиду отсутствия двигателей этой частоты, тем более
при однофазном токе, не могут быть нагружены иначе;
для генераторов всех видов с кратковременным или переме-
жающимся режимом работы и рабочим периодом малой продол-
жительности невозможно установить нагрузку иначе, как на
сопротивление, всегда готовое к работе и лишь требующее не-
значительного подрегулирования.
80
В зависимости от мощности, в качестве нагрузочных при-
меняются различные виды устройств — от мелких реостатов
до крупных специальных сооружений. Они могут быть как ре-
гулируемыми, так и нерегулируемыми, по роду проводника —
металлическими с воздушным или водяным охлаждением,
жидкостными и т. п.
Не углубляясь в подробности устройства нагрузочных со-
противлений, следует отметить, что при значительной мощности
более целесообразны такие, у которых нагрузка регулируется
изменением числа нагруженных параллельных ветвей; разного
рода шунтовые и магнитные регуляторы нецелесообразны, так
как в них объем работающей части убывает по мере увеличе-
ния тока нагрузки.
При мощностях в десятки, а тем более в сотни киловатт,
в целях сокращения размеров устройства приходится применять
его охлаждение проточной водой. На 1 м3 объема резервуара
можно допускать до 200—250 кВт поглощаемой мощности. При
изготовлении сопротивлений из константановой ленты плотность
тока может быть доведена до 60—80 А/мм2; круглая стальная
проволока допускает нагрузку до 40—50 А на 1 мм диаметра.
Чтобы вода не доходила до кипения, ее часовой расход должен
составлять не менее 10 л на 1 кВт поглощаемой мощности; но
при открытой установке нагрузочных сопротивлений возможно
применение испарительного охлаждения, которое сокращает
расход воды в 7—8 раз.
Для поддержания хорошей сохранности нагрузочных сопро-
тивлений с водяным охлаждением следует промывать их по
окончании работы проточной водой до полной ее прозрачности,
затем спускать воду и просушивать; в этих условиях даже со-
противления из стальной проволоки могут годами служить без
повреждений.
Реостаты, в которых проводником служит жидкость — про-
точная вода или раствор щелочи с пополнением убыли послед-
него от испарения, не следует применять при постоянном токе
из-за выделения гремучего газа и быстрого разъедания элек-
тродов; но при переменном токе они могут применяться без
ограничения мощности и напряжения.
Трудно создавать и регулировать симметричную трехфаз-
ную активную, а еще труднее — реактивную нагрузку для син-
хронных генераторов; если в распоряжении нет специальных
трехфазных реакторов с регулируемым сопротивлением, то ин-
дуктивную нагрузку можно создать путем подключения нена-
груженных асинхронных двигателей или трансформаторов, об-
ладающих очень низким коэффициентом мощности. Другим спо-
собом получения реактивной нагрузки является подключение
синхронной машины, работающей в режиме ненагруженного
недовозбужденного двигателя.
Для генераторов однофазного тока повышенной и высокой
частоты достаточная индуктивная составляющая нагрузки за-
81
частую может быть получена сворачиванием в бухты проводов,,
соединяющих генератор с нагрузочным реостатом; вообще же
последовательное соединение активной и реактивной нагрузок
не рекомендуется, так как затрудняет установление заданной
нагрузки; гораздо удобнее, чтобы каждая составляющая могла
быть отрегулирована независимо.
Генераторы высокой частоты, особенно однофазные, нередко-
предназначаются для работы на активно-емкостную нагрузку;
в этих случаях их приходится нагружать конденсаторами, вклю-
чаемыми параллельно с нагрузочными сопротивлениями.
Следует упомянуть о специально построенных реакторах
для индуктивной нагрузки генераторов вплоть до крупнейших,
применяемой рядом зарубежных фирм. Реакторы имеют разно-
образное конструктивное исполнение — в виде однофазных или
трехфазных единиц с масляным или воздушным охлаждением,
со ступенчатым регулированием путем переключения частей
обмотки или с плавным — посредством подмагничивания сер-
дечников постоянным током. Потери в реакторах ничтожны по
сравнению с полной мощностью — в наиболее крупных едини-
цах составляют лишь доли процента от нее, так что коэффи-
циент мощности этих реакторов почти равен нулю; однако
в СССР они не нашли применения.
Средством для нагрузки двигателей всех видов без воз-
врата энергии являются тормоза, основанные на различных
принципах.
Тормоза трения начиная с простого колодочного, называе-
мого «тормозом Прони», доступны для изготвления подруч-
ными средствами. Создаваемый ими момент может быть полу-
чен при сколь угодно малой частоте вращения или даже в со-
стоянии покоя затормаживаемого вала, что является их
преимуществом; к их недостаткам относятся трудность регули-
рования и поддержания постоянства момента вследствие неус-
тойчивости коэффициента трения и затруднительность отвода
теплоты при сколько-нибудь значительных мощностях.
Для торможения мелких двигателей применяется ленточный
тормоз — металлическая или текстильная лента, переброшен-
ная через шкив двигателя и натягиваемая с обоих концов ди-
намометрами; усилие определяется как разность показаний
последних в момент отсчета. Его недостатком является одно-
стороннее тяжение, которое может приводить к перегрузке под-
шипников; если есть такое опасение, лучше прибегнуть к при-
менению электромагнитного тормоза.
Гидравлические тормоза работают на проточной воде, уно-
сящей выделяемое тепло. К их достоинствам относится легкая
регулируемость и возможностть применения при значительных
мощностях, а к недостаткам — сложность конструкции, боль-
шая масса и установка на собственных подшипниках, требую-
щая сопряжения муфтой с испытуемым двигателем, в то время
как тормоза трения при мощностях даже в десятки киловатт
82
могут быть собраны непосредственно на шкиве нагружаемого
двигателя.
Электромагнитные тормоза, основанные на действии вихре-
вых токов в металлических массах, отличаются легкой регули-
руемостью, но создаваемый ими момент убывает с уменьшением
частоты вращения и практически равен нулю в состоянии по-
коя. Кроме того, хотя при незначительных мощностях тормоз-
ной диск или цилиндр может быть насажен непосредственно
на вал нагружаемого двигателя, но уже при мощности 1 —
2 кВт тормозу нужны собственные подшипники, которые пони-
жают чувствительность и осложняют сопряжение с нагружае-
мой машиной. При больших частотах вращения тормоз создает
заметные потери на трение о воздух, им не учитываемые.
Областью применения тормозов являются испытания дви-
гателей настолько малой мощности, что схемы возвратной ра-
боты не дают заметной экономии энергии вследствие низкого
коэффициента полезного действия машин, входящих в схему;
однако необходимость применения тормозов иногда диктуется
свойствами нагружаемой машины. Так, тормоза трения целе-
сообразны при испытании двигателей с широким изменением
частоты вращения, к которым принадлежат двигатели постоян-
ного тока с последовательным возбуждением и некоторые кол-
лекторные двигатели переменного тока. Нагрузка тормозом не-
заменима при испытании очень быстроходных или тихоходных
двигателей, когда не удается подобрать нагрузочный генератор.
Для нагрузки с поглощением энергии в реостатах пригодны
главным образом генераторы постоянного тока; синхронные ге-
нераторы применяются редко из-за трудности сооружения на-
грузочных реостатов трехфазного тока, а асинхронные генера-
торы для этой цели вообще непригодны. Возбуждение генера-
торов должно быть независимым, так как это позволяет быстро
и точно регулировать нагрузку в широких пределах.
При сопряжении двигателя с нагрузочным генератором ре-
менной передачей мощность генератора выбирается достаточно
большой для того, чтобы можно было производить испытание
двигателей в широких пределах мощности, а частота враще-
ния— такой, чтобы при работе с наиболее крупным и быстро-
ходным из испытуемых двигателей она не превосходила номи-
нальную. Тогда все двигатели меньшей мощности и с меньшими
частотами вращения могут быть сопряжены с генератором без
смены его шкива.
Основным недостатком нагрузочного генератора, как и элек-
тромагнитного тормоза, является понижение момента при умень-
шении частоты вращения. ;Однако в состоянии покоя ма-
шины момент не обращается в нуль, а сохраняет некоторое
значение вследствие так называемого прилипания из-за неоди-
наковости магнитного сопротивления зазора при различных
положениях зубцов якоря относительно полюсных наконечни-
ков и за счет трения, создаваемого щетками на коллекторе и
83
подшипниками скольжения. Первое зависит от числа зубцов
якоря и размеров полюсной дуги и в различных машинах вы-
ражено в разной степени; второе тем заметнее, чем больше ще-
ток на коллекторе, чем больше его диаметр и чем тяжелее
якорь.
Для непосредственного измерения тормозного момента при-
меняются динамометрические (или балансирные) генераторы.
Магнитная система такого генератора вместе со щеточной
траверсой устанавливается на собственных подшипниках и мо-
жет качаться между ограничителями. К ней прикреплен рычаг,
подобный рычагу тормоза. Преимуществом динамометрического-
генератора является то, что энергия передается какому-нибудь
внешнему приемнику. Он может быть превращен в динамо-
метрический двигатель, позволяющий измерять развиваемый
вращающий момент, если это нужно при испытании приводи-
мого им генератора. Динамометрические генераторы строятся
значительных мощностей — до 100 кВт и более; однако такие
крупные машины находят применение главным образом при
испытании неэлектрических двигателей, например авиационных.
3.5. ВОЗВРАТНАЯ РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Как было уже отмечено, действие схем возвратной работы
(и взаимной нагрузки как их частного случая) основано на по-
следовательном преобразовании электрической энергии в ме-
ханическую и обратно.
Всякая подобная схема состоит из более или менее длин-
ной цепи электрических машин, начинающейся двигателем, по-
лучающим питание от первичного источника (например, рас-
пределительной сети), и заканчивающейся генератором, воз-
вращающим источнику часть затраченной энергии, оставшуюся
за вычетом потерь, сопровождающих каждое преобразование.
Чем меньше таких преобразований, чем крупнее входящие
в схему машины и чем ближе их нагрузка к той, при которой
КПД имеет наибольшее значение, тем большая часть затрачи-
ваемой энергии возвращается источнику.
Схемы возвратной работы обратимы: каждый генератор мо-
жет быть переведен в режим двигателя и каждый двигатель —
в режим генератора. Это дает возможность производить на-
грузку испытуемой машины в обоих режимах работы без из-
менения состава схемы, только переменой направления потока
энергии в ней.
Состав схем возвратной работы зависит от того, требуется
ли регулирование частоты вращения машины, испытуемой в ре-
жиме генератора, и нужно ли создавать возможность изменения
частоты вращения машины, испытуемой в режиме двигателя.
Если машине, испытуемой в режиме генератора, требуется
обеспечить постоянство частоты вращения, равной одной из
синхронных при промышленной частоте, то в качестве привод-
84
ного целесообразно применить синхронный двигатель, питае-
мый от распределительной сети, с сопряжением муфтой.
Равным образом, если от машины, испытуемой в режиме
двигателя, требуется работа при постоянной частоте вращения,
то в качестве нагрузочного должен быть применен синхронный
генератор, работающий на распределительную сеть.
Однако, если можно удовлетвориться только приблизитель-
ным поддержанием частоты вращения на определенном уровне,
синхронная машина в обоих рассмотренных выше случаях мо-
жет быть заменена асинхронной. Тогда нагрузка генератора
будет происходить при частоте вращения ниже синхронной,
а нагрузка двигателя — при частоте вращения выше синхрон-
ной в пределах скольжения вспомогательной асинхронной ма-
шины.
На рис. 3.4, а представлена простейшая схема возвратной
работы для нагрузки генератора постоянного тока в том слу-
Рис. 3.4. Простейшая схема
ратора (а) и двигателя
возвратной работы гене-
(б) постоянного тока
чае, когда его приводным двигателем является двигатель пе-
ременного тока Д/— синхронный, асинхронный или коллек-
торный. Испытуемый генератор ИГ передает вырабатываемую
им энергию нагрузочному двигателю постоянного тока Д2, со-
пряженному с генератором переменного тока Г2— также син-
хронным, асинхронным или коллекторным; последний возвра-
щает часть получаемой им энергии обратно в сеть переменного
тока, питающую приводной двигатель Д1, чем и завершается
круговорот энергии. От сети требуется покрыть потери во всех
машинах схемы, в соединительных проводниках между ними
и в передачах, если они применяются.
Приведение в действие схемы может быть осуществлено
двумя путями. Так, обе пары: первая, состоящая из приводного
двигателя Д1 и испытуемого генератора ИГ, и вторая, состоя-
щая из нагрузочного двигателя Д2 и генератора переменного
тока Г2, пускаются от сети переменного тока; затем на обеих
машинах постоянного тока поднимается напряжение до одного
и того же значения и после его проверки они могут быть вклю-
чены друг на друга. Эту проверку следует производить по ну-
левому показанию вольтметра, включенного на зажимы одно-
полюсного выключателя между машинами постоянного тока.
85
Но вторая пара может быть пущена и со стороны постоян-
ного тока либо пусковым реостатом, либо подъемом напряже-
ния испытуемого генератора от нуля при предварительно по-
данном от постороннего источника возбуждении нагрузочного
двигателя; очередность пуска пар может быть и обратной. После
пуска второй пары ее машина переменного тока должна быть
включена в сеть; если это синхронная машина, то — синхрони-
зацией; если же она асинхронная (а также синхронная с воз-
можностью асинхронного пуска), то — прямым включением.
Чтобы при этом не произошло удара нагрузки, частота враще-
ния подключаемой машины переменного тока должна быть как
можно ближе к синхронной, что следует тщательно проверить.
Управление напряжением и нагрузкой испытуемого генера-
тора производится одновременным регулированием возбужде-
ния обеих машин постоянного тока, что быстрее и точнее, если
они имеют независимое возбуждение.
За счет изменения возбуждения либо обеих машин — ис-
пытуемого генератора и нагрузочного двигателя, либо даже
только одной из них направление потока энергии в схеме мо-
жет быть изменено на обратное (рис. 3.4, б). В результате
этого роли всех машин в схеме изменяются: испытуемый гене-
ратор ИГ превращается в испытуемый двигатель ИД, его при-
водной двигатель переменного тока Д1 — в нагрузочный гене-
ратор Г1, нагрузочный двигатель Д2— в питающий генера-
тор Г2, а сопряженный с ним генератор переменного тока Г2 —
в двигатель Д2.
С одинаковым успехом схема пригодна для того, чтобы пе-
ренести испытание с генератора ИГ на двигатель Д2 без изме-
нения первоначального направления потока энергии; тогда ис-
пытуемый генератор превращается в питающий, нагрузочный
двигатель —в испытуемый, а обе машины переменного тока —
двигатель Д1 и генератор Г2 — сохраняют прежние режимы ра-
боты. Таким образом, испытание каждой из двух машин по-
стоянного тока может проводиться в любом режиме работы
и в одинаковых условиях, если обе машины переменного тока
принадлежат к одному и тому же виду.
Все дальнейшие схемы возвратной работы построены та-
ким образом, что одна и та же машина в них является испы-
туемым генератором, если направление потока энергии внутри
замкнутого контура происходит против часовой стрелки, и ис-
пытуемым двигателем, если оно обратно. Во всех схемах она
обозначена двойным кружком. Если испытуемый генератор
нуждается в регулировании частоты вращения, то (исключая
случай применения для его привода коллекторного двигателя
переменного тока) в качестве приводного двигателя должен
быть применен двигатель постоянного тока; для его питания
в схему вводится еще одна пара — генератор постоянного тока
с двигателем переменного тока (рис. 3.5). И здесь при измене-
нии направления потока энергии испытуемый генератор может
«6
быть превращен в испытуемый двигатель и соответственно из-
меняться режимы работы прочих машин схемы.
Схема рис. 3.5 содержит четыре машины постоянного тока,
и для управления ими требуется вдвое больше органов регу-
лирования возбуждения, чем в схеме рис. 3.4; зато здесь обес-
печивается возможность работы при изменяющейся частоте
вращения испытуемой машины, что делает схему пригодной
для определения различных характеристик в режиме двигателя.
В отдельных случаях особенности оборудования испытатель-
ной станции могут потребовать дальнейшего усложнения схемы
возвратной работы введением в нее дополнительных преобра-
зований энергии; но в общем ее
можно рассматривать как схему пре-
дельной необходимой сложности при
возврате энергии в распределительную
Рис. 3.6. Схема возврат-
ной работы с покрытием
потерь электрическим
путем
сеть переменного тока. Как правило, входящие в нее две пары
с машинами переменного тока являются агрегатами испыта-
тельной станции; таким образом, последняя должна обладать
машинами, мощности которых заведомо выше мощностей ис-
пытуемых машин.
Если помимо пары, состоящей из испытуемой машины и
сопряженной с ней вспомогательной машины, имеется еще одна
пара сопряженных машин постоянного тока не меньшей мощ-
ности, то,располагая агрегатом значительно меньшей мощности,
чем машины этих двух пар, в составе двигателя переменного
тока и генератора постоянного тока, можно подать от послед-
него питание приводному двигателю, вращающему испытуе-
мый генератор, а энергию генератора, вращаемого нагрузоч-
ным двигателем, возвратить в линию, соединяющую генератор
с двигателем (рис. 3.6). При этом необходимо, чтобы напря-
жению каждой из машин одной пары соответствовало напря-
жение одной из машин другой пары. Таким образом, круго-
ворот энергии замыкается внутри четырехугольника из машин
постоянного тока, и от генератора меньшей мощности требуется
лишь покрыть потери в них.
87
Покрытие потерь может производиться не электрическим,
а механическим путем, если с одной из пар машин сопряжен
какой-либо двигатель, электрический или неэлектрический
(рис. 3.7). Если он сопряжен с парой, содержащей испытуе-
мую машину, то частота вращения последней определяется
этим двигателем.
Когда напряжения испытуемой и механически сопряженной
•с ней машины одинаковы, круговорот энергии может быть
замкнут между ними; обе последние схемы теряют смысл и
превращаются в схемы взаимной нагрузки, рассматриваемые
в § 3.6.
Машины переменного тока, за исключением только некото-
рых видов коллекторных машин, не допускают произвольного
изменения частоты вращения, если только частота системы
остается неизменной; поэтому в схемы их возвратной работы
Рис. 3.7. Схема возврат-
ной работы с покры-
тием потерь механиче-
Рис. 3.8. Схема возврат-
ной работы машины пе-
ременного тока с нере-
гулируемой частотой
ским путем
следует вводить либо участок передачи энергии постоянным
током, либо иное устройство, позволяющее создавать поток
энергии определенного направления.
При испытании машины переменного тока промышленной
частоты участок передачи энергии постоянным током может
находиться как до испытуемой машины, так и после нее
(смотря по направлению потока энергии в схеме), если только
на этот участок не возлагается задача восстановления синхро-
низма, нарушенного скольжением какой-либо асинхронной ма-
шины схемы. В схеме возвратной работы могут быть и два
участка постоянного тока — до и после испытуемой машины.
При этом источниками питания испытуемого двигателя должны
служить либо сеть переменного тока, либо синхронный генера-
тор, а приемниками энергии испытуемого генератора — либо
синхронный двигатель, либо сеть.
На состав и возможности применения схем возвратной ра-
боты существенное влияние оказывает род машины, сопряжен-
ной с испытуемой, т. е. приводного двигателя или нагрузочного
генератора; кроме того, если это машина переменного тока,
то небезразлично, синхронная она или асинхронная.
Схемы возвратной работы более просты, когда с испытуе-
мой машиной сопрягается машина постоянного тока. На
«8
рис. 3.8 представлена простейшая схема для нагрузки генера-
тора переменного тока, вращаемого приводным двигателем по-
стоянного тока. Этот двигатель получает питание от генера-
тора постоянного тока, приводимого двигателем переменного
тока от распределительной сети, а испытуемый генератор отдает
свою энергию обратно в ту же сеть. При изменении направле-
ния потока энергии эта же схема может быть применена для
нагрузки испытуемого двигателя, сопряженного с нагрузочным
генератором постоянного тока, отдающим энергию двигателю
постоянного тока; последний приводит генератор переменного
тока, работающий на сеть.
В случае если номинальные напряжения сети и испытуемой
машины различны, между последними должен быть введен со-
ответствующий трансформатор; если же требуется только под-
регулирование напряжения в узких пределах, то может быть
применен вольтодобавочный трансформатор с индукционным
регулятором или фазорегулятором.
В схеме рис. 3.9 трансформатор заменен агрегатом, состоя-
щим из синхронного двигателя и синхронного генератора. Ма-
шина, электрически соединенная с испытуемой (нагрузочный
двигатель при испытании генератора или питающий генератор
при испытании двигателя), должна иметь переключение обмо-
ток на разные напряжения.
Дальнейшим развитием схем возвратной работы являются
схемы, содержащие два участка передачи энергии постоянным
током — по обе стороны от испытуемой машины. Ценой этого
усложнения приобретается независимость частоты испытуемой
машины от сетевой частоты, что необходимо при различии этих
частот или при отклонениях сетевой частоты от номинального
значения, если они не могут быть допущены при испытании.
Наличие двух участков постоянного тока позволяет произ-
вести замыкание круговорота энергии на постоянном токе. Как
и в аналогичных схемах для нагрузки машин постоянного тока,
питающий агрегат должен покрывать только потери в схеме.
Сопряжение испытуемой машины со вспомогательной ма-
шиной переменного тока представляет особый интерес, когда
обе машины одинаковы. Соответствующие схемы отличаются
большей сложностью, но и большим разнообразием, чем при
сопряжении со вспомогательной машиной постоянного тока.
Наиболее проста схема рис. 3.10. В ней вспомогательная
машина, сопряженная с испытуемой, включается непосредст-
венно в распределительную сеть и должна быть синхронной,,
так как иначе частота испытуемой машины будет отклоняться
от сетевой вследствие скольжения вспомогательной машины.
На рис. 3.11 представлено видоизменение схемы рис. 3.10,
отличающееся место расположения испытуемой машины. Та-
кая схема находит применение для нагрузки синхронных дви-
гателей в пределах мощности установленного оборудования,
хотя результаты испытания при случайных значениях сетевого
89
напряжения требуют поправок для приведения к номиналь-
ному напряжению испытуемой машины. Что касается ее приме-
нения к испытанию синхронных генераторов, то она может
иметь преимущество по сравнению с более простой схемой
рис. 3.10 только по соображениям, вызванным какими-либо осо-
бенностями оборудования испытательной станции или прИВОД-
Рис. 3.9. Схема возвратной ра-
боты машины переменного
тока с регулируемым напря-
жением
Рис. 3.10. Схема возвратной
работы машины переменного
тока, сопряженной с другой
машиной переменного тока
Рис. 3.11. Вариант схемы возврат-
ной работы машины переменного
тока, сопряженной с другой ма-
шиной переменного тока
ного двигателя (например, отличием его частоты от нор-
мальной).
Наибольшей сложностью, но зато и максимальной гибкостью
обладает схема рис. 3.12, в которой имеются два участка пе-
редачи энергии постоянным током — до и после испытуемой
машины. Эта схема может иметь
применение в наиболее сложных
случаях, как, например, испыта-
ние пары машин ненормальной
частоты при неравенстве напря-
жений двух участков постоянного
тока.
Круговорот энергии может и
здесь быть замкнут на участке
постоянного тока. Такая схема
обеспечивает полную свободу со-
четаний машин и предельную
гибкость. Для нее достаточно
наличия двух агрегатов с мощностями, не меньшими мощности
испытуемой машины; третий агрегат, питающий схему постоян-
ным током, может иметь мощность, достаточную лишь для по-
крытия потерь в ней.
Следует остановиться на одном дополнении к схемам воз-
вратной работы. Пусть требуется произвести нагрузку синхрон-
ного генератора ИГ, приводимого двигателем Д1 от сети
(рис. 3.13). Имеются два агрегата достаточной мощности, со-
стоящие из асинхронной машины и машины постоянного тока.
Тогда одна из асинхронных машин может быть применена в ка-
честве нагрузочного двигателя Д2, а другая — в качестве гене-
90
ратора ГЗ, возвращающего энергию в сеть. Такая схема при-
годна для того, чтобы нагрузить испытуемый генератор актив-
ной мощностью, но коэффициент мощности будет определяться
асинхронным двигателем Д2\ чтобы довести его до заданного
значения, параллельно с машинами ИГ и Д2 подключается син-
хронная машина СМ в режиме ненагруженного двигателя, ре-
гулированием возбуждения которой можно исправить коэффи-
циент мощности испытуемого генератора.
Рис. 3.12. Схема возвратной работы машины пе-
ременного тока с регулируемой частотой
Рис. 3.13. Применение компен-
сирующей синхронной машины
При испытании сопряженных одинаковых машин постоян-
ного тока возникает затруднение, если требуется произвести
нагрузку испытуемой машины в режиме генератора, так как
это создает перегрузку машины, работающей в режиме двига-
теля; это затруднение отпадает
при возвратной работе синхрон-
ных машин. Если испытуемая
машина является по своему на-
значению генератором, то пар-
ная с ней машина в режиме дви-
гателя не перегружается, так
как на ней может быть установ-
лен более высокий коэффициент
мощности и необходимая механи-
ческая мощность будет получена
при меньших значениях тока
якоря и тока возбуждения, чем при номинальной нагрузке
в режиме генератора.
Пример. Требуется провести испытание на нагревание при номинальной
нагрузке синхронного генератора мощностью 800 кВт, 1000 кВ-А, 6300 В,
cos ф —0,8. КПД этого генератора без учета потерь на возбуждение, подавае-
мое от отдельного источника, равен 94,5 %. Для привода имеется вторая та-
кая же машина.
Номинальный ток генератора
Мощность, подведенная к генератору, должна быть
Р2д = Pir - 800-100/94,5 = 847 кВт.
Если принять, что КПД машины в режиме двигателя с близкой мощно-
стью тот же самый, что очень недалеко от действительности, то к двигателю
91
нужно подвести мощность
р1д = 847-100/94,5 = 895, кВт.
При этом же напряжении 6300 В, приложенном к двигателю, и при
cos (р=0,9 ток, потребляемый двигателем,
895-1000
0,9-6300 д/З
Если повысить коэффициент мощности двигателя до единицы, то даже
при напряжении 6000 В его ток будет только 86,3 А.
3.6. ВЗАИМНАЯ НАГРУЗКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Под взаимной нагрузкой, как уже было сказано в § 1.4,
понимается работа двух электрических машин, соединенных
электрически и механически так, что одна из них, работая
в режиме генератора, отдает всю вырабатываемую ею электри-
ческую энергию второй машине, работающей в режиме дви-
гателя, а эта последняя расходует всю развиваемую ею меха-
ническую энергию на вращение первой машины. Приток энер-
гии извне требуется только для покрытия суммы всех потерь
в обеих машинах и может осуществляться либо электрическим
путем, либо механическим, либо обоими путями одновременно.
Таким образом, имея в своем распоряжении источник энергии
ограниченной мощности, можно осуществить нагрузку машин
много большей мощности.
Особенно характерным является тот случай, когда обе вза-
имно нагружаемые машины во всех отношениях одинаковы;
однако это не обязательно — они могут быть только подходя-
щими друг к другу по мощности, напряжению и частоте вра-
щения.
Для машин постоянного тока возможны три способа под-
вода энергии для покрытия потерь в схеме взаимной нагрузки:
параллельным питанием, последовательным питанием и меха-
ническим путем. На рис. 3.14 представлена схема включения,
известная в литературе под названием схемы Хетчинсона*,впее
входят, помимо взаимно нагружаемых машин ИД и ИГ, два
генератора постоянного тока со своими двигателями: Г1, под-
ключаемый параллельно с машинами ИД и ИГ, и Г2, введен-
ный в их цепь последовательно. Все машины имеют независи-
мое возбуждение.
Если при невозбужденном, но вращающемся генераторе Г2
произвести пуск основной пары машин подъемом напряжения
генератора Г1 и затем начать возбуждать генератор Г2, то
напряжение последнего будет либо вычитаться из напряжения
генератора Г1, либо складываться с ним; в результате этого
машины основной пары нагрузятся в том или ином направле-
нии. Одновременным регулированием токов возбуждения всех
машин можно добиться того, что токи якорей машин основ-
ной пары будут равны друг другу. При этом ток, потребляемый
92
-схемой от генератора Г/, станет равным нулю, и генератор мо-
жет быть отключен — схема будет работать и без него.
Такая схема известна под названием схемы Потье. Для при-
ведения ее в действие достаточно подать обеим машинам ос-
новной пары возбуждение, примерно соответствующее номи-
нальному напряжению при холостом ходе с номинальной
'частотой вращения, составить замкнутую цепь из всех трех ма-
шин и при вращающемся генераторе Г2 постепенным подъе-
мом его возбуждения довести частоту вращения основной пары
до номинальной. После этого повышением возбуждения ма-
шины, предназначенной рабо-
тать генератором, понижением
возбуждения машины, предназ-
наченной для работы в режиме
двигателя, и соответствующим
регулированием возбуждения ге-
нератора Г2 следует установить
заданный режим работы по ча-
стоте вращения, напряжению на
выводах испытуемой машины и
току нагрузки.
Заданный режим работы не
всегда легко осуществить, и эта
операция требует известного тер-
пения; поэтому схема более при-
годна для неизменных режимов,
как испытание на нагревание
при продолжительной нагрузке,
нежели для изменяющихся, как
определение характеристик и
т. д.
Номинальное напряжение t/'
генератора Г2 должно быть
Uк >(1 —
где С/н— номинальное напряжение испытуемой машины; /н —
ее номинальный ток; SP — полные потери в схеме, а номиналь-
ный ток этого генератора —не меньше, чем у взаимно нагру-
жаемых машин, т. е. /н.
Значения КПД для генераторного т]г и двигательного т)д ре-
жимов могут быть подсчитаны на основании расчетных или
опытных данных о потерях в машинах пары; при этом потери
на возбуждение не учитываются, поскольку оно независимое.
Пример. Требуется определить наименьшее напряжение генератора Г2,
при помощи которого можно произвести взаимную нагрузку якорей двухъ-
якорного компенсированного гребного двигателя с мощностью каждого якоря
Р2=2575 кВт, с номинальным током /и = 2750 А и номинальным напряжением
Z7H=1000 В. Для соединения генератора Г2 с испытуемой машиной проло-
жены в каждый конец по четыре медных проводника сечением 7=240 мм2,
общей длиной около /=60 м.
93
Измеренные потери в стали при номинальном напряжении на один якорь
Рст=23,5 кВт; механические потери РМех —21,3 кВт; сопротивления обмоток
якорей, измеренные в холодном состоянии и приведенные к температуре
15 °C, Яя = 0,0076 Ом, а сопротивления последовательно включенных обмоток
магнитной системы 7?п = 0,0046 Ом. Щетки — электрографитированные.
Полагая, что обмотки при испытании будут нагреты до Ф=90 °C, можно-
оценить потери в обмотках каждой машины:
= (Яя + Яп)П+а(»-15)] =
= 27502(0,0076 +0,0046) [1 +0,004 (90 — 15)] = 120 000 Вт.
Потери в стали якоря машины постоянного тока принято считать не за-
висящими от нагрузки и равными потерям при холостом ходе с данным на-
пряжением; но напряжения на выводах цепей двух якорей здесь неодина-
ковы: если для якоря, испытуемого в режиме двигателя, напряжение равно
номинальному, то для другого якоря, испытуемого в режиме генератора, оно
меньше как раз на искомое напряжение генератора Г2. Последнее можно
оценить предварительно в 10 % номинального; тогда потери в стали второго
якоря будут
РСт.г = 0,92Рст.д= 0,81-23 500 = 19 035 Вт.
Потери в переходных контактах щеток должны быть приняты как про-
изведение числа последовательно включенных контактов на ток и на падение
напряжения в одном переходном контакте, принимаемое для щеток, не содер-
жащих металла, равным Д(/= 1 В:
РЩ = 2/НА^ = 2-2750-1 = 5500 Вт.
Добавочные потери в компенсированных машинах постоянного тока при-
нимаются равными 0,5 % электрической мощности машины; таким образом,,
для якоря в режиме двигателя они составляют
Рдд = 0,005£/н'н = 0,005-1000-2750= 13 750 Вт,
а для якоря в режиме генератора могут быть приняты предварительно рав-
ными
Рд.г-=0,9Рд.д = 0,9-13 750= 12 375 Вт.
Потери в соединительных проводниках
Рп = 7Н — = 27502 -------- = 8270 Вт.
пр “ q 4-240
Тогда сумма всех потерь в схеме
2 Р = 2 (Рм + Рщ) + Рст.д + ^ст.г + £мех + Рд.ц + Рд.г + ^пр = 2 (120 000+
+ 5500) + 23500 + 19035 + 21300+ 13 750+ 12 375 + 8270 = 349 230 Вт.
Отсюда напряжение генератора Г2 должно быть не менее
U'H S Р/1п = 349 230/2750 =127 В.
Как видно из примера, номинальное напряжение генера-
тора Г2 может быть низким и его изоляция не будет соответ-
ствовать работе в цепи с номинальным напряжением испытуе-
мых машин. Для того чтобы обезопасить ее от пробоя, можно
применить заземление одного из выводов генератора, что позво-
лит производить сборку почти всей схемы проводниками со сла-
бой изоляцией; только перемычка между машинами основной
пары со стороны, противоположной генератору Г2, должна
иметь изоляцию, достаточную для полного напряжения, но она
может быть выполнена предельно коротким проводником или
шиной, недоступными для прикосновения и не соприкасающи-
мися ни с какими заземленными частями.
94
Схема параллельного питания, называемая схемой Каппа,
отличается от предыдущей тем, что не содержит генератора Г2\
она позволяет производить пуск подъемом возбуждения гене-
ратора Г1 при предварительно поданном возбуждении машины
ИД, пускаемой двигателем, и разомкнутой цепи машины НГ.
После установления заданной частоты вращения подается воз-
буждение машине НГ, напряжение обеих машин выравнивается
по нулевому вольтметру Vo и схема может быть замкнута шун-
тирующим его рубильником. Нагрузка машин друг на друга
осуществляется ослаблением возбуждения машины ИД, пред-
назначенной для работы в режиме двигателя, и усилением воз-
буждения машины НГ, которая должна работать в режиме ге-
нератора; одновременно следует регулировать возбуждение ис-
точника Г1 для поддержания заданного напряжения.
Если обе машины одинаковы, то машина ИД, работающая
в режиме двигателя, нагружена больше, чем машина НГ, рабо-
тающая в режиме генератора.
Действительно, при общем напряжении на выводах U гене-
ратор потребляет мощность
Р1 —
где 7Г — ток его якоря; т|г — его КПД; двигатель же отдает мощ-
ность
Р2 =
где /д — ток, потребляемый его якорем, Цд— его КПД. Это дает
£7/г/г]г — U 7дТ]д,
откуда
7д/7г = ^('Пг'Пд) 1 •
Таким образом, если испытуемая машина является двига-
телем, то одинаковая с ней машина свободно служит для нее
нагрузоным генератором; но если первая является генерато-
ром, то вторая может оказаться не в состоянии быть ее при-
водным двигателем.
Для машин малых и средних мощностей положение обычно
может быть исправлено усилением вентиляции двигателя, на-
пример дополнительным продуванием воздуха от постороннего
вентилятора; однако для более крупных машин предел повы-
шения тока зачастую ставится не столько нагреванием, сколько
условиями коммутации.
Номинальное напряжение питающего генератора Г1 должно
быть не ниже, чем питаемой пары. Это важно при испытании
крупных машин, как, например, прокатных, обычно имеющих
номинальное напряжение от 750 В и выше.
Главное неудобство состоит не в том, что нужен источник
постоянного тока относительно небольшой мощности, но с до-
статочно высоким напряжением; это требование может быть
95
удовлетворено последовательным соединением двух генераторов
с заземлением средней точки. Гораздо более серьезен вопрос
об изоляции всех проводников, решение которого в обстановке
испытательной станции затруднительно. Кроме того, любая от-
крытая токоведущая часть в схеме представляет опасность для
персонала, с которой при испытании приходится считаться
в большей степени, чем во время нормальной эксплуатации ма-
шин высокого напряжения, когда нет доступа к этим частям.
Способ механического покрытия потерь, известный в лите-
ратуре под названием способа Гопкинсона, заключается в том,
что к основной паре присоединяется двигатель, мощность кото-
рого не меньше суммы всех потерь в этой паре, а частота вра-
щения та же самая.
Схема приводится в действие разворачиванием со стороны
вспомогательного двигателя, возбуждением обеих машин до за-
данного напряжения и замыканием их цепи после проверки
равенства напряжений нулевым вольтметром; нагрузка созда-
ется регулированием возбуждения.
Этот способ особенно пригоден для испытания генераторов
наиболее крупных мощностей, большей частью выпускаемых
в многомашинных агрегатах с синхронными двигателями, ко-
торые и выполняют при этом роль вспомогательных, что ос-
вобождает от заботы о поддержании частоты вращения; он
пригоден и для испытания крупнейших двигателей постоянного
тока, выпускаемых в многоякорном исполнении. Якорь, рабо-
тающий в режиме генератора, нагружен по напряжению больше,
чем работающий в режиме двигателя, и его обмотка возбужде-
ния может перегреваться из-за повышения тока возбуждения
сверх номинального.
При данном способе все соединения между машинами ко-
ротки и могут быть выполнены так, чтобы не представлять
опасности для персонала.
Свойства перечисленных способов взаимной нагрузки сопо-
ставлены в табл. 3.1.
Способ совмещения последовательного питания для покры-
тия потерь в обмотках и механического покрытия потерь
Таблица 3.1
Способ покрытия потерь Машина в режиме генератора Машина в режиме двигателя
Параллельное питание Номинальная нагрузка Недогрузка по току Перегрузка по току Номинальная нагрузка
Последовательное питание Номинальная нагрузка Недогрузка по потоку Перегрузка по потоку Номинальная нагрузка
Механический Номинальная нагрузка Перегрузка по потоку Недогрузка по потоку Номинальная нагрузка
96
в стали и механических потерь, встречающийся в литературе
под названием способа Блонделя, вряд ли имеет значение для
практики промышленных испытаний.
Первоначально все способы взаимной нагрузки предназна-
чались для определения КПД испытуемых машин; их авторы
стремились поставить обе машины в условия, при которых по-
тери по возможности лучше соответствовали бы номинальному
режиму работы. В настоящее время можно считать это назна-
чение взаимной нагрузки совершенно утраченным, и в стандар-
тах СССР оно отсутствует; для сколько-нибудь крупный машин
более точные результаты дает способ измерения отдельных по-
терь, а для мелких определение КПД может быть произведено
менее сложными непосредственными способами.
Две синхронные машины, механически не сопряженные, мо-
гут быть взаимно нагружены только реактивной нагрузкой, если
одну из них перевозбудить против холостого хода при данном
напряжении, а другую недовозбудить так, чтобы удержать на-
пряжение на этом уровне. Если обе машины одинаковы, то при
такой нагрузке значение тока не может быть доведено до
номинального, так как даже при полностью снятом возбужде-
нии нормальные синхронные машины нагружаются реактив-
ным током обычно только до 60—70 % номинального.
Сопряженные на общем валу синхронные машины в прин-
ципе могут быть нагружены реактивным током любого значе-
ния, если фазы их ЭДС холостого хода точно совпадают. Для
этого после полного снятия возбуждения е недовозбуждаемой
машины ее следует начать возбуждать с изменением поляр-
ности. Без механического сопряжения это возможно только
в ограниченных пределах, так как машина легко опрокидыва-
ется, т. е. ее ротор проскальзывает на одно полюсное деление;
напряжение скачкообразно возрастает, а ток понижается.
Чтобы нагрузить две сопряженные на общем валу синхрон-
ные машины активным током, необходимо, чтобы между их
ЭДС холостого хода существовал сдвиг; опережать должна
ЭДС той машины, которой следует работать в режиме генера-
тора. При небольших мощностях любой сдвиг может быть осу-
ществлен включением между машинами фазорегулятора, од-
нако недостатком последнего является значительное реактив-
ное сопротивление обмоток.
Сдвиг фаз ЭДС может быть достигнут механическим пу-
тем— за счет поворота либо статоров, либо роторов. Первый
может быть осуществлен практически только в машинах не-
большой мощности; попытка его применения для более или ме-
нее крупных машин привела бы к громоздким и трудновыпол-
нимым конструкциям.
Поворот ротора может быть произведен относительным по-
ворачиванием половин соединительной муфты на некоторое
число отверстий для болтов или шпилек; условие этого —числа
пар полюсов и отверстий в муфте должны иметь как можно
4 Заказ № 512
97
меньше общих множителей. Такой способ обеспечивает скач-
кообразное изменение нагрузки, которое может быть произве-
дено только при остановке машин и разборке соединения, что
является трудоемкой работой; зато он не требует никаких вспо-
могательных электрических устройств и может быть применен
для машин любой мощности.
На рис. 3.15 схематически показано устройство из двух
жестких муфт с неодинаковыми взаимно простыми числами от-
верстий для болтов или шпилек; если представить его среднюю
часть неподвижной и поворачивать обе крайние части в одну и
Рис. 3.15. Устройство для подбора сдвига фаз ЭДС холо-
стого хода
ту же сторону каждый раз на одно деление между отверстиями,
то относительное положение валов будет изменяться при этом
на часть окружности, обратную произведению чисел отверстий.
Желательно, чтобы оба числа не имели общих множителей
с числом фаз и числом пар полюсов соединяемых машин, так
как в противном случае число различных возможных относи-
тельных положений валов будет меньше произведения чисел от-
верстий в число раз, равное произведению всех общих множи-
телей.
Существуют предложения конструкций муфт, позволяющих
плавно поворачивать их половины на ходу и даже под нагруз-
кой, однако сомнительна их осуществимость при значительных
мощностях, для которых они могли бы представлять наиболь-
ший интерес.
Вместо относительного механического поворота! роторов мо-
жет быть осуществлен чисто электрическим способом поворот
магнитного поля одного из них; этой цели служит синхронная
машина продольно-поперечного возбуждения, имеющая неявно-
полюсный ротор с обмоткой возбуждения наподобие обмотки
98
Рис. 3.16. Регулирование продоль-
но-поперечного возбуждения
двухфазного или трехфазного тока. Питание такой обмотки
двумя независимо управляемыми токами возбуждения может
производиться через три контактных кольца; изменяя соотно-
шения этих токов, можно, сохра-
няя амплитуду магнитного поля,
поворачивать его относительно
ротора на любой угол в преде-
лах ±360°.
На рис. 3.16 представлена
схема возбуждения такой ма-
шины; обмотки независимого
возбуждения возбудителей пи-
таются от источника постоянного
напряжения через потенцио-
метры, позволяющие плавно из-
менять токи возбуждения возбу-
дителей как по абсолютным зна-
чениям, так и по направлению.
ЕсЛи соединить муфтой ма-
шину продольно-поперечного воз-
буждения с испытуемой син-
хронной машиной и либо под-
ключить обе машины к одному
и тому же источнику, либо вра-
щать их каким-нибудь двигате-
лем, сопряженным с ними на
общем валу (рис. 3.17), то, поворачивая поле машинН про-
дольно-поперечного возбуждения против направления враще-
ния, можно нагрузить испытуемую машину активной нагруз-
Рис. 3.17. Взаимная нагрузка с ма-
шиной продольно-поперечного воз-
буждения с покрытием потерь: а —
электрическим путем; б — механиче-
ским путем
Рис. 3.18. Схема воз-
вратной работы при по-
мощи машины продоль-
но-поперечного возбуж-
дения с возвратом энер-
гии в сеть
кой в режиме генератора, а поворачивая его по направлению
вращения,—в режиме двигателя. При этом напряжение и ко-
эффициент мощности устанавливаются совместным регулиро-
ванием возбуждения обеих синхронных машин. Такая машина
отмечена на схемах стрелкой.
4*
99
Если числа пар полюсов испытуемой и вспомогательной ма-
шин различны, то применить их сопряжение нельзя и прихо-
дится прибегать к более сложным схемам, выходящим из пре-
делов понятия взаимной нагрузки. Из них следует рассмотреть
две—с покрытием потерь либо электрическим путем, либо ме-
ханическим.
Первая схема (рис. 3.18) состоит из двух агрегатов: вспо-
могательного, состоящего из машины продольно-поперечного
возбуждения и синхронной машины обычного исполнения с тем
же числом пар полюсов, и основного — пары одинаковых или
близких синхронных машин, одна из которых подлежит испы-
Рис. 3.19. Схема воз-
вратной работы при по-
мощи машины продоль-
но-поперечного возбуж-
дения с возвратом энер-
гии источнику перемен-
ного тока
Рис. 3.20. Взаимная нагрузка синхронных машин
с применением третьей синхронной машины: а —
в качестве источника питания; б — как прием-
ника реактивной мощности
танию. Машина продольно-поперечного возбуждения и машина,
парная с испытуемой, подключены к распределительной сети.
В зависимости от поворота поля машины продольно-попереч-
ного возбуждения испытуемая машина нагружается в режиме
либо двигателя, либо генератора.
Вторая схема (рис. 3.19) состоит также из двух агрегатов:
трехмашинного вспомогательного с двумя синхронными маши-
нами, одна из которых — продольно-поперечного возбуждения,
и с двигателем любого рода и основного — из двух парных ма-
шин. Мощность двигателя должна быть достаточной для по-
крытия всех потерь в схеме; в остальном работа этой схемы
не отличается от работы предыдущей.
Взаимная нагрузка синхронных машин возможна также без
применения специальных устройств — путем подключения к паре
взаимно нагружаемых машин еще одной синхронной машины
с произвольным числом пар полюсов, механически не связан-
ной с ними. Для этого необходимо соединить взаимно нагру-
жаемые машины так, чтобы между их роторами был сдвиг,
соизмеримый с соответствующим номинальной нагрузке испы-
туемой машины сдвигом, который может быть получен при
любом случайном соединении роторов путем круговой переста-
100
новки фаз одной машины и изменения полярности ее возбужде-
ния, что позволяет поворачивать фазы на углы, кратные 60°.
Для машин с явно выраженными полюсами рекомендуется сдвиг
в пределах от 60 до 120°, а для неявнополюсных — от 90
до 150°.
Покрытие потерь во всех трех машинах производится двига-
телем любого рода, присоединенным либо к взаимно нагружае-
мым машинам (если одна из них имеет второй свободный конец
вала достаточного диаметра), как на рис. 3.20, а, либо к третьей
машине, как на рис. 3.20, б.
Регулированием токов возбуждения всех трех машин можно
установить нагрузку пары, соответствующую полученному
сдвигу; при этом ток третьей машины будет минимальным и
чисто активным. Если начать перевозбуждать третью машину,
то напряжение системы станет повышаться и для удержания
его на прежнем уровне надо понижать возбуждение взаимно
нагружаемых машин; от этого нагрузка понизится. Наоборот,
понижение возбуждения третьей машины поведет к увеличе-
нию нагрузки. Регулирование нужно вести так, чтобы сохра-
нять заданные значения напряжения и коэффициента мощности.
Возможный диапазон изменения нагрузки тем шире, чем отно-
сительно больше мощность третьей машины.
3.7. УСТОЙЧИВОСТЬ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
при совместной работе
Все схемы возвратной работы и взаимной нагрузки машин
постоянного тока и многие схемы машин переменного тока со-
держат, по крайней мере, один участок, на котором передача
энергии производится постоянным током. От устойчивости этого
участка зависит работа всей схемы. Первым мероприятием по
повышению устойчивости является независимое возбуждение
всех машин от источников с напряжением, на которое не влияют
процессы, происходящие в схеме.
Передача энергии постоянным током может считаться устой-
чивой, когда она подчиняется управлению в пределах от хо-
лостого хода до наибольшей нагрузки изменением токов воз-
буждения генератора и двигателя и когда всякое нарушение
режима работы, вызванное случайной причиной, автоматически
устраняется, как только такая причина перестает действовать;
это понятие устойчивости исключает возможность самопроиз-
вольной нагрузки или разгрузки, не подчиняющейся управлению
токами возбуждения.
Устойчивость работы тем больше, чем более круто падаю-
щими являются внешняя характеристика генератора и рабочая
характеристика двигателя. Такими характеристиками обладают
машины со смешанным возбуждением: генераторы со встреч-
ным включением последовательной обмотки (на размагничи-
вание основного поля) и двигатели с ее согласным включением
101
(на подмагничивание основного поля). Чем относительно силь-
нее включенные таким образом последовательные обмотки, тем
устойчивее работа механизма передачи энергии.
Однако чрезмерно крутое спадание характеристик приводит
к другому неудобству: становится трудно поддерживать напря-
жение системы, так как всякое изменение нагрузки очень за-
метно отражается на нем. Кроме того, сильное размагничива-
ние генератора его последовательной обмоткой вызывает
необходимость перегрузки основной обмотки главных полюсов
повышенным током возбуждения. Поэтому достаточно, если при
всех напряжениях, возможных в процессе испытания, характе-
ристики имеют отчетливо выраженный падающий характер на
всем своем протяжении.
Сказанное относится к машинам постоянного тока, как со-
ставляющим оборудование испытательной станции, так и испы-
туемым. Но если каждая из первых может быть снабжена по-
стоянной последовательной обмоткой, то далеко не каждая ис-
пытуемая машина ее имеет; кроме того, если она и имеется,
то отнюдь не всегда включена благоприятно для повышения
устойчивости: в большинстве случаев в режиме генератора по-
следовательная обмотка предназначается для согласного вклю-
чения, а крупные двигатели обычно вовсе ее не имеют.
В крупных агрегатах, предназначенных для питания отдель-
ных двигателей постоянного тока, например прокатных, и со-
стоящих из двигателя переменного тока и двух генераторов
постоянного тока, нередко применяется перекрестное включение
в цепь якоря каждого из генераторов намагничивающей после-
довательной обмотки другого генератора. Это позволяет сохра-
нить все преимущества согласного включения для получения
нужной внешней характеристики без применения уравнитель-
ного провода между параллельно работающими генераторами.
Если один из генераторов примет на себя большую нагрузку,
его возросший ток подмагнитит другой генератор, что заставит
его принять избыток нагрузки на себя (рис. 3.21, а). Если же
производить взаимную нагрузку таких генераторов, то в ма-
шине, переведенной в режим двигателя, ток изменит направле-
ние и, следовательно, будет размагничивать машину, работаю-
щую в режиме генератора, чем и обеспечится устойчивость на-
грузки (рис. 3.21, б). В крупных машинах обычно не требуется,
чтобы последовательная обмотка была очень сильна; поэтому
нет надобности проводить через нее весь ток парной машины,
а достаточно ответвить только его часть, воспользовавшись
каким-нибудь падением напряжения в цепи якоря парной ма-
шины, например на выводах коммутирующих обмоток — доба-
вочных полюсов и компенсационной. Схема приобретает вид
рис. 3.22 и носит название дифференциального включения.
Если испытуемая машина не имеет последовательной об-
мотки, то можно прибегнуть к наложению временной обмотки
так, как это рассмотрено ниже в § 8.7; если же конструкция
102
машины не позволяет этого сделать или это противоречит тре-
бованиям испытания, то можно возложить поддержание устой-
чивости7 работы на вспомогательную машину, электрически сое-
диненную с испытуемой, т. е. на питающий генератор в случае
испытания двигателя и на нагрузочный двигатель в случае ис-
пытания генератора.
Последовательная обмотка является не единственным сред-
ством для достижения устойчивости работы; падающие харак-
Рис. 3.21. Перекрестное включение последователь-
ных обмоток
Рис. 3.22. Дифференци-
альное включение
теристики — внешнюю в режиме генератора и рабочую в ре-
жиме двигателя — можно получить путем смещения щеток из
нейтрального положения по направлению вращения, что в ре-
жиме генератора создает размагничивающую продольную со-
ставляющую поля реакции якоря, а в ре-
жиме двигателя —намагничивающую; но
при этом искрение смещенных щеток не
должно превосходить степени Р/2.
При применении схемы взаимной на-
грузки с последовательным питанием
устойчивость работы машин, не имеющих
последовательных обмоток, может быть
обеспечена применением размагничи-
вающей последовательной обмотки в
вольтодобавочном генераторе; но по-
скольку номинальное напряжение по-
следнего в несколько раз меньше, чем
у взаимно нагружаемых машин, эта об-
мотка должна быть достаточно сильной, так как иначе ее дей-
ствие будет слишком незначительным по отношению к напряже-
нию системы. л
Устойчивость работы участка передачи энергии постоянным
током увеличивается, если между генератором и питаемым им
двигателем включено балластное сопротивление, создающее за-
метное падение напряжения, например бухта кабеля или длин-
ный шинопровод; если же этого оказывается недостаточно,
103
применяется последовательное включение сопротивления, рас-
считанного на падение напряжения, составляющее 10—15 % но-
минального напряжения машин.
3.8. КРАТКОВРЕМЕННАЯ НАГРУЗКА
Чем меньше продолжительность кратковременного режима
работы, тем выше электрические и магнитные нагрузки в ма-
шине, и всякое промедление при его осуществлении может вы-
звать значительные повышения температуры ее частей; поэтому
для кратковременных режимов работы следует выбирать наи-
более простые способы нагрузки с устойчивым и быстрым регу-
лированием и с возможно меньшим числом его органов. Спо-
собы нагрузки с поглощением энергии предпочтительны перед
способами возвратной работы, а тем более взаимной на-
грузки.
Кратковременный режим работы встречается чаще для дви-
гателей, чем для генераторов. Он начинается пуском двига-
теля, который должен к моменту достижения заданной частоты
вращения принять обусловленную нагрузку, и заканчивается
его отключением по истечении установленного времени.
Самой удобной является нагрузка двигателя электромаг-
нитным тормозом, допускающим еще до пуска испытуемого дви-
гателя точное предварительное регулирование момента током
возбуждения; наименее пригодны, особенно для очень кратко-
временных режимов работы, механические тормоза, так как
развиваемый ими момент зависит от малоустойчивого коэффи-
циента трения на шкиве.
Нагрузка испытуемого двигателя на генератор постоянного
тока с поглощением энергии генератора в реостате целесооб-
разна для наиболее кратковременных режимов работы двига-
телей даже значительных мощностей — в десятки и сотни ки-
ловатт; но применение нагрузочных генераторов трехфазного
тока не может быть рекомендовано, так как обеспечение их
нагрузки труднее, чем при постоянном токе.
Следует предварительно произвести репетицию кратковре-
менной нагрузки и отметить положения всех органов регули-
рования, после чего испытуемый двигатель охлаждается до
практически холодного состояния. При начале испытания ос-
тается лишь более точно подрегулировать заданный режим
работы, что может быть сделано достаточно быстро.
Кратковременные режимы работы большой длительности,
как 60 или 90 мин, могут быть проведены и при более
сложных схемах нагрузки, если они достаточно отрепетиро-
ваны.
Повторно-кратковременные или перемежающиеся режимы
работы — это регулярное чередование кратковременных рабо-
чих периодов и пауз; ошибки, допущенные при установлении
нагрузки первых рабочих периодов, могут быть исправлены во
104
время последующих периодов, что в худшем случае лишь не-
сколько увеличит общую продолжительность испытания.
Поскольку нормальная продолжительность полного цикла
(рабочего периода и паузы) установлена 10 мин, а рабочий
период составляет только часть цикла, для повторно-кратко-
временных или перемежающихся режимов пригодны лишь те
способы нагрузки, которые допускают самое быстрое ее уста-
новление.
Перемежающиеся режимы работы встречаются не только
для двигателей, но и для генераторов, которые на время паузы
отключаются от нагрузочных устройств и продолжают вра-
щаться, а обмотки параллельного или независимого возбуж-
дения остаются под током.
Наиболее удобной является нагрузка генераторов на рео-
стат; но для генераторов переменного тока может применяться
нагрузка на асинхронный двигатель с электромагнитным тор-
мозом или нагрузочным генератором постоянного тока, который
работает либо на реостат, либо на сеть постоянного тока с ус-
тойчивым напряжением. В последнем случае вспомогательный
агрегат во время пауз продолжает вращаться, так как генера-
тор постоянного тока переходит в режим двигателя. Такой спо-
соб имеет то преимущество, что сокращает продолжительность
переходного режима двигателя до долей секунды, но он нуж-
дается в непрерывном наблюдении, так как нагрузка асинхрон-
ного двигателя чувствительна к изменениям частоты испытуе-
мого генератора и напряжения сети постоянного тока.
3.9. ТОРМОЖЕНИЕ ПРИ ОСТАНОВКЕ
В ряде случаев испытуемая машина по окончании опыта
должна быть быстро остановлена; так, например, если изме-
рение температуры вращающейся части после испытания на
нагревание возможно только при неподвижном состоянии, то
чем быстрее произведена остановка, тем меньше искажение
температуры за счет охлаждения вентиляционным воздухом,
рассеяния тепла излучением и выравнивания температуры во
всей массе вращающейся части.
Торможение малых и средних машин может производиться
заранее подготовленной вагой, прижимаемой немедленно после
отключения к поверхности муфты или шкива, с которого ре-
мень должен быть быстро сброшен, причем так, чтобы, про-
должая двигаться по инерции, он не нанес повреждения ок-
ружающим предметам или травмы персоналу. Вага должна
располагаться так, чтобы она не могла быть выброшена си-
лами трения (рис. 3.23).
Двигатели, нагружаемые тормозами трения, быстро оста-
навливаются резким затягиванием тормоза немедленно после
отключения от источника питания, но у электромагнитных и
гидравлических тормозов тормозящий момент убывает с умень-
105
шением частоты вращения. Нагрузочные генераторы постоян-
ного тока, работающие с поглощением энергии, затормажива-
ются уменьшением нагрузочного сопротивления и одновремен-
ным усилением возбуждения.
Вспомогательные генераторы и двигатели постоянного тока
в схемах возвратной работы после отключения сопряженных
с ними испытуемых машин затормаживаются повышением воз-
буждения, а по достижении его предела — понижением возбуж-
дения электрически соединенных с ними машин постоянного
тока, продолжающих нормально вращаться. Размыкание цепи
якоря должно быть произведено не позднее момента, когда
ток генераторного режима затормаживаемой машины обра-
тится в нуль, так как дальше
она перейдет в режим дви-
гателя.
Торможение синхронных
машин после их отключения
и гашения поля может произ-
водиться замыканием нако-
ротко выводов обмотки якоря
и повторной подачей возбуж-
дения. Тормозящий момент,
обусловленный основными по-
терями короткого замыка-
ния, обратно пропорционален
частоте вращения, поскольку
Рис, 3.23. Торможение вагой ток короткого замыкания при
данном возбуждении практи-
чески не зависит от частоты, но добавочные потери короткого
замыкания не остаются постоянными, а убывают с частотой.
В случае отключения питания масляных насосов и прекра-
щения подачи масла для машин с принудительной смазкой не-
обходимо экстренное торможение. Наиболее эффективно так
называемое динамическое торможение, которое заключается
в том, что машина автоматически отключается от своей цепи и
к ней подключается нагрузочный реостат. Это позволяет резко
сократить продолжительность выбега машины, в результате
чего может оказаться достаточным запас масла в напорном
баке системы. Так, например, продолжительность выбега круп-
ных двухполюсных турбогенераторов достигает полутора
часов; динамическое торможение приводного синхронного дви-
гателя, мощность которого составляет немногие единицы про-
центов от мощности приводимой им машины, позволяет сокра-
тить эту продолжительность до нескольких минут.
Для торможения вспомогательных асинхронных двигателей
в две фазы обмотки статора немедленно после отключения по-
дается возбуждение постоянным током; для двигателя с фаз-
ным ротором возбуждение может подаваться и в обмотку ро-
тора при предварительно замкнутом накоротко статоре.
106
Для двигателей с фазным ротором может быть применено
торможение нагрузкой на жидкостный пусковой реостат с по-
дачей возбуждения постоянным током в обмотку статора; по
мере убывания частоты вращения сопротивление этого реостата
нужно уменьшать, и последняя часть периода торможения про-
ходит при коротком замыкании ротора. Регулируя возбужде-
ние, можно поддерживать ток ротора примерно на одном
уровне.
Торможение вспомогательных асинхронных двигателей мо-
жет производиться в режиме электромагнитного тормоза пода-
чей питания с пониженным напряжением и измененным чере-
дованием фаз; это питание должно быть прекращено не позже
момента остановки двигателя, так как в противном случае он
начнет вращаться в обратную сторону. Применение этого спо-
соба требует осторожности, так как тормозной режим асин-
хронного двигателя характерен высоким выделением потерь
в роторе, могущим вызвать его чрезмерное перегревание.
Торможение гидрогенераторов с вертикальным валом при
испытаниях на месте установки производится при помощи тор-
мозных устройств, входящих в их конструкцию. Для паровых
турбогенераторов возможно торможение вентиляционными по-
терями в цилиндре низкого давления турбины, для чего в нем
срывается вакуум. Это, однако, сравнительно малоэффективно,
потому что тормозящий момент падает примерно пропорцио-
нально квадрату частоты вращения.
Торможение двигателей после отключения от источника пи-
тания при испытании на месте установки может осуществляться
предельно возможным повышением нагрузки приводимого ме-
ханизма, если последний это допускает.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
4.1. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Измерение мощности при испытании электрических машин
является одним из важнейших; большинство неточностей в ис-
пытаниях приходится на случаи ее неверного измерения не
столько из-за погрешности измерительных приборов, сколько
из-за неправильного их применения.
Измерение мощности постоянного тока производится по-
средством вольтметра и амперметра как произведение напря-
жения на выводах объекта измерения на ток в нем. Необхо-
димо, чтобы напряжение измерялось действительно на выво-
дах объекта и чтобы в него не входили падения напряжения
107
в проводах, коммутационной и измерительной аппаратуре и
т. д., так как ими не всегда можно пренебречь. Применение
ваттметров при измерении мощности постоянного тока не тре-
буется; к тому же пределы измерения ваттметров по току ог-
раничены немногими десятками ампер.
При переменном токе мощность не может определяться как
произведение напряжения на ток из-за сдвига фаз между ними.
Здесь возможны три способа включения измерительных при-
боров: непосредственное, полукосвенное и косвенное.
Непосредственное включение применяется, когда напряжение
и ток не выходят из пределов измерения имеющихся в на-
личности измерительных приборов. В настоящее время практи-
чески не встречаются измерительные приборы высоких клас-
сов точности — 0,2 и 0,5, предназначенные для непосредствен-
ного включения на токи более 20—25 А, а по напряжению выше
600—650 В; хотя этот предел и может быть расширен приме-
нением добавочных сопротивлений, однако оно ограничивается
отдельными специальными случаями.
В вольтметре и в обмотке напряжения ваттметра с их до-
бавочными сопротивлениями расходуется мощность, склады-
вающаяся с потребляемой объектом измерения; ее можно вы-
числить, зная сопротивления каждой из этих цепей. Так как
токи, потребляемые обмотками напряжения измерительных при-
боров переменного тока, относительно велики, то при измере-
нии малых мощностей приходится учитывать расходуемую
в этих обмотках мощность или потери в приборах:
P„p = U*/R„+U4R„
где U — измеряемое напряжение; 7?Вт — сопротивление об-
мотки напряжения ваттметра и RB — сопротивление обмотки
вольтметра.
Если объект измерения является приемником, то потери
в приборах учитываются ваттметром вместе с мощностью, по-
требляемой им, и должны быть вычтены из показаний ватт-
метра; наоборот, если объект измерения — источник, они не
учитываются ваттметром и должны быть прибавлены к его
показаниям. Сопротивления приборов обычно указываются на
их шкалах; если же это указание отсутствует, то их следует
измерить.
Пример. Производится измерение мощности, поглощаемой приемником
однофазного тока при напряжении 525 В и токе около 8 А. Для измерения
применены приборы класса точйости 0,2: вольтметр на 130 В с сопротивле-
нием 2167 Ом и добавочным сопротивлением, расширяющим предел его изме-
рения до 650 В, и ваттметр на 10 А и 300 В с собственным сопротивлением
10000 Ом и добавочным сопротивлением, расширяющим предел измерения до
600 В, имеющий 150 делений шкалы. Показание ваттметра составляет 78,8
деления. Требуется определить мощность, потребляемую приемником.
Цена деления ваттметра 600 • 10/150= 40 Вт/дел.
Измеренная мощность Рн=78,8 • 40=3152 Вт.
Сопротивление обмотки напряжения ваттметра с добавочным сопротивле-
нием составляет 7?вт=600-10000/300=20000 Ом.
108
Сопротивление обмотки вольтметра с добавочным сопротивлением RB =
=650-2167/130=10 835 Ом.
Потери в цепи обмотки напряжения ваттметра как частное от деления
квадрата приложенного напряжения на сопротивление этой цепи равны
Рзт=525г/20 000= 13,8 Вт.
Аналогично этому потери в цепи вольтметра Рв=5252/10 835=25,4 Вт.
Таким образом, потери в приборах достигают РПр = 13,8+25,4=39,2 Вт и
действительная мощность, поглощаемая приемником, равна Р=РИ —РПр =
=3152 — 39,2=3112,8 Вт; следовательно,, потери в приборах более чем втрое
превышают допустимую погрешность ваттметра данного класса точности, ко-
торая составляет 6Р=40-150 -0,002=12 Вт.
Полукосвенное включение применяется, когда ток выходит
из пределов измерения приборов. Его недостатком является
введение дополнительной погрешности измерения вследствие
Рис. 4.1. Векторные диаграммы тока и напряже-
ния при измерении мощности в цепях с низким
коэффициентом мощности; а — при отстающем
токе; б — при опережающем токе
угловой погрешности трансформаторов тока, особенно при из-
мерениях в цепях с низкими значениями коэффициента мощ-
ности.
На рис. 4.1 представлены векторные диаграммы токов и на-
пряжений при применении полукосвенного включения для двух
случаев — при сильно отстающем и сильно опережающем то-
ках. На них U — измеряемое напряжение, h — измеряемый ток,
/г — ток измерительной обмотки и — намагничивающий ток
трансформатора. Как ни мал ток /и, все же ток /2 отстает от
тока Ii на угол (180°—б), где б — угловая погрешность транс-
форматора, или приведенный ток /г'-опережает ток h на угол б.
Поэтому сдвиг между напряжением U -и приведенным током h'
при отстающем токе Л становится меньше, что преувеличивает
показания ваттметра, а при опережающем токе — больше, что
преуменьшает их.
Чем больше сдвиг между напряжением U и током h, тем
меньше измеряемая мощность и тем больше становится отно-
сительная ошибка, вносимая угловой погрешностью. Таким
2
109
образом? результат измерения показывает мощность
рп = UIr cos фи = t//xcos (ф =F б),
в то время как действительное ее значение равно
Р = (//1СО5ф= (7/1соз(фи ± б),
где ф — действительный и фи — измеренный сдвиги фаз между
напряжением U и током /ь Отсюда
р^р C0S Фи ±
COS фи
или, по свойствам тригонометрических функций,
РхР»
90° — фиу б
90°-фи
б \
90° - фй /
что и дает возможность исправить результат измерения, если
известна угловая погрешность трансформатора тока б.
Пример. Производится измерение мощности однофазного тока полукос-
венным способом при отстающем токе. Измеренная мощность по показанию
ваттметра составляет Ри = 7500 Вт при напряжении (/=225 В и токе Л =
=320 А. Требуется учесть поправку на угловую погрешность трансформатора
тока, составляющую при данной его нагрузке согласно поверочному свиде-
тельству 6=30'.
Значение коэффициента мощности по измерению
Ри 7500 л
cos фи —----=------------ 0,104.
UI1 225-320
Ему соответствует сдвиг фи=84°03/. Отсюда действительная мощность
Р = Ри С0?(Фи.+ б). = 7500 -£2?в4?33' = 7500 0,095 = 6850 Вт
cos фи cos 845 03' 0,104
или приближенно
Р«Ри/1-------------= 7500 /1 ---------—------\= 6860 Вт.
\ 90° — Фи/ \ 90° —84°03' /
Таким образом, действительная мощность меньше измеренной на
100 -fS-~— = 100 7500 — 6850 = 8,67 %.
Ри 7500
При включении ваттметров в непосредственные и полукос-
венные схемы необходимо соединять с цепью тока тот зажим
обмотки напряжения, к которому присоединена внутри при-
бора его подвижная система; обычно он находится слева и
отмечается знаком Е или звездочкой. Зажим с противополож-
ной стороны, большей частью отмечаемый значением напряже-
ния, непосредственно или через добавочное сопротивление при-
соединяется к другому проводу цепи тока; это необходимо для
того, чтобы между обмотками внутри прибора не возникало
напряжения, способного пробить их изоляцию (рис. 4.2).
По этим же соображениям при полукосвенных схемах при-
ходится допускать отступление от правил безопасности, тре-
110
бующих заземления вторичных обмоток и корпусов всех из-
мерительных трансформаторов. Здесь это заземление поста-
вило бы изоляцию между обмотками внутри ваттметра под
напряжение, на которое она не рассчитана. Вместо этого при
полукосвенных схемах вся проводка между трансформатором
тока и приборами должна быть изолирована на полное напря-
жение, соединение измерительных обмоток должно произво-
диться не с корпусом трансформатора и заземлением, а с тем
проводником, в рассечку которого введен трансформатор, и
его корпус изолируется от земли, (рис. 4.3).
Косвенное включение применяется, когда и ток, и напряже-
ние выходят из пределов измерения приборов. В цепях высо-
кого напряжения измеряемые мощности обычно достаточно ве-
Рис. 4.2. Правильное (а) и неправильное (б) включение добавочного
сопротивления ваттметра
лики, и маловероятен случай, чтобы потребовался учет потерь
в приборах. Наличие угловой погрешности трансформаторов на-
пряжения уменьшает ошибку, вносимую угловой погрешностью
трансформаторов тока; если бы обе погрешности были равны
между собой, эта ошибка была бы исключена; однако обычно
у трансформаторов напряжения угловая погрешность меньше,
чем у трансформаторов тока.
При измерении мощности в цепях трехфазного тока приме-
няются три способа.
Способ одного ваттметра пригоден только для тех случаев,
когда измеряемая мощность распределена во всех фазах заве-
домо равномерно; измерению подвергается мощность только
одной фазы, и результат умножается на три. В практике испы-
таний он применяется для измерения мощности вспомогатель-
ных машин, особенно когда последняя подвержена колебаниям.
Различаются две разновидности этого способа:
нейтральная точка объекта измерения доступна: тогда об-
мотка тока ваттметра включается в один из линейных провод-
ников, а обмотка напряжения — между тем выводом объекта,
к которому подключен этот же проводник, и нейтральной
точкой;
нейтральная точка объекта измерения недоступна (или не
существует, как при сопряжении его фаз в треугольник);
111
обмотка напряжения подводится к искусственной нейтральной
точке, созданной из трех равных сопротивлений, сопряженных
в звезду и .подключенных к выводам объекта, причем частью
одного из них является сама обмотка напряжения (рис. 4.4).
При косвенном включении сопротивления подключаются к из-
мерительным обмоткам трансформаторов напряжения.
Способ трех ваттметров пригоден для любого распределе-
ния мощности между фазами; мощность системы при нем равна
сумме мощностей, учитываемых всеми тремя ваттметрами. Как
и предыдущий, он имеет две разновидности:
нейтральная точка объекта измерения доступна; тогда об-
мотки напряжения ваттметров могут подключаться к ней;
нейтральная точка объекта измерения недоступна', обмотки
напряжения ваттмеров сводятся вместе со своими добавоч-
ными сопротивлениями в искусственную нейтральную точку.
Непременным условием является равенство сопротивлений,
сведенных в нейтральную точку; только при нем показания
ваттметров отражают распределение мощностей по фазам. Этот
способ применяется главным образом при испытаниях малых
машин, когда требуется полная симметричность схемы; для од-
новременного отсчета он требует трех наблюдателей.
Способ двух ваттметров пригоден также при любом распре-
делении мощности между фазами, но при условии, что ток
в нейтрали равен нулю. Обмотки тока двух ваттметров вклю-
чаются в два из трех линейных проводников системы, а обмотки
напряжения — между каждым из двух выводов объекта изме-
рения, к которым присоединены эти проводники, и третьим
выводом (рис. 4.5).
Алгебраическая сумма показаний ваттметров дает пра-
вильное значение мощности системы как при равномерном,
так и при неравномерном ее распределении между фазами.
При равномерном распределении мощности показания обоих
ваттметров бывают равны друг другу по абсолютному значе-
нию только в двух случаях: при coscp=l и cos<p = 0.
112
На рис. 4.6 тонкими линиями показаны зависимости отно-
сительного изменения показаний ваттметров сц и аг от коэф-
фициента мощности при неизменных значениях тока и напря-
жения и равномерной нагрузке фаз; за единицу приняты их
наибольшие возможные показания при этих значениях напряже-
ния и тока. Каждому значению коэффициента мощности соот-
ветствует определенное значение отношения меньшего показа-
Рис. 4.5. Измерение мощности способом двух ваттметров
ния к большему; зависимость этого отношения от коэффи-
циента мощности показана жирной линией.
В приложении 4 дана таблица значений коэффициента мощ-
ности в зависимости от соотношения показаний ваттметров
Рис. 4.6. Зависимость отношения показаний ваттметров от
коэффициента мощности
с учетом их знаков, в приложении 5 — таблица значений коэф-
фициента реактивной мощности sin <р, которыми иногда также
приходится пользоваться. Хотя практически не требуется опре-
деление значений коэффициентов costp и sin <р с точностью бо-
лее чем до третьего знака, в таблицах они даны с точностью
до четвертого с целью уточнения интерполяции при промежу-
точных значениях отношения показаний ваттметров.
Если нагрузка фаз равномерна, то совпадение значений
коэффициента мощности, вычисленных по измеренной мощ-
пз
ности
cosq) = P/(t/Z ]/3)
и полученных по отношению показаний ваттметров, служит
подтверждением правильности измерения; но если нагрузка
фаз неравномерна, эти два значения коэффициента мощности
перестают совпадать. Некоторое несовпадение их может на-
блюдаться и при вполне симметричной нагрузке, если в кри-
вых тока и напряжения присутствуют высшие гармонические.
Пример, Производится измерение мощности в цепи трехфазного тока при
помощи двух ваттметров, имеющих 150 делений шкалы и включенных на пре-
делы измерения 240 В и 20 А. При напряжении (7—210 В и токе I—18,6 А
получены показания ваттметров: cti=—25,6 и сс2=+90,4 деления. Требуется
определить мощность и ее коэффициенты cos ф и sin <р.
Цена деления ваттметров 240*20/150=32 Вт/дел.
Измеренная активная мощность Ри=32(90,4 — 26,6) =2074 Вт.
Коэффициент мощности по вычислению
cos <р =
ui Уз
2074
210-18,6-1,732
= 0,307.
Отношение показаний ваттметров
х = ai/a2 = —25,6/90,4= —0,283.
По таблицам для значений, между которыми заключено данное отноше-
ние х, определяются cos ф и sin ф:
при х ——0,28: . созф = 0,3089, sinф = 0,9511;
при х= —0,29: со5ф = 0,3028, sin ф = 0,9530
разность: 4-0,0061; —0,0019
Следовательно, для х= —0,283
cos ф = 0,3089 — 0,0018 = 0,3071 « 0,307;
sin ф = 0,9511 + 0,0006 = 0,9517 ъ 0,952.
Наконец, реактивная мощность
Q = UI УЗ sin ф = 210-18,6-1,732-0,952 = 6441 В-А.
Недостатком способа двух ваттметров является то, что он
не дает представления о распределении мощности между фа-
зами, что в ряде случаев существенно. Поэтому, как правило,
следует включать по амперметру в каждый линейный провод-
ник и иметь возможность измерения всех трех линейных на-
пряжений, если и не тремя вольтметрами, то хотя бы при по-
мощи одного вольтметра с вольтметровым переключателем.
Симметричность токов и напряжений служит свидетельством
достаточной равномерности распределения мощности между
фазами.
Нарушение симметричности приложенных напряжений мо-
жет привести к значительному увеличению потерь в объекте
испытания. При испытаниях мелких машин трехфазного тока,
когда применяются измерительные приборы на малые токи
с относительно высокими сопротивлениями обмоток тока, на-
114
рушение симметричности напряжений может быть из-за отсут-
ствия ваттметра в одном из линейных проводников; поэтому
можно рекомендовать включение не только трех амперметров,
но и трех ваттметров по схеме рис. 4.7.
При равномерном распределении мощности показание вклю-
ченного таким образом третьего ваттметра (обмотка тока ко-
торого на рис_4.7 включена в средний проводник), будучи ум-
ножено на > дает реактивную мощность системы
Q = UI УЗ sin ф.
Однако при этом возникает опасность пробоя изоляции
между обмотками тока й напряжения третьего ваттметра, а по-
Рис. 4.7. Симметричная схема измерения мощности способом двух ваттмет-
ров
тому применение такого включения можно допускать, если на-
пряжение в системе не превосходит 250—300 В; при более вы-
соких напряжениях обмотка напряжения должна оставаться
невключенной.
Несимметричность включения вольтметра между двумя из
трех выводов объекта измерения также может служить причи-
ной нарушения симметричности напряжений; поэтому при из-
мерении очень малых мощностей следует отключать вольтметр
на время отсчета по ваттмерам и амперметрам, если нельзя
включить три одинаковых вольтметра. Общим условием для
правильности результатов измерений по способу двух ваттмет-
ров является одновременность отсчетов, для чего необходимо
наличие двух наблюдателей; одним можно обойтись только
тогда, когда объект испытания работает в совершенно спокой-
ном режиме.
Пример. Производится измерение потерь холостого хода трехфазного
асинхронного двигателя мощностью 0,6 кВт при номинальном напряжении
220 В. В схему измерения включены три вольтметра с сопротивлением £в =
=4333 Ом и три ваттметра с сопротивлением ^вт=8000 Ом и с числом де-
лений шкалы 150; один из них включен по схеме рис. 4.7 для измерения ре-
активной мощности системы. Все три ваттметра включены на пределы изме-
рения 240 В и 2 А; показания ваттметров активной мощности были: «1 =
= —16,5 и «2=4-71,4 деления; показание ваттметра реактивной мощности
составило аз=88,0 делений. Требуется определить потери, ток холостого хода
115
если измеренный
Вт/дел; следова-
Вт.
0,339,
и коэффициент мощности этого режима работы двигателя;
ток /—1,36 А.
Цена деления ваттметров составляет 240-2/150—3,2
тельно, измеренная мощность
Рн =3,2 (ai + a2) =3,2(71,4—16,5)= 175,7
Коэффициент мощности по измерению
Рй 175,7
COS фи =------7^ =---------------
и 1^3 220-1,36-1,732
а отношению показаний ваттметров для измерения активной мощности
х = а1/аа = — 16,5/71,4 = —0,2311
по таблице значений коэффициента мощности соответствует cos фи = 0,3392
«0,339.
Потери в приборах составляют
„ о / U* , U* Д _ о / 2202 , 2202
Р \ Рв /?вт / \ 4333 8000
Таким образом, потери в двигателе равны
РО = РИ —Рпр = 175,7 —51,7 = 124,0 Вт.
= 51,7 Вт.
Данному значению cos фи соответствует sin фи—0,941, а по показанию
ваттметра для измерения реактивной мощности последняя равна
0 = 3,2-88,0-1,732 = 487,7 В-А;
таким образом,
«У--------0,941.
Q
Sin фи = ----______________________________
UI<j3 220-1,36-1,732
Отсюда реактивная составляющая потребляемого тока, являющаяся, намагни-
чивающим током двигателя,
/ц = I sinфи = 1,36-0,941 = 1,28 А.
Полная подводимая мощность
7<?2 + Р2 = 7487,72 + 124,0» = 503,2 В• А,
ток холостого хода двигателя
/о = 503,2/(220 73) = 1,32 А,
и его коэффициент мощности
cos фо = 124/503,2 = 0,246.
Этот же результат может быть получен по корректировочной формуле,
приводимой без вывода:
cos фо =
Ри — Рпр
/3(£//)2-2РиРпр+Р2р
175,7 — 51,7
— , = 0,246.
V3(220-l,36)2 — 2-175,7-51,7 + 51,1*
Таким образом, учет потерь в приборах относительно мало
исправляет измеренное значение тока, но весьма значительно —
коэффициент мощности.
Измерения по способу двух ваттметров могут быть произ-
ведены одним ваттметром при помощи специального переклю-
116
чателя, который вводит обмотку тока ваттметра (а если надо,
то и амперметр) поочередно в один из двух линейных провод-
ников и подключает обмотку напряжения ваттметра к соответ-
ствующему выводу объекта измерения; однако пользование им
может быть допущено только при условии, что режим работы
объекта измерения не изменяется за время переключения и оно
не вызывает заметного нарушения симметричности напряжений.
Ваттметры трехфазного тока с двумя измерительными си-
стемами на общей оси, включаемыми по способу двух ваттмет-
ров, сразу дают измеряемую мощность, что удобно для изме-
рений при неустановившихся процессах, а также при работе
со вспомогательными машинами, но они обычно имеют более
низкий класс точности.
При измерениях мощности в двигателях трехфазного тока,
сопряженных с большими вращающимися массами, как, на-
пример, при определении потерь холостого хода и короткого
замыкания крупных машин, стрелки амперметров и ваттметров
подвержены сильным колебаниям, что затрудняет отсчеты.
В таких случаях хорошие результаты дает применение индук-
ционных счетчиков взамен ваттметров; определяя промежуток
времени, потребный на совершение диском счетчика определен-
ного числа, например 100, оборотов, можно подсчитать энер-
гию, израсходованную за это время, и, разделив ее на
промежуток времени, получить подводимую мощность. Счет
оборотов диска может быть автоматизирован при помощи фото-
элемента, работающего через усилитель на счетное реле и по-
лучающего импульсы от пучка света, проходящего один раз за
каждый оборот диска через имеющееся в нем отверстие. Время
при этом следует измерять посредством электрического секун-
домера, включаемого и отключаемого одновременно с источни-
ком света.
При измерениях в цепях с низкими значениями коэффици-
ента мощности могут применяться ваттметры, специально пред-
назначенные для работы в таких условиях; их полное откло-
нение получается при значениях напряжения и тока, равных
соответствующим пределам, и значении коэффициента мощно-
сти, равном 0,1 или реже 0,2. Однако такие приборы не могут
применяться при измерениях по способу двух ваттметров, так
как при нем сдвиги между напряжением и током каждого из
ваттметров невелики и приборы могут быть повреждены момен-
том, поворачивающим подвижную систему, далеко превосходя-
щим нормальное для прибора значение. Они могут применяться
только при измерениях по способам одного или трех ваттметров.
4.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ
Способы этого измерения многочисленны и разнообразны,
но немногие обеспечивают его точность, не уступающую точ-
ности измерения электрических величин.
117
Способ счетчика оборотов пригоден, когда измеряемая ча-
стота вращения устойчива. По секундомеру определяется про-
межуток времени Т в секундах для N оборотов вала машины;
тогда частота вращения в оборотах в минуту будет n^&WjT.
Счетчики оборотов, автоматически указывающие среднюю
частоту вращения за некоторый промежуток времени, назы-
ваются тахоскопами.
Способ центробежного тахометра обеспечивает быстроту из-
мерений как при неизменной, так и при изменяющейся частоте
вращения. Его главный недостаток — невысокая точность и
трудность градуировки. При испытании очень малых машин
потери на трение внутри тахометра представляют для них ваг
метную нагрузку. Этот способ является одним из основных
способов измерения частоты вращения.
Стробоскопический способ с применением тахометра пред-
назначен для испытания очень малых машин или для случаев,
когда вал объекта недоступен, но вращающаяся часть видима.
К одному из концов вала небольшого универсального двига-
теля присоединяется тахометр, а на другой насаживается за-
черненный диск с узкой прорезью. Частота вращения двига-
теля регулируется так, чтобы вращающаяся часть объекта,
рассматриваемая через прорезь диска, казалась неподвижной.
Отсчет по тахометру в этот момент дает частоту вращения или
величину, находящуюся с ней в простом отношении. Рекомен-
дуется снабжать вращающуюся часть ярко заметной меткой
и освещать сильным источником света даже при дневном ос-
вещении. Разновидность этого способа состоит в том, что на
вал двигателя насаживается прерыватель, подающий импульсы
постоянного напряжения на сильную газоразрядную лампу, ос-
вещающую объект.
Стробоскопический способ без применения тахометра со-
стоит в том, что вал испытуемой машины освещается газораз-
рядной лампой, питаемой генератором регулируемой частоты,
вариатор которого градуирован в числах оборотов в минуту.
Отсчет берется в тот момент, когда вал объекта представляется
неподвижным. При низких частотах вращения к торцу вала
прикрепляется белый диск с несколькими черными секторами
или на поверхность вала (или муфты, шкива) наклеивается
полоса бумаги с несколькими равноотстоящими метками. От-
счет делится при этом на число секторов или меток. Этот спо-
соб является одним из наиболее удобных и находит широкое
применение.
Способ частотомера состоит в том, что с испытуемой маши-
ной сопрягается небольшой генератор переменного тока, на-
пряжение которого подается на вибрационный частотомер. Если
f— частота, измеряемая частотомером, и р— число пар полю-
сов генератора, то частота вращения п = №Цр.
Вместо генератора на вал машины может быть насажен пре-
рыватель, состоящий из чередующихся изолирующих и прово-
118
дящих пластин и двух щеток, к которым подключаются источ-
ник постоянного тока и вибрационный частотомер. При враще-
нии вала прерыватель посылает в частотомер импульсы тока,
под действием которых частотомер дает показания. Частота
вращения определяется по той же формуле, если полагать р
равным числу пластин прерывателя. Напряжение источника по-
стоянного тока должно быть таким, чтобы частотомер давал
заметные показания. Способ пригоден для измерения малых
частот вращения, которое требует лишь такого увеличения чи-
сла пластин прерывателя, чтобы частота импульсов оказалась
в пределах измерения частотомера.
Способ тахометрического генератора с вольтметром особенно
пригоден, когда частота вращения изменяется в широких пре-
делах. С испытуемой машиной сопрягается небольшая машина
постоянного тока с постоянными магнитами или с независи-
мым возбуждением; последнее должно быть невелико, чтобы
обмотка возбуждения заметно не нагревалась.
Напряжение якоря подается на магнитоэлектрический вольт-
метр, показания которого при неизменном возбуждении про-
порциональны частоте вращения. Для градуировки вольтметра
в оборотах в минуту достаточно одной точки, в которой ча-
стота вращения измеряется каким-нибудь другим способом; от
правильности последнего зависит точность" данного способа.
В качестве тахометрического генератора может быть применен
возбудитель испытуемой машины, если он имеется.
Этот способ возможен и при тахометрическом генераторе
переменного тока, однако не для измерения относительно малых
частот вращения, поскольку начало шкалы приборов перемен-
ного тока не имеет делений.
Если требуется по возможности более точное измерение не-
больших отклонений частоты вращения от заданного значения,
то встречно напряжению тахогенератора постоянного тока ТГП.
(рис. 4.8) включается (непосредственно или через потенцио-
метр) напряжение батареи гальванических элементов или ак-
кумуляторов, компенсирующее большую часть напряжения та-
хогенератора и контролируемое отдельным вольтметром V2;
предел измерения вольтметра VI может быть взят во столько
раз меньшим, чем при обычном включении, во сколько интер-
вал изменения частоты вращения меньше ее наибольшего зна-
чения.
Способ резонанса состоит в том, что на испытуемой машине
или рядом с ней помещается вибрационный частотомер, язычки
которого приходят в резонанс с ее вибрацией. Встречаются виб-
рационные тахометры, градуированные в оборотах в минуту.
Способ особенно пригоден для измерения больших частот вра-
щения; но при нем следует остерегаться вибраций от машин, ра-
ботающих по соседству.
Под скольжением асинхронных двигателей понимается вы-
ражаемое в процентах отношение разности между синхронной
ИР
частотой вращения их поля пс и частотой вращения ротора дви-
гателя к синхронной частоте вращения:
s=100 .
«с
Так как скольжение асинхронных двигателей при нагруз-
ках, близких к номинальной, обычно не превосходит нескольких
процентов, определение его измерением частоты вращения не
допускается и должно быть заменено определением разности
пс—п.
Способ амперметра постоянного тока может быть применен
только для двигателей с фазными роторами и постоянно нале-
гающими щетками. В одну из фаз ротора
вводится шунт амперметра на ток, не
меньший амплитуды тока в обмотке ро-
тора; желательно, чтобы прибор имел нуль
в середине шкалы. Пока ^частота тока в
обмотке ротора f2 невелика, стрелка ам-
Рис. 4.8. Компенсация напряжения тахометрического
генератора
перметра совершает качания с этой частотой. Если по секун-
домеру определить промежуток времени Т в секундах, потреб-
ный на совершение N полных качаний, то частота их будет
равна fz=NIT.
Так как
s=100—,
fi -
где fi — частота тока, создающего вращающееся поле, то
В частности, если Л = 50 Гц, то s=2N/T.
Для практических целей достаточно ограничиться отсчетом
JV=20 полных качаний; тогда s=40/7’ в процентах.
Способ индукционной катушки пригоден для асинхронных
двигателей как с фазными, так и с короткозамкнутыми рото-
рами. Поблизости от конца вала двигателя располагается ка-
тушка из большого числа витков с сердечником, соединенная
с магнитоэлектрическим гальванометром, имеющим нуль в се-
редине шкалы. Потоки рассеяния обмотки ротора индуктируют
в катушке ЭДС, приводящую гальванометр в действие. В ос-
тальном способ не отличается от предыдущего.
Недостатком обоих способов является то, что при малых
скольжениях, когда токи в обмотке ротора и их поля рассея-
120
ния слабы, отклонения прибора становятся малыми и их от-
счет представляет затруднения, а при больших скольжениях
подвижная система прибора перестает успевать за изменениями
ЭДС.
Стробоскопический способ с применением двухполюсного
реактивного синхронного двигателя, питаемого напряжением
той же частоты, что и испытуемая машина, и на вал которого
насаживается зачерненный диск с прорезью, пригоден при ма-
лых скольжениях.
Если бы испытуемый двигатель тоже был двухполюсным и
вращался синхронно, то через прорезь казался бы неподвиж-
ным; но когда он вращается с частотой ниже синхронной, имея
скольжение, то за каждый оборот диска его ротор успевает по-
вернуться несколько меньше, чем на полный оборот, и, рас-
сматриваемый через прорезь, кажется медленно вращающимся
против действительного направления вращения. За один период
своих токов ротор отстанет от синхронно вращающегося поля
на полный оборот; следовательно, измерив время Т, потребное
для отставания на N оборотов, и применяя предыдущую фор-
мулу, можно определить скольжение з.
Если испытуемая машина имеет р пар полюсов, то при
синхронном вращении ее ротор за каждый оборот диска успе-
вает повернуться только на 1/р часть оборота; метка на валу
машины будет представляться бледной и умножившейся в р
раз. Чтобы изображение сохранило яркость, нужно поставить
не одну, а р меток (рис. 4.9). При этом следует считать за N
не число оборотов, а число прохождений меток мимо какой-
либо неподвижной точки. Если реактивный двигатель имеет р'
пар полюсов, то в диске следует сделать не одну, а р' проре-
зей. При отрицательном скольжении, когда ротор вращается
сверхсинхронно, кажущееся вращение изображения будет сов-
падать по направлению с действительным.
Стробоскопический способ с применением газоразрядной
лампы. Для получения стробоскопического эффекта можно при-
менить освещение диска на торце вала испытуемой машины
газоразрядной лампой. Свечение таких ламп начинается, когда
приложенное напряжение превосходит определенное значение,
именуемое порогом зажигания, и является поляризованным,
т. е. при одном направлении тока светится один электрод, а при
противоположном — другой. Предпочтительно освещахь объект
свечением одной полярности, используя только одну вспышку
за период; для этого в цепь лампы необходимо включить вен-
тиль, пропускающий ток в одном направлении.
При питании лампы синусоидальным напряжением продол-
жительность ее горения за каждый полупериод относительно
велика и изображение получается расплывчатым; для повыше-
ния резкости следует подавать на лампу напряжение сильно
заостренной формы. Простейшая схема для заострения состоит
из реактивной катушки с насыщенным сердечником и соеди-
121
ненного последовательно с нею неиндуктивного сопротивления,
к зажимам которого подключена лампа.
Благодаря простоте способ с газоразрядной лампой нашел
применение не только для испытания асинхронных двигате-
лей. Так, если требуется поддерживать неизменной частоту
вращения машины любого вида на уровне одного из значений
синхронной при промышленной частоте, т. е. n — 3000/p в обо-
ротах в минуту, где р— целое число, это может быть достиг-
нуто регулированием, при котором диск или полоса с р мет-
ками в свете лампы кажутся неподвижными. Подобный прием
может быть применен, когда отношение заданного числа обо-
ротов в минуту к 3000 является несократимой дробью с неболь-
шим знаменателем.
Рис. 4.9. Стробоскопические диски
Пример. Требуется поддерживать неизменной частоту вращения машины
постоянного тока и =1285 об/мин, применяя стробоскопический способ. Отно-
шение заданной частоты вращения к 3000 дает 1285/3000=0,4283^3/7.
За время между двумя вспышками лампы вал должен повернуться на
3/7 окружности; следовательно, чтобы диск казался неподвижным, на нем
нужно иметь 7 секторов.
Предварительно частота вращения должна быть проверена по тахометру,
так как диск будет казаться неподвижным также при всякой иной частоте,
равной произведению несократимой дроби со знаменателем 7 на 3000, напри-
4 ч
мер 1714 = —.3000; 2143 = —-3000 и т. д.
7 7 '
Измерение скольжения может производиться приборами
с применением электронной и полупроводниковой техники пу-
тем сравнения числа оборотов испытуемого двигателя^ (или
кратного ему числа импульсов) за определенный промежуток
времени с числом периодов либо источника питания двигателя,
либо калиброванного генератора; результат измерения выда-
ется в виде цифрового расчета. Однако такие приборы дороги,
громоздки и неудобны для применения на испытательных стан-
циях.
4.3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА
В ряде случаев, особенно при испытании двигателей пере-
менного тока, приходится производить измерение развивае-
мого вращающего момента:
при неподвижной машине — начального пускового вращаю-
щего момента;
122
при вращении машины с неизменной частотой — вращаю-
щего момента при нагрузке и перегрузке в пределах устойчи-
вой работы машины;
при вращении машины с изменяющейся частотой — вращаю-
щего момента в режиме работы от трогания с места до полной
частоты вращения.
Для измерения вращающего момента применяется несколько
способов.
Способ тормоза, пригодный для измерений в первых двух
случаях, состоит в том, что на вал испытуемого двигателя на-
саживается тормоз — механический, гидравлический, электро-
магнитный или в виде динамометрического генератора. Рычаг
тормоза либо нагружается гирями, либо опирается на плат-
форму весов (например, десятичных или пружинных), либо под-
вешивается через динамометр. Момент, создаваемый тормозом,
определяется из равенства
M = Gl,
где G— усилие, приложенное к тормозу; I — плечо тормоза.
Правильное значение момента по этой формуле может быть
получено только тогда, когда тормоз вполне уравновешен и
его рычаг во время отсчета не касается ни одного из упоров,
ограничивающих его размах. Поскольку тормоз обычно нагру-
жается либо гирями, либо пружинными весами, градуирован-
ными в килограмм-силах, для получения значения момента
в ньютон-метрах следует умножить результат измерения на
g — ускорение свободного падения.
Применение тормоза при вращении машины с неизменной
частотой позволяет определить мощность, развиваемую двига-
телем на валу; она равна произведению вращающего момента
на угловую частоту вращения вала ®:
Р = <вЛ4 = — Gig = 1 ,Q27Gln,
60 s
где п — частота вращения; если принять плечо тормоза рав-
ным /=1/1,027 = 0,947 м, то получится очень удобная формула:
P=Gn, дающая результат в ваттах, если нагрузка тормоза была
выражена в килограмм-силах. Однако столь длинное плечо мо-
жет быть у тормоза для двигателей мощностью в десятки ки-
ловатт; для менее крупных двигателей удобно принять / =
=0,487 м и для самых малых /=0,195 м, введя в формулу для
мощности Р множителем соответственно 0,5 или 0,2.
При глухом заклинивании вала испытуемого двигателя
в тормозе может производиться измерение начального пуско-
вого вращающего момента; если не требуется измерять мо-
мент при вращении двигателя, то вместо тормоза может быть
применен только уравновешенный рычаг, закрепленный на валу.
Способ тарированного генератора состоит в том, что испы-
туемый двигатель сопрягается с тарированным генератором;
123
он пригоден только для второго случая измерения момента. Ис-
комый вращающий момент в ньютон-метрах
Л4 _ 60Р = 9,55Р
2лпи] пт}
где Р — мощность, отдаваемая тарированным генератором; ц—
его КПД в относительных единицах и п — частота вращения.
Сопряжение тарированного генератора с испытуемым дви-
гателем должно быть непосредственным, так как потери в про-
межуточной передаче, например ременной, трудно поддаются
учету.
Способ ускорения при пуске пригоден только для третьего
случая измерения момента и состоит в том, что двигатель без
нагрузки включается под неизменное напряжение; в процессе
его разворачивания производится определение зависимости ча-
стоты вращения п от времени t, истекшего с момента включе-
ния:
Мощность, развиваемая двигателем при пуске, расходуется
на увеличение кинетической энергии его вращающейся части
и на покрытие механических потерь и добавочных потерь, ко-
торые покрываются тоже механическим путем.
Если пренебречь этими потерями, что обычно можно сделать
без ущерба для точности опыта, то ускорение вращения, равное
производной от частоты вращения по времени, будет в любой
момент времени пропорционально развиваемому вращающему
моменту:
___ 2л j dn _ J dn
“ 60 ~di~~~ 9,55 dt
где J — момент инерции вращающейся части.
Нахождение производной по времени от зависимости п =
=f(t) состоит в графическом дифференцировании: в каждой
данной точке этой зависимости проводится к ней касательная
и определяется угловой коэффициент последней. Этот способ
кропотлив и неточен; поэтому желательно получать производ-
ную, не прибегая к графическому дифференцированию.
Способ униполярного генератора постоянного тока состоит
в том, что с испытуемым двигателем посредством жесткой
муфты соединяется униполярный генератор с независимым воз-
буждением или с постоянными магнитами. Его напряжение
пропорционально частоте вращения; если соединить его с ба-
тареей конденсаторов, то ток, заряжающий ее, будет пропор-
ционален скорости изменения напряжения, т. е. ускорению
испытуемого двигателя; этот ток может быть записан осцилло-
графом. У униполярной машины отсутствуют пазные и коллек-
торные пульсации напряжения, которые, усиливаясь в зарядном
токе, затемняли бы процесс. Затруднениями при применении
этого способа являются непостоянство щеточного контакта, виб-
124
рации, неравномерность зазора или наличие раковин в литых
частях тахометрического генератора, которые тоже служат ис-
точниками пульсаций зарядного тока.
В двух последних способах требуется определение масштаба
кривой. Если начальный пусковой вращающий момент относи-
тельно велик, то, будучи измерен, например, по способу тор-
моза, он может быть принят для масштаба. В противном случае
во время выбега испытуемого двигателя после его отключения
нужно создавать известный тормозящий момент, соизмеримый
с начальным пусковым моментом, и производить определение
зависимости n=f(t) или dnldt—f'(t') тем же способом, что и
при пуске; это дает возможность определить масштаб.
Способ тензометров основан на том, что наибольшие на-
пряжения растяжения и сжатия на поверхности скручиваемого
цилиндрического вала и соответствующие им деформации равны
между собой, взаимно перпендикулярны и направлены под уг-
лами ±45° к оси вала; на его поверхность в сечении, равноот-
стоящем от концов цилиндрической части, через каждые 90° по-
очередно под этими углами наклеиваются четыре одинаковых
тензометра, составляющие плечи тензометрического моста,' так,
что тензометры с одним и тем же углом наклона входят в про-
тивоположные плечи моста. В два любых смежных плеча сле-
дует ввести небольшие подгоночные сопротивления. Мост урав-
новешивается при ненагруженном вале.
Если измерение момента производится при неподвижной ма-
шине, то тензометры непосредственно соединяются с остальной
частью схемы, а при измерениях на ходу — через скользящие
контакты. Для измерений при пуске применяются цельные про-
водники, которым дается необходимый запас длины для наво-
рачивания на вал, после чего они обрываются. Необходимо,
чтобы первым разрывался проводник в цепи измерительного
устройства во избежание его повреждения от нарушения рав-
новесия моста при разрыве его плеч.
При измерении момента в неподвижном состоянии машины
питание моста может производиться постоянным током, а из-
мерение— либо по методу уравновешенного моста подбором со-
противлений остальных двух его плеч, либо по методу неурав-
новешенного моста измерением тока в его диагонали, что бы-
стрее, но менее точно.
При измерении момента на ходу, когда его значение непре-
рывно изменяется, необходимо питать мост переменным током
от генератора звуковой частоты, потому что ток в диагонали
моста слишком мал, чтобы его можно было без усиления по-
давать на вибратор осциллографа, а скользящий контакт может
служить источником термических ЭДС, искажающих измере-
ние; кроме того, при вращающейся машине возможны помехи
от наводимых ЭДС, которые в случае питания схемы пере-
менным током устраняются острой настройкой схемы на его ча-
стоту.
125
Градуировка схемы может производиться по известному мо-
менту, скручивающему данный вал, или по сравнению с тензо-
метром, наклеенным на образец, нагружаемый так, что его
деформация поддается точному учету, предпочтительно чистым
изгибом.
Если известны механические свойства материала, из кото-
рого изготовлен вал диаметра d, то по измеренной деформации
можно определить напряжение т на его поверхности, откуда
скручивающий момент
AfK = ndar/16.
При неподвижном двигателе, заторможенном через конец
вала, момент, скручивающий вал, равен моменту, развиваемому
двигателем, за вычетом момента начального трения в подшип-
никах, которым в случае применения подшипников скольжения
пренебрегать нельзя.
Когда двигатель пускается вхолостую, его вал не подверга-
ется скручиванию, если не считать момента трения в подшип-
никах, на ходу относительно ничтожного. Поэтому, чтобы при
пуске вал скручивался, необходимо соединить его с какой-либо
маховой массой. При испытаниях на предприятии-изготовителе
такой массой обычно служит вращающаяся часть вспомога-
тельной электрической машины.
Если /д — момент инерции вращающейся части двигателя,
a JM — момент инерции сопряженной с ним массы, то измерен-
ный скручивающий момент AfK будет относиться к полному,
развиваемому двигателем моменту как момент инерции массы
/м к сумме моментов инерции массы и вращающейся части дви-
гателя:
Л1к/Л4 = МЛ + /м),
откуда
М = МК ^ + ^- = Мк + 1).
Ум \ Ум /
Если испытуемый двигатель сопряжен с другим таким же,
что бывает чаще всего, то /д=/м и потому Л4=2Л4К.
При вращении с неизменной частотой, независимо от соот-
ношения моментов инерции вращающейся части двигателя и
приводимого им механизма, измеренный скручивающий момент
равен вращающему моменту, передаваемому двигателем этому
механизму.
4.4. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ГАЗОВ
Программы испытаний электрических машин всех видов не
содержат непосредственно измерения расхода охлаждающего
воздуха или иного газа, но это измерение может выполняться
по ходу таких испытаний, как определение КПД калориметри-
126
ческим методом, или по указанию в стандартах или техниче-
ских условиях на отдельные виды машин.
Измерение расхода воздуха производится определением его
средней скорости в известном сечении вентиляционного тракта
в предположении, что все струи параллельны. Это сечение раз-
бивается на элементы, в каждом из которых производится изме-
рение скорости. Чем на большее число элементов разбито се-
чение, тем равномернее скорость воздуха в пределах каждого
из них.
Способ анемометра применяется для измерения собственно
не скорости, а пути, пройденного воздухом в приборе. После
выдержки в данной точке, достаточной для того, чтобы враще-
ние анемометра установилось, одновременно включаются и
через определенный промежуток останавливаются счетный меха-
низм анемометра и секундомер. Промежуток времени Т, в те-
чение которого работает счетный механизм анемометра, сле-
дует брать не менее 10—20 с; однако его чрезмерное увеличение
не повышает заметно точности измерения. Деление разности по-
казаний счетного механизма по окончании отсчета S2 и до его
начала Si на промежуток времени Т дает скорость воздуха
u-(S2—Si)/T.
Этот результат нуждается в исправлении по градуировоч-
ной кривой или таблице, представляющей зависимость дейст-
вительной скорости воздуха а' от измеренной v, имеющую за-
частую нелинейный характер, и потому исправление следует
вносить в каждый произведенный отсчет. Средняя скорость
воздуха при m отсчетах определяется по формуле
Крыльчатые анемометры применяются для измерения ско-
рости воздуха примерно от 0,5 до 6 м/с; при меньшей скорости
их показания недостаточно устойчивы, а при более высоких
скоростях возможна поломка крыльчатки. Пределы примени-
мости чашечных анемометров — измерение скорости от 5 до
40 м/с; таким образом, анемометры этих двух типов дополняют
друг друга. При работе ось вращения крыльчатого анемометра
должна совпадать с направлением струи, а ось вращения ча-
шечного анемометра должна быть перпендикулярна струе.
Способ анемометра требует значительной затраты времени
и не отличается высокой точностью. Рекомендуется произво-
дить каждое измерение дважды, изменяя направление обхода
сечения; результат следует считать удовлетворительным, если
расхождение не превосходит 5 % среднего.
Способ двойной пневмометрической трубки, называемой
трубкой Прандтля, пригоден для измерения скорости воздуха
в воздухопроводах, в которых статическое давление может
127
отличаться от атмосферного; эти трубки можно приобретать го-
товые или изготовлять собственными средствами при соотно-
шении размеров, указанном в ГОСТ 12259 — 75. Внутренний
канал трубки, соединенный с ее соплом, отбирает полное дав-
ление, а наружный канал, соединенный с кольцевой щелью,—
только статическое давление; поэтому, если соединить оба ка-
нала трубки с двумя ветвями U-образного манометра, то его
показания будут равны разности полного и статического дав-
лений, т. е. динамическому давлению рд; такое включение ма-
нометра называется дифференциальным.
Если измеряемое динамическое давление рд выражено в гек-
топаскалях, то скорость воздуха может быть вычислена по
формуле
о = 0,1288&т|3 рд,
Где ki — коэффициент трубки, обычно не выходящий из пре-
делов 1,01—1,02, и р — коэффициент, учитывающий атмосфер-
ное давление b и температуру воздуха &:
о / 273+& 1013 , ос / 273+ &
й------i—7—
Таким .образом, если положить Ат=1, то
v = 2,396 д/ 273±а-^.
Если динамическое давление меньше 10—20 гПа, то вместо
обычного U-образного манометра применяется микромано-
метр— манометрическая трубка, которую можно наклонять под
различными углами так, чтобы делить отсчет по шкале на про-
стые делители: 2, 5 или 10; обратная им величина носит назва-
ние коэффициента наклона трубки. Прибор требует установки
по уровню, обычно прикрепленному к нему. Во избежание кор-
розии внутренних частей микроманометр заполняется не водой,
а подкрашенным спиртом, и миллиметровые деления его шкалы
для перевода в паскали следует умножать на g — ускорение
свободного падения и на у — плотность спирта в граммах на
кубический сантиметр, определенную одним из применяемых
для этого способов.
При малых скоростях воздуха точность измерения ограни-
чивается возможностями микроманометра; его относительная
погрешность определяется в процентах по формуле
во = 100 —,
V2
где k — коэффициент наклона трубки. Так, например, при ско-
рости v=4 м/с и й = 0,2 погрешность достигает 5%.
Достоинством трубки Прандтля является малая чувстви-
тельность к отклонению от направления струи, которое может
128
доходить до 15° без заметного влияния на показание; тем не
менее не рекомендуется, чтобы это отклонение превосходило 10°.
Способ электротермоанемометра может быть основан на
различных принципах. Наиболее распространенными являются
такие приборы, в которых чувствительным элементом служит
тонкая металлическая нить из материала с высоким темпера^
турным коэффициентом, нагреваемая током и охлаждаемая
омывающим ее газом; температура нити и ее сопротивление за-
висят от нагревающего тока, скорости струи и температуры
газа. Нить, укрепленная на конце зонда, вводится в схему мо-
ста, уравновешивание которого позволяет одновременно опре-
делять оба последних фактора. Каждый элемент требует гра-
дуировки в устройстве, обеспечивающем точное измерение ско-
рости воздуха.
Достоинство способа состоит в возможности измерения ско-
ростей до самых высоких, быстроте измерений и малой зависи-
мости показаний от положения нити по отношению к струе; спо-
соб допускает проникновение измерительных элементов в узкие
каналы и установку их в местах, недоступных после сборки ма-
шины, в том числе на вращающихся частях, для чего требу-
ется применение скользящих контактов.
Недостатком способа является легкая повреждаемость
нити — обрыв или пережигание, когда нить, нагреваемая током
при измерении большой скорости, попадает в струю с малой
скоростью; если газ недостаточно чист, содержащаяся в нем
пыль оседает на нити, ухудшает теплоотдачу и нарушает гра-
дуировку.
Вместо нити могут применяться полупроводниковые эле-
менты с отрицательным температурным коэффициентом, сопро-
тивление которых сильно зависит от температуры. Их механи-
ческая прочность значительно выше, и они не боятся пережи-
гания, но недостатком является крайне широкий разброс гра-
дуировок отдельных элементов, затрудняющий настройку схем.
Возможны также электротермоанемометры с измеритель-
ными элементами в виде термопары с нагревателем. В струе
температура спая понижается и ЭДС термопары уменьшается;
измерение ЭДС потенциометром дает возможность определить
скорость струи по предварительной градуировке.
Определение расхода по данным измерения скоростей не-
зависимо от способа этого измерения имеет две разновидности.
Одна из них, не претендующая на высокую точность, но легко
выполняемая, состоит в измерении скоростей струй воздуха
при свободном выходе в атмосферу. Воспользоваться для изме-
рения входным отверстием в корпусе машины нельзя, потому
что в нем распределение и направление струй воздуха неопре-
деленны; к выходному отверстию следует пристраивать патру-
бок из листовой стали, фанеры или другого материала, обычно
прямоугольного сечения, заканчивающийся прямолинейным уча-
стком длиной не менее 1,5—2-кратного наибольшего размера
& Заказ № 512
12»
его сечения; желательно, чтобы этот участок был направлен
вверх.
В отверстии патрубка натягивается сетка, разделяющая его
lia равные ячейки примерно квадратной формы с размерами
сторон 100—200 мм в зависимости от сечения патрубка. Изме-
рительный элемент помещается поочередно в центре каждой
ячейки. Если машина имеет два или более отверстий для вы-
хода воздуха, то они либо соединяются в общий патрубок ру-
кавами с плавными переходами, без резких углов, либо снаб-
жаются отдельными патрубками. При больших скоростях и
расходах воздуха этот способ дает удовлетворительные резуль-
таты.
Вторая разновидность измерения применяется преимущест-
венно при умеренных расходах внутри искусственных воздухо-
водов с сечением прямоугольной или круглой формы, которые
могут пристраиваться со стороны как выхода, так и входа воз-
духа; их длина должна быть не меньше пятикратного наиболь-
шего размера сечения. Измерение следует производить в селе-
нии, находящемся на 3/s длины воздуховода, считая по направ-
лению движения воздуха.
При прямоугольном сечении в одной из сторон воздуховода
делаются отверстия, служащие для ввода измерительного эле-
мента и располагаемые так, чтобы он мог помещаться в цент-
рах воображаемых ячеек, на которые разбито сечение; стержни
измерительных элементов размечаются по длине с таким расче-
том, чтобы они попадали в центры ячеек (рис. 4.10). Стержень
вводится в воздуховод через пробку, плотно закрывающую от-
верстие; прочие отверстия должны быть закрыты. Число ячеек
не ограничивается, но должно быть не меньше девяти.
Крыльчатые или чашечные анемометры непригодны для дан-
ного способа, так как их нужно вынимать из патрубка для каж-
дого отсчета; однако существуют конструкции анемометров,
в которых вместо счетного механизма встроен небольшой гене-
ратор переменного тока, работающий на вольтметр, находя-
щийся вне воздуховода. В любом случае поперечный размер
анемометра должен быть не больше половины стороны ячейки.
При круглом сечении воздуховода последнее разбивается
на пять зон, равновеликих по площади; измерения производятся
в точках, располагаемых в середине ширины каждой зоны, же-
лательно по двум взаимно перпендикулярным диаметрам. Рас-
стояния точек от одного из концов диаметра, выраженные
в процентах от этого диаметра, следующие: 2,6; 8,2; 14,6; 22,6;
34,2; 65,8; 77,4; 85,4; 91,8; 97,4. Если есть уверенность в доста-
точно равномерном распределении скоростей по сечению, то
можно ограничиться измерениями по одному диаметру.
Во всех случаях расход определяется как произведение пло-
щади поперечного сечения воздуховода на среднюю скорость,
вычисляемую как среднее арифметическое из всех измеренных
значений. При достаточной длине воздуховода круглого сече-
азо
ния в случаях, не требующих высокой точности, среднюю ско-
рость воздуха можно принимать равной 0,91 значения, изме-
ренного в центре сечения.
При любом из этих способов определение расхода воздуха
измерением его скоростей является трудоемкой и продолжи-
тельной операцией; поэтому желательно применять способы,,
сразу дающие искомый результат.
Способ газового счетчика пригоден для измерения неболь-
ших расходов — в пределах измерения счетчика, если подвод
воздуха может быть осуществлен трубопроводом между ним и
машиной, диаметр которого близок к диаметру патрубков счет-
чика. Допускается параллельное соединение двух или более
счетчиков. Продолжитель-
ность каждого измерения
рекомендуется не менее
10 мин; желательно произ-
водить не менее трех изме-
рений.
Способ калориметриче-
ского расходомера, при-
годный для измерения лю-
бых расходов, от самых
малых до наиболее круп-
ных, состоит в том, что
в каком-либо сечении уста-
навливается источник теп-
Рис. 4.10. Искусственный воздуховод
для измерения расхода воздуха
лоты, количество которой может быть точно измерено, а по обе
стороны от него производится измерение распределения тем-
пературы по всему сечению. При установившемся температур-
ном режиме мощность Р, выделяемая в источнике теплоты, вся
идет на подогревание проходящего газа. Если ср — теплоем-
кость газа при постоянном давлении, а Ай — повышение его
температуры при проходе через источник теплоты, то искомый
расход
Q==P/(cpM).
Объемная теплоемкость любой смеси двухатомных газов»
к которым принадлежат сухой воздух и водород, зависит не
от ее химического состава, а от состояния, в котором она на-
ходится, а именно от давления р и температуры й:
ср~ 1,285
273
273 + $
Р
1013
-0,346
р
273 +$
Обычно температура газа лишь незначительно повышается
при прохождении его через нагревательный элемент, и потому
несущественно, к какой температуре — до или после элемента —
следует относить теплоемкость.
В качестве нагревательного элемента рекомендуется сетка*
равномерно затягивающая поперечное сечение и нагреваемая
постоянным током. Измерение повышения температуры может
5*
135
производиться разными способами, например двумя батареями
термопар, распределенных по сечениям и попарно включенных
встречно, так что разности их ЭДС складываются, увеличивая
измеряемое значение во столько раз, сколько термопар нахо-
дится в каждой батарее. Вместо батарей термопар могут быть
применены две сетки из медного проводника, имеющие равные
сопротивления при одинаковой температуре; измерение их со-
противлений при установившемся тепловом состоянии дает
возможность определить температуру каждой из них и их раз-
ность A'fl*.
Для хорошего перемешивания струй газа после его прохода
через нагревательный элемент расстояние между ними и бата-
реями термопар или сетками не должно быть слишком малым;
но тогда на точность измерения могут оказывать влияние
стенки канала: если газ подогревается ими, то разность темпе-
ратуры ДФ возрастает и измеренный расход преуменьшается;
если же стенки поглощают тепло, то он окажется преувели-
ченным.
Пример. Измерение расхода воздуха способом калориметрического рас-
ходомера производится на выходе из машины при атмосферном давлении 6 =
=987 гПа и температуре О=57 °C. Требуется определить расход, если в на-
гревательном элементе выделяется мощность Р=2,37 кВт и разность ЭДС
двух батарей термопар хромель—копель из т=20 шт. в каждой составляет
ДЕ=2,51 мВ.
Термопара хромель—копель при малых разностях температуры нагретого
и холодного спаев имеет ЭДС е=0,065 мВ/K; средняя разность температуры
А» = =——------------ 1,93К.
те 20-0,065
Теплоемкость воздуха при температуре 57 °C и давлении 987 гПа
0,3466 0,346-987 .
ср = --------=----------= 1,035 кДж/(м8-К)!
273+0 273 + 57
отсюда искомый расход воздуха
_ Р 2,37 . ,п ,,
Q =-------=-----!-----=1,19 м3/с.
СрД-8- 1,035-1,93
Способ термопреобразователя сопротивления является раз-
новидностью предыдущего, состоящей в том, что нагреватель-
ный элемент в виде сетки из проводника с большим темпера-
турным коэффициентом, например из меди, затягивающей по-
перечное сечение канала, сам может служить для измерения
расхода газа. Средняя температура газа, проходящего через
сетку, определяется измерением сопротивления сетки без нагре-
вания током, которое должно быть сравнено с выполненным при
известной температуре. Определение расхода может произво-
диться либо измерением температуры сетки при неизменном
значении нагревающего тока, либо путем такого изменения
этого тока, чтобы температура сетки имела определенное зна-
132
чение. В обоих случаях требуется предварительное тариро-
вание сетки в канале, допускающем измерение расхода каким-
либо иным способом.
Две сетки, находящиеся на некотором расстоянии друг за
другом, позволяют обойтись без тарирования: сетка, первая по
направлению движения газа, служит нагревательным элемен-
том, а вторая — измерительным. Расход можно определить но
той же формуле, что и при способе калориметрического расхо-
домера, если за ДО принять разность температуры измеритель-
ной сетки при подогреве нагревательной и без него.
Измерение расхода газов может производиться также спо-
собом диафрагмы, рассматриваемым в следующем параграфе
применительно к измерению расхода жидкостей; однако прак-
тическое применение его при промышленных испытаниях элект-
рических машин нецелесообразно, так как требует специаль-
ных сооружений.
Большинство ошибок при измерении расхода воздуха про-
исходит от непараллельности его струй в том сечении, где про-
изводится измерение, например после колена, образуемого воз-
духоводом; в таких случаях рекомендуется применение спрям-
ляющей решетки, вставляемой в воздуховод перед сечением,
в котором производится измерение, ио не ближе к этому се-
чению, чем на расстоянии, равном наибольшему из его попе-
речных размеров. Однако самым лучшим средством для вырав-
нивания струй является достаточность длины прямолинейного
участка воздуховода.
4.5. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ
В практике испытания электрических машин находят при-
менение следующие способы измерения расходов жидкостей.
Способ мерного бака. Жидкость, расход которой подлежит
измерению, сливается в сосуд с точно известным объемом; про-
должительность его заполнения измеряется секундомером. Рас-
ход определяется делением объема сосуда на продолжитель-
ность его заполнения.
Объем сосуда следует выбирать так, чтобы продолжитель-
ность заполнения была не меньше 1 мин; предел ее определя-
ется удобством опоражнивания сосуда по окончании измерения.
Измерение каждого расхода рекомендуется производить, по
крайней мере, дважды. Если определение объема сосуда обме-
ром встречает затруднения (например, вследствие сложности
его формы) или объем сосуда может измениться под давлением
жидкости, то приходится прибегать к его взвешиванию в по-
рожнем и в наполненном состоянии. Для измерения больших
расходов этот способ непригоден.
Способ механического водомера. Существует большое число
систем водомеров с передачей движения на счетный механизм,
градуированный в единицах объема.
133
Такие водомеры требуют установки преимущественно в го-
ризонтальных участках трубопроводов; для правильности их
показаний необходимо, чтобы до и после водомера были пря-
молинейные участки с длиной, не меньшей пятикратного диа-
метра трубопровода.
Предпочтительна установка водомеров в напорных трубо-
проводах; установка в сливных трубопроводах может быть до-
пущена при условии, что они целиком заполнены жидкостью.
Пропускная способность водомера зависит от его калибра,
г. е. диаметра входного отверстия, от системы, от рода жидко-
сти, ее температуры и продолжительности работы; она пони-
жается с увеличением вязкости жидкости (т. е. для масла она
ниже, чем для воды) и с повышением температуры. При непро-
должительном действии водомера, например не более 1 ч, про-
пускная способность может быть повышена в 2—2,5 раза.
Перегрузка водомера сверх пропускной способности может
повредить его внутренние части; недогрузка понижает точность
измерения, которая нормально составляет 2—3%; поэтому не
следует применять водомеры для измерения расходов менее
20—25 % предельного допустимого при данных условиях.
Способ диафрагмы. Если в трубопровод врезать диафрагму,
отверстие которой имеет диаметр, меньший диаметра трубопро-
вода, то падение давления на этой диафрагме, измеряемое диф-
ференциальным манометром, может служить мерой расхода
жидкости через трубопровод.
При соблюдении ряда правил способ диафрагмы обеспечи-
вает достаточную точность измерения расхода; для трубопро-
водов диаметром от 50 мм и выше диафрагмы не требуют гра-
дуировки. Способ пригоден для измерения больших расходов,
таких, как расходы воды в охладителях разного рода.
Расход несжимаемой жидкости через диафрагму может быть
определен по формуле
где d — диаметр диафрагмы; g — ускорение свободного паде-
ния; h — отсчет по дифференциальному манометру в метрах;
уЛ— плотность ртути, заполняющей манометр; у' — плотность
жидкости в трубках манометра над заполняющей их ртутью
при его температуре; у — плотность жидкости, расход которой
измеряется, при температуре потока; а — коэффициент рас-
хода, определяемый ниже.
В обычной практике можно производить вычисление по уп-
рощенной формуле:
Q = 390d2a ]/7i7y.
Правила, которые нужно соблюдать при измерении расхода
жидкостей способом диафрагмы, изложены в официальном из-
134
Дании Госстандарта «Правила 28-64 измерения расхода жидко-
стей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами».
Основные из них следующие:
длина прямолинейного участка трубопровода до диафрагмы
должна быть не меньше шестикратного диаметра трубопровода,
а после диафрагмы — не менее трехкратного;
отношение диаметра отверстия диафрагмы d к диаметру
трубопровода D должно быть в пределах от 0,225 до 0,835;
конструкция и размеры диафрагмы и ее камеры должны
соответствовать Правилам 28-64;
входная кромка отверстия диафрагмы должна быть как
можно более острой, тем в большей степени, чем меньше диа-
метр диафрагмы, и не иметь забоин, заусенцев и т. д.;
внутренняя поверхность трубопровода перед камерой диаф-
рагмы и за ней должна быть вполне гладкой; выступание про-
кладок, сварных швов и тому подобных неровностей недопу-
стимо;
отверстие диафрагмы должно быть точно центрировано по
отношению к трубопроводу; смещение центра отверстия с оси
трубопровода не должно превышать 0,6 мм при диаметре тру-
бопровода до 200 мм и 1 мм при диаметре от 200 до 500 мм;
трубопровод должен быть целиком заполнен жидкостью;
число Рейнольдса Re должно быть не меньше значения по
приведенной ниже таблице; при соблюдении перечисленных
условий коэффициент расхода а может быть взят из этой же
таблицы:
D/d 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
Remin 29 000 34 000 41000 53 000 72 000 95 000
a 0,598 0,601 0,605 0,610 0,616 0,624
D/d 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80
Remin 127 000 173 000 234 000 318 000 457 000 720 000
a 0,635 0,648 0,667 0,690 0,721 0,761
Числом Рейнольдса Re называется безразмерная величина — отношение
произведения скорости жидкости в трубопроводе v на диаметр трубопровода
D к так называемой кинематической вязкости жидкости v при данной тем-
пературе:
_ vD 4QD 1,273(?
v jiD2v Dv
135
Значения кинематической вязкости v и плотности у для воды в зависимо-
сти от ее температуры О даны в приложении 3.
Материалом для изготовления шайб могут служить твер-
дые стали; в Правилах 28-64 упоминаются марки Х17^
1Х18Н9Т и Ст20, а также латунь и оловянистая бронза, если
диафрагма только непродолжительно находится в струе жид-
кости. Важна острота кромки со стороны входа струи; с тече-
нием времени эта кромка затупляется под действием твердых
частиц, содержащихся в жидкости, и после длительного пребы-
вания в струе диафрагма становится непригодной для измере-
ния тем быстрее, чем меньше диаметр ее отверстия.
Пример. Производится измерение расхода воды в газоохладителе. Диа-
метр напорного трубопровода £=100 мм, диаметр диафрагмы d=50 мм, тем-
пература воды Ф=28 °C. Отсчет по дифференциальному ртутному манометру
составляет h=0,372 м. Плотность воды при температуре 28 °C согласно таб-
лице приложения 3 у=996 кг/м3; коэффициент расхода для d/D=0,5 по таб-
лице на стр. 135 составляет а=0,624. Отсюда искомый расход
Q = 390d’a А/— = 390-0,052-0,624 а0,01175 м3/с.
V У V 996
Кинематическая вязкость воды при температуре 28 °C по таблице прило-
жения 3 может быть принята v=0,85« 10-6 м2/с; отсюда число Рейнольдса
Re = = 1'273-0,01175-10° = 176 000.
Dv 0,1-0,85
По таблице на стр. 135 наименьшее допустимое число Рейнольдса для?
данного соотношения диаметров диафрагмы и трубопровода Remin=95 000;
таким образом, измерение не требует введения поправок.
4.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ
ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ
Для электрических машин, работающих в режимах с бы-
стро изменяющейся частотой вращения, имеет значение момент
инерции J вращающейся части, под которым понимается про-
изведение массы m этой части на четверть квадрата так на-
зываемого приведенного диаметра D:
J=mD*/4.
Для сплошного однородного цилиндра диаметром d, вра-
щающегося вокруг оси, приведенный диаметр равен
D = d//2.
Для неоднородного тела, каким является вращающаяся
часть электрической машины как по форме, так и по мате-
риалу, расчетное определение приведенного диаметра пред-
ставляет трудоемкую работу.
Метод крутильных колебаний пригоден для определения мо-
мента инерции относительно легких вращающихся частей; об-
ласть его применения ограничена машинами мощностью до
136
100 кВт с массой вращающейся части не свыше нескольких
десятков килограммов. Вращающаяся часть подвешивается
в вертикальном положении на струне (рис. 4.11), приводится
в крутильное колебательное движение, и определяется период
ее малых колебаний, который сравнивается с периодом коле-
баний эталонного тела с известным моментом инерции, под-
вешиваемого на этой же струне; тогда искомый момент инер-
ции определится из равенства
J = Jh(T/Th),
где JB—момент инерции эталонного тела; Тв— его период ко-
лебаний; Т — период колебаний данной вращающейся части.
В качестве эталонного тела служит сплош-
ной цилиндр, по массе и диаметру подходящий
к испытуемой вращающейся части.
Чем длиннее и тоньше струна, тем больше
период колебаний и тем точнее его определе-
ние; он должен быть не меньше 1 с, диаметр
струны — достаточным, чтобы ее растяжение
не выходило из предела упругих деформаций,
а ее длина ограничивается высотой помещения,
в котором производится опыт.
Преимуществом метода является то, что тре-
ние практически не оказывает влияния на ре-
зультат опыта; трением о воздух при малых ко-
Рис. 4.11. Определение момента инерции методом кру-
тильных колебаний
лебаниях можно пренебречь. Однако применение этого метода
встречает и некоторые затруднения.
Во-первых» точка подвеса должна находиться строго на оси
вращения; вращающаяся часть перед опытом должна быть от-
балансирована, но результат этого пропадет, если точка под-
веса смещена с оси вращения. Поэтому для прикрепления
струны следует применять точно изготовленное приспособление.
Во-вторых, чем больше диаметр струны и чем меньше ее
длина, тем в большей степени оказывает нежелательное влия-
ние на результат измерения ее остаточная деформация от сво-
рачивания в бухту, а рихтовка для устранения такой деформа-
ции затруднительна. В этом отношении лучшие результаты
может дать применение струны из материала типа капрона.
В-третьих, трудно определить период колебаний с доста-
точной точностью. Когда он мал, удобнее определять по секун-
домеру продолжительность нескольких периодов, отсчитывая
ее между моментами перемены направления вращения.
137
Существует разновидность данного метода, состоящая в том, что вращаю-
щаяся часть подвешивается не на одной, а на двух струнах; однако при этом
возникают затруднения с правильным размещением точек прикрепления струн
и с равномерностью распределения нагрузки на них; кроме того, очень трудно
избежать качаний в направлении, перпендикулярном плоскости расположения
струн, которые очень мешают при определении периода колебаний.
Метод вспомогательного маятника может быть применен
только к машинам с подшипниками качения, т. е. умеренной
мощности. В отличие от предыдущего он не требует выемки
вращающейся части из машины и состоит в том, что к валу
при помощи легкого, но не гибкого рычага прикрепляется маят-
никовая масса тн (рис. 4.12); вся система приводится в ко-
лебательное движение отклонением маятника от вертикали. Как
и в предыдущем методе, требуется определять период этих ко-
лебаний, причем рекомендуется принимать в расчет два-три
самых малых колебания непосредственно перед их прекраще-
нием; но в отличие от предыдущего следует производить изме-
рение продолжительности периодов колебаний между прохож-
дениями маятника через положение равновесия. Односторон-
нее отклонение маятника от вертикали не должно превосходить
15°. Момент инерции определяется по формуле
J —тва (= тна (0,2484Т2—а),
\ 4л2 /
где тя — масса маятника; а — расстояние от центра тяжести
маятника до оси вращения; Т — среднее арифметическое из
переменных периодов колебаний; g — ускорение свободного па-
дения, равное 9,81 м/с2.
При всей простоте метод не отличается точностью, потому
что затруднительно определять расстояние центра тяжести ма-
ятника от оси вращения, поскольку при этом должна быть
учтена масса рычага. Вращающаяся часть должна быть хорошо
отбалансирована, так как ее неуравновешенность искажает ре-
зультат.
Метод самоторможения применяется для наиболее крупных
машин, как прокатные двигатели и т. п., и состоит в том, что
испытуемая машина приводится во вращение с частотой, пре-
вышающей номинальную на 10—15%, после чего ей предо-
ставляется возможность свободного выбега и производится
определение зависимости частоты вращения от времени в ин-
тервале от ПО—115 до 85—90 % ее номинального значения
(рис. 4.13).
Кинетическая энергия вращающейся части, равная поло-
вине произведения ее момента инерции J на квадрат угловой
скорости о», расходуется на покрытие суммы затормаживающих
потерь SP, так что
— /2^1 \ s= Jo = _ s р.
dt \ 2 / dt
138
Вместо угловой скорости со удобнее ввести частоту враще-
ния п:
2лп 'dco 2л Tdn
(О =----. ------------.
60 dt 60 dt
тогда
-^L П~ = Сп~ = — S Р;
3600 dt dt
здесь
С = 4л27/3600== 7/91,2
носит название постоянной самоторможения.
Рис. 4.12. Определение момента инерции
методом вспомогательного маятника
Рис. 4.13. Определение мо-
мента инерции методом
самоторможения
Если через точки кривой самоторможения с ординатами
Пн+Дп и пн—Дя провести секущую, то ее угловой коэффициент,
равный отношению 2&п!Т, где Т — продолжительность торможе-
ния от И1 = пн+Дя до П2 = пн—Дп, будет очень близок к угло-
вому коэффициенту касательной к кривой в точке п = пн, т. е.
2Дп ___ dn
~ dt
Когда машина не возбуждена, то затормаживающими яв-
ляются только механические потери, и при номинальной ча-
стоте вращения
2 Р = Рмех5
отсюда
J
91,2
2Дп
«н —
~ Р М&Х
J
пнАп
139
Касательная может быть проведена и в любой другой точке
кривой самоторможения, но тогда механические потери дол-
жны быть определены для соответствующего значения частоты
вращения п.
Если повышение частоты вращения сверх номинальной не-
возможно, то для определения продолжительности торможения
Т можно применить способ предельной касательной, рассмат-
риваемый в главе шестой. Для определения кривой самотор-
можения здесь не требуется той точности, которая необходима
при определении потерь методом самоторможения, и можно
применить отсчеты по команде или запись напряжения тахо-
метрического генератора постоянного тока осциллографом.
При определении момента инерции якоря машины постоян-
ного тока на ее коллекторе нужно оставить минимальное число
щеток.
4.7. ЗАПИСЬ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВЕЛИЧИН
При некоторых испытаниях электрических машин требуется
производить определение зависимости различных величин от
времени, записывая их либо непрерывно, либо через опреде-
ленные промежутки времени.
Запись по команде. Каждый прибор обслуживается отдель-
ным наблюдателем; отсчеты производятся всеми одновременно
по сигналам, подаваемым ударами в колокол, свистками, вспыш-
ками лампы или голосом, и записываются каждым наблюда-
телем отдельно; тренированный персонал может производить
отсчеты и запись через 5—6 с.
Способ не нуждается в специальной аппаратуре, но требует
большого количества персонала, не допускает контроля ошибок
в записях иначе, как повторением процесса, что не всегда воз-
можно, и может быть применен лишь к процессам с продолжи-
тельностью не менее 1—1,5 мин, на протяжении которой все
измеряемые величины изменяются более или менее плавно. Для
ускорения записи до одного раза за 1—2 с, однако со значи-
тельной потерей точности, на стекло над шкалой каждого при-
бора наклеивается кусок бумаги соответствующей формы, на
котором наблюдатели ставят штрихи острым карандашом про-
тив положения указателя в данный момент; по окончании про-
цесса у каждого штриха надписывается соответствующий от-
счет. Это пригодно только при полностью монотонном измене-
нии измеряемых величин во все время опыта.
Кинематографическая запись. Показания всех приборов фо-
тографируются через определенные промежутки времени кино-
съемочной камерой, а во многих случаях — и обыкновенной
малоформатной камерой, желательно с рычажным механиз-
мом передвижения пленки и заводки затвора. Если число из-
мерительных приборов невелико, то рекомендуется применение
объективов с повышенным фокусным расстоянием, дающих изо-
бражение в более крупном масштабе.
140
Камера располагается на стойке объективом вниз; приборы
размещаются под ней так, чтобы плоскость шкалы каждого
из них была перпендикулярна лучу, идущему из центра объ-
ектива, во избежание параллакса. Если вместе с приборами
фотографируется секундомер, пущенный в момент начала про-
цесса, то каждый кадр будет ориентирован во времени.
Чем больше ламп применяется для освещения шкал прибо-
ров и чем равномернее они расставлены, тем менее заметны
тени, отбрасываемые на шкалы указателями; они могут быть
спутаны с самими указателями. Перед началом опыта необ-
ходимо убедиться в том, что стекла приборов не дают отблес-
ков от ламп. Когда производится запись показаний одного
прибора, то ось камеры располагается точно над осью его под-
вижной системы, а секундомер может быть положен на его
корпус в этом же месте, как на рис. 4.14.
Рис. 4.14. Пример кадра фотографической записи
Иногда целесообразно применить щитовые (технические)
измерительные приборы, имеющие более заметные указатели;
в этом случае ось камеры располагается горизонтально, а при-
боры— по поверхности сферы, описанной из центра объектива.
Скорость съемки обычной фотографической камерой может
быть доведена до 30 кадров в минуту — это много меньше ско-
рости киносъемочной камеры; однако инерция подвижных си-
стем измерительных приборов препятствует правильной записи
быстро изменяющихся процессов.
Запись посредством самопишущих (регистрирующих) при-
боров имеет то преимущество, что непрерывна; благодаря боль-
шой потребляемой мощности и сильному успокоению эти при-
боры вносят меньше искажений в измерение быстро изменяю-
щихся величин, чем обычные.
При применении регистрирующих приборов важно пра-
вильное ориентирование записей отдельных приборов во вре-
141
мени и друг относительно друга. Оно достигается периодиче-
ским нанесением на все записи отметок путем кратковремен-
ного размыкания измерительных цепей напряжения и замыка-
ния накоротко цепей тока промежуточным реле, управляемым
от механизма, отсчитывающего время, или от руки по секундо-
меру.
Осциллографическая запись обеспечивает регистрацию про-
цессов со всеми подробностями так, как это не способен дать
ни один из перечисленных способов, но ее точность относи-
тельно невелика, а обработка трудоемка и требует тщатель-
ного определения масштабов на токе того же рода, что и из-
меряемый; масштабы, определенные на постоянном токе, не-
пригодны для процессов, записанных на переменном токе, и
наоборот. В ответственных случаях рекомендуется определять
масштабы дважды — до записи процесса и после нее. При од-
новременной записи нескольких величин не следует совме-
щать нулевые линии вибраторов, так как это понижает точ-
ность обмера записи.
Отметки времени при записях с большими скоростями дви-
жения светочувствительной ленты производятся специальными
вибраторами, дающими определенную частоту; при средних
скоростях их можно наносить обыкновенным вибратором,
включаемым под напряжение сетевой частоты; при очень ма-
лых скоростях отметки наносятся хронографом, включающим
один из вибраторов на источник постоянного тока. Хорошие ре-
зультаты дает применение метронома или иного часового ме-
ханизма, маятник которого при каждом качании заслоняет на
короткий промежуток времени луч одного из вибраторов и
делает его запись прерывистой.
Запись при помощи электронной вычислительной машины
требует применения специальных устройств, преобразующих
получаемые ими сигналы измеряемой величины в импульсы,
пригодные для введения в запоминающие органы электронной
цифровой вычислительной машины со скоростью до 1000 и бо-
лее измерений в секунду; результаты измерений могут быть
либо выданы машиной непосредственно в виде отпечатанной
таблицы, либо переработаны ею по программе, специально вве-
денной в нее, с выдачей лишь окончательных результатов вы-
числений.
Применяется также запись процессов на магнитную ленту
при помощи магнитных осциллографов с последующим введе-
нием ее в вычислительную машину для переработки по ука-
занным выше способам. Это ограничивает число записей чис-
лом каналов магнитного осциллографа, но зато дает возмож-
ность транспортирования их на любое расстояние без ка-
бельной связи. При наличии в электронной вычислительной
машине графопостроителя результаты записи могут быть вы-
даны в виде графиков в произвольном масштабе.
142
ГЛАВА ПЯТАЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
5.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
Часть опытов, входящих в программы испытаний машин
всех видов, имеет своей задачей только проверку способности
машины выдерживать без повреждений воздействие каких-либо
факторов, количественные значения которых превосходят со-
ответствующие нормальной эксплуатации машины. Произво-
димые при этом измерения должны лишь удостоверить, что
такие значения достигнуты и выдерживаются в течение поло-
женного для них времени. Таковы, например, испытание элек-
трической прочности изоляции обмоток, испытание механиче-
ской прочности вращающейся части при повышенной частоте
вращения, испытание при кратковременной перегрузке по току
или по моменту и т. п. Результаты таких испытаний сводятся
к оценкам: «выдерживает» — «не выдерживает».
Однако большинство других испытаний имеет более слож-
ную задачу — определение соотношений между величинами, ха-
рактеризующими тот или иной режим работы, или установление
отдельных значений некоторых величин, сохраняющих в оп-
ределенных условиях постоянство и важных для описания или
предопределения работы машины в этих условиях. Зависимости,
устанавливающие такие соотношения, носят название харак-
теристик электрических машин, а величины, условно неизмен-
ные значения которых служат основой расчетных операций по
прогнозу поведения машины, называются параметрами элек-
трических машин. В более узком смысле под параметрами по-
нимаются различного рода сопротивления, главным образом
разновидности индуктивного сопротивления синхронных машин.
Характеристика холостого хода устанавливает связь между
магнитной и электрической цепями электрической машины лю-
бого вида. Для машин, возбуждаемых постоянным током, под
этой характеристикой понимается зависимость ЭДС, индукти-
руемой в обмотке ненагруженного якоря, или напряжения на
его выводах от тока возбуждения при неизменной частоте вра-
щения.
Для асинхронных машин, в которых магнитное поле созда-
ется переменным током, питающим одну из обмоток, под ха-
рактеристикой холостого хода понимается зависимость между
напряжением на выводах и током холостого хода, потребляе-
мым ненагруженной машиной от источника питания при неиз-
менной частоте. Этот ток содержит как реактивную состав-
ляющую, создающую магнитное поле машины и называемую
намагничивающим током, так и активную, покрывающую по-
143
тери в машине — механические на трение всех видов, магнит-
ные на гистерезис и вихревые токи в сердечниках и электри-
ческие на выделение теплоты в обмотке самим током; однако
в машинах сколько-нибудь значительной мощности активная
составляющая настолько невелика, что за намагничивающий
ток практически может быть принят ток холостого хода.
Характеристика короткого замыкания в машинах, возбуж-
даемых постоянным током, есть зависимость тока в замкнутой
накоротко обмотке якоря от тока возбуждения. Эта характе-
ристика определяется практически только для синхронных ма-
шин, в которых применяется для решения, многих задач; она
может быть определена и для машин постоянного тока, но тре-
бует для этого приведения их в определенное состояние, боль-
шей частью не соответствующее нормальной эксплуатации, и
не дает столь обширного материала, как для синхронных
машин.
В асинхронных машинах под характеристикой короткого за-
мыкания понимается зависимость тока в обмотке заторможен-
ной машины от приложенного к ней напряжения источника пи-
тания при неизменной частоте; таким образом, здесь имеется
в виду принципиально иная зависимость.
Во всех случаях, когда может быть измерена мощность, под-
водимая к испытуемой машине при определении характеристик
холостого хода и короткого замыкания, производится опреде-
ление соответствующих потерь, которые обычно откладываются
на общем графике с характеристиками, но не являются их
частью.
Внешняя характеристика генератора любого вида дает за-
висимость напряжения на его выводах от тока нагрузки на
отдельный приемник (или от отдаваемой мощности) при неиз-
менной частоте вращения, неизменном состоянии цепи возбуж-
дения, а для генераторов переменного тока — еще и при неиз-
менном коэффициенте мощности. Для генератора с независимым
возбуждением условие неизменности состояния цепи возбуж-
дения равносильно постоянству тока возбуждения, а для гене-
ратора с самовозбуждением — неизменности положения органов
регулирования. При этом предполагается, что температура об-
моток якоря и возбуждения имеет установившееся значение,
равное расчетной рабочей температуре. Таким образом, внеш-
няя характеристика условно описывает работу генератора в оди-
ночку без надзора.
Регулировочная характеристика генератора является зависи-
мостью тока возбуждения от тока нагрузки или от отдаваемой
мощности при условии постоянства напряжения и частоты вра-
щения, а для генераторов переменного тока—еще и коэффи-
циента мощности. Таким образом, характеристика указывает,
как нужно поступать с генератором при его эксплуатации для
получения от него желаемого эффекта. Как и для внешней ха-
рактеристики, предполагается установившаяся температура об-
144
мотки якоря, а температура обмотки возбуждения не имеет
значения.
Нагрузочная характеристика генератора — зависимость на-
пряжения на выводах от тока возбуждения, но не при холо-
стом ходе, а при нагрузке якоря неизменным током, при неиз-
менной частоте вращения, а для генератора переменного тока —
и при неизменном коэффициенте мощности. Реальная работа
в таких условиях возможна только в редких случаях, например
для генераторов постоянного тока, питающих химические при-
емники— батареи аккумуляторов, электролизные ванны и т. п.,
но данная характеристика является ценным вспомогательным
средством для изучения работы машины. Фактическое опреде-
ление ее предписывается только для машин немногих специ-
альных видов.
Механическая (рабочая) характеристика двигателя — зави-
симость частоты вращения от тока, нагрузки или от отдаваемой
мощности при неизменном напряжении источника питания, не-
изменном состоянии цепи возбуждения двигателя постоянного
тока и неизменной частоте напряжения для асинхронного дви-
гателя. Таким образом, она является некоторой аналогией
внешней характеристики генератора, описывая работу двига-
теля без надзора. Для синхронного двигателя эта характери-
стика не имеет смысла.
Регулировочная характеристика двигателя, как и регули-
ровочная характеристика генератора, есть зависимость тока
возбуждения от тока нагрузки или от отдаваемой мощности
при условии неизменности частоты вращения для двигателя по-
стоянного тока и частоты для синхронного двигателя, а для
последнего также еще и неизменности коэффициента мощности.
Для асинхронного двигателя она не имеет смысла.
Помимо перечисленных основных видов характеристик, об-
щих если и не для всех видов электрических машин, то, по
крайней мере, для двух каких-либо из них, могут рассматри-
ваться различные иные характеристики, относящиеся к какому-
либо одному виду и даже к узкоспециализированной разновид-
ности. Из них следует отметить V-образную характеристику
синхронной машины — зависимость тока ее нагрузки от тока
возбуждения при неизменных напряжении и частоте, получив-
шую свое название от специфической формы. Только к асин-
хронным двигателям относится зависимость вращающего мо-
мента от скольжения (или от частоты вращения), не имеющая
установившегося общепризнанного наименования. Под наиме-
нованием частотных характеристик встречаются зависимости,
относящиеся к разным сторонам работы электрических машин,
определяемым частотой напряжения или частотой вращения.
От характеристик следует отличать зависимости некоторых
параметров от условий их определения; хотя эти величины и
считаются условно неизменными, но в действительности многие
из них тоже подвержены изменениям, обычно в узких пределах.
145
5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ХОЛОСТОГО ХОДА
Вследствие явления гистерезиса в магнитных материалах
характеристика холостого хода для машин, возбуждаемых по-
стоянным током, неоднозначна: при каждом значении тока воз-
буждения напряжение зависит от того, каким путем оно полу-
чено— увеличением тока возбуждения или его уменьшением.
Для устранения этой неоднозначности можно определять две
ветви характеристики — при возрастающем токе возбуждения
и при убывающем, а затем находить графически среднюю ха-
рактеристику, каждой ординате которой соответствует среднее
значение абсцисс восходящей и нисходящей ветвей (но не на-
оборот— нельзя брать среднее значение ординат при какой-
либо абсциссе).
Однако обычно можно ограничиться определением только
одной ветви — при убывающем токе возбуждения, считая, что
обе ветви полной характеристики холостого хода являются од-
ной и той же кривой, сдвинутой по отношению к оси ординат
на величину A io в противоположные стороны, как показано
в преувеличенном виде на рис. 5.1; ширина ее петли, отсчитан-
ная вдоль оси абсцисс, во всех местах будет равна 2Aio, и от-
ступления от этого предположения ничтожны. Средней харак-
теристикой будет являться эта же кривая, проведенная через
начало координат (штриховая кривая на рис. 5.1); для ее полу-
чения достаточно определить одну ветвь характеристики и ко
всем ее абсциссам ввести поправку A io.
Следует предпочесть нисходящую ветвь (при убывающем
токе), потому что к моменту определения характеристики хо-
лостого хода машина уже имеет остаточное намагничивание и
некоторая ЭДС индуктируется при отсутствии тока возбужде-
ния. При подъеме возбуждения характеристика не может
пойти сразу по восходящей ветви — на протяжении некоторого
участка (рис. 5.2) она будет проходить выше.
Нисходящая ветвь, будучи начата при некотором наиболь-
шем значении тока возбуждения, заканчивается при его от-
ключении и дает возможность измерить ЭДС от остаточного
намагничивания е0.
Непременным условием определения характеристики холо-
стого хода является монотонное изменение тока возбуждения
(т. е. при определении нисходящей ветви — только убывание);
если оно нарушается, то на характеристике появляются петли,
как показано на рис. 5.3.
Нижняя часть характеристики холостого хода обычно пря-
молинейна, так как при низких токах возбуждения сопротив-
ление магнитной цепи практически сосредоточено в зазоре
между индуктором и якорем; имея несколько измерений в этой
части характеристики, можно определить поправку Aio
(рис. 5.4).
146
Однако в некоторых машинах, как, например, в возбудите-
лях синхронных машин, с целью облегчения самовозбуждения
при самых низких напряжениях искусственно вводится искрив-
ление нижней части характеристики включением в магнитную
цепь легко насыщающихся участков, преимущественно в сер-
Рис. 5.1. Две ветви характеристики
холостого хода
Рис. 5.2. Нижняя часть восхо-
дящей ветви характеристики
холостого хода
дечниках полюсов; пример этого дан на рис. 5.5. Для таких
машин, а также для машин мощностью менее 1 кВт предписы-
вается определение полной петли намагничивания. Для этого
по окончании определения нисходящей ветви и отключении
Рис. 5.3. Искажение характери-
стики холостого хода при непра-
вильном изменении тока возбуж-
дения
Рис. 5.4. Определение поправки
Ai’o
тока возбуждения его направление изменяется на обратное и
производится определение восходящей ветви до такого же зна-
чения, с которого начато определение нисходящей ветви. Затем
все операции повторяются: определяется вторая нисходящая
ветвь, направление тока возбуждения вторично изменяется на
обратное и характеристика заканчивается второй восходящей
ветвью.
Хотя согласно определению характеристика холостого хода
относится к номинальной частоте вращения, не всегда удается
147
Рис. 5.5. Особый вид характери-
стики холостого хода
производить опыт именно при ней. Если обозначить через 7Л>
напряжение, измеренное при частоте вращения п, а через пя
номинальное значение последней, то напряжение Ео для ха-
рактеристики холостого хода получается пропорциональным пе-
ресчетом:
Е0=С70Л2-.
п
Если машина имеет несколько номинальных частот враще-
ния, соответствующих различным режимам работы, то характе-
ристика холостого хода должна быть определена при самой
низшей из них, так как это дает
возможность проверить степень
насыщения машины.
Первым отсчетом для харак-
теристики холостого хода может
служить отсчет при испытании
междувитковой изоляции. Нет
нужды производить много отсче-
тов при определении этой харак-
теристики, лучше обратить вни-
мание на надежность каждого
отсчета. Для большинства слу-
чаев вполне достаточно произве-
сти 8 — 10 отсчетов, если их вы-
брать так, чтобы точки, нанесенные на график, находились при-
мерно на одинаковых расстояниях вдоль характеристики, что
дает наилучшие условия для проведения кривой. Поэтому реко-
мендуется заранее наметить значения напряжения, например, по
следующей шкале (в процентах от номинального): 130; 125;
118; ПО; 100; 85; 70; 50; 30; 0.
Под символом 0 здесь понимается отсчет при отключенном
токе возбуждения. На рис. 5.6 дан пример характеристики хо-
лостого хода, определенной согласно этой шкале. Указанные
значения являются ориентировочными; стремление точно подо-
гнать отсчеты, в частности при номинальном значении, утом-
ляет персонал, затягивает проведение опыта и снижает его
правильность. Для менее ответственных случаев достаточной
является сокращенная шкала: 130; 118; 100; 70; 30; 0.
Определение характеристики холостого хода должно прово-
диться при ненагруженном якоре и независимом возбуждении
для всех машин, в том числе и для генераторов с самовозбуж-
дением; ток нагрузки создает падение напряжения в обмотках
рабочей цепи, реакцию якоря и переходное падение напряже-
ния в контакте щеток на коллекторе и искажает характери-
стику, особенно в верхней части.
Однако в некоторых случаях характеристика холостого
хода при самовозбуждении представляет самостоятельный ин-
терес— она позволяет определить критическое сопротивление
цепи возбуждения, ниже которого самовозбуждение возможно»
148
а выше которого не наступает, и предел напряжения при само-
возбуждении, или «потолок самовозбуждения», т. е. то напря-
жение, до которого возбуждается машина при полностью вы-
веденном регуляторе возбуждения. При этом, поскольку обычно
речь идет о пределе, который может быть достигнут в любом
состоянии машины, сопротивление цепи возбуждения должно
быть доведено до его значения при предельной температуре,
допустимой для обмотки возбуждения в соответствии с клас-
сом ее изоляции. Предел са-
мовозбуждения имеет боль-
шое значение для возбудите-
лей синхронных машин.
Если по каким-либо при-
чинам не представляется воз-
можным провести определение
характеристики холостого
хода описанным образом и от
испытания не требуется высо-
кой точности, то оно может
быть заменено определением
зависимости тока возбужде-
ния от приложенного напря-
жения, измеренного непосред-
ственно на якоре в режиме
ненагруженного двигателя,
для синхронной машины —
при наименьшем потребляе-
мом тоце, т. е. при коэффици-
енте мощности, равном еди-
нице.
Опыт можно проводить не-
посредственно после испыта-
ния междувитковой изоляции,
Рис. 5.6. Пример характеристики
холостого хода
если оно выполняется в режиме двигателя при номинальной
частоте вращения; тогда отсчет по приборам во время этого
испытания может быть первым отсчетом в рассматриваемом
опыте. Для получения дальнейших отсчетов следует сначала
несколько понижать напряжение источника питания, а затем
соответствующим уменьшением тока возбуждения исправлять
понизившуюся частоту вращения машины постоянного тока или
коэффициент мощности синхронной машины, но не в обратном
порядке.
Для машины постоянного тока понижение тока возбужде-
ния при неизменном напряжении источника может привести
к нежелательному возрастанию частоты вращения, а для син-
хронной машины— к потреблению ее отстающего тока, при ко-
тором реакция якоря становится намагничивающей, что будет
нарушать необходимую монотонность изменения намагничива-
ния только в сторону его уменьшения.
149
Чувствительным показателем равенства единице коэффици-
ента мощности является одинаковость показаний ваттметров
в случае применения способа двух ваттметров для измерения
подводимой мощности в данном опыте, которое может быть
рекомендовано; она легко нарушается при малейших откло-
нениях коэффициента мощности от единицы, при которых в токе
возбуждения возникают составляющие, необходимые для урав-
новешивания реакции якоря.
Получаемая описанным образом зависимость потребляемого
тока от напряжения, близкая к характеристике холостого хода,
не может быть доведена до сколь угодно низких значений при-
ложенного напряжения, так как потребляемый ток, в начале
убывающий по мере понижения приложенного напряжения, на-
чинает возрастать. Это понижает точность опыта, а при чрез-
мерно ослабленном возбуждении в машинах постоянного тока
ведет к перемагничиванию, сопровождаемому резким повыше-
нием частоты вращения, а в синхронных машинах — к выпаде-
нию из синхронизма; поэтому следует прекратить опыт, как
только будет замечено, что потребляемый ток перестает умень-
шаться при очередном понижении приложенного напряжения.
Чтобы получить из найденной зависимости характеристику
холостого хода машины постоянного тока, необходимо из зна-
чений приложенного напряжения вычесть падение напряжения
в обмотке якоря и в переходных контактах щеток. Это падение
напряжения приходится брать согласно стандарту как не за-
висящее от тока якоря; но если в других случаях несоответ-
ствие такого допущения действительности не играет особой
роли, то в данном случае, когда плотность тока в переходном
контакте щеток мала, она становится источником заметной
ошибки, которая может быть устранена применением отдель-
ных щеток для измерения напряжения на якоре, изолированных
от остальных щеток, при условии обеспечения надежного кон-
такта их с коллектором.
Неточность полученной таким путем характеристики холо-
стого хода дополняется невозможностью довести ее до очень
малых напряжений; ее нижняя часть может быть получена
только экстраполяцией.
Для синхронных машин отсчеты приложенного напряжения
не нуждаются в исправлениях; но, как и для машин постоян-
ного тока, нижняя часть характеристики может быть получена
лишь экстраполяцией. Если необходимо определение поправки
Aio, то после отключения машины от источника питания по
окончании опыта с нее должно быть снято возбуждение и на-
пряжение остаточного намагничивания может быть измерено
одновременно с измерением частоты в этот момент, а затем
пересчитано на номинальное значение последней.
Определение характеристики холостого хода синхронной ма-
шины многофазного тока должно сопровождаться проверкой
симметричности ее линейных напряжений, которую достаточно
150
провести при одном значении напряжения, предпочтительно но-
минальном, но она может быть проведена и при напряжении
остаточного намагничивания. Эта проверка при определении
характеристики в режиме двигателя затруднительна тем, что
симметричность напряжений определяется не только испытуе-
мой машиной, но и источником ее питания. Если машина имеет
доступную нейтраль, то вместо этого может быть проведена
проверка равенства фазных напряжений; если же нейтраль не-
доступна, то остается только возможность проверить симмет-
ричность фазных токов, в случае надобности — с круговой пере-
становкой фаз.
При определении характеристики холостого хода синхрон-
ных машин трехфазного тока рекомендуется помимо трех ли-
нейных напряжений измерять также и фазные напряжения
с целью проверки правильности соотношения между ними, ко-
торое должно быть равно ]/3 = 1,732... Всякое отклонение от
этого соотношения в меньшую сторону свидетельствует о засо-
ренности фазного напряжения высшими гармоническими по-
рядков, кратных трем, отсутствующими в линейном напря-
жении.
Если машина имеет высокое напряжение, измеряемое с по-
мощью трансформаторов напряжения, то следует избегать из-
менения предела измерения вольтметров в процессе определе-
ния характеристики, так как от этого изменится нагрузка
трансформаторов, способная внести ошибку в измерение; с этой
целью пределы измерения трансформаторов и вольтметров сле-
дует выбирать так, чтобы надобность их изменения не возни-
кала. Исключение представляет только измерение напряжения
от остаточного намагничивания, которое может производиться
совершенно другими приборами.
При определении характеристики холостого хода синхрон-
ных машин трехфазного тока, предназначенных для работы
с сопряжением фаз в треугольник, следует производить изме-
рение тока, циркулирующего в этом контуре, для чего в него
нужно в любом месте ввести трансформатор тока с пределом
не более 30 % номинального значения. При вполне симметрич-
ной машине ток в этом контуре состоит только из высших гар-
монических порядков, кратных трем, а наличие в нем основной
составляющей свидетельствует об имеющейся в машине несим-
метричности; это проверяется осциллографированием тока.
В таких случаях следует разорвать треугольник в одной из
вершин, если это возможно, и произвести измерение фазных на-
пряжений для проверки их равенства.
Заведомо несимметричными могут быть напряжения неболь-
ших машин обращенного исполнения с числом пазов на якоре,
не кратным трем, одноякорных преобразователей и генерато-
ров повышенной частоты индукторного типа с обмоткой воз-
буждения на статоре.
151
При приемо-сдаточных испытаниях синхронных машин вы-
сокого напряжения серийного выпуска допускается измерение
только одного из линейных напряжений, а проверка их сим-
метричности производится при этом без возбуждения, по напря-
жению от остаточного намагничивания.
В процессе определения характеристики холостого хода
должно быть проверено чередование фаз, что может быть про-
изведено соответствующими приспособлениями как при возбуж-
денной, так и при невозбужденной машине.
Для асинхронных машин, как было указано в § 5.1, роль
характеристики холостого хода играет зависимость потребляе-
мого при холостом ходе тока от приложенного напряжения; ее
определение может проводиться только в режиме двигателя.
Более подробно оно рассматривается в главе десятой, посвя-
щенной испытаниям асинхронных двигателей.
5.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРИ НАГРУЗКЕ
Как было отмечено в главе четвертой, при определении ха-
рактеристик генераторов и двигателей нагрузка может про-
изводиться как с поглощением энергии, так и с ее рекупера-
цией возвратной работой или взаимной нагрузкой. Незави-
симо от этого операции должны выполняться в определенном
порядке с тем, чтобы давать возможность получения сопоста-
вимых результатов.
Определение внешней характеристики генератора входит
в общую программу приемочных испытаний машин постоян-
ного тока как необязательное, поскольку эта характеристика
может представлять интерес только применительно к специали-
зированным генераторам постоянного тока; в программе испы-
таний синхронных машин она не содержится вообще. Однако
в любом случае ее определение следует начинать с установле-
ния номинальной нагрузки и прогревания обмоток до практи-
чески установившейся температуры; то обстоятельство, что эта
температура может не совпадать с расчетной рабочей, здесь
не играет роли.
После этого ток нагрузки повышается до намеченного мак-
симума, при котором производится первый отсчет, и генератор
разгружается постепенно до холостого хода. Согласно опреде-
лению этой характеристики никакого воздействия на органы
регулирования напряжения не следует производить; при неза-
висимом возбуждении ток возбуждения остается все время не-
изменным, а при самовозбуждении изменяется вместе с на-
пряжением на выводах.
Разность между напряжением холостого хода t/о после пол-
ной разгрузки и номинальным напряжением £/н, отнесенная
к последнему и выражаемая обычно в процентах, называется
номинальным изменением напряжения:
152
A£7H=100 и»~ич...
UH
При нагрузке с поглощением энергии достаточно поддер-
живать неизменную частоту вращения генератора; при нагрузке
с рекуперацией энергии следует воздействовать на нагрузочный
двигатель. Для генератора постоянного тока это воздействие
ограничивается регулированием возбуждения нагрузочного дви-
гателя, которым и устанавливается нагрузка. Для синхронного
генератора регулирование возбуждения нагрузочного синхрон-
ного двигателя будет только изменять коэффициент мощности
нагрузки, лишь косвенно отражаясь на активной мощности; по-
этому регулирование последней выходит из пределов пары
испытуемый генератор — нагрузочный двигатель и распростра-
няется в зависимости от схемы возвратной работы на другие
машины, входящие в ее состав. Во всяком случае общим пра-
вилом является первоочередность установления активной мощ-
ности с последующим исправлением коэффициента мощности,
но не наоборот.
В большинстве случаев бывает возможно не проводить оп-
ределение характеристики постепенной разгрузкой генератора,
а лишь определять номинальное изменение напряжения сбро-
сом номинальной нагрузки. Для генераторов с независимым воз-
буждением, приводимых синхронными двигателями, питаемыми
от источника с неизменной частотой, сброс нагрузки не пред-
ставляет каких-либо трудностей; но для генераторов с само-
возбуждением, приводимых двигателями постоянного тока,
необходимо исправление изменившейся при сбросе частоты вра-
щения, и при этом ток возбуждения может несколько отли-
чаться от того значения, которое он приобрел бы при постепен-
ной разгрузке.
Вид внешней характеристики зависит от системы возбуж-
дения генератора. Для генераторов постоянного тока с незави-
симым возбуждением характеристика имеет вид падающей
кривой с небольшой кривизной вверх (кривая 2 на рис. 5.7);
подобный вид она имеет и для синхронных генераторов с неза-
висимым возбуждением, только с гораздо более крутым паде-
нием, определяемым в основном реакцией якоря. Для генерато-
ров постоянного тока с самовозбуждением внешняя характери-
стика может быть доведена только до некоторого значения тока
нагрузки, называемого критическим; дальнейшее уменьшение
внешнего сопротивления вызывает настолько быстрое пониже-
ние напряжения на выводах, что в результате соответствую-
щего ему уменьшения тока возбуждения характеристика де-
лает возврат по направлению к началу координат (кривая 2
на рис. 5.8), и ток короткого замыкания мал, так как опреде-
ляется только током возбуждения от остаточного намагничи-
вания. Этот участок внешней характеристики неустойчив и
практически не поддается определению.
15S
Внешние характеристики генераторов постоянного тока со
смешанным возбуждением при встречном включении последова-
тельной обмотки (на размагничивание) имеют вид еще более
резко падающих кривых, чем без этой обмотки; но при соглас-
ном включении характеристика в начальной части может даже
идти вверх. Встречаются генераторы постоянного тока с внеш-
ней характеристикой, являющейся практически горизонтальной
прямой на пфотяжении от холостого хода до более или менее
значительной перегрузки. Кривизна внешней характеристики
компенсированных генераторов незначительна.
Внешняя характеристика синхронных генераторов с систе-
мами самовозбуждения зависит от вида этих систем, но обычно
Рис. 5.7. Внешние характеристики
генератора постоянного тока с не-
зависимый возбуждением
/ — с согласным включением последова-
тельной обмотки; % — без последователь-
ной обмотки; 3 — со встречным ее вклю-
чением
Рис. 5.8. Внешние характеристики
генератора постоянного тока с само-
возбуждением
Обозначения кривых — см. рис. 5.7
имеет в довольно широких пределах вид прямой, наклон кото-
рой может регулироваться органами системы.
Если номинальное изменение напряжения генератора по-
стоянного тока превосходит предел, установленный для него
в стандартах или технических условиях, то некоторое исправ-
ление внешней характеристики возможно за счет смещения ще-
ток из нейтрального положения в тех пределах, которые до-
пускаются коммутацией. Однако изменение напряжения зави-
сит от состояния щеточного аппарата: если щетки и коллектор
не вполне приработаны, то измеренное изменение напряжения
может не сохраниться в дальнейшем. Поэтому определение
внешней характеристики или опыт сброса нагрузки следует
проводить только после полной приработки щеточного кон-
такта.
Определение регулировочной характеристики генератора
может проводиться как при повышении, так и при понижении
нагрузки. Получаемые при этом результаты могут не вполне
совпадать под влиянием гистерезиса, особенно для генерато-
ров постоянного тока относительно небольшой мощности с са-
мовозбуждением (рис. 5.9). Поэтому в стандартах или техни-
ческих условиях на конкретные виды машин иногда бывает
154
установлено требование определения регулировочной характе-
ристики при изменении нагрузки в обоих направлениях; она
получается при этом вычислением средних ординат при каж-
дом значении абсцисс. Если такого указания нет, то характе-
ристика определяется от заданной перегрузки до холостого
хода. Так же производится определение регулировочной ха-
рактеристики синхронного генератора.
Сопротивление обмотки возбуждения при определении ре-
гулировочной характеристики не играет роли, но сопротивление
обмоток рабочей цепи оказывает на нее влияние, хотя и не-
значительное; поэтому прогревание машины перед испытанием
следует считать желательным.
Рис. 5.9. Регулировочные харак-
теристики генератора постоянного
тока
Обозначение кривых — см. рис. 5.7
Рис. 5.10. Механические характе-
ристики двигателя постоянного
тока
Обозначения кривых — см. рис. 5.7
Определение нагрузочной характеристики проводится только
при наличии специального указания; если нет особых оговорок,
то его следует проводить начиная от некоторого наибольшего
напряжения при данном токе, постепенно понижая сопротивле-
ние нагрузки, а затем подгоняя регулированием возбуждения
ток рабочей цепи, а для синхронных генераторов — также и ко-
эффициент мощности.
Для некоторых генераторов постоянного тока, предназначен-
ных для работы на нагрузку с мало изменяющимся сопротив-
лением, как, например, для возбудителей, под нагрузочной
характеристикой понимается зависимость напряжения на вы-
водах от тока возбуждения при неизменном сопротивлении на-
грузки и неизменной частоте вращения. В отличие от обычной
такая нагрузочная характеристика практически выходит изна-
чала координат.
Определение механической (рабочей) характеристики дви-
гателя постоянного тока может проводиться только в том слу-
чае, когда для его нагрузки не применяется генератор пере-
менного тока и частота вращения может изменяться беспре-
пятственно. Как и при определении внешней характеристики
генератора, испытание следует начать с прогревания до прак-
тически установившейся температуры, после чего поднять на-
грузку до заданного предела и производить постепенную
155
разгрузку до холостого хода, а для двигателей с последователь-
ным или смешанным возбуждением, не допускающих работы
при холостом ходе,— до допускаемого минимума нагрузки,
обычно до 25 % номинального тока. Для синхронных двигателей
рабочая характеристика не имеет смысла, а для асинхронных
ее рассмотрение нецелесообразно отделять от остальных сто-
рон работы двигателя (см. гл. 10).
Разность между частотой вращения «о при холостом ходе
или при минимально допустимой нагрузке и номинальной ча-
стотой вращения лн, отнесенная к последней и выражаемая
обычно в процентах, называется номинальным изменением ча-
стоты вращения-.
дПн=100-^!^5-.
Если испытуемый двигатель допускает работу при холостом
ходе, то номинальное изменение частоты вращения может быть
получено при сбросе номинальной нагрузки; но если для ге-
нератора в этом случае достаточно отключить цепь, которую
он питает, то для двигателя не при всех способах нагрузки
сброс может быть выполнен так же просто, а в некоторых
случаях полная разгрузка вообще невозможна, как, например,
при нагрузке гидравлическим тормозом с большими потерями
на холостом ходу.
Для двигателей постоянного тока нет различия в форме
механической характеристики при независимом возбуждении
и при возбуждении от общего источника питания с якорем. На
рис. 5.10 представлен типичный вид этих характеристик в за-
висимости от системы возбуждения. Для реверсивных двига-
телей при вращении в разные стороны с током, соответствую-
щим номинальной мощности, и при номинальном возбуждении
частота вращения может несколько различаться, обычно в пре-
делах не свыше 5 %.
Совершенно иначе выглядят механические характеристики
двигателей с последовательным возбуждением; на рис. 5.11
представлено семейство таких характеристик при неизменном
приложенном напряжении. Самая нижняя из них соответст-
вует работе двигателя без дополнительных регулирующих ус-
тройств, а остальные — с различными ступенями шунтирова-
ния обмотки возбуждения, позволяющими регулировать час-
тоту вращения двигателя иногда в очень широких пределах;
но форма этих характеристик сохраняется в общем неизменной.
Определение регулировочной характеристики двигателя,
кроме двигателей с последовательным возбуждением, во всех
отношениях аналогично определению регулировочной характе-
ристики генератора, но форма ее для двигателей постоянного
тока с возбуждением всех систем отличается тем, что кривизна
характеристики генератора направлена вниз, а двигателя —
156
вверх; регулировочные характеристики синхронных двигате-
лей и генераторов совершенно одинаковы.
Для двигателей постоянного тока с последовательным воз-
буждением регулирование частоты вращения возможно шун-
тированием обмотки возбуждения или якоря; первое повышает,
а второе понижает частоту вращения. Регулировочные харак-
теристики могут быть построены
вращения от тока возбуждения
или от шунтирующих сопротив-
лений.
5.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
При высоких степенях ис-
пользования современных элект-
рических машин, особенно круп-
ных, важное значение приобре-
тают такие явления, которые
прежде либо мало обращали на
себя внимание, либо вообще ос-
в виде зависимости частоты
Рис. 5.11. Механические характе-
ристики двигателя с последова-
тельным возбуждением
тавались незамеченными; из них
в первую очередь нужно отметить вибрации различных частей
машины, возникающие не от неуравновешенности вращаю-
щейся части, а под влиянием электродинамических сил, созда-
ваемых переменными магнитными полями. Различие между
этими двумя категориями вибраций состоит прежде всего в том,
что частота первых определяется непосредственно частотой вра-
щения машины, между тем как частота вторых — частотой тока
или частотой перемагничивания сердечника якоря, зависящих
от частоты вращения только косвенным образом. Из числа ви-
браций второй категории следует отметить в первую очередь
вибрации сердечника статора машин переменного тока и лобо-
вых частей его обмотки, частота которых равна в основном уд-
военной частоте тока.
Если связь между подшипниками машины и ее статором
достаточно жесткая, то вибрации первой из упомянутых кате-
горий могут передаваться сердечнику и обмотке статора, но
их частота будет главным образом низшего порядка по отно-
шению к частоте вибраций второй категории; только при зна-
чительном содержании гармонической второго порядка в ви-
брации опор двухполюсных машин вследствие, например,
недостаточно устраненной двойной жесткости ротора эта гар-
моническая совпадает с основной волной вибрации второй ка-
тегории и будет с ней складываться тем или иным образом.
Вибрации всех точек любого поперечного сечения вращаю-
щейся части совпадают по амплитуде и фазе, поскольку это се-
чение не изменяет своей формы; но вибрации сердечника ста-
тора и лобовых частей его обмотки в разных точках различа-
ются как по фазе, поскольку вызываются вращающимся
157
полем, так и по амплитуде, так как последняя зависит не только
от электродинамических сил, но и от жесткости крепления дан-
ной части.
При измерении вибрации опор в большинстве случаев прак-
тически нет никаких ограничений пространства в районе
точек измерения, которые требовали бы применения малога-
баритной измерительной аппаратуры, и только для очень
малых машин выставляется требование, что масса присоединяе-
мого измерительного элемента не должна быть больше опреде-
ленной доли массы объекта измерения; но при измерении виб-
рации сердечника статора, а особенно лобовых частей его об-
мотки, место для установки приборов, измеряющих вибрацию,
крайне ограничено. Кроме того, измерение вибрации опор
в трех взаимно перпендикулярных направлениях может про-
изводиться одним и тем же измерителем поочередно и не обя-
зательно строго в одной и той же точке; между тем измерение
вибрации сердечника и лобовых частей по трем взаимно пер-
пендикулярным направлениям потеряет большую часть цен-
ности, если не будет производиться одновременно и практи-
чески в одной и той же точке.
Мерой вибрации опор является виброскорость, т. е. произ-
водная по времени колебаний, Совершаемых точкой измерения;
это позволяет сопоставлять вибрации машин с различными ча-
стотами вращения. Надобность в определении виброскорости
при измерении вибрации сердечника и лобовых частей обмотки
статора отпадает, поскольку дело касается машин одной и той
же промышленной частоты 50 Гц и можно ограничиться только
измерением удвоенной амплитуды вибрации; это в известной
степени облегчает измерение и упрощает аппаратуру для него.
С другой стороны, при измерении вибрации опор обычно не
приходится опасаться влияния магнитных полей, от которых
точки измерения достаточно удалены; напротив, точки измере-
ния вибрации сердечника и лобовых частей обмотки статора
находятся в достаточно сильных магнитных полях, влияние ко-
торых может исказить измерение, и нужно принимать специаль-
ные меры борьбы с ними, осложняющие аппаратуру.
Измерение вибрации опор обычно ограничивается одним
номинальным значением частоты вращения; зависимость их от
этой последней если и определяется, то не в собранной ма-
шине, а в процессе балансировки ее ротора, что и проще, и
точнее. Между тем измерение вибраций частей статора может
производиться только в готовой машине при ее работе в том
или ином режиме. Наиболее характерным режимом для ви-
брации сердечника статора является холостой ход при номи-
нальном напряжении, а для лобовых частей обмотки — корот-
кое замыкание при номинальном токе. И в том, и в другом
случае, по крайней мере для крупных быстроходных машин,
существенно важным представляется определение зависимости
вибрации от частоты вращения, или частотной вибрационной
158
характеристики, пример которой дан на рис. 5.12. Для надеж-
ной работы машины необходимо, чтобы вибрации не находи-
лись вблизи от максимумов характеристики, указывающих на
резонансные частоты.
С течением времени в процессе работы машины жесткость
крепления вибрирующих частей может ослабевать; результа-
том этого является не только дальнейшее возрастание данной
вибрации, но и некоторое снижение резонансных частот, что
Рис. 5.12. Пример частотной вибрационной характеристики,
записанной при помощи ЭВМ
особенно опасно, когда рабочая частота находится на участке
характеристики, где вибрация возрастает с повышением ча-
стоты; следовательно, достаточно небольшого смещения ха-
рактеристики, чтобы вибрация резко возросла.
Элементы для измерения вибрации сердечника статора мо-
гут устанавливаться в любой доступной части его наружной по-
верхности; но на лобовых частях обмотки их можно устанав-
ливать только на секциях, ближайших к нейтрали обмотки,
так как потенциал последних настолько невысок, что не воз-
никает опасности пробоя изоляции на измерительный элемент,
который должен быть заземлен. Проводники от измеритель-
ного элемента должны быть отведены от лобовых частей сразу
после выхода из элемента и надежно закреплены против дей-
ствия струй охлаждающего газа, которые обычно в таких ма-
шинах имеют значительные скорости.
159
Принципы, на которых основано действие измерительных
элементов, могут быть разнообразными; из них следует отда-
вать предпочтение таким, при которых отдельные элементы
не требуют индивидуальной градуировки, не подвержены дей-
ствию магнитных полей и температуры и не зависят от поло-
жения, в котором устанавливаются. Всем этим требованиям
удовлетворяют пьезокварцевые измерительные элементы, что,
однако, не исключает применения и других систем, удовлет-
воряющих указанным требованиям.
В отдельных случаях применяется установка измеритель-
ных элементов и на других неподвижных частях машины, в том
числе на корпусе статора, торцевых щитах и т. д.
Основную трудность при определении частотных вибраци-
онных характеристик представляет вращение машины, под-
вергаемой испытанию, с различными частотами, которое дол-
жно быть вполне устойчивым в течение времени, достаточного
для выполнения отсчетов по всем примененным измеритель-
ным элементам. Однако если измерения автоматизированы, на-
пример, посредством электронной вычислительной машины,
производящей опрос всех элементов за доли секунды, то они
могут быть выполнены и в процессе самоторможения. Пред-
ставленный на рис. 5.12 график, предметом которого является
тангенциальная составляющая вибрации головок лобовых ча-
стей обмотки статора крупного турбогенератора, в данном слу-
чае в режиме холостого хода, выдан электронной вычислитель-
ной машиной, снабженной графопостроителем.
Многочисленные проведенные испытания показали, что виб-
рации при нагрузке не только не превосходят значений, полу-
ченных измерениями при холостом ходе и коротком замыкании,
но даже имеют отчетливую тенденцию к некоторому уменьше-
нию; хотя сравнивать можно только значения, измеренные при
номинальной или близкой к ней частоте вращения, поскольку
осуществление нагрузки при широко изменяющейся частоте
вращения практически невозможно, ряд соображений говорит
в пользу того, что выполнения измерений при холостом ходе и
коротком замыкании вполне достаточно.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ
И КОЭФФИЦИЕНТА
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
«Л. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Под коэффициентом полезного действия (КПД) электриче-
ской машины понимается отношение отдаваемой активной мощ-
ности Pi к подводимой активной мощности Pi, выражаемое
160
обычно в процентах:
т] = 100-^-.
Рг
Для генератора мощностью Р2 является отдаваемая им
электрическая мощность, легко измеряемая непосредственно,
а мощностью Pi — подводимая к нему механическая мощность,
трудно поддающаяся непосредственному измерению; для дви-
гателя мощностью Рг является трудно измеряемая отдаваемая
механическая мощность, а мощностью Pi — легко измеряемая
подводимая электрическая мощность.
При любом преобразовании энергии неизбежны потери раз-
личного вида, общая сумма которых 2Р; отдаваемая мощность
является разностью между подводимой мощностью и суммой
потерь:
j Р2-Р1-2Р,
; или подводимая мощность — суммой отдаваемой мощности и
' потерь:
; Отсюда
I
или же
р^ръ+ър.
т] = 100 Л ~ 2 Р =100 /1-— 1
Pi \ Рг /
т1 = 100-— = 100 (1---——
^2 Т г \ Г2 \ * f
Двум видам выражения для КПД соответствуют и два вида
методов его определения: методы непосредственного определе-
ния, когда производится одновременное измерение отдаваемой и
подводимой мощностей, и методы косвенного определения, когда
измеряются только потери, а измерение мощностей либо не про-
изводится, потому что машина вовсе не нагружается, либо слу-
жит только для отнесения измеренных потерь к значениям мощ-
ности.
Косвенные методы определения КПД имеют перед непосред-
ственными ряд преимуществ. Относительная вероятная погреш-
ность измерения имеет примерно один порядок как при непо-
средственном измерении отдаваемой и подводимой мощностей,
так и при измерении отдельных потерь или суммы нескольких
из них; но так как каждая из последних составляет только долю
отдаваемой или подводимой мощности, то относительная по-
грешность измерения при косвенных методах может быть оце-
нена, по крайней мере, во столько раз меньшей, во сколько из-
меряемые потери меньше суммы измеряемых подводимой и от-
даваемой мощностей.
6 Заказ № 512 161
Вторым преимуществом косвенных методов является то, что
они большей частью не требуют фактической нагрузки испытуе-
мой машины и исключают влияние температуры ее частей на
конечные результаты, что способствует их воспроизводимости
независимо от того, где и кем они получены, если только соб-
людены все правила вычисления КПД по результатам опыта.
Между тем при непосредственных методах выставляется тре-
бование, чтобы температура всех частей машины была близка
к их рабочей температуре, что и недостаточно определенно, так
как фактическая температура зависит от температуры охлаж-
дающей среды, и трудно выполнимо, и плохо поддается кон-
тролю. Поэтому методы непосредственного определения КПД
могут применяться, когда его значение настолько низко, что воз-
можные ошибки измерения становятся малосущественными; но
опыты могут давать разные результаты в зависимости от со-
стояния машины в момент их выполнения.
Каким бы методом ни производилось определение КПД, ма-
шина должна быть в полностью собранном виде и исправном
состоянии, в частности не иметь вибрации, препятствующей ра-
боте, ненормальных шумов и т. п. Подшипники, коллекторы,
контактные кольца и щетки должны быть полностью прирабо-
танными; при определении КПД непосредственными методами
щетки должны находиться в положении, соответствующем но-
минальному режиму работы, но при его определении методом
отдельных потерь они независимо от этого должны находиться
в нейтральном положении.
К потерям в машине причисляются потери во вспомогатель-
ных устройствах, необходимых для ее работы в номинальном
режиме, а именно:
в регулировочных реостатах, постоянно включенных нерегу-
лируемых резисторах, реактивных катушках и т. п.;
во всех вспомогательных электрических машинах, приводи-
мых от вала испытуемой машины, как-то: возбудителях, подвоз-
будителях, пусковых двигателях и т. п.;
во всех подшипниках, поставляемых с машиной;
в вентиляторах, масляных и водяных насосах, приводимых
от вала испытуемой машины.
К потерям машины не относятся потери в механических
приспособлениях для измерения частоты вращения, в посторон-
них подшипниках, не входящих в поставку, в вентиляторах, во-
дяных и масляных насосах и прочих механизмах, имеющих са-
мостоятельный привод (в том числе и в возбудителях с отдель-
ным приводом).
Некоторые машины, особенно тихоходные, поставляются
с одним подшипником, а иногда и вовсе без подшипников. При
испытании они снабжаются временными подшипниками, потери
в которых входят в результаты измерений, но подлежат исклю-
чению из них. С этой целью они должны быть либо измерены
отдельно, например, калориметрическим способом в случае про-
162
точной смазки, либо оценены расчетным порядком по соглаше-
нию между изготовителем и потребителем.
Стандарты СССР предусматривают три метода непосред-
ственного определения КПД, требующие нагрузки испытуемой
машины в том режиме ее работы, для которого проводится это
определение, и в общем неравноценные между собой: метод из-
мерения мощностей, метод торможения и метод нагрузки.
Метод измерения мощностей применяется для комплектно
выпускаемых преобразовательных агрегатов, состоящих из двух
или более машин, сопряженных на одном валу, причем одна из
них работает двигателем, а другая (или другие) — в режиме ге-
нератора. Мощность Р1Д, подводимая к двигателю, и мощность
Р2г, отдаваемая генератором, измеряются электроизмеритель-
ными приборами.
Если — мощность, отдаваемая двигателем и подво-
димая к генератору, то КПД двигателя
Т!Д=1ОО^-,
Г1Д
а КПД генератора
ЛГ=ЮО-^.
Общий КПД двигателя-генератора, очевидно, равен произ-
ведению КПД двигателя и генератора:
Пд.г = О,О1Т]ДТ|Г = 100 = 100 .
Г1Д р1г Лд
Метод торможения применяется главным образом для дви-
гателей и состоит в том, что отдаваемая механическая мощность
определяется как произведение вращающего момента, измерен-
ного при помощи тормозного устройства, на измеренную частоту
вращения, а подводимая электрическая мощность измеряется
электроизмерительными приборами. Для генераторов этот ме-
тод может быть применен только в случае, когда в качестве
приводного применен динамометрический двигатель.
Метод нагрузки пригоден как для двигателей, так и для ге-
нераторов и состоит в том, что испытуемая машина сопрягается
с тарированной машиной. Для двигателя искомый КПД явля-
ется отношением электрической мощности Р2т, отдаваемой та-
рированной машиной в режиме генератора и деленной на ее
известный КПД т]т, к электрической мощности Рщ, подводимой
к двигателю:
Т]д= 1002—^2т .
ПЛд
Для генератора искомый КПД определяется отношением
электрической мощности Р2г, отдаваемой генератором, к элек-
6*
163
трической мощности Рп, подводимой к тарированной машине
в режиме двигателя и умноженной на ее известный КПД Т|т:
г)г=Ю02-Р2г •
ПтЛт
Мощность вспомогательной машины — тарированного гене-
ратора или двигателя — не должна существенно превосходить
мощность испытуемой, так как иначе точность результатов из-
мерения будет невысокой; поэтому КПД тарированной машины
не может существенно отличаться от КПД испытуемой, однако
тарирование следует производить методами косвенного опреде-
ления потерь и КПД. При испытании двигателя второй такой
же двигатель может быть применен в качестве тарированного
генератора, но при испытании генератора вторая такая же ма-
шина, если ее применить в качестве тарированного двигателя,
будет сильно перегружаться.
Применительно к машинам постоянного тока под мощностью,
подводимой к двигателю, следует понимать произведение напря-
жения на выводах двигателя С7Д на полный потребляемый им
ток /д (включая ток возбуждения параллельной обмотки
если она питается тем же напряжением [/д):
р1д = U]Jx.
Если же параллельная обмотка предназначена для питания
от отдельного источника с иным напряжением ид, то за подво-
димую к двигателю мощность Р1Д следует принимать сумму
мощностей, потребляемых цепями якоря и обмотки возбужде-
ния:
Лш = д*
Что касается мощности Р2г, отдаваемой генератором, то под
ней следует понимать произведение напряжения на выводах ге-
нератора Uc на ток /г, отдаваемый во внешнюю цепь и не учи-
тывающий потребление тока параллельной обмоткой возбужде-
ния:
Р2Г ~ ^Г^Г*
Для того чтобы учесть потери в обмотке возбуждения гене-
ратора в случае ее питания от отдельного источника, эти потери
при применении для генератора методов измерения мощностей
и нагрузки должны быть прибавлены к знаменателю в виде
произведения напряжения источника питания пг на ток хг об-
мотки возбуждения:
т]дг=100----^1—— = 100-----; т)г= 100--------------
Р1д4~иг('г Пт-PlT “Ь Urt'r
Независимо от метода непосредственного определения КПД
стандарты разрешают его применение для машин с гарантиро-
ванным значением КПД не выше 85,%; при более высоких зна-
164
чениях КПД должен определяться косвенными методами, основ-
ным из которых является метод отдельных потерь с несколь-
кими разновидностями. Различаются следующие виды отдель-
ных потерь.
Потери в стали Рст на перемагничивание и вихревые токи
в сердечнике, в том числе добавочные потери холостого хода,
вызываемые зубчатостью активных поверхностей и полями рас-
сеяния основного магнитного потока, считаются не зависящими
от температуры. Они берутся из опыта определения потерь
холостого хода для напряжения того режима работы, для кото-
рого подсчитывается КПД, кроме машин постоянного тока с но-
минальным напряжением ниже 100 В. Для этих машин они бе-
рутся соответственно ЭДС, для генератора большей, а для дви-
гателя меньшей напряжения на выводах машины на сумму всех
падений напряжения в последовательной цепи, сопротивление
обмоток которой приведено к расчетной рабочей температуре 0:
E = U±(2bU + IZRe).
Механические потери Рмех на трение в опорах, в скользящих
контактах и на всех поверхностях, омываемых охлаждающими
средами, считаются не зависящими от температуры охлаждаю-
щих сред.
Основные потери в цепях рабочих обмоток Рм для обмоток
почти всех видов определяются как сумма произведений квад-
ратов токов в этих обмотках на их сопротивления при постоян-
ном токе, приведенные к расчетной рабочей температуре 0. По-
следняя принимается для обмоток с изоляцией классов А, Е и В
равной +75 °C, а классов F и Н +115 °C, если только по тем
или иным причинам для них не принимается тоже +75 °C.
Исключение составляют обмотки статора (якоря) синхронных
машин мощностью свыше 100 кВ-А и ротора асинхронных дви-
гателей, потери в которых определяются иначе.
Потери в переходных контактах щеток Рт (если они име-
ются) иринимаются равными произведениям соответствующих
токов на переходные падения напряжения, которые считаются не
зависящими от тока и равными (на каждый из последовательно
включенных контактов): для угольных и графитных щеток
AU = 1 В; для металлоугольных и металлографитных щеток
Af/=0,3 В.
Потери на возбуждение Рв (для машин, возбуждаемых по-
стоянным током) по своей природе аналогичны основным поте-
рям в цепях рабочих обмоток, однако вычисляются по-разному.
Для машин постоянного тока, возбуждаемых от главной цепи,
они вычисляются как произведение напряжения на выводах ма-
шины на ток возбуждения; таким образом, в их состав входят
потери в регулирующих реостатах. Для машин постоянного
тока и синхронных машин, возбуждаемых от посторонних источ-
ников, потери на возбуждение вычисляются как произведение
квадрата тока возбуждения на сопротивление обмотки возбуж-
165
дения, приведенное к расчетной рабочей температуре. Для ма-
шин, возбуждаемых от возбудителей на валу машины, вычис-
ленные таким образом потери следует разделить на КПД воз-
будителя в относительных единицах, однако без учета механи-
ческих потерь, относимых к возбуждаемой машине. Для машин,
возбуждаемых статическими выпрямителями, потери в послед-
них принимаются в соответствии с их устройством. Ток возбуж-
дения определяется по особым правилам для машин каждого
вида, если он не может быть определен из опыта непосредствен-
ной нагрузки машины. Применительно к машинам постоянного
тока приняты следующие правила:
для некомпенсированных генераторов с параллельным или
независимым возбуждением при наличии добавочных полюсов
или без них—110% тока возбуждения, соответствующего хо-
лостому ходу с напряжением, большим номинального на паде-
ние напряжения в цепи якоря;
для компенсированных генераторов с параллельным или не-
зависимым возбуждением — 100 % тока возбуждения, соответст-
вующего холостому ходу с напряжением, большим номиналь-
ного на падение напряжения в цепи якоря;
для генераторов со смешанным возбуждением с полным ком-
паундированием напряжения—100 % тока возбуждения, соот-
ветствующего холостому ходу с номинальным напряжением;
для генераторов и двигателей со смешанным возбуждением,
перекомпаундированных и недокомпаундированных,— по согла-
шению между изготовителем и потребителем;
для двигателей с параллельным или независимым возбужде-
нием— 100 % тока возбуждения при холостом ходе с номиналь-
ным напряжением и номинальной частотой вращения.
Для синхронных машин ток возбуждения определяется по-
строением векторной диаграммы по установленным для этого
правилам.
Добавочные потери при нагрузке Рд, к которым относятся
потери всех видов, не учитываемые перечисленными выше, глав-
ным образом потери от вихревых токов в проводниках рабочих
обмоток и на поверхностях сердечников вращающейся и непо-
движной частей машины, обусловленные высшими гармониче-
скими магнитного поля при нагрузке, оцениваются приближенно
в процентах от отдаваемой мощности для генераторов и от под-
водимой мощности для двигателей при номинальной нагрузке:
Некомпенсированные машины постоянного тока.............. 1
Компенсированные машины постоянного тока.....................0,5
Синхронные машины мощностью до 100 кВ-А......................0,5
Асинхронные бесколлекторные двигатели .......................0,5
Коллекторные машины переменного тока (если для
них не установлены иные значения соответствующими
документами) ............................................... 1
При мощности, отличающейся от номинальной, эти потери
должны пересчитываться пропорционально квадрату тока рабо-
166
чей цепи. Для двигателей постоянного тока с широким регули-
рованием частоты вращения добавочные потери следует умно-
жать на коэффициенты, зависящие от частоты вращения:
Отношение частоты вращения
к номинальной........................• • 1>5 2,0 3,0 4,0
Коэффициент.............................1>4 1,7 2,5 3,2
Добавочные потери синхронных машин мощностью свыше
100 кВ-А отдельно не определяются — они получаются экспери-
ментально вместе с основными потерями в обмотке статора и
эта сумма считается не зависящей от температуры обмотки, по-
скольку с повышением температуры и сопротивления обмотки
основные потери возрастают, а добавочные, наоборот, убывают.
Такое явление не может иметь места в обмотках машин незна-
чительной мощности, выполненных из проволоки небольшого се-
чения.
Синхронные компенсаторы не отдают активной мощности, и
потому понятие о КПД к ним неприменимо; но для оценки эко-
номичности их работы следует производить подсчет суммы по-
терь в них согласно приведенным выше правилам, выражая ее
в процентах от полной мощности машины.
Изготовление электрических машин неизбежно сопровожда-
ется неточностями, и отдельные экземпляры машин одного и
того же типа по своим характеристикам отличаются как от рас-
чета, так и друг от друга. Поэтому и значения КПД отдельных
машин, определенные тем или иным способом, могут откло-
няться от установленных для них стандартами или техническими
условиями, применительно к которым ведется расчет машины,
однако не должны выходить из пределов, устанавливаемых до-
пускаемыми отклонениями.
Для машин мощностью до 50 кВт включительно допускаемое
отклонение КПД независимо от метода его определения состав-
ляет— 0,15 (1— ц), где ^ — нормируемое значение КПД, выра-
женное в относительных единицах; такое же значение оно имеет
для машин, КПД которых определяется непосредственными ме-
тодами независимо от их мощности.
Для машин мощностью свыше 50 кВт допускаемое отклоне-
ние КПД установлено равным — 0,1(1—ц). Во всех случаях его
подсчет производится с округлением до третьего знака, но сам
КПД может вычисляться и с большей точностью, особенно
в крупных машинах, где он высок.
Для более подробного суждения об эксплуатационных свой-
ствах машины может быть поставлена задача определения зави-
симости КПД от нагрузки, начиная от холостого хода и до неко-
торой перегрузки. Если нет особых оговорок, это определение
производится из условия неизменного напряжения на выводах,
неизменной частоты вращения, если это машина постоянного
тока или синхронная машина, а для последней — еще и неизмен-
ного коэффициента мощности, т. е. применительно к условиям
167
определения регулировочных характеристик машин этих видов;
для асинхронных двигателей — при неизменных значениях на-
пряжения и частоты питания.
На рис. 6.1 дан пример построения зависимости КПД и от-
дельных потерь от нагрузки для генератора постоянного тока.
Пример. Требуется определить КПД генератора постоянного тока мощно-
стью Р2=40 кВт с номинальным напряжением t/H=230 В методом отдельных
потерь.
Рис. 6.1. Пример построения зависимостей КПД и
потерь от нагрузки
Номинальный ток генератора составляет
/н = P2lUn - 40 000/230 = 174 А.
Ток возбуждения по регулировочной характеристике для номинального ре-
жима работы /в = 2,6 А; таким образом, полный ток якорной цепи
/я = /н + *в - 174 + 2,6 - 176,6 А.
Сопротивления обмоток, приведенные к расчетной рабочей температуре
75 °C (применена изоляция класса не выше В):
Обмотка якоря......................... 0,026
Обмотка добавочных полюсов............ 0,012
Последовательная обмотка.............. 0,002
Таким образом, сумма сопротивлений обмоток цепи якоря
S = 0,026 + 0,012 + 0,002 = 0,04 Ом.
При опыте холостого хода измерены потери, механические Рмех = Ю70 Вт
и в стали якоря (при напряжении Uq—Ub) РСт = И35 Вт.
Потери в обмотках последовательной цепи машины
Р„ = Re = 176,62-0,04 = 1248 Вт.
168
Потери в переходном контакте щеток
Лц = 2Д67н = 2-1*176,6 = 353 Вт.
Потери на возбуждение
Рв — t/HiB — 230-2,6 = 598 Вт.
Добавочные потери при нагрузке
Рд = 0,01Р2 = 0,01-40 000 = 400 Вт.
Сумма потерь
S Р = Рм + Рст + Рмех + Рщ + Рв 4- д “
= 1248 + 1135+ 1070 + 353 + 598 + 400 = 4804 Вт.
Отсюда искомый КПД
т| = 100 /1----—------= 100 (1--------—--------= 88,28 %.
\ Pa + SP/ \ 40000 + 4804 /
Помимо метода отдельных потерь к числу методов косвен-
ного определения КПД относится также метод. взаимной на-
грузки. Как указывает само название метода, для него необхо-
дима взаимная нагрузка пары обязательно одинаковых машин,
при которой производится измерение подводимой к ним извне
мощности Р. При этом фактическая мощность каждой из вза-
имно нагружаемых машин не равна той, для которой произво-
дится определение КПД; нагрузка должна подбираться так,
чтобы сумма всех потерь в паре была равна удвоенным потерям
одной машины в заданном режиме работы. При этом условии
в зависимости от того, в каком режиме определяется КПД, для
него можно написать
'т] = 100 Р‘-О-5Р
100----.
Pl Р2Ч-О,5Р
Несмотря на заманчивость определения суммы всех потерь
сразу одним измерением, затруднительно решение вопроса, ка-
ким должен быть режим взаимной нагрузки, удовлетворяющий
поставленному требованию, и как осуществлять поддержание
расчетной рабочей температуры обмоток и ее контроль. Относи-
тельная ошибка этого метода больше, чем у метода отдельных
потерь, а выполнение опыта сложнее; поэтому общими стандар-
тами СССР он не предусматривается.
6.2. ТАРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Вспомогательная электрическая машина, главным образом
двигатель, потери в которой подробно определены заранее для
различных режимов работы — при разных напряжениях, ча-
стотах вращения и нагрузках, носит название тарированной ма-
шины. Задача тарирования не может быть решена методами, ко-
торые применяются для определения КПД при испытании элек-
трических машин, основаны на упрощающих допущениях и
потому содержат ряд заведомых неточностей.
Для получения надежных результатов тарирования необхо-
димо, чтобы потери в тарированной машине были малы по срав-
169
нению с развиваемой ею мощностью, т. е. она должна быть
достаточно нагружена. Чем выше нагрузка тарированной ма-
шины в режиме испытания, тем точнее его результат, но выпол-
нение этого условия возможно далеко не всегда.
[₽ тех случаях, когда не предполагается проводить испыта-
ние машины в ее номинальном режиме работы, мощность та-
рированного двигателя может быть выбрана соизмеримой
с ожидаемыми потерями при холостом ходе или коротком за-
мыкании испытуемой машины^ Но если предполагается прово-
дить испытание машины в номинальном режиме работы, то при-
водной двигатель или нагрузочный генератор должны иметь со-
ответствующую мощность и при определении отдельных потерь
испытуемой машины последние окажутся одного порядка с их
потерями, что понижает точность результатов испытания. Этот
недостаток может быть устранен применением двух машин: од-
ной— большей мощности для работы при номинальной нагрузке
и другой — тарированной, с мощностью, соизмеримой с иско-
мыми потерями; однако практически это бывает возможно в ред-
ких случаях, так как перестановка машин в процессе испытания
затруднительна.
Если тарированный двигатель предназначается для сопря-
жения с испытуемыми машинами с различными данными, его
тарирование должно быть проведено применительно ко всему
диапазону последних. Если же тарирование производится для
испытания одной или нескольких однотипных машин, то оно мо-
жет быть значительно упрощено, особенно когда частота враще-
ния остается неизменной.
£ Потери холостого хода тарированного двигателя должны
определяться для всех частот вращения, при которых предпо-
лагается его применять; а так как при каждой из них возможно
изменение напряжения, а при одном и том же напряжении —
изменение ЭДС в зависимости от нагрузки, то необходимо про-
вести ряд опытов с целью получения сетки потерь холостого
хода в возможных пределах изменения частоты вращения и
ЭДС. Чем больше таких опытов и чем гуще сетка, тем легче ею
пользоваться для промежуточных значений этих параметров.
Чтобы облегчить пользование тарированным двигателем по-
стоянного тока, следует измерять напряжение не на его выво-
дах, а на одном лишь якоре, исключая таким образом падения
напряжения в обмотках последовательного возбуждения, доба-
вочных полюсов и компенсационной, если она имеется; для
этого вольтметр присоединяется непосредственно к щеточному
аппарату.
Для учета падения напряжения в переходном контакте ще-
ток на коллекторе можно изолировать два щеткодержателя на
соседних пальцах щеткодержательной траверсы и к их щеткам
подключить вольтметр, измеряющий напряжение на якоре;
вследствие ничтожности тока, потребляемого вольтметром, па-
дение напряжения в переходном контакте этих щеток невелико
170
и им можно пренебречь. Однако, чтобы это давало желаемый
результат, необходим устойчивый контакт измерительных щеток
с коллектором: их вибрация способна сильно исказить резуль-
таты измерения. Если применены такие щетки, то ЭДС в якоре
определяется как разность напряжения на якоре и падения на-
пряжения, равного произведению тока в якоре на сопротивление
его обмотки во время опыта; для проверки сопротивления об-
мотки якоря в процессе тарирования машина время от времени
останавливается и производится измерение этого сопротивления.
Если измерительные щетки не применяются, то падение напря-
жения в переходном контакте следует учитывать согласно пред-
писаниям стандарта, принимая его не зависящим от тока, что
понижает точность измерений.
Непостоянство механических потерь имеет две причины: во-
первых, коэффициент трения щеток зависит от степени их при-
работанности, от состояния поверхности коллектора и от плот-
ности тока в переходном контакте, уменьшаясь с ее повыше-
нием; во-вторых, трение в подшипниках зависит не только от
частоты вращения, но и от состояния смазки, в первую очередь
от ее температуры; поэтому тарированный двигатель должен ра-
ботать всегда на смазке одной и той же марки. Чтобы по воз-
можности исключить влияние температуры, следует как прово-
дить тарирование двигателя, так и применять его только при
прогретых подшипниках; установившаяся температура исправ-
ных подшипников сравнительно мало зависит от температуры
окружающей среды.
Потери в подшипниках качения много ниже, чем в подшип-
никах скольжения, но менее устойчивы, так как зависят не
только от марки, но и от количества и состояния смазки, под-
держивать которые неизменными трудно.
Рекомендуется заранее строить зависимость потерь в цепи
якоря от тока в ней; поскольку они зависят от температуры об-
мотки якоря, то приходится строить ряд таких зависимостей для
различных значений температуры. К ним причисляются доба-
вочные потери, которые согласно предписаниям стандартов сле-
дует брать для компенсированных машин в размере 0,5 %, а для
некомпенсированных—1 % от подводимой мощности при номи-
нальном режиме работы, а для режимов работы с другими зна-
чениями токов пересчитывать пропорционально квадратам по-
следних. Таким образом* при номинальной частоте вращения и
некоторой температуре обмотки Ф потери в цепи якоря равны:
без применения измерительных щеток
7?я = /2/?15[1 +0,004(#— 15)] + 2АШ + (0,005 . . . 0,01) t/H —;
I н
с применением измерительных щеток
£я = /2flls[ 1+0,004 (#—15)]+ (0,005 . . . 0,01)t/H—.
171
Добавочные потери зависят не только от тока, но и от ча-
стоты вращения, поскольку при переходе от одного значения по-
следней к другому изменяется частота в якоре машины; это
можно учитывать коэффициентами, приведенными в § 6.1.
Протокол тарирования действителен не на весь срок службы
машины, а только до тех пор, пока нет причин, способных по-
влиять на механические потери: замена смазки ведет к измене-
нию потерь в подшипниках; замена щеток хотя бы щетками той
же марки ведет к изменению потерь на их трение; срабатывание
щеток с течением времени вызывает ослабление нажима щетко-
держателей и также ведет к изменению потерь на трение.
Приступить к тарированию можно только тогда, когда кол-
лектор и щетки имеют вполне устойчивое, приработанное со-
стояние: вся рабочая поверхность коллектора покрыта ровной,
глянцевой политурой, а на контактных поверхностях щеток не
осталось никаких следов притирания.
Машина постоянного тока, склонная к искрению, имеющая
узкую и неустойчивую область безыскровой работы, непригодна
для применения в качестве тарированного двигателя, так как
состояние ее коллектора и щеток не будет достаточно ста-
бильным.
Применение синхронной машины в качестве тарированной
обычно ограничивается ее работой при одном значении частоты
вращения, и в этом отношении ее тарирование проще, чем ма-
шины постоянного тока; кроме того, отпадает необходимость
исключения падения напряжения в щеточном контакте, кото-
рого нет. Как тарирование, так и работа синхронной машины
должны проводиться при одном и том же значении коэффици-
ента мощности, равном единице; при нем, с одной стороны, ток,
а следовательно, и потери в рабочей цепи имеют наименьшее
возможное значение при данной нагрузке, а с другой — внутрен-
няя ЭДС и соответствующий ей поток мало отличаются от на-
пряжения на выводах и соответствующего ему потока холо-
стого хода. По этой причине действительные потери в стали
очень близки к относимым к напряжению холостого хода, как
это положено для синхронных машин вообще. Поскольку для
синхронных машин принято считать сумму основных потерь
в цепи рабочей обмотки и добавочных потерь короткого замыка-
ния не зависящей от температуры обмотки, все тарирование ог-
раничивается определением потерь холостого хода и короткого
замыкания без разделения тех и других на составляющие.
Асинхронный двигатель тоже может быть применен в каче-
стве тарированного, но неудобен для этой цели, так как обла-
дает скольжением, зависящим не только от нагрузки, но и от
температуры обмотки ротора, и определение полных потерь
в нем не может быть так упрощено, как в машинах постоянного
тока и особенно в синхронных машинах.
172
6.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА
И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА
Во всех случаях, когда испытуемая машина постоянного тока
или синхронная машина сопряжена с другой машиной, либо за-
ранее тарированной, либо тарируемой в процессе испытания,
потери в стали, механические потери, а для синхронных машин
мощностью свыше 100 кВ-А также потери короткого замыкания
могут быть определены путем измерения мощности, подводимой
к тарированной машине, и учета потерь в ней.
рбычно определение потерь проводится одновременно с оп-
ределением характеристик холостого хода и короткого замыка-
ния, так что отдельных опытов не требует, и результаты опыта
наносятся на общий график с этими характеристиками; однако
в таком случае значения потерь откладываются не по оси орди-
нат, а по оси абсцисс и в зависимости не от тока возбуждения,
а от напряжения холостого хода или от тока короткого замы-
кания. Оно начинается вместе с определением характеристики
от наибольшего значения напряжения холостого хода или тока
короткого замыкания и заканчивается при полном снятии воз-
буждения с машины; потерями в стали и потерями короткого
замыкания при этом вполне можно пренебречь, так что измере-
ние дает одни лишь механические потери. Отделение их от изме-
ренных потерь дает значения потерь в стали и потерь короткого
замыкания.
Иногда приходится наблюдать, что механические потери, из-
меренные в этих двух опытах, заметно не совпадают; если это
несовпадение не превосходит 10 % их среднего значения, то по-
следнее принимается за их действительное значение; если же
расхождение превышает 10 %, то причина его подлежит выясне-
нию и опыты должны быть повторены после ее устранения.
Если в качестве приводного двигателя применяется дина-
мометрическая машина, то с ее помощью может быть проведено
определение потерь, однако точность измерения мощности, под-
водимой к испытуемой машине, как произведения измеряемого
динамометрической машиной вращающего момента на частоту
вращения уступает точности электрических измерений, произво-
димых на тарированном двигателе, и потому стандартами та-
кой способ не предусматривается.
Если испытуемая машина снабжена пристроенным к ней воз-
будителем, то применение его для возбуждения этой машины
нецелесообразно, так как осложнило бы вычисление потерь и
внесло дополнительные неточности в результаты; но во многих
случаях такой возбудитель может быть использован в качестве
приводного двигателя. Если испытуемая машина не слишком ве-
лика и быстроходна, то мощность ее штатного возбудителя
обычно бывает достаточной для такого его применения. Такой
возбудитель обычно или вовсе не имеет своих подшипников, или
в крайнем случае снабжен одним подшипником, так что он не
173
может быть отсоединен для тарирования; однако согласно су-
ществующим правилам его механические потери причисляются
к потерям возбуждаемой им машины, так что задачей тариро-
вания было бы только определение его потерь в стали, но их до-
пускается в таком случае принять по расчетному значению.
Определение потерь холостого хода посредством тарирован-
ного двигателя позволяет не проводить для машин постоянного
тока больше никаких дополнительных опытов для определения
КПД, если известны сопротивления обмоток машины и тем или
иным способом определено значение тока возбуждения в том
режиме работы, для которого определяется КПД. Для машин
с параллельным или независимым возбуждением допускается
принимать значение тока возбуждения условно, как было ука-
зано в § 6.1. При последовательном возбуждении значения тока
возбуждения, отличные от тока якоря, могут быть только в слу- *
чае регулирования частоты вращения шунтированием цепей воз- ?
буждения или якоря, что применяется в машинах сравнительно
небольших мощностей, и потому все данные, необходимые для
вычисления КПД, могут быть получены из опыта нагрузки ма-
шины; определение характеристики и потерь холостого хода
проводится при независимом возбуждении от источника низ- *
кого напряжения.
Для синхронных машин независимо от их назначения — ге-
нератора или двигателя — определение потерь холостого хода и
короткого замыкания может проводиться в режиме генератора,
но для синхронного компенсатора это встречает затруднение, 3
если машина не имеет свободного конца вала для присоедине-
ния к нему приводного двигателя; в этом случае приходится 4
прибегать к методам определения потерь, описываемым дальше.
Для асинхронных машин данный способ определения потерь
и КПД неприменим.
6.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА ‘
В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ
.Определение суммы механических потерь и потерь в стали
в режиме двигателя и разделение ее на эти составляющие воз-
можны для электрических машин всех видов» Точность опреде-
ления потерь этим способом не хуже, чем, например, способом
тарированного двигателя, который вносит в измерение свои не-
точности; кроме того, вычислительные операции проще и отпа- •
дает необходимость тарирования. Поэтому может быть целесо-
образно проводить определение потерь холостого хода этим спо-
собом даже тогда, когда определение характеристики холостого
хода проводится в режиме генератора; но потери короткого за-
мыкания им не могут быть определены.
1 Подшипники скольжения и щеточные контакты на коллек-
торе или на контактных кольцах должны быть во вполне прира-
ботанном состоянии;, поэтому определение потерь холостого хода
174
целесообразно проводить после всех испытаний под нагрузкой,
в том числе испытания на нагревание. В машинах постоянного
тока щетки должны во время этого опыта находиться в нейт-
ральном положении, даже если оно не является для них рабо-
чим.
Если до начала опыта испытуемая машина находилась в не-
подвижном состоянии и ее опоры были практически холод-
ными, то для того, чтобы результаты были достаточно пра-
вильны, необходимо производить измерения не сразу после
пуска, а лишь когда температура опор достигнет установивше-
гося значения. Если же ее определение невозможно, то при
приемо-сдаточных испытаниях машин с подшипниками сколь-
жения или при периодических испытаниях машин с подшипни-
ками качения машина должна вращаться с номинальной часто-
той в течение времени не менее указанного ниже:
Мощность машины,
кВтиликВ-А. ... До 1 1—10 10—100 100—1000 Свыше 1000
П род о л ж ите ль ность
вращения, мин .... 10 30 60 120 180
При приемо-сдаточных испытаниях машин с подшипниками
качения допускается сокращение этих продолжительностей
вдвое, а при испытании на механизированных и автоматизиро-
ванных устройствах — до 1 мин для двигателей мощностью до
10 кВт и до 2 мин для двигателей свыше 10 кВт.
(Для определения потерь в режиме ненагруженного двига-
теля следует измерять подводимую к машине мощность, для
чего в машинах постоянного тока достаточно измерить напря-
жение на выводах и потребляемый ток, 1а в машинах перемен-
ного тока — также и подводимую мощность. Кроме того, в син-
хронных машинах следует так регулировать ток возбуждения,
чтобы потребляемый ток имел наименьшее значение, т. е. чтобы
коэффициент мощности был равен единице.
/Из измеренной таким образом мощности следует вычесть
потери в цепи рабочей обмотки, соответствующие потребляе-
мому току и сопротивлению этой цепи при температуре опыта,
которое может быть определено измерением по окончании по-
следнего. Если определение потерь совмещается с определением
характеристики холостого хода, как это обычно принято, то пер-
вым отсчетом может служить произведенный при наибольшем
напряжении, с которого начинается эта характеристика, хотя
для определения потерь достаточно начать с напряжения, со-
ставляющего 110—115% номинального^/
По мере понижения напряжения убывает также и потребляе-
мый ток, однако при сильно пониженном напряжении он сна-
чала перестает изменяться, а затем начинает возрастать; это
объясняется тем, что убывают только потери в стали, а меха-
нические потери остаются неизменными, поскольку неизменна
частота вращения. Поэтому с понижением напряжения ток дол-
175
жен начать возрастать тем отчетливее, чем большую долю
потерь холостого хода составляют механические потери. В асин-
хронных двигателях к этому прибавляется еще заметное возра-
стание скольжения, с которым связано увеличение токов в об-
мотке ротора. Дальнейшее продолжение опыта бесполезно.
Если построить зависимость тока холостого хода Iq от при-
ложенного напряжения Uq и провести к ней касательную из на-
чала координат, то точки, лежащие выше этой касательной, не
следует учитывать при дальнейшей обработке результатов
опыта.
Для разделения потерь холостого хода на составляющие,
если оно требуется, следует отложить на графике полученные
таким образом потери в зависимости от напряжения на выводах
и экстраполировать их на нулевое значение последнего. Однако
зачастую это представляет затруднение, особенно когда число
отсчетов при малых напряжениях невелико; поэтому разделение
потерь следует проводить методом, именуемым в литературе
методом Деттмара, а именно откладывать потери в зависимости
не от первой степени, а от квадрата ЭДС или напряжения хо-
лостого хода (рис. 6.2). Благодаря этому точки, соответствую-
щие отсчетам при наиболее низких значениях напряжения, ока-
зываются сильно приближенными к оси ординат, > так как при
малых насыщениях магнитной цепи потери в стали примерно
пропорциональны квадрату напряжения, то эти точки хорошо
укладываются на прямую. Экстраполяция прямой до пересече-
ния с осью ординат отсекает на последней механические потери.
Потери на трение щеток на коллекторе машин постоянного
тока при холостом ходе больше, чем при нагрузке, так как их
коэффициент трения убывает по мере увеличения плотности
тока, однако никаких поправок для учета этого обстоятельства
стандарты не предусматривают.
Если машина имеет две или более номинальные частоты вра-
щения, то определение потерь холостого хода и их разделение,
если это требуется, должны быть проведены для каждой из них
особо. В этом случае применяется видоизменение изложенного
способа, состоящее в том, что потери холостого хода определя-
ются при нескольких неизменных значениях тока возбуждения
в зависимости от частоты вращения при изменяемом напряже-
нии на якоре. Полученные зависимости откладываются в пра-
вом квадранте графика (рис. 6.3); если пересечь их прямой,
параллельной оси ординат и проходящей через какое-нибудь опре-
деленное значение частоты вращения, например то по точ-
кам пересечения можно построить в левом квадранте зависи-
мость суммы потерь холостого хода от тока возбуждения при
неизменном значении частоты вращения П\. Пересечение оси
ординат этой зависимостью представит механические потери при
данной частоте вращения, а разность между суммой потерь и
этими последними — зависимость потерь в стали от тока воз-
буждения. Недостатком этого видоизменения является то, что
176
оно дает зависимость потерь в стали от тока возбуждения, а не
от напряжения, и при определении КПД необходимо вводить
дополнительную операцию перехода от тока возбуждения к на-
пряжению.
При определении потерь холостого хода крупных машин пе-
ременного тока с большими значениями момента инерции при
питании от источника с жесткой частотой бывает трудно до-
биться устойчивости показаний приборов схемы измерения мощ-
ности, так как большие маховые массы не могут следовать не-
значительным колебаниям частоты и напряжения источника
питания, которые всегда имеются в сетях. В этих условиях при-
ходится долго выжидать момента кратковременного успокоения
качаний стрелок приборов (причем нет полной уверенности, что
Рис. 6.2. Разделение потерь хо
лостого хода
Рис. 6.3. Определение потерь хо-
лостого хода в зависимости от
частоты вращения
оно соответствует средней потребляемой мощности) или при
более или менее регулярных качаниях отмечать их средние по-
ложения, что тоже недостаточно надежно. В этих условиях по-
могает замена ваттметров счетчиками энергии или перевод пи-
тания на источник, отделенный от сети участком передачи
энергии постоянным током.
Если питание испытуемой машины проводится от общей сети
или от источника, частота которого жестко связана с сетевой,
то при возможных отклонениях ее от номинального значения
результаты измерений в опыте холостого хода потребуют кор-
ректировки соответствующими поправками. В частности, при
одном и том же значении тока возбуждения или намагничива-
ющего тока значение напряжения холостого хода пропорцио-
нально частоте; если обозначить через UQ и f измеренные значе-
ния напряжения и частоты и через номинальное значение
последней, то исправленное значение напряжения будет
и’0=-^ио.
Если частота при измерении отличается от номинального
значения не более чем на ±2 %, то измеренные значения по-
177
терь в стали РСт допускается пересчитывать пропорционально
квадратному корню из куба частоты:
^ст=ОР Рст.
Эта формула недостаточно удобна для применения, но ее
можно заменить приближенной:
Р ст
fn р
/н+1,5Д£ ’
в указанных пределах отклонения частоты она дает ошибку»
не превосходящую 0,015%, т. е. значительно меньшую погреш-
ности измерений мощности приборами лучших классов точности.
В этих же условиях механические потери Рмех можно считать
пропорциональными квадрату частоты:
Р мех
= О)2Л.ех
Более простая для применения формула
р' ~ fy р
/мех ~ /мех
fn + 2Д/
дает ошибку, не превосходящую 0,05%, т. е. тоже значительно
меньшую погрешности применяемых приборов.
Ниже приводится таблица поправок величин t/0, РСт и Рмех
при отклонениях частоты от промышленной в пределах ±1 Гц.
Частота, Гц 49,0 49,1 49,2 49,3 49,4
ьи0, % +2,04 +1,83 + 1,63 + 1,42 +1,22
% +3,08 +2,76 +2,45 +2,14 +1,83
Д Рмех» % +4,12 +3,70 +3,28 +2,86 +2,44
Частота, Гц 49,5 49,6 49,7 49,8 49,9
Д (/#• % + 1,01 +0,81 +0,60 +0,40 +0,20
ДРст. % + 1,52 +1,21 +0,91 +0,60 +0,30
Д Рмех, % +2,03 + 1,62 + 1,21 +0,81 +0,40
178
Продолжение табл.
Частота, Гн 50,1 50,2 50,3 50,4 50,5
&и„ % —0,20 —0,40 —0,60 —0,79 —0,99
Д Р ст» % —0,301 —0,60 —0,89 —1,19 — 1,48
А /’мех, % —0,40) —0,79 — 1,19 —1,58 — 1,97
Частота, Гц 50,6 50,7 50,8 50,9 51,0
дс/0, % — 1,19 — 1,38 — 1,58 — 1,77 — 1,96
ДРст, % — 1,77 —2,07 —2,35 —2,64 —2,93
А /’мех» % —2,35 —2,74 —3,12 —3,51 -3,88
6.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МЕТОДОМ САМОТОРМОЖЕНИЯ
Если испытуемая машина не может быть сопряжена с двига-
телем, который позволял бы его протарировать, например в слу-
чае сопряжения генератора с гидравлической турбиной или
с термическим двигателем любого рода, определение потерь
всех видов может быть проведено на выбеге — методом само-
торможения.
Между тормозящими потерями и частотой вращения суще-
ствует зависимость
Cm — = — SP,
dt
где С — постоянная самоторможения, зависящая от момента
инерции вращающейся части.
Если бы тормозящие потери не зависели от частоты враще-
ния и оставались неизменными в процессе самоторможения, это
уравнение представляло бы параболу, симметричную по отно-
шению к оси аргумента /; но в действительности они сложным
образом зависят от частоты вращения и от времени и характер
зависимости определяется их составом, так как для разных ви-
дов потерь он различен.
На рис. 6.4 представлены три типичные формы кривой само-
торможения — зависимости частоты вращения от времени. Кри-
вая 1 характерна для потерь, в которых преобладают состав-
ляющие, не зависящие от частоты вращения, например основ-
ные потери в обмотке якоря. В верхней части кривая имеет
179
выпуклость кверху. Кривая 3 с выпуклостью верхней части
вниз соответствует случаю, когда преобладают потери, убыва-
ющие быстрее, чем частота вращения, например потери в стали
и механические потери. Кривая 2 с практически прямолинейной
верхней частью соответствует случаю, когда влияние потерь
обеих групп уравновешивается.
Для применения метода самоторможения необходимо про-
вести три опыта:
1. Самоторможение невозбужденной машины с разомкнутой
обмоткой якоря. Машина затормаживается одними только меха-
ническими потерями, и при номинальной частоте вращения
Слн
__р
dt 1 мех’
2. Самоторможение машины с разомкнутой обмоткой якоря
при токе возбуждения, соответствующем номинальному напря-
Рис. 6.4. Различные формы
кривой самоторможения
жению при номинальной частоте
вращения. Машина затормажи-
вается суммой механических по-
терь и потерь
I dn,
I dt
в стали:
— Р мех + Р ст*
2
3. Самоторможение машины
с замкнутой накоротко обмоткой
якоря при токе
ответствующем
значению тока
кания. Машина
суммой механических потерь, основных потерь
и добавочных потерь, т. е. потерями короткого замыкания Рк=^
возбуждения, со-
номинальному
короткого замы-
затормаживается
в обмотке якоря
Сп„ = Рмех+Рк.
аг з
Возбуждение испытуемой машины должно быть от независи-
мого источника, иначе потери на возбуждение пришлось бы
тоже ввести в последние два уравнения.
Система, составленная из этих уравнений, содержит четыре
неизвестных: С, Р^ех, Рст и Рк. Решение системы было бы воз-
можно при известной постоянной самоторможения С; но при-
менение расчетного значения входящего в нее момента инерции
вращающейся части, вычисление которого кропотливо и не от-
личается точностью, налагало бы на результаты определения
всех потерь одинаковую ошибку.
Поэтому следует искать способ исключения постоянной са-
моторможения из решения системы. Одним из таких способов
является определение суммы механических потерь и потерь
180
в стали из опыта вращения испытуемой машины в режиме нена-
груженного двигателя при номинальной частоте, номинальном
напряжении и наименьшем потребляемом токе, т. е. при cos<p =
= 1. Деление первого и третьего уравнений на второе дает
'Рмех ~Ь Рк
Р мех + Рст
dn
8 .
dn I
^Г|2
Р мех
Ляех + Рст
I 1
I dt |х
dn I
dt |2
Из первого уравнения можно вычесть второе:
Рк
Рмех + Рст
|^Г 3~~ х
Idn
~dT 2
Отсюда окончательно получается
dn
~di~
3___
dn
dn
~dT
(P мех + Рст)» P мех
dt 2
dn
dt
dn
dt
(Pмех 4" Pст) t
к
2
PCT — (Pмех + Рст) Pмех-
Если опыт холостого хода в режиме двигателя при cos<p=l
позволяет разделить потери холостого хода на механические по-
тери и потери в стали, то надобность в опыте самоторможения
возбужденной машины с разомкнутой обмоткой якоря отпадает
и угловой коэффициент, полученный из опыта самоторможения
невозбужденной машины, может служить масштабом потерь
для опыта самоторможения при замкнутой накоротко обмотке
якоря:
Рмех Рк
Рмех
dn
dt з
dn
~dT x
отсюда
I I
____ I Is p p
к — \ г мех г мех
dn
~dT t
Если не представляется возможным провести опыт холостого
хода в режиме двигателя, то вводится дополнительный опыт са-
моторможения, при котором машина затормаживается какими-
либо потерями, поддающимися измерению, например нагрузкой
181
возбудителя на реостат; КПД возбудителя можно определить
расчетным путем, а если возбудитель имеет два подшипника,—
методом отдельных потерь, пустив его в режиме двигателя от
источника постоянного тока.
Поддающаяся измерению нагрузка может быть создана пи-
танием отдельного трансформатора от испытуемого генератора
в режиме холостого хода при номинальном напряжении или ко-
роткого замыкания на стороне высшего напряжения при номи-
нальном токе генератора. Если трансформатор находится
в блоке с генератором и их номинальные мощности согласованы,
то предпочтительнее проводить опыт с нагрузкой потерями ко-
роткого замыкания трансформатора, так как потери холостого
хода, которые в крупных трансформаторах примерно в 2,5 раза
меньше потерь короткого замыкания, оказываются слишком
малы. Если же трансформатор — групповой для нескольких ге-
нераторов, то его потери короткого замыкания при номиналь-
ном значении тока генератора могут оказаться недостаточны,
и тогда целесообразна нагрузка потерями его холостого хода.
Если поддающиеся измерению потери Ри создаются нагруз-
кой возбудителя, то
Спн
dn
dt
— Р мех + ^и.
4
При потерях, создаваемых ненагруженным трансформато-
ром, если пренебречь потерями в обмотке генератора от его
тока холостого хода,
Спн
dn
dt
— Р мех + Pc? + Р и •
5
Когда нагрузка осуществляется коротким замыканием на
стороне высшего напряжения трансформатора, то если прене-
бречь потерями в стали генератора,
Спн
— Р мех + Р к + Р и
в
Каждое из трех дополнительных уравнений отличается от
одного из трех основных наличием известного слагаемого Рц
в правой части; поэтому решение системы следует начинать
с их вычитания, например
после чего все три уравнения делятся на этот остаток:
мех
Рн
Idn I
dn I 1 dn I
dt |4 iTb
182
Рыех Ч~ Pct
dn I
dn I I dn
dt (4 | dt i
Рмех 4~ Pk
dn I
dt I3_____
I dn I I dn I
I ~di~ L ~ I ~dF li
Рис. 6.5. Определение ус-
корения по способу пре-
дельной касательной
Для решения требуются четыре абсолютных значения отри-
цательного ускорения самоторможения dn/dt при номинальном
значении частоты вращения пн. Если в результате каждого
опыта получена зависимость то нужно определить угло-
вой коэффициент касательной к кривой, изображающей эту за-
висимость, что может быть сделано двумя способами.
Способ хорды: вместо углового коэффициента касательной
к кривой самоторможения в точке с ординатой пн (см. рис. 4.13)
определяется весьма близкий к нему
угловой коэффициент хорды этой кри-
вой, проходящей через точки с орди-
натами П1 = пн+Дп и п2=пв—Дп, где
Дп— отклонение частоты вращения от
номинальной. Если абсциссы этих то-
чек соответственно Л и t2, то искомый
угловой коэффициент
dn _ Пх — «2 _2Дп
"dT
h — <i Т
где Т — продолжительность торможе-
НИЯ ОТ «1 ДО «2.
За отклонение Дп принято брать 10 % номинальной частоты
вращения; таким образом, под продолжительностью торможе-
ния Т понимается время, необходимое для понижения частоты
вращения от 1,1 до 0,9 номинальной.
Для паровых турбогенераторов допускается уменьшение Дп
до 5 % номинальной частоты вращения, т. е. за Т может быть
принята продолжительность торможения от 1,05 до 0,95 номи-
нальной частоты вращения, поскольку ее повышение для этих
машин допустимо не более чем на 15 %, а продолжительность
торможения от значения частоты 1,15 до 1,1 номинальной мо-
жет не быть достаточной для выполнения необходимых опера-
ций перед началом отсчетов.
Способ предельной касательной является развитием предыду-
щего: отклонению Дп последовательно придаются значения,
уменьшающиеся по определенному закону, например 2:1, т. е.
10 %, 5%, 2,5 % и т. д. Для каждого такого значения произво-
дится определение углового коэффициента хорды, как описано
выше.
Если отложить значения углового коэффициента в зависи-
мости от отклонений Дп, то экстраполяция этой зависимости на
значение Дп=0 (рис. 6.5) даст значение углового коэффициента
касательной к кривой самоторможения в ее точке п=пн.
183
Разновидность этого способа состоит в том, что одной из
точек, через которые проводятся хорды, постоянно является
точка П1 = пн; убывающие отклонения Ап откладываются от нее
только вниз. Эта разновидность применяется, когда время
между моментом достижения предельно допустимой частоты
вращения и моментом, когда она становится равной 1,1 или 1,05
номинальной, невелико и нет возможности произвести все не-
обходимые операции, чтобы машина проходила через это зна-
чение с установившимся потоком или установившимся током ко-
роткого замыкания.
4.6. ВЫПОЛНЕНИЕ ОПЫТОВ САМОТОРМОЖЕНИЯ
По технике выполнения опыты самоторможения можно раз-
делить на два вида — с приводом от первичного двигателя и
с вращением машины в режиме двигателя от вспомогатель-
ного источника регулируемой частоты. Последнее может про-
изводиться с отсоединением от первичного двигателя или без
него.
При отсоединении механические потери, являющиеся бал-
ластом во всех уравнениях самоторможения, имеют меньшее
значение и точность решения системы уравнений выше; однако
отсоединение возможно не всегда.
Если первичным двигателем является гидравлическая тур-
бина, то приведение ею испытуемого генератора во вращение
возможно при условии, что подача воды на рабочее колесо мо-
жет быть практически мгновенно прекращена, а ее уровень во
всасывающей трубе настолько низок, что рабочее колесо не мо-
жет ее подхватывать. В турбинах активного типа это может
быть обеспечено, но турбины реактивного типа этого обычно
не допускают.
Отсоединенное рабочее колесо турбины должно быть опу-
щено так, чтобы между фланцами турбины и генератора обра-
зовался зазор, достаточный для свободного вращения ротора
генератора; но когда генератор имеет только один направля-
ющий подшипник или когда подпятник находится на крышке
турбины, вращение генератора при разъединенных валах не-
возможно и возникает вопрос об отделении от измеренных по-
терь механических потерь в турбине, которые слагаются из
двух частей.
Потери на трение рабочего колеса турбины о воздух при
осушенной полости турбины обычно подсчитываются по эмпи-
рическим формулам, согласуемым между поставщиками гене-
ратора и турбины. При этом важно, во-первых, полностью уст-
ранить просачивание воды через направляющий аппарат тур-
бины, а во-вторых, возможно больше понизить уровень воды
во всасывающей трубе, так как вращающееся рабочее колесо
турбины может присасывать ее, что создает удары в турбине.
Для отжимания воды применяется подача сжатого воздуха
в камеру турбины.
184
Потери в опорах, общих для генератора и турбины, в ос-
новном— в опорном подпятнике, нагруженном ротором генера-
тора и рабочим колесом турбины, измеренные, например, ка-
лориметрическим методом, распределяются между генератором
и турбиной либо поровну, либо пропорционально массам этих
частей, а потери в направляющих подшипниках обычно отно-
сятся к генератору; они относительно невелики. Их распреде-
ление может иметь значение только при сравнении между со-
бой различных генераторов, потому что, во-первых, потери
в опорах, как бы они ни были распределены, все равно выде-
ляются в агрегате, а во-вторых, к нагрузке на подпятник при-
бавляется еще и реакция воды в турбине, заметно повышаю-
щая потери в нем, но это обстоятельство не принято учи-
тывать.
Потери, измеренные калориметрически, несколько преумень-
шены, так как часть их выносится не охлаждающей средой,
а другими путями — лучеиспусканием, теплопроводностью к со-
седним частям машины и фундамента, конвекцией воздуха
у нагретых наружных поверхностей и т. д.; однако эта часть
относительно невелика.
Если первичным двигателем является паровая турбина,
предпочтительно не прибегать к совместному вращению генера-
тора с нею. Ротор генератора нормально устанавливается с ук-
лоном в сторону турбины; отделенный от нее, он будет нажи-
мать на подшипник со стороны турбины и может задирать
торец вкладыша, а выравнивание ротора в горизонтальном по-
ложении нарушает центровку валов и потому нежелательно.
Наиболее рациональна замена одного из вкладышей, предпоч-
тительно со Стороны возбудителя, временным вкладышем спе-
циальной конструкции, служащим в качестве упорного.
Если первичным двигателем является поршневая машина
(паровая или внутреннего сгорания), то проведение опыта
с приводом от нее невозможно.
Если испытание проводится с разъединением валов или
при бездействующем первичном двигателе, то испытуемая ма-
шина приводится во вращение в режиме двигателя от отдель-
ного вспомогательного генератора, частота которого может ре-
гулироваться. Возбуждение испытуемой машины должно быть
от независимого источника, например от резервного возбуди-
тельного агрегата; желательно, чтобы и возбуждение вспомо-
гательного генератора тоже было от независимого источника.
Можно обойтись и собственным возбудителем вспомогательного
генератора, хотя это менее удобно, так как при изменениях его
частоты вращения требуется наблюдение за возбуждением.
Наличие двух независимых возбудительных агрегатов об-
легчает и первоначальный пуск, позволяя произвести его син-
хронным способом, и все последующие операции, поскольку при
этом возбуждение вспомогательного генератора не зависит от
его частоты вращения.
185
При одном независимом возбудительном агрегате синхрон-
ный пуск тоже может быть осуществлен, если на время пуска
соединить последовательно обмотки индукторов обеих ма-
шин — испытуемой и вспомогательной. При этом должен быть
предусмотрен шунтирующий реостат с водяным охлаждением
для обмотки индуктора испытуемой машины на тот случай,
если при одинаковых токах возбуждения обеих машин синхрон-
ный пуск будет получаться плохо. После подъема частоты
вращения этот реостат может быть отключен; если все опыты
самоторможения удастся провести без остановки машины, он
больше не понадобится.
Когда обе машины — вспомогательная и испытуемая —
приведены во вращение, частота его доводится до номинальной
и выдерживается до полного установления температуры опор,
соответствующей нормальному эксплуатационному режиму. По-
сле установления этой температуры производится быстрый
подъем частоты вращения до допустимого предела и начина-
ется первый опыт самоторможения.
Самоторможение невозбужденной машины требует отклю-
чения ее от вспомогательной с одновременным снятием возбу-
ждения. Отсчеты могут быть начаты, как только напряжение
испытуемой машины практически затухнет.
Пока длится опыт самоторможения, частота вращения вспо-
могательного генератора снижается до 80 — 85 % номиналь-
ной, с него снимается возбуждение и он продолжает вращаться
до тех пор, пока частота вращения испытуемой машины также
не подойдет к этому пределу; тогда испытуемая машина под-
ключается к вспомогательному генератору, подачей возбужде-
ния они втягиваются в синхронизм и опыт повторяется в преж-
нем порядке.
При опыте самоторможения возбужденной машины с ра-
зомкнутой обмоткой якоря перед подъемом частоты вращения
устанавливается ток возбуждения, соответствующий номи-
нальному напряжению при номинальной частоте. После быст-
рого повышения частоты вращения и отключения испытуемой
машины от вспомогательного генератора отсчеты могут быть
начаты немедленно. Когда частота вращения испытуемой ма-
шины упадет ниже 85—90 % номинальной, возбуждение с нее
снимается и производится втягивание ее в синхронизм, как опи-
сано выше.
При опыте самоторможения машины с замкнутой накоротко
обмоткой якоря немедленно после ее отключения от вспомога-
тельного генератора нужно снять с нее возбуждение, замкнуть
обмотку накоротко, вновь подать возбуждение и установить
номинальный ток прежде, чем частота вращения упадет до
ПО %, а для паротурбинных генераторов — до 105 % номи-
нальной; это требует слаженной работы участвующего в испы-
тании персонала. По окончании опыта следует снять возбужде-
ние, разомкнуть обмотку якоря и приступить к втягиванию ма-
186
шины в синхронизм, но это уже не требует такой быстроты
исполнения, как при начале опыта.
Для того чтобы успеть произвести все необходимые опера-
ции перед началом каждого опыта, его следует начинать с ча-
стоты вращения, превышающей номинальную не менее чем на
15 %. В быстроходных машинах нельзя выходить за этот пре-
дел, поскольку ротор испытывается повышением частоты вра-
щения на 20 % сверх номинальной. В гидрогенераторах без-
опасное повышение частоты вращения возможно в гораздо бо-
лее широких пределах; однако при слишком большом
повышении может быстро возрасти температура опор и тогда
изменятся потери на трение.
Чтобы опыты самоторможения дали правильные результаты,
температура опор должна быть вполне установившейся и нор-
мальной для эксплуатации; повышение частоты вращения сле-
дует производить быстро и в самый последний момент перед
опытом, который нужно начинать немедленно по достижении
ею заданного значения. Целесообразно вести все опыты без пе-
рерыва, наблюдая за постоянством температуры опор и поддер-
живая ее с точностью до ±1 К на уровне, соответствующем
нормальной эксплуатации.
Когда вращение испытуемой машины может производиться
ее первичным двигателем, необходимый режим может быть ус-
тановлен на машине еще до начала повышения частоты вра-
щения сверх номинальной; возбуждение от независимого ис-
точника необходимо, но никаких операций в электрической ча-
сти во время опыта производить не требуется.
Каждый вид опытов самоторможения должен быть выпол-
нен не менее трех раз. Все испытание в целом должно начи-
наться не менее чем с двух-трех опытов с невозбужденной ма-
шиной и заканчиваться двумя-тремя такими опытами; если ис-
пытание производится в два или более приема с остановкой
испытуемой машины, то точно так же нужно начинать и за-
канчивать каждую серию опытов. Кроме того, рекомендуется
проведение опыта с невозбужденной машиной время от вре-
мени в промежутках между другими опытами самоторможения.
6.7. ЗАПИСЬ КРИВОМ САМОТОРМОЖЕНИЯ
Результаты опыта самоторможения можно представить
тремя способами — в виде зависимостей от времени отрица-
тельного ускорения самоторможения dn/dt^f'(t), частоты вра-
щения гг ==/(/) или углового пути, пройденного валом машины,
S=F(0.
Измерение малых ускорений может быть обеспечено совре-
менной измерительной техникой, однако первый способ нужно
в принципе отвергнуть, потому что самоторможение протекает
неплавно. Каким бы способом ни производилась запись резуль-
татов опыта, полученные точки никогда не укладываются точно
на определенную кривую и их отклонения превосходят те, что
187
можно объяснить погрешностями измерения. В сложноразвет-
вленной цепи вентиляционного тракта возникают и исчезают
местные нерегулярности течения воздуха: резонансы его стол-
бов, переходы из турбулентного течения в ламинарное и т. п.,
что и отражается на тормозящих потерях.
Второй способ может быть осуществлен различно. В про-
стейшем случае частота вращения отсчитывается по тахометру,
а время — по секундомеру, по сигналам, подаваемым через
равные промежутки времени. Крупные агрегаты снабжаются
стационарными тахометрами, но их точность невысока, и пред-
почтительнее пользоваться проверенными ручными тахомет-
рами. Для быстроходных машин таким способом можно полу-
чить сносные результаты, но более надежные дает применение
тахометрического генератора постоянного тока; в быстроходных
машинах может быть использован возбудитель испытуемой ма-
шины, лучше всего возбуждаемый от батареи аккумуляторов;
перед началом опыта обмотка возбуждения должна быть про-
грета до вполне установившейся температуры, после чего пока-
зания вольтметра градуируются на частоту вращения. Можно
пользоваться напряжением от остаточного намагничивания, но
нужно, чтобы возбуждение было снято заблаговременно, так
как остаточное намагничивание доходит до установившегося
уровня не сразу.
Для повышения точности отсчетов по вольтметру можно ре-
комендовать компенсирование части напряжения тахометриче-
ского генератора. Если вольтметр имеет шкалу с нулем в се-
редине, а напряжение батареи равно напряжению тахометри-
ческого генератора, то предел измерения вольтметра может
быть порядка 15 % этого напряжения и точность отсчетов по-
вышается в 2,5—3 раза.
В тихоходных гидрогенераторах якорь возбудителя зача-
стую имеет значительное биение и пульсация напряжения с ча-
стотой вращения может не допустить использования возбуди-
теля в качестве тахометрического генератора; тогда должна
быть применена машина постоянного тока, приводимая ремен-
ной передачей от вала испытуемого генератора и закрепленная
в соответствующем положении. Важно, чтобы ремень не имел
ощутимой сшивки, которая тоже является причиной пульсации
напряжения.
Наиболее удобным способом записи показаний тахометри-
ческого генератора является фотографический, описанный
в § 4.7; если для освещения шкал применены импульсные
лампы, дающие очень кратковременную вспышку большой ин-
тенсивности, то управление ими может производиться кулач-
ком, укрепленным на валу испытуемой машины и замыкающим
неподвижные контакты один раз за каждый оборот вала. При
этом даже для очень тихоходных машин нет надобности отме-
чать каждый оборот вала, а только, например, каждый пятый
или десятый. Вполне достаточно зарегистрировать таким обра-
188
зом по нескольку точек поблизости от значений частоты вра-
щения Л1 = пн+Ап и П2=«н—Ап, как это показано на рис. 6.6,
а регистрация в промежутке между ними не обязательна.
Третий способ требует применения хронографа; электричес-
кие хронографы с цифровой записью дают точность отсчета до
0,001 с. Импульсы на хронограф подаются таким же кулач-
ковым устройством. Между соседними двумя отметками хроно-
графа вал совершает ровно один оборот, поэтому среднее зна-
чение частоты вращения за этот оборот является частным от
деления 60 на их разность:
п = 60/(^+1-/,),
что дает возможность по-
строить зависимость n=f(t),
на которой следует выбрать
точки со значениями ча-
стоты вращения ni = nH+AH
и п2=пн—Ап; они могут
находиться в промежутках
между точками, соответ-
ствующими отметкам хроно-
графа, и определяющие их
положение доли оборота
вычисляются пропорци-
ональным пересчетом. Всего
между этими точками за- „ „
ключено IV оборотов вала, Рис' 6-6- Построение^кривои самотормо-
что может быть как целым,
так и дробным числом; их
общая продолжительность Т определяется разностью соответ-
ствующих им показаний хронографа с необходимыми исправ-
лениями на доли оборотов. Отсюда угловой коэффициент се-
кущей, проходящей через точки со значениями частоты враще-
ния И! и п2, равен
2Ап/Т-60#/Т2.
Применение хронографа допускает определение углового
коэффициента касательной к кривой самоторможения в точке
с номинальным значением частоты вращения, свободное от
погрешностей, свойственных измерителям ускорения и отмечен-
ных в начале данного параграфа.
Если обозначить через /3... показания хронографа,
между каждыми двумя из которых вал совершил N полных
оборотов, то средние значения частоты вращения за проме-
жутки времени между ними будут
И12
60#
^2 — G
П23=-
60#
^3 ' ^2
189
а ускорение торможения, например, в момент времени t%
dn ~ 2 12 ~ п2з)
dt 2 ^3 — G
Построив зависимость ускорения от частоты вращения, ос-
тается определить его при номинальном значении последней.
Вместо хронографа может быть применен электрический се-
кундомер, стрелка которого совершает один оборот за 50 пе-
риодов питающего тока. Это движение настолько быстро, что
регистрация показаний может быть только фотографической.
Частота в крупных энергетических системах обычно ста-
бильна; но если в этом возникает сомнение, то в кадр может
быть включен стрелочный частотомер, по показаниям которого
исправляются отсчеты времени. Другим способом проверки по-
казаний электрического секундомера является включение
в кадр механического секундомера, что помогает также устра-
нению возможных ошибок в отсчетах, поскольку электрические
секундомеры обычно не имеют минутных циферблатов. Для
полной гарантии можно применять два электрических секундо-
мера, пускаемых одновременно. Для уверенности в стабильно-
сти возбуждения испытуемой машины в кадр полезно включить
амперметр для измерения тока индуктора, как на рис. 4.14.
Такой способ записи кривой самоторможения не требует
аппаратуры, выходящей из пределов обычно применяемой при
испытаниях электрических машин, и отличается достаточной
точностью, так как погрешность отсчета времени не превосхо-
дит 0,01 с. Кулачок на валу подает сигнал в момент прохожде-
ния вала через одно и то же положение, чем устраняется
ошибка от возможной неравномерности изменения угловой ча-
стоты на протяжении каждого оборота, вызываемой погреш-
ностями прицентровки валов генератора и турбины и другими
механическими причинами.
Для быстроходных машин этот способ требует специальных
приспособлений для выбора момента подачи сигнала на им-
пульсные лампы; но эти машины меньше нуждаются в его при-
менении.
При отсутствии аппаратуры для достаточно точного измере-
ния интервалов времени может быть применен упрощенный спо-
соб, предложенный В. Б. Коваленко и состоящий в том, что на
осциллограмме записывается биение примерно равных напря-
жений, одно из которых имеет частоту самотормозящейся ис-
пытуемой машины, а другое — неизменную частоту, равную но-
минальному значению (рис. 6.7).
Если обозначить через kQ число периодов неизменной ча-
стоты за время биения напряжения при прохождении частоты
вращения через номинальное значение, через kx — предшест-
вовавшего ему биения и через k2 — последующего за ним, то
значение производной частоты вращения по времени с доста-
точной степенью приближения может быть получено из выра-
190
жения
I dt (&i “b 2&o -f- ^2)
За номинальное значение частоты для машин на нормаль-
ную промышленную частоту 50 Гц может быть принята сетевая
частота. Ее точное значение во время испытания может отли-
чаться от 50 Гц, но это несущественно; важно лишь, чтобы во
время всех проводимых опытов она сохраняла одно и то же
значение.
Форма огибающей среднего интервала зависит от взаимного
расположения векторов обоих складывающихся напряжений
в момент прохождения изменяющейся частоты f через значение
неизменной частоты /н, но не влияет на результат вычисления.
Рис. 6.7. Биение напряжений при самоторможении
В частности, если в этот момент векторы находятся в противо-
фазе, то имеет место узел биения и число периодов kQ в фор-
муле следует положить равным нулю.
При опытах самоторможения машины, возбужденной до ее
номинального (или иного заданного) напряжения, сопоставле-
ние последнего с напряжением неизменной частоты не пред-
ставляет затрудений; при самоторможении невозбужденной
машины используется напряжение остаточного намагничива-
ния, которое в машинах высокого напряжения достаточно ве-
лико. Что же касается самоторможения замкнутой накоротко
машины, то, если нет возможности присоединить к ней тахо-
метрический генератор переменного тока с тем же числом пар
полюсов, что и у испытуемой машины, можно воспользоваться
падением напряжения на сопротивлении в цепи измерительной
обмотки трансформатора тока, имеющем предельное допусти-
мое для него значение; например, при мощности трансформа-
тора 15 В*А это падение напряжения может быть до 3 В, что
уже достаточно для записи.
Этот способ особенно пригоден для многополюсных синхрон-
ных машин мощностью от сотен до тысяч киловольт-ампер, не
191
обладающих сложным вентиляционным трактом, где могли бы
наблюдаться нестационарные явления. Для крупных гидрогене-
раторов он не рекомендуется.
4.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ
КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Недостатками метода самоторможения являются вывод ис-
пытуемой машины из состояния готовности к работе на все
время подготовки и выполнения опытов, сложность этой подго-
товки и необходимость участия в опытах помимо испытуемой
машины еще, по крайней мере, одной машины в качестве вспо-
могательной, не считая средств обеспечения их возбуждением.
Калориметрический метод свободен от этих недостатков, так
как испытуемая им машина в любой момент может быть введена
в эксплуатацию, подготовка испытания не отличается сложно-
стью, особенно когда при монтаже машины сделаны незначи-
тельные добавления в системе ее охлаждения, допускающие
установку и выемку измерительной аппаратуры без нарушения
работы, и дополнительного оборудования метод не требует.
Калориметрическим методом могут определяться как от-
дельные потери по такой же программе, как и при методе са-
моторможения, так и полные потери, соответствующие задан-
ному режиму работы. Он может применяться к машинам лю-
бого вида, но практически в основном к гидрогенераторам, как
и метод самоторможения.
Недостатками калориметрического метода следует считать
в общем невысокую точность, определяемую как ограниченной
достоверностью производимых измерений, так и трудностью
учета утечки теплоты в окружающую среду или, наоборот, при-
тока из нее, и значительную продолжительность опытов. По
этой причине он более пригоден для определения сразу пол-
ных потерь при нагрузке, нежели их отдельных составляющих.
Измерение потерь может производиться двумя способами:
либо непосредственно — путем измерения расхода и превыше-
ния температуры охлаждающей среды (или сред, если их не-
сколько), либо косвенно — путем тарирования превышений
температуры охлаждающей среды, что предпочтительно, но не
всегда может быть сделано.
Потери, выносимые из машины охлаждающей средой, равны
Р = QcyAft,
где Q — измеренный расход этой среды; с — ее теплоемкость;
у — плотность и АО— превышение ее температуры на выходе
&2 над температурой на входе Оь т. е. АО=62—Оь Если охлаж-
дающей средой является воздух или иной газ, то, за исключе-
нием машин совершенно открытого типа, измерение темпера-
туры газообразной охлаждающей среды не представляет за-
труднений, но измерение расхода возможно не при всякой
конструкции машины, причем не только способами анемометра
192
или пневмометрической трубки, для которых нужно иметь до-
ступ внутрь вентиляционного тракта, но и такими, как калори-
метрический или способ термометра сопротивления, если
в вентиляционном тракте нет участка, в который можно встро-
ить измерительное устройство.
Для измерения температуры следует применять либо термо-
метры с ценой деления 0,1 К, либо батареи термопар, либо,
наконец, термопреобразователи сопротивления в виде сеток.
Однако все способы измерения температуры дают ее среднее
значение по площади сечения, в котором производится изме-
рение, но не по объему проходящей через него охлаждающей
среды.
Если охлаждающей средой является жидкость, то измере-
ние ее расхода встречает только то затруднение, что в трубо-
проводах, не всегда можно выделить прямолинейный горизон-
тальный участок достаточной длины, чтобы в него можно было
врезать измерительное устройство с соблюдением всех правил;
но измерение температуры затруднено тем, что ее перепад обы-
чно мал. Некоторую помощь может оказать ограничение рас-
хода жидкости; если она применяется только для косвенного
охлаждения — газа в газоохладителях, то достигаемое этим
увеличение перепада ее температуры очень мало отражается на
температуре газообразной охлаждающей среды. Однако чрез-
мерное уменьшение расхода жидкости нежелательно, так как
нарушает правильную работу охладительной системы.
Плотности газа и жидкости должны быть отнесены к тем
условиям, в которых они находятся в месте измерения: темпе-
ратуре, а для газа еще и к давлению; плотность и теплоемкость
дистиллированной воды и их произведение, парциальное дав-
ление сухого насыщенного водяного пара, плотность сухого
воздуха при нормальном давлении и другие данные помещены
в приложении 3 — в сводной таблице физических данных в за-
висимости от температуры. Объемная теплоемкость двухатом-
ных газов, к которым принадлежат как сухой воздух, так й во-
дород, не зависит от их химического состава. Для смазочных
масел как плотность, так и теплоемкость могут различаться
в зависимости от их сорта и должны определяться в каждом
случае отдельно; при приближенных подсчетах можно в сред-
нем принять их произведение равным су =2 кДж/(м3-К).
Если охлаждение машины производится несколькими ох-
лаждающими средами, то калориметрические измерения дол-
жны быть произведены по каждой из них отдельно. Пусть, на-
пример, при замкнутом цикле вентиляционный воздух охлаж-
дается водой оборотного водоснабжения, но одна из обмоток
машины имеет непосредственное водяное охлаждение дистилля-
том; тогда потери, выносимые этим последним, следует изме-
рить отдельно независимо от потерь, выносимых воздухом. При
этом часть потерь, выделяемых в водоохлаждаемой обмотке,
может передаваться вентиляционному воздуху или, наоборот,
7 Заказ № 512 193
часть общих потерь может выноситься дистиллятом, что зави-
сит от соотношения значений температуры воздуха и поверх-
ности обмотки, которую он омывает, но для конечного резуль-
тата это не играет роли. Это же относится к потерям в опорах,
Выносимым их проточной смазкой или водой, охлаждающей
масло.
Сумма потерь, измеренных всеми способами, отличается от
выделяемых в машине, поскольку существуют побочные пути
теплообмена: через вал — к сопряженному механизму, через
фундамент, через утечки вентиляционного воздуха в неплотно-
стях корпуса и через теплообмен между наружной поверхно-
стью машины и окружающей средой — в эту последнюю. Пер-
вые две составляющие невелики, но трудно поддаются учету;
третья устраняется уплотнением щелей в корпусе и щитах и
может быть сведена практически до нуля; четвертая оценива-
ется приближенно по формуле
ДР = /г£ДО,
где S — площадь поверхности соприкосновения с окружающей
средой; ДО — разность температуры окружающей среды и газа,
омывающего эту поверхность изнутри, в случае если она больше
3 К, и h — множитель, составляющий 10—20 Вт/(м2-К); его
приемлемым значением можно считать среднее между этими
пределами. Средством уменьшения данной составляющей может
служить теплоизоляция поверхности машины, особенно целесо-
образная при наличии внешних потоков воздуха или при из-
менчивой температуре окружающей среды; но полное устра-
нение этой составляющей достигается поддержанием равен-
ства температуры газа, омывающего изнутри поверхность ма-
шины, и окружающей среды. Если это недостижимо по метеоро-
логическим условиям, то целесообразно перенести испытание
на более благоприятное время.
Калориметрическое испытание по воде более точно, и его
следует предпочитать во всех случаях применения воды как
для непосредственного, так и для косвенного охлаждения; од-
нако противопоказанием к нему может служить наличие
в воде пузырьков газа, когда они не могут быть устранены и
препятствуют измерению расхода воды с приемлемой точно-
стью, или невозможность удовлетворения требований к трубо-
проводам, предъявляемых правилами установки расходомеров.
Если в воде содержатся соли, то ее плотность и теплоемкость
надлежит определять предварительно. Все применяемые рас-
ходомеры должны проходить поверку как до испытания, так и
-по его окончании.
Трубопроводы между точками измерения температуры воды
на входе в охладители и на выходе из них должны быть теп-
лоизолированы для устранения теплообмена с окружающей их
средой. Желательно измерять давление воды в этих точках
194
с тем, чтобы учесть ее нагревание потерями трения, оценивае-
мое в размере 1 К на потерю давления 4,2 МПа. }
При калориметрическом испытании по воздуху более пра-
вильные результаты могут быть получены способом тарирова-
ния превышений температуры, для чего в вентиляционный
тракт машины должен быть встроен источник теплоты в виде
сетки, нагреваемой током, предпочтительно постоянным. Та-
рирование состоит в определении зависимости превышения тем-
пературы воздуха при проходе его через невозбужденную ма-
шину от мощности, выделяемой в сетке; желательно, чтобы наи-
большая выделяемая мощность была не меньше наибольшего
значения измеряемых потерь, так как в противном случае та-
рировочную кривую придется экстраполировать, что может
вызывать разногласия. Отдельному определению подлежит пре-
вышение температуры воздуха при отключенной сетке, соответ-
ствующее его нагреванию механическими потерями; это пре-
вышение содержится неизменной долей при всех измерениях
(в предположении, что механические потери не зависят от тем-
пературы воздуха).
При вычислении КПД синхронных машин по результатам
измерения потерь калориметрическим методом следует учиты-
вать, что потери на возбуждение должны быть приведены к рас-
четной рабочей температуре обмоТки возбуждения, между тем
как при опытах ее температура может иметь иное значение.
Так как контролировать сопротивление обмотки возбуждения
не представляет затруднения, то в результат измерения должна
быть введена поправка по формуле
ДРв = /?оа(0-Ф),
где 0 — расчетная рабочая температура; Ф— температура при
опыте; а — температурный коэффициент материала обмотки»
отнесенный к некоторой условной температуре Фо, и /?0 — со-
противление обмотки при этой температуре; для меди удобно
принимать Фо= 15 °C и а=0,004.
Каким бы способом ни производились калориметрические
измерения, непременным условием их является установившееся
тепловое состояние машины, при котором удаляемые из неё
потери становятся равными выделяемым в ней. Существенна»
чтобы температура окружающей и охлаждающей сред сохраня-
лась практически неизменной и одинаковой как при тарирова-
нии, так и при испытаниях. В равной степени это относится
к режиму испытания, точность поддержания которого должна
быть не меньшей; это представляет главную трудность опреде-
ления полных потерь при нагрузке. Тепловое состояние машины
может считаться установившимся, если измеряемые потери
в течение 2 ч неизменны с точностью до ± 1 % и превышение
температуры охлаждающей среды изменяется за это время не
более чем на ±1 % в час при ее неизменном расходе.
7*
195
Теплоемкость единицы объема влажного воздуха в килоджоулях на ку-
бический метр-кельвин может быть определена по формуле
273 1
С° “ 273 + а "1013 ” с/иР1) ’
где 'О' — температура в месте измерения; со — относительная влажность воз-
духа в относительных единицах; р — давление насыщенного водяного пара
в гектопаскалях при той температуре, при которой измерена влажность (от-
нюдь не обязательно, чтобы она была равна О'); b — атмосферное давление
во время испытания в тех же единицах; cpi— теплоемкость при постоянном
давлении единицы массы сухого воздуха при 1013 гПа и 0°С, которая может
быть принята равной 1,006 кДж/(кг-К); ср2— теплоемкость насыщенного
водяного пара, приведенная к тем же условиям и которая может быть при-
нята равной 2,012 кДж/(кг-К); pi — плотность сухого воздуха при тех же
условиях, равная 1,293 кг/м3; р2—плотность водяного пара, пересчитанная
к этим же условиям, равная 0,8041 кг/м3.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ИСПЫТАНИЕ НА НАГРЕВАНИЕ
7.1. РЕЖИМЫ ИСПЫТАНИЯ НА НАГРЕВАНИЕ
Задачей испытания на нагревание является определение те-
плового состояния машины, устанавливающегося при ее на-
грузке в номинальном (или ином заданном) режиме работы,
характеризуемого превышениями температуры отдельных ча-
стей, а для некоторых видов машин — температурой, поскольку
температура охлаждающей среды для них достаточно опреде-
ленна. Это испытание может проводиться либо непосредственно
в таком режиме работы, либо косвенно — путем проведения
ряда опытов, в которых машина нагревается не сразу всеми
потерями, соответствующими данному режиму, а поочередно
потерями отдельных видов, с последующим расчетным опреде-
лением результата их совместного действия, либо, наконец, ис-
кусственным методом — в режиме работы, подобранном так,
чтобы нагревание было по возможности близким к реальному
режиму работы, но выполнение которого легче и экономичнее,
чем реального режима.
Под продолжительным номинальным режимом работы (S1)
электрической машины понимается режим, продолжающийся
столько времени при практически неизменной нагрузке, что пре-
вышения температуры всех частей машины при практически не-
изменной температуре охлаждающей среды достигают практи-
чески установившихся значений.
Под практически установившейся температурой какой-либо
части машины понимается температура, изменение которой не
превышает 1 К в течение часа при условии, что нагрузка ма-
J96
шины и температура охлаждающей среды остаются практиче-
ски неизменными. Практически неизменной температурой охла-
ждающей среды считается температура, изменяющаяся не бо-
лее чем на 1 К в час для газообразной охлаждающей среды и
0,5 К в час для жидкой охлаждающей среды, а практически
неизменной нагрузкой — такая, при которой отклонения напря-
жения, тока главной цепи и мощности от заданных значений
составляют не более ± 3 %, а тока возбуждения и частоты —
не более ±1 %. Однако практика испытания электрических ма-
шин зачастую оценивает это более жестко, считая, что послед-
ние три отсчета по всем применяемым измерителям темпера-
туры должны давать в основном повторяющиеся результаты.
Чем интенсивнее охлаждение, тем быстрее устанавливается
температура всех частей машины: поэтому длительность испы-
тания на нагревание меньше для быстроходных, хорошо ох-
лаждаемых машин, и больше для машин тихоходных и слабо
охлаждаемых, а тем более герметичных, у которых вся тепло-
отдача происходит только с наружной поверхности корпуса.
Длительность установления температуры для различных ча-
стей одной и той же машины неодинакова: она тем меньше, чем
лучше охлаждается данная часть. Вращающиеся части лучше
омываются охлаждающей средой, и их температура устанав-
ливается быстрее. Установление температуры неподвижных ча-
стей, более доступной для измерения, дает основание считать,
что и температура вращающихся частей установилась.
Измерение температуры различных частей машины в зави-
симости от применяемого метода может производиться либо
на протяжении всего испытания через определенные интервалы,
либо по окончании испытания, обычно после остановки ма-
шины. Рекомендуемым интервалом следует считать 30 мин, но
для небольших интенсивно охлаждаемых машин он может быть
уменьшен до 15 и даже 10 мин, между тем как для наиболее
крупных или слабо охлаждаемых — увеличен до 1 ч.
Для сокращения продолжительности испытания разреша-
ется перегружать машину в начале испытания как по току, так
и по напряжению в таких пределах, которые допустимы по ее
механической и электрической прочности. В коллекторных ма-
шинах перегрузка, не должна вызывать ухудшение коммутации,
способное оставить на коллекторе и щетках такие изменения,
которые могут повлиять на их работу. Однако чрезмерно пере-
гретая машина может потребовать на установление темпера-
туры не меньше времени, чем недогретая, в результате чего по-
лучится не экономия времени от перегрузки, а лишняя его за-
трата.
В интенсивно охлаждаемых машинах вместо перегрузки мо-
жет применяться временное ухудшение охлаждения, например,
частичным прикрыванием отверстий для входа охлаждающего
воздуха, а при замкнутом цикле вентиляции — уменьшением
расхода охлаждающей воды.
197
Некоторые машины бывают предназначены для нескольких
номинальных режимов работы; если очевидно, что в одном из
них превышения температуры должны быть наибольшими, то
допускается проведение испытания на нагревание только в нем;
в противном случае предписывается проводить испытание во
всех режимах работы. Это распространяется не только на про-
должительный, но и на все другие виды номинальных режимов
работы.
Если машина должна быть подвергнута испытаниям на на-
гревание в нескольких продолжительных режимах работы, то
целесообразно вести их одно за другим, не давая машине
сильно остывать в промежутках; для этого требуется органи-,
зация круглосуточного испытания.
Параллельно с отсчетами по всем измерителям темпера-
туры следует производить отсчеты и по всем электроизмери-
тельным и прочим приборам, применяемым для контроля ре-
жима работы. Можно рекомендовать делать это в серединах
промежутков времени между отсчетами по измерителям темпе-
ратуры и, если потребуется, устранять отклонения от заданного
режима работы, чтобы при очередном отсчете не отвлекаться
на регулировочные операции.
Кратковременным номинальным режимом работы (S2)
электрической машины называется такой, при котором периоды
, практически неизменной нагрузки чередуются с периодами от-
ключения машины, причем первые из них не настолько дли-
тельны, чтобы превышения температуры всех частей машины
при практически неизменной температуре охлаждающей среды
могли достигнуть практически установившихся значений, а вто-
рые настолько длительны, что все ее части приходят в прак-
тически холодное состояние. Длительность кратковременных
режимов работы установлена 10, 30, 60 и 90 мин; но в техни-
ческих условиях на отдельные виды машин могут указываться
и иные длительности, значительно меньшие.
Испытание на нагревание в кратковременном режиме ра-
боты должно начинаться с практически холодного состояния
машины, т. е. такого, при котором температура всех ее частей
отличается от температуры окружающей среды не более чем
на ±3 К, так как всякое предварительное превышение темпе-
ратуры ее частей будет искажать результаты испытания тем,
в большей степени, чем меньше его длительность.
Степень использования машин, предназначенных для крат-
ковременного режима работы, высока, так как за короткий
промежуток времени превышения температуры их частей могут
доходить до значений, достигаемых при продолжительном ре-
жиме работы за гораздо более длительный период, и даже пре-
восходить их. По этой причине при проведении испытания на
нагревание в кратковременном режиме на протяжении всей ра-
боты должно непрерывно производиться регулирование с высо-
кой точностью, так как для повторения неправильно проведен-
ие
ного испытания машина должна быть остужена с непроизводи-
тельной потерей времени.
Отсчеты по измерителям температуры должны быть произ-
ведены по возможности одновременно в конце рабочего пери-
ода; это не препятствует тому, чтобы они производились и на
его протяжении, и чем чаще, тем лучше, так как по нараста-
нию температуры можно контролировать правильность оконча-
тельных результатов.
Под повторно-кратковременным, номинальным режимом ра-
боты (S3) электрической машины понимается такой, при кото-
ром кратковременные периоды практически неизменной номи-
нальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами
отключения машины (паузами) , причем как те, так и другие не
настолько длительны, чтобы превышения температуры отдель-
ных частей машины при практически неизменной температуре
охлаждающей среды могли достигнуть практически установив-
шихся значений, однако периоды нагрузки достаточно дли-
тельны для того, чтобы повышенные пусковые потери в начале
каждого рабочего периода не могли заметным образом влиять
на превышения температуры в его конце.
Повторно-кратковременный режим работы характеризуется
относительной продолжительностью включения (ПВ), выража-
емой в процентах и являющейся отношением продолжитель-
ности рабочего периода к продолжительности полного цикла,
т. е. к сумме рабочего периода и паузы. Нормальными счи-
таются продолжительности включения ПВ=15, 25, 40 и 60 %,
причем продолжительность одного цикла, если нет других ука-
заний, должна быть равна 10 мин.
При повторно-кратковременном режиме работы машина на
время паузы отключается и останавливается; только обмотки
возбуждения машин постоянного тока могут оставаться непре-
рывно включенными, если это предусмотрено по характеру их
работы.
Нагревание при повторно-кратковременном режиме работы
отличается тем, что температура частей машины то повыша-
ется в течение рабочих периодов, то понижается в течение пауз.
Поэтому вместо понятия о практически установившейся тем-
пературе введено понятие о практически повторяющейся тем-
пературе части машины, т. е. такой температуре в моменты
отключений (или включений), изменение которой не превышает
2 К в час при условии, что нагрузка машины во время рабо-
чих циклов, продолжительность включения и температура ох-
лаждающей среды остаются практически неизменными.
Испытание на нагревание при повторно-кратковременном
режиме работы может быть начато как с практически холод-
ного, так и с нагретого состояния машины; как и в случае ис-
пытания при продолжительном режиме работы, в целях сокра-
щения длительности испытания в начале его может быть допу-
щена либо перегрузка, либо преднамеренное ухудшение
199
охлаждения, либо, наконец, соединение нескольких рабочих пе-
риодов в один без пауз.
Особое внимание должно быть обращено на правильность,
поддержания заданного значения ПВ. Так как включение и от-
ключение машины каждые 10 мин х необходимой точностью,
вручную в течение нескольких часов крайне утомительны и
трудно поддаются контролю, следует рекомендовать их автома-
тизацию при помощи контактного устройства, приводимого эле-
ктродвигателем и предварительно проверенного по секундо-
меру. Окончательное измерение температуры следует произво-
дить по истечении половины последнего рабочего периода.
Повторно-кратковременный номинальный режим работы
с частыми пусками (S4) отличается от предыдущего тем, что>
число полных циклов в один час при нем значительно больше^
стандартами оно установлено от 30 до 360 в час; поэтому при
данном режиме работы нельзя пренебречь влиянием выделе-
ния теплоты в процессе пуска на превышения температуры ча-
стей машины. Значения относительной продолжительности
включения (ПВ) установлены для него те же, что и для ре-
жима работы S3.
Но помимо этого данный режим работы характеризуется:
еще так называемым коэффициентом инерции FI, под которым
понимается полное отношение суммы моментов инерции вра-
щающейся части двигателя Уд и приводимого механизма Ум к мо-
менту инерции вращающейся части двигателя:
Если частота вращения приводимого механизма пм отлича-
ется от частоты вращения двигателя пд, то момент инерции
приводимого механизма /м должен быть приведен к валу дви-
гателя по формуле
J л = «7м («м/пд) >
где Ум — фактический момент инерции приводимого механизма„
Чем больше коэффициент инерции, тем более затяжным будет
каждый пуск и тем большее влияние на превышения темпера-
туры частей машины окажет выделение теплоты в его процессе.
За нормальные значения коэффициента инерции приняты
1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0.
Повторно-кратковременный номинальный режим работы,
с частыми пусками и электрическим торможением (S5) отли-
чается от предыдущего тем, что каждый рабочий период за-
канчивается в нем не просто отключением машины, но еще и
ее электрическим торможением; это торможение ведет к допол-
нительному выделению теплоты в машине, которое тем больше,,
чем выше значение коэффициента инерции. Значения относи-
тельной продолжительности включения, коэффициента инер-
ции и числа пусков в час здесь в общем те же, что и для пре-
дыдущего режима работы.
200
По сравнению с режимом работы S3 последние два режима
труднее при испытании, так как требуют еще более точного
установления продолжительности рабочих периодов и пауз и
подбора момента инерции нагрузочного устройства в соответ-
ствии с заданным коэффициентом инерции.
Под перемежающимся номинальным режимом работы (S6)
понимается такой, при котором кратковременные периоды прак-
тически неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды)
чередуются с периодами холостого хода (паузами), причем как
те, так и другие не настолько длительны, чтобы превышения
температуры отдельных частей машины при практически неиз-
менной температуре охлаждающей среды могли достичь прак-
тически установившихся значений.
Перемежающийся режим работы характеризуется относи-
тельной продолжительностью нагрузки (ПН), выражаемой
в. процентах и являющейся отношением продолжительности ра-
бочего периода к продолжительности полного цикла. Нормаль-
ными считаются продолжительности нагрузки ПН=15, 25, 40
и 60%, а продолжительность одного цикла, если нет других
указаний, равна 10 мин. С точки зрения проведения испытания
к этому режиму работы может быть приложено все, относя-
щееся к повторно-кратковременному режиму работы.
Перемежающийся номинальный режим работы с частыми
реверсами и электрическим торможением (S7) отличается от
предыдущего тем, что при нем нет пауз и каждый рабочий пе-
риод заканчивается электрическим торможением; затем без пе-
рерыва производится пуск в обратном направлении, которым
начинается следующий рабочий период. Данный режим ра-
боты характеризуется числом реверсов в час, которое установ-
лено от 30 до 360; значения коэффициента инерции те же, что
и для предыдущих двух режимов работы.
Перемежающиеся режимы работы в основном предназна-
чены для двигателей, однако могут применяться и для генера-
торов, индивидуально питающих двигатели, работающие в по-
вторно-кратковременных и перемежающихся режимах. Допол-
нительное выделение теплоты при пусках происходит в таком
генераторе наравне с питаемым им двигателем; во время пауз
генератор продолжает вращаться.
Перемежающийся номинальный режим работы с двумя или
более частотами вращения (S8) состоит из непрерывно чере-
дующихся циклов, каждый из которых, в свою очередь, состоит
из двух или более рабочих периодов с различными частотами
вращения и соответствующими им нагрузками. При этом каж-
дый переход от большей частоты вращения к меньшей сопро-
вождается потерями электрического торможения, а от меньшей
к большей — потерями разгона, которые: оказывают влияние
на нагревание частей машины.
Данный режим работы характеризуется числом полных цик-
лов в час и коэффициентом инерции, имеющими те же значе-
201
ния, что и в предыдущих режимах работы, а продолжитель-
ность нагрузки при каждой из частот вращения должна уста-
навливаться по соглашению между изготовителм и потреби-
телем.
Для всех трех перемежающихся номинальных режимов ра-
боты допускается производить испытание на нагревание в эк-
вивалентном продолжительном режиме работы, ток которого
равен среднему квадратическому току данного режима. В об-
щем случае средний квадратический ток I может быть опреде-
лен из равенства
где Т — продолжительность цикла; /=/(/)—переменное зна-
чение тока.
В частности, при перемежающемся режиме работы S6 в те-
чение части цикла, равной ПН/100, машина нагружена током
нагрузки /1, а в течение остальной части, равной (100—
—ПН)/100,— током холостого хода /о; средний квадратический
ток равен
/_ а/ 7>(ПН) , 'оООО-ПН)
V 100 + 100
Однако если частота вращения двигателя с самовентиля-
цией в разные части цикла различна, то условия его охлажде-
ния не остаются постоянными, и потому эквивалентный режим
работы должен был бы характеризоваться как эквивалентным
током, так и эквивалентной частотой вращения; но определе-
ние последней затруднительнее, чем среднего квадратического
тока, поскольку заранее неизвестна зависимость эффективности
охлаждения от частоты вращения.
Генераторы при перемежающемся режиме работы обычно
имеют практически неизменную частоту вращения; но зато при
переходе от холостого хода к нагрузке и обратно их магнитный
поток, а вместе с ним и потери в стали могут сильно изме-
няться, и учет этого обстоятельства также затруднителен.
По особым техническим условиям допускаются номиналь-
ные режимы работы, .отличные от восьми перечисленных или
являющиеся любыми их сочетаниями.
7.2. ПРЕДЕЛЫ ДОПУСКАЕМЫХ ПРЕВЫШЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
/превышения температуры частей машины над температурой
газообразной охлаждающей среды считаются не зависящими от
температуры последней, если она не превосходит +40 °C; ис-
пытание на нагревание может производиться при любой тем-
202
пературе, не превосходящей этот предел, и в полученные ре-
зультаты не требуется вводить поправки, зависящие от нее. /
: При косвенном жидкостном охлаждении предельная темпе-
ратура охлаждающей жидкости, в основном воды, установлена
+30 °C; таким образом, разность температуры охлаждающей
среды и жидкости, поступающей в ее охладители, не должна
превосходить 10 К. Но на паротурбинных электростанциях
в наиболее теплое время года такая разность не всегда может
быть обеспечена и ее приходится уменьшать до 7 К, т. е. до-
пускать температуру воды при входе в охладители до +33 °C.
Требования, предъявляемые стандартами к нагреванию
электрических машин во время работы, направлены на обес-
печение их долговечности в наиболее уязвимой части — изоля-
ции, состоящей если не целиком, то в значительной степени из
материалов органического происхождения, подверженных пере-
рождению под действием чрезмерно высокой температуры.
Это перерождение, или старение, изоляции происходит тем
быстрее, чем выше температура, при которой находится изоля-
ция. Если она не превосходит некоторого предела нагревостой-
кости, то вредных изменений в изоляции не будет и машина
может исправно служить практически неограниченное время.
Этот предел тем выше, чем меньше веществ органического про-
. исхождения входит в состав изоляции.
В зависимости от предельной температуры, характеризую-
щей нагревостойкость, изоляционные материалы разделяются
на классы; в электромашиностроении применяются материалы
пяти классов.
Класс А с предельной нагревостойкостью 105°С — пропи-
танные или погруженные в жидкий диэлектрик волокнистые
материалы из целлюлозы или шелка: бумаги, картоны, ткани
из хлопчатой бумаги, натурального и искусственного шелка;
большинство органических пленок и эмалей.
Класс Е с предельной нагревостойкостью 120° — некото-
рые синтетические органические пленки, теплостойкие эмали,
пластмассы с органическим наполнителем, термореактивные
синтетические смолы и компаунды.
Класс В с предельной нагревостойкостью 130 °C — матери^-
алы на основе слюды (в том числе на органических подлож-
ках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими
связующими и пропитывающими составами: миканит с его мо-
дификациями, стеклоткани, асбестовые ткани и бумаги.
? . Класс F с предельной нагревостойкостью 155 °C — матери-
алы^ на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые
в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими
составами.
Класс Н с предельной нагревостойкостью 180 °C — мате-
риалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые
в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропиты-
вающими составами.
203
В некоторых документах упоминается еще класс Y, к кото-
рому относятся непропитанные и не погруженные в жидкий ди-
электрик материалы класса А, но применение его может быть
допущено только в крайних случаях, и тогда все допускаемые
превышения температуры должны быть на 15 К ниже, чем для
класса А.
Суждение о температуре, которую могут принимать различ-
ные части машины во время работы, выносится на основании
определения превышений температуры этих частей при испы-
тании на нагревание. Но так как измерение температуры мо-
жет производиться различными методами, дающими неравно-
ценные результаты, то и предельные допускаемые превышения
температуры устанавливаются с учетом методов ее определе-
ния.
Метод сопротивления дает среднее значение температуры
обмотки, отдельные участки которой нагреты выше; метод за-
ложенных термопреобразователей должен давать значения,
близкие к средним или немного более высокие^ а метод тер-
мометра — близкие к наименьшим • значениям. Поэтому при
методе заложенных термопреобразователей предельные изме-
ренные превышения температуры в целом могут быть допу-
щены наравне с превышениями температуры при методе сопро-
тивления или чуть выше их, а при методе термометра — ниже,
чем при последнем.
Таблица предельных допускаемых превышений температуры
различных частей электрических машин, предназначенных для
продолжительного, повторно-кратковременного или перемежа-
ющегося режима работы при температуре газообразной охлаж-
дающей среды не выше +40 °C и установленных на высоте не
более 1000 м над уровнем моря, составлена для пяти перечис-
ленных классов изоляционных материалов с учетом применяе-
мых методов измерения. Допусков к данным этой таблицы не
существует.
Предельная нагревостойкость изоляционных материалов,
особенно более высоких классов F и Н, в этой таблице почти
не используется, потому что применяемые методы измерения
температуры редко дают возможность определять действитель-
ные наибольшие ее значения.
Для машин с кратковременным номинальным режимом ра-
боты к концу рабочего периода могут быть допущены не-
сколько более высокие превышения температуры, так как при
непродолжительном действии они нё будут вызывать заметно
ускоренного старения изоляции. Если такие предельно допус-
каемые превышения температуры не указаны особо в стандар-
тах или технических условиях на соответствующие виды машин,
то они могут быть приняты повышенными для всех классов
изоляционных материалов на 10 К.
Когда по особенностям установки машины температура га-
зообразной охлаждающей среды превосходит +40 °C, но не бо-
204
лее чем на 20 К, то предельные допускаемые превышения тем-
пературы для всех классов изоляционных материалов умень-
шаются на разность между нею и температурой +40 °C, а при
еще более высокой температуре охлаждающей среды — уста-
навливаются по соглашению между изготовителем и потреби-
телем машины.
Наоборот, если температура газообразной охлаждающей
среды ожидается ниже +40 °C, то предельные допускаемые
превышения температуры для изоляционных материалов всех
классов могут быть повышены на, разность между +40 °C и
ожидаемой более низкой температурой, но не более чем на
10 К; однако это не распространяется на крупные энергетиче-
ские машины— турбо- и гидрогенераторы и синхронные ком-
пенсаторы, в стандартах на которые могут быть иные указа-
ния.
Для машин, предназначенных к установке на высоте более
1000 м над уровнем моря, но не свыше 4000 м, предельные
допускаемые превышения температуры, полученные при испы-
тании на предприятии-изготовителе, если оно само находится
на высоте не более 1000 м, должны быть уменьшены на 1 %
на каждые 100 м сверх 1000 м при условии, что предельная
температура газообразной охлаждающей среды на месте уста-
новки машины остается в пределах +40° С. Если же эта пос-
ледняя может быть понижена на каждые 100 м сверх 1000 м
не менее чем на 1 % наибольшего из допускаемых для данной
машины превышений температуры, то номинальные данные .ма-
шины могут быть сохранены.
Правилами, установленными для определения допускаемых
превышений температуры, учитывается ухудшение условий ох-
лаждения из-за понижения плотности воздуха при установке
машины на высоте более 1000 м над уровнем моря. На машины
с искусственно поддерживаемым постоянным давлением в си-
стеме охлаждения они не распространяются, так как высота ме-
ста установки над уровнем моря для них безразлична.
Для машин с непосредственным охлаждением активных ча-
стей вместо предельных допускаемых превышений температуры
устанавливаются предельные допускаемые значения темпера-
туры различных частей, что более соответствует специфике их
работы. При этом во многих случаях такие значения прини-
маются меньшими пределов нагревостойкости применяемых
изоляционных материалов с целью ограничения возможных при
эксплуатации разностей температуры обмотки и сердечника, при
которых вследствие неодинакового температурного расширения
меди и стали в изоляции могут возникать механические напря-
жения, вредно отражающиеся на ее сохранности.
Предельные допускаемые значения температуры частей
электрических машин получаются суммированием предельного
допускаемого превышения температуры для этих частей при
данном классе изоляционного материала и методе измерения
205
температуры и предельной допускаемой температуры охлажда-
ющей среды.
Из всех частей электрической машины особое положение
в отношении нагревания занимают опоры — подшипники и под-
пятники. Потери в них при прочих равных условиях определя-
ются вязкостью смазочных материалов, у большинства которых
она резко падает с повышением температуры; поэтому при их
работе действует своего рода саморегулирование, благодаря
чему температура опор и смазочных материалов сравнительно
мало зависит от температуры окружающей среды.
По этой причине стандарты устанавливают непосредственно
предельную допускаемую температуру, а не превышение темпе-
ратуры опор и смазочных материалов: для опор скольжения
80 °C и для масла в них 65 °C, а для опор качения 100 °C,
однако оговаривая при этом, что для опор специального испол-
нения и предназначенных для них смазочных материалов могут
быть допущены более высокие значения, устанавливаемые
изготавливающими их предприятиями.
7.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Стандарты СССР предусматривают следующие три ме-
тода измерения температуры в электрических машинах.
Метод термометра. Под термометрами понимают как термо-
метры расширения — ртутные, спиртовые и т. п., так и всякие
другие измерители температуры, если они прикладываются
к доступным поверхностям частей машины и, следовательно,
дают температуру только их поверхности в той точке, где они
приложены. Температура внутри этой части может заметно
отличаться от температуры на ее поверхности; поэтому в тех
случаях, когда наряду с методом термометра применяется
также какой-либо другой метод измерения, способный учиты-
вать температуру внутри этой части или ее среднюю темпе-
ратуру, то делается различие между предельными допускае-
мыми значениями температуры, измеряемыми такими способми.
Для улучшения передачи теплоты к термометру расширения
резервуар последнего следует оборачивать оловянной или алю-
миниевой фольгой, стремясь обмять ее так, чтобы она хорошо
прилегала к поверхности и между ее слоями не оставалось воз-
душных прослоек. Обернутую часть следует прикрывать ком-
ком ваты или сухой ветошью, плотно прижимая к нагретой
поверхности.
Когда точка измерения находится в переменном магнитном
поле, то предписывается применять спиртовые термометры, так
как в ртути могут индуктироваться вихревые точки, нагреваю-
щие ее и увеличивающие показания.
Из ртутных термометров наиболее подходят лабораторные
со шкальной пластиной внутри оболочки, с пределом измерения
до 100—150° С, диаметром (8±1) мм, длиной 200—250 мм и
206
короткой нижней частью. Пригодны также палочные термо-
метры диаметром (6±1) мм с гравированной шкалой, однако
последняя обычно недостаточно четка, что делает их примене-
ние несколько неудобным. Технические термометры с диамет-
ром шкальной части (18±1) мм и длиной нижней частью мень-
шего диаметра (18 мм±1 мм) градуируются при полном по-
гружении последней и потому подходят только для измерения
температуры жидкостей и газов, если соблюдено условие по-
гружения всей нижней части в эту среду.
Все эти термометры обычно имеют цену деления 1 К, что
достаточно для измерения температуры частей машины; но для
измерения температуры жидкостей, а иногда и газов, когда
требуется особая точность, приходится применять термометры
с делениями через 0,1—0,2 К, палочные с диаметром (6± 1) мм
или со стеклянной шкалой в оболочке диаметром (11 ± 1) мм.
Манометрические термометры, в которых измерительным
органом является манометр, измеряющий повышение давления
в замкнутом объеме, применяются главным образом для изме-
рения температуры масла в подшипниках. Для испытательных
станций они неудобны ввиду сложности монтажа и настройки.
Метод сопротивления, основанный на изменении сопротив-
ления металлического проводника в зависимости от его темпе-
ратуры, применяется для определения температуры изолирован-
ных обмоток.
Если сопротивление обмотки в практически холодном со-
стоянии при температуре Фх равно Rx, а в нагретом состоянии
при неизвестной температуре Фг равно RT, то эта последняя
может быть найдена решением системы уравнений:
Rx = R [1 + a (0Х—О) ]; Rr = R [ 1 + а
где а — температурный коэффициент сопротивления материала
обмотки, отнесенный к некоторой условной температуре О, при
которой сопротивление обмотки равно R. Деление второго урав-
нения на первое дает
Rr _ 1 4-д(»г —») = 1/а —& + &г
Rx ~ 1 + а(»х —~ 1/а-» + «х
Отсюда
Фг = Лд. / _L _ + #3 _ -L + ©
Rx \ а /а
или, если в числителе дроби отнять и прибавить Rx,
^-ftx + Rx.\__L + ^=
J^x \ Ct /
- -O + »x) +OX.
Rx \ а /
207
Тогда превышение температуры обмотки над температурой
охлаждающей среды Оо будет
Дй ) + - ф0.
Rx \ а /
Как уже указывалось, если отнести температурный коэффи-
циент меди к температуре 0=15 °C, то его значение будет
близко к а=0,004 =1/250, и потому 1/а—0 = 235; тогда
ДО = (235 + + фх _ яо>
ЛХ
Особенно удобными становятся эти формулы, если за сопро-
тивление обмотки в холодном состоянии принимать его значе-
ние, приведенное к 15 °C; тогда
Ог= 250 -4-15
R1B
или же
ДО = 250 _|_ 15—О0.
Я»
Пример. Сопротивление обмотки, измеренное в холодном состоянии при
температуре 0,х=24,5°С, равно Rx=0,326 Ом; сопротивление этой же обмотки
в конце испытания на нагревание при температуре входящего в машину
воздуха 6’0=38,4 °C достигло значения /?г=0,454 Ом. Требуется определить
превышение температуры обмотки Д6. По общей формуле
Д8 ==Л'-^Ях(235 + м =
АХ
0,454 — 0,326 1
----6~326-----(235 + 24,5)+ 24,5 — 38,4 = 88,0 К.
Другой способ: сопротивление обмотки, приведенное к температуре 15 °C,
равно
д ---------—------=---------------------=0,314 Ом;
15 1+а(»х —15) 1+0,004(24,5-15)
отсюда температура обмотки в нагретом состоянии
а , г 0,454 — 0,314 ~
К15 0,314
и превышение ее температуры
да = 8р — ^ = 126,4 — 38,4 = 88,0 К.
Таким образом, результаты вычисления превышения температуры обоими
способами в точности совпадают.
При применении одних и тех же приборов, хотя бы невысо-
кой точности, результат измерения получается достаточно
правильным, поскольку он зависит не от самих значений из-
меренных сопротивлений, но от их отношения, а погрешность
измерения как в холодном, так и в нагретом состоянии обмотки
208
примерно одна и та же. Поэтому сопротивления обмоток,
температура . которых подлежит определению, должны быть
измерены в холодном состоянии теми же приборами, на тех же
пределах измерения и примерно с теми же значениями токов,
как и при измерении в нагретом состоянии. Повторение измере-
ния сопротивления в холодном состоянии после полного охлаж-
дения машины по окончании испытания на нагревание даст
уверенность в правильности определения температуры, если
результаты обоих измерений совпадут.
Метод сопротивления дает среднюю температуру обмотки;
отдельные ее участки могут иметь при этом температуру более
или менее сильно отличающуюся от средней.
Метод заложенных термопреобразователей, под которыми
стандарты СССР понимают термопреобразователи сопротивле-
ния, термопары или полупроводниковые терморезисторы, за-
ложенные при изготовлении машины в таких точках, где ожи-
даются наиболее высокие значения температуры, и служащие
для контроля этой температуры в течение всего срока службы
машины, применяется для измерения температуры обмоток и
сердечников якорей (статоров) машин переменного тока более
крупных мощностей.
Измерительные элементы этих же видов, преимущественно
термопреобразователи сопротивления, предусматриваются кон-
струкцией крупных машин для измерения температуры различ-
ных других деталей и охлаждающих сред, но к категории за-
ложенных термопреобразователей они не причисляются.
Термопреобразователи сопротивления измеряют непосред-
ственно температуру того места, в которое заложены. Их пре-
имуществами являются более высокая точность измерения при
менее строгих требованиях к показывающему прибору, незави-
симость показаний последнего от температуры в месте его
установки и то обстоятельство, что всякое увеличение сопротив-
ления в их цепи, например из-за плохих контактов, приводит
к возрастанию показаний и потому обращает на себя внима-
ние. Основным же недостатком следует считать некоторую
сложность настройки измерительной схемы.
В электрических машинах применяются термопреобразова-
тели сопротивления класса III — пластинчатые и цилиндриче-
ские. Первые предназначаются для закладывания в пазы
с целью измерения температуры обмоток и активной стали, вто-
рые применяются для измерения температуры газообразной или
жидкой охлаждающей среды. Как те, так и другие должны
при О °C иметь сопротивление 10, 50 или 100 Ом±0,2 % и со-
отношение значений сопротивления при 100 и 0°С, равное
1,4280±0,0020.
В эксплуатации для измерения применяются либо непосред-
ственно показывающие логометры, либо автоматические мосты,
обычно многопозиционные, записывающие показания на коор-
динатной бумаге через определенные интервалы времени; но
209
в процессе испытания предпочитается большей частью простой
мост.
Встречаются термопреобразователи с двумя, тремя и че-
тырьмя выводами. При двух выводах сопротивление всей про-
водки между термопреобразователями и измерительным прибо-
ром должно иметь определенное значение, что достигается
введением подгоночных сопротивлений; сопротивление про-
водки внутри машины должно быть указано в чертежах, так
как в готовой машине оно не может быть измерено.
При трех выводах возможны схемы рис. 7.1, а и б. В первой
схеме один из парных проводников подключаются к источнику
питания моста, а сопротивления прочих двух, равные между
Рис. 7.1. Включение тер-
мопреобразователей со-
противления
собой, складываются с сопротивлениями плеч и если
сопротивления Rz и одинаковы, то при равновесии моста
сопротивление Rt будет равно сопротивлению термопреобразо-
вателя Ri.
Во второй схеме один из парных проводников подключается
к гальванометру; тогда сопротивления соединительных провод-
ников складываются с сопротивлениями Ri и Rz, что дает зна-
чение измеряемого сопротивления Ri.
При четырех выводах (рис. 7.1, в) сопротивления провод-
ников суммируются с сопротивлениями противоположных плеч.
Термопары обладают тем преимуществом, что могут быть
встроены в наиболее труднодоступные места. Нормализован-
ными в СССР для измерения невысоких значений темпера-
туры являются термопары хромель алюмель с ЭДС около
0,04 мВ/K и хромель — копель с ЭДС примерно 0,07 мВ/K. Од-
нако эти материалы выпускаются в виде неизолированной про-
волоки, что затрудняет их применение; поэтому в практике ис-
пытания электрических машин обычно применяется нестандарт-
ная термопара медь — константан с ЭДС примерно 0,04 мВ/К,
которую нетрудно изготовлять из нормально изолированных
210
проволок; их диаметр следует брать не ниже 0,3—0,35 мм. Обе
проволоки скручиваются и снабжаются общей изолирующей
оболочкой в виде оплетки, трубочки и т. п.; для повышения
срока службы термопар с оболочками из волокнистых матери-
алов рекомендуется их пропитывать в разведенном лаке.
Спай термопар осуществляется зачисткой изоляции обеих
жил на длине 3—5 мм, скручиванием и пропаиванием оловян-
ным припоем без кислоты. Практикуемое иногда сваривание
в пламени автогенной горелки или дуги делает спай легко
отламывающимся.
Так как свойства и константана, и меди могут колебаться
в довольно широких пределах, необходимо производить градуи-
ровку термопар каждой изготовляемой партии, отбирая для
этого не менее двух образцов от каждой пары катушек меди и
константана, по возможности от начала и конца.
Для измерения ЭДС термопары применяются милливольт-
метры высокой чувствительности — с пределом измерения около
5 мВ; чтобы их показания как можно меньше зависели от раз-
ницы сопротивлений отдельных термопар из-за неодинаковости
длины, необходимо, чтобы их внутреннее сопротивление было
по возможности больше — не uteHee 25 Ом/мВ; потребляемая
мощность таких приборов очень мала, и потому к их кернам и
подпятникам должны предъявляться очень высокие требования.
Милливольтметры, отградуированные прямо в единицах
температуры, могут применяться без поправок только с термо-
парами определенного состава и сопротивления.
Чтобы исключить зависимость показаний от сопротивления
термопар, применяется измерение их ЭДС техническим потен-
циометром, при котором термопара в момент отсчета не нагру-
жена током; к тому же при некотором навыке измерение произ-
водится быстрее, так как отпадает выжидание успокоения
стрелки милливольтметра.
Термопара измеряет не температуру того места, в котором
находится ее спай, а превышение ее над температурой противо-
положного конца. Если термопары в машине снабжены щитком
выводов и рядом с ним помещен термометр, то проводка до
измерительного прибора может быть выполнена медными про-
водниками; в противном случае каждая жила должна наращи-
ваться своим материалом и термометр помещается у измери-
тельного прибора или переключателя. Последний должен иметь
устройство, исключающее возможность соединения между
двумя термопарами в момент переключения с одной на другую,
так как при этом могут образовываться контуры, в которых
индуктируются опасные ЭДС.
В цепь измерителя рекомендуется включать встречно конт-
рольную термопару, привязанную к нижней части термометра,
погруженного в сосуд с маслом. Тогда измеритель учитывает
разность между температурой нагретого конца и температурой,
измеряемой термометром.
211
Для измерения температуры вращающихся частей после ос-
тановки машины удобны термопары в виде медной и констан-
тановой ленточек, спаянных и укрепленных на изолирующей ру-
коятке; под спай подкладывается фетровая подушечка. Для из-
мерения температуры неизолированных металлических поверх-
ностей, например коллекторов и контактных колец, удобны
игольчатые термопары в виде двух щупов, которые вкалыва-
ются в поверхность металла; они отличаются очень малой теп-
ловой инерцией, потому что спай осуществляется самим нагре-
тым металлом. Ввиду недостаточной твердости меди для иглы,
способной проколоть слои оксида на поверхности металла, сле-
дует выбирать для игл более твердые металлы.
При измерении небольших разностей температуры применя-
ется последовательное соединение нескольких термопар, однако
с учетом того, что соответственно возрастает сопротивление их
цепи; но при применении потенциометра это не играет роли.
Терморезисторы отличаются тем, что их сопротивление
сильно уменьшается с повышением температуры. Их размеры
невелики, но большим недостатком является разброс характе-
ристик, требующий градуировки каждого отдельного экзем-
пляра, что ограничивает их применение при испытаниях.
Общим недостатком термопар и терморезисторов по сравне-
нию с термопреобразователями сопротивления является то, что
всякое увеличение сопротивления цепи ведет к понижению ре-
зультатов измерения и этим ослабляет внимание персонала,
ведущего испытание.
В заключение следует упомянуть о приборах для бескон-
таИного дистанционного измерения температуры поверхностей,
называемых «тепловизорами», действие которых основано на
измерении инфракрасного излучения электрическими методами.
Они могли бы с успехом применяться, например, для измере-
ния температуры коллекторов на ходу машины, но этому пре-
пятствует то, что результат измерения зависит не только от
температуры поверхности, но и от ее коэффициента отражения,
который именно в коллекторах очень изменчив.
7.4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЧАСТЕЙ МАШИНЫ
ПРИ ИСПЫТАНИИ НА НАГРЕВАНИЕ
В зависимости от доступности той или иной части электри-
ческой машины измерение ее температуры при испытании на
нагревание может производиться либо через определенные ин-
тервалы времени на протяжении всего испытания, либо после
полной остановки машины по его окончании. Нередко встреча-
ются попытки так видоизменить эти измерения, чтобы их тоже
можно было производить периодически; как правило, онц тре-
буют тогда применения особой аппаратуры, не входящей в ком-
плект нормально применяемой при испытаниях электрических
машин.
212
Обмотки переменного тока машин мощностью 5000 кВт
(кВ-А) и выше и с длиной сердечника 1 м и более. Основным
методом измерения температуры таких обмоток является метод
заложенных термопреобразователей; с этой целью их надлежит
закладывать в такие машины в количестве не менее 6, и они
должны размещаться внутри пазов в местах, где следует ожи-
дать наиболее высокую температуру; такие места обычно рас-
положены в наибольшем удалении от входа в машину струй
охлаждающей среды. Однако считается, что такие элементы
измеряют температуру обмотки, только если они заложены
между двумя активными сторонами секций обмотки; если же
они уложены на дно паза, то их показания принимаются за
температуру сердечника. Таким образом, в машинах с одно-
слойными обмотками заложенные термопреобразователи не
могут служить для измерения их температуры. Будучи зало-
жены под клин, они дадут значения, более близкие к искомой
температуре, но такого указания стандарты не содержат. Дру-
гим методом измерения температуры таких обмоток является
метод сопротивления, применение которого рассматривается не-
сколько ниже.
Обмотки переменного тока машин мощностью менее
5000 кВт (кВ-А) и с длиной сердечника менее 1 м. Эта кате-
гория обмоток охватывает обширную область электрических
машин, и потому измерение их температуры допускается произ-
водить тремя методами — термометра, сопротивления и за-
ложенных термопреобразователей; выбор того или другого-
метода зависит от вида и размеров машины, а предел примене-
ния заложенных термопреобразователей определяется изгото-
вителем машины.
Если в машине нет Заложенных термопреобразователей, то
основным является метод сопротивления. Для этого по оконча-
нии испытания на нагревание машина должна быть отключена
от нагрузки или от источника питания и остановлена. Если
первое измерение сопротивления обмотки произведено не позже
чем через 30 с после отключения для машин мощностью до
50 кВт, 90 с для машин мощностью от 50 до 200 кВт и по со-
гласованию между изготовителем и потребителем для машин
большей мощности, то за * сопротивление обмотки в нагретом
состоянии принимается наибольшее из нескольких значений,,
измеренных через равные промежутки, не превышающие время^
прошедшее между моментом отключения и первым измерением.
Если же первое измерение произведено позже указанного вре-
мени, то должна быть произведена экстраполяция результатов
измерения на. момент указанного выше первого измерения, т. е.
30 или 90 с и т. д’ Ее удобно производить, откладывая лога-
рифмы измеренных превышений температуры в зависимости от
времени; через полученные точки проводится линия, обычно
близкая к прямой, по которой и определяется логарифм иско-
мого превышения температуры (рис. 7.2).
213
Такая экстраполяция предполагает, что после отключения
машины условия ее охлаждения остаются неизменными как
до полной остановки, так и после нее. Чтобы по возможности
приблизиться к этому, следует одновременно с отключением
остановить приток охлаждающей среды, например, закрывая
отверстия для входящего воздуха, а при замкнутом цикле, вен-
тиляции— прекращая подачу охлаждающей жидкости. Во всех
случаях следует применять доступные средства торможения.
Когда вблизи от обмотки, подвергающейся измерению, рас-
положены части, имеющие более высокую температуру, измеряе-
мое сопротивление вначале не падает, а возрастает. Это встре-
чается особенно при ис-
Рис. 7.2. Экстраполяция превышения тем-
пературы на момент отключения
пытании асинхронных
двигателей с коротко-
замкнутыми роторами,
обмотки которых нагре-
ваются больше статорных
и после отключения начи-
нают повышать темпера-
туру последних своей теп-
лоотдачей. В таких слу-
чаях за температуру об-
мотки следует принимать
наибольшее из измерен-
ных значений.
Метод сопротивления
непригоден для измере-
ния температуры обмоток
статоров крупных синхронных машин, таких как турбогенера-
торы, полная остановка которых требует слишком много вре-
мени даже при условии срыва вакуума в турбине, и тем более
синхронные компенсаторы, для торможения которых нет ника-
ких средств. Но при испытании гидрогенераторов может быть
применено торможение подъемными тормозами, резко сокраща-
ющее продолжительность выбега после отключения нагрузки;
остановку удается производить за 43—5 мин, что приемлемо,
поскольку такие машины обладают очень значительной массой
и охлаждаются достаточно медленно.
Здесь можно рекомендовать измерение при возможно боль-
ших токах по следующей причине. Остывание нагретых частей
машины сопровождается сокращением v их размеров, которое
проявляется характерным потрескиванием. При малых измери-
тельных токах и низких пределах измерения вольтметров
каждое такое потрескивание сопровождается резкий подергива-
нием стрелки вольтметра, препятствующим правильным отсче-
там. •: 1
В асинхронных двигателях с фазными роторами измерение
сопротивления после остановки должно производиться для
обмоток и статора, и ротора. Если нет возможности произвести
214
оба измерения одновременно, то приходится после измерения
одного из этих сопротивлений снова нагружать машину для
подогрева другой обмотки.
При испытании асинхронных двигателей низкого напряже-
ния может быть допущено измерение сопротивления обмотки
статора при кратковременном отключении ее от источника пи-
тания без остановки двигателя, продолжающего вращаться от
своего нагрузочного генератора, перешедшего на это время
в режим двигателя. Напряжение остаточного намагничивания
этих машин невелико, и если производить измерение сопротив-
ления при достаточно больших токах, то может быть применен
вольтметр с настолько высоким пределом измерения, что это
не будет представлять для него опасности. При достаточной
сноровке персонала и хорошо оборудованной схеме измерения
такие перерывы не отражаются на тепловом состоянии ма-
шины.
Существуют предложения схем измерения сопротивления
обмотки статора на ходу без отключения от источника питания
при помощи моста, главным образом двойного, защищенного
от перегрузки переменным током посредством реактора с об-
моткой из материала с низким значением температурного коэф-
фициента, например манганина, входящей в состав плеч моста.
Такие реакторы являются громоздкими сооружениями и не из-
готовляются промышленностью; стандартами СССР подобные
методы не предусматриваются, хотя и не запрещаются для при-
менения.
Третьим методом измерения температуры, установленным
для обмоток данной категории, является метод термометра;
однако обычно применяются не термометры расширения,
а преимущественно термопары. К лобовым частям обмоток
с жесткими секциями они могут быть приклеены или подвязаны
с утеплением из ваты, фетра и т. п., а в лобовые части про-
волочных обмоток машин низкого напряжения (до 660 В)
вводятся на некоторую глубину путем осторожного раздвига-
ния проводников и подвязываются вблизи этого места. В пазо-
вых частях термопары^ могут быть уложены под клин, для чего
на его внутренней поверхности выдалбливаются канавки.
В отдельных случаях практикуется встраивание термопар
непосредственно на медь ближайших к нейтрали секций обмо-
ток машин трехфазного тока обеих рассмотренных категорий.
Эти термопары выводятся под изоляцией секций до их головок;
они должны быть надёжно изолированы по всей длине вместе
со своими измерительными приборами, но при заземлении ней-
трали достаточно изолировать их только на напряжение одной
секции обмотки. По окончании испытаний, для которых термо-
пары предназначены, они обрезаются у мест выхода из-под
изоляции секций и эти места переизолируются.
Обмотки возбуждения машин постоянного и переменного
тока с возбуждением постоянным током (кроме обмоток воз-
215
буждения категорий, рассматриваемых ниже) и якорные об-
мотки, соединенные с коллекторами. Основным методом изме-
рения температуры является метод сопротивления, для чего
достаточно помимо амперметра в цепи обмоток возбуждения
иметь вольтметр, подключенный к их выводам; что же касается
якорных обмоток, то измерение их сопротивления в нагретом
состоянии производится так же, как и обмоток предыдущей
категории, после остановки машины по окончании испытания
на нагревание.
Вращающиеся обмотки возбуждения синхронных машин
с цилиндрическим ротором, уложенные в пазы. Единственным
методом, установленным для этих обмоток, является метод
сопротивления. Для измерения их сопротивления в практически
колодном состоянии приборами схемы испытания следует
кратковременно поднять нагрузку машины по возможности
до полной, быстро произвести два-три отсчета при разных зна-
чениях тока, не давая обмоткам заметно нагреться, применяя
критерии адиабатного нагревания, и затем разгрузить машину,
если по каким-либо причинам немедленное установление на-
грузки неприемлемо.
Присоединение вольтметра производится только на время
измерения металлическими щетками (пластинчатыми, сетча-
тыми и т. п.) на изолирующих рукоятках, прижимаемыми к ра-
бочим поверхностям контактных колец. Применение щеток,
заложенных в нормальные щеткодержатели, изолированные от
траверс, не рекомендуется, так как не обеспечивает достаточно
устойчивого контакта.
Многослойные обмотки возбуждения малого сопротивления
и компенсационные обмотки, а также однослойные обмотки
с оголенными или лакированными поверхностями. Если сопро-
тивление такой обмотки весьма незначительно и для измерения
падения напряжения на ней применяется вольтметр с низким
пределом измерения, имеющий малое сопротивление, то реко-
мендуется припаивать к выводам обмотки те проводники, ко-
торыми он присоединяется. Однако если сопротивление контак-
тов внутри обмотки составляет большую часть ее сопротивле-
ния, как это бывает, например, в обмотках добавочных полю-
сов и компенсационных обмотках, то метод сопротивления
не может дать правильного результата и должен быть заменен
методом термометра. К неизолированным поверхностям обмо-
ток можно припаивать термопары, но при условии, что они
по всей длине изолированы на полное напряжение цепи, в ко-
торую включена обмотка.
Изолированные обмотки, непрерывно замкнутые на себя.
Такие обмотки применяются главным образом в роторах асин-
хронных двигателей, и для них установлен только один метод —
метод термометра; измерение возможно только после остановки
машины.
Неизолированные обмотки, непрерывно замкнутые на себя,
216
сердечники и другие части, не соприкасающиеся с изолирован-
ными обмотками, в измерении температуры сами по себе
не нуждаются; однако при очень высоких степенях использова-
ния объема крупных машин в некоторых из таких частей могут
возникать значительные выделения теплоты за счет полей рас-
сеяния, что способно создавать опасность повреждения смеж-
ных частей, как изолированных, так и неизолированных. Из-
мерение температуры таких частей возможно только методом
термометра и производится обычно термопарами.
Сердечники и другие части, соприкасающиеся с изолирован-
ными обмотками. Установленным для этих частей является
метод термометра; для неподвижных частей применяются тер-
мометры расширения, однако для сердечников с переменным
намагничиванием и других мест, где могут быть переменные
поля, не следует применять ртутные термометры. Широко ис-
пользуются термопары, вводимые в тело и зубцы сердечников,
между листами стали на глубину не менее 5 мм. Проводники
от них выводятся через радиальные каналы или через пазы под
клином. Заложенные термопреобразователи сопротивления при-
меняются в более крупных машинах, в которых ими же измеря-
ется температура обмоток; для измерения температуры сердеч-
ника они укладываются на дно пазов.
К данной категории относятся также металлические бан-
дажи на лобовых и активных частях обмоток якорей машин
постоянного тока и фазных роторов асинхронных двигателей;
измерение их температуры может производиться различными
разновидностями метода термометра лишь после остановки,
если только эти бандажи могут быть доступны.
Коллекторы и контактные кольца. Единственным установ-
ленным методом является метод термометра, применяемый
в различных вариантах после остановки. Особенно подходя-
щими здесь нужн.о считать игольчатые термопары, однако их
применение требует осторожности, чтобы не оставались цара-
пины на рабочей поверхности коллекторов.
Щетки на коллекторах или контактных кольцах. Темпера-
тура их, если требуется, определяется термопарами. С этой
целью в теле щетки, по возможности ближе к ее контактной
поверхности, высверливаются отверстия на глубину примерно
5 мм, в которые термопары законопачиваются кусочками
фольги. Они не должны препятствовать свободному перемеще-
нию щеток в обоймах щеткодержателей, для чего в последних
можно сделать соответствующие прорези. Термопары должны
быть подвязаны к щеткодержателям, чтобы они не могли
попасть на поверхность коллектора, и необходимо следить,
чтобы щетки не срабатывались до конопатки, так как это может
вызвать круговой огонь; термопары нужно изолировать по всей
длине вместе с переключателями и присоединенными к ним
приборами, а в случае установки на щетках разной полярно-
сти — выводить к отдельным переключателям.
217
Опоры скольоюения— подшипники и подпятники. Темпера-
тура этих опор в крупных машинах, особенно с принудительной
смазкой, измеряется обычно на вкладышах или сегментах;
в менее крупных машинах достаточно измерения температуры
масла встраиваемыми термопарами или термометрами, если
последние не предусмотрены конструкцией.
Опоры качения, шариковые, роликовые и т. п. Температура
их может измеряться только на наружной обойме или опорной
подушке подпятника пристраиваемыми к ним термопарами, что
зачастую требует сверления капсулы или крышки опоры для
выпуска термопары; по окончании испытания эти отверстия
должны быть заделаны.
Охлаждающие среды, газообразная — воздух или водород
или жидкая — вода или масло и т. п. Температура их измеря-
ется термометрами или термопреобразователями, причем как
те, так и другие должны встраиваться на входе и выходе каж-
дой среды; обычно такие измерители, если и предусмотрены
конструкцией машины, то в недостаточных количествах.
Вследствие неравномерности распределения струй охлажда-
ющего газа по сечениям входного и выходного отверстий опре-
деление его средней температуры по показаниям измерителей,
расставленных случайным образом, может вести к значитель-
ным ошибкам, а при большом числе таких отверстий, как, на-
пример, в крупных гидрогенераторах, регистрация показаний
измерителей обременяет персонал, ведущий испытание.
Если входное и выходное отверстия затянуть сетками, на-
пример, из медной проволоки, навитой на основу из прочного
шпагата, имеющими одинаковое сопротивление при одной и
той же температуре, и включить сетки как два смежных плеча
измерительного моста (рис. 7.3), а в два другие плеча — произ-
вольные одинаковые сопротивления, то мост будет находиться
в равновесии, пока не возникнет разность температуры сеток.
Равновесие может быть восстановлено введением дополнитель-
ного сопротивления А Я в плечо моста, содержащее сетку
с более низкой температурой; тогда, если Я — сопротивление
обеих сеток при 15° С, то сопротивления их в нагретом состоя-
нии будут
Я^ЯЦ+а^—15)]; Я2 = Я[1 + а^2—15)],
где а — температурный коэффициент сеток;
ЛЯ = Я2—Я1 = Я а (ф2 — ^),
откуда разность температуры
Ra
При медной проволоке диаметром 0,5-мм и ячейках разме-
ром 20X20 мм сопротивление сетки будет около 4,5 _Ом/м2, что
достаточно для необходимой чувствительности моста.
218
Если жидкость или газ находятся под давлением, то термо-
метры или термопреобразователи, измеряющие их температуру,
вставляются в глухие патрубки, ввернутые или вваренные
в соответствующие полости или трубопроводы. Для улучшения
передачи теплоты патрубки заполняются маслом или метал-
лическими опилками. Проводники от термопреобразователей
перевиваются и прокладываются по поверхности полости или
трубопровода под теплоизоляцией на расстоянии не менее
250 мм.
При измерении температуры входящего или выходящего
воздуха в отверстиях корпуса машины, сообщающихся с окру-
жающей средой, термометры подвешиваются на растяжках; их
следует предохранять от лучеиспускания находящимися побли-
зости нагретыми частями машины, особенно
при испытании небольших машин, где все
расстояния невелики.
Измерение температуры окружающей
среды, которая для машин с незамкнутым
циклом вентиляции является охлаждающей
средой во всех случаях, когда воздух пода-
ется в машину не по специальным трубо-
Рис. 7.3. Мостовая
схема для измерения
разности темпера-
туры сетками
проводам, должно производиться, по край-
ней мере, двумя термометрами, установ-
ленными на расстоянии от 1 до 2 м от ис-
пытуемой машины на половине ее высоты,
что для машин с горизонтальным валом со-
впадает с уровнем оси вращения. Эти тер-
мометры должны быть защищены от теплоизлучения самой ис-
пытуемой машины и других источников теплоты и от случай-
ных потоков воздуха, например, путем погружения их нижних
частей в жестяные банки, наполненные машинным или транс-
форматорным маслом, через пробки в отверстиях крышек та-
ким образом, чтобы они не касались дна. За температуру ох-
лаждающего воздуха во время испытания принимается среднее
арифметическое показаний всех таких термометров, взятых
через произвольные равные промежутки времени в течение по-
следнего часа испытания на нагревание.
При охлаждении машины по замкнутому циклу воздухом,
или водородом, или воздухом, подводимым по трубам, и при
непосредственном жидкостном охлаждении машин и их частей
за температуру охлаждающей среды принимается ее темпера-
тура в месте входа в машину.
Термопреобразователи могут быть применены для измере-
ния температуры вращающихся частей машины как после
остановки, так и на ходу. В первом случае они выводятся
к доске, укрепленной на вращающейся части; после остановки
к ней присоединяются соответствующие измерительные при-
боры. Такой способ допускает экстраполяцию на момент отклю-
чения, не отличающуюся от применяемой при методе сопротив-
219
ления. Во втором случае элементы выводятся к системе кон-
тактных колец; контакт между ними и токосъемниками должен
не только отличаться устойчивым малым сопротивлением, но и
быть свободным от контактных ЭДС.
Известны попытки беспроводного измерения температуры
вращающейся части термопреобразователями, для чего на ней
устанавливается передатчик, работающий по принципу частот-
ной модуляции для защиты передаваемого сигнала от помех.
Когда необходимо определение нагревания обмотки
кратковременным действием ненормально большого тока, но
никаких средств для измерения температуры нет, то приходится
пользоваться представлением об адиабатном нагревании об-
мотки, введенном при рассмотрении измерения сопротивлений.
При этом, если имеется в виду нагревание до пределов нагрево-
стойкости обычно применяемых изоляционных материалов, то
нужно учесть возрастание удельного сопротивления с темпера-
турой, вследствие чего выделение теплоты в обмотке не оста-
ется постоянным, а прогрессивно возрастает. Практика прибли-
женных расчетов рекомендует учесть это заменой числа 200
для меди на 175 и числа 86 для алюминия на 75.
Более точно, с учетом возрастания удельного сопротивления с темпера-
турой, решение задачи можно получить следующим образом.
Элементарное повышение температуры обмотки из металла с темпера-
турным коэффициентом а определяется уравнением
аа - —[i + а (а - 15) j dt = р (л + на) dt,
ус
где J—плотность тока; р — удельное сопротивление металла; у —его плот-
ность; с— теплоемкость.
Интегрирование этого уравнения дает
В
где
Р (1 — 15а) pa А 1 — 15а
А —------------* g =-------. — __---------.
ус ус В а
Для медной обмотки р=1,75-10~8 Ом-м; а=0,004; у=8900 кг/м3; с =
=383 Дж/(кг К);
А 1>75(1 " 15-0,004). 10-8 .
8900-383
В~
1,75-0,004-10"8
8900-383
2,05-10’17;
1 — 15-0,004
0,004
” 235.
В
Длдоопределения постоянной С нужно положить f=0, когда по условию
15 = С — A/В; С = 15 + 235 = 250.
220
Если выразить плотность тока J в амперах на квадратный миллиметр,
то решение примет вид
Я = 250e0,0000205J2/ — 235,
что после логарифмирования даст
1g (235 + &) = 0,0000089Pt + 1g 250.
Здесь 1g 250=2,3979.
Если начальная температура Фо> + 15°С, то сначала определяется время
/о, необходимое для нагревания от температуры 15 °C до температуры Фо:
f _ 1g (235 +%)-2,3979
° 0,0000089J2
Далее задача решается по предыдущему, но для времени t+t0, и иско-
мое повышение температуры определяется из равенства
ДО- — & — %.
Если же Фо< + 15°С, то аналогичным образом сначала определяется время
7в, потребное на нагревание от температуры Фо до +15 °C, и затем решение
проводится для времени t—to.
Пример. Двигатель постоянного тока, имеющий плотность тока в обмотке
якоря при номинальной нагрузке 3,17 А/мм2, может развернуть тяжелую
массу до заданной частоты вращения за 13 мин при условии, что его пере-
грузка по току не будет превосходить полуторной, допустимой по условиям
коммутации. Требуется, определить, будет ли его нагревание в пределах до-
пустимого, если обмотка якоря изолирована материалами класса В, а ее тем-
пература в исходном состоянии +15 °C.
Согласно приближенной формуле адиабатного нагревания превышение
температуры обмотки должно быть не более
(3,17~1,5^:13 ^0- = 10i к.
175 175
По окончании разворачивания температура обмотки достигнет
101 + 15+ 116°С,
что при изоляционных материалах класса В вполне допустимо.
По уточненной формуле
1g (235 + Я) = 0,0000089 (3,17 • 1,5)2 • 13 • 60 + 2,3979 - 2,5403,
откуда 235+Ф—347; 0=347—235 = 112 °C, что близко совпадает с результа-
том, полученным по приближенной формуле.
Таким образом, разворачивание при заданных условиях допустимо.
Правильность результатов, получаемых измерениями при
испытании на нагревание, особенно производимыми после
остановки машины по его окончании, в большей степени за-
висит от организации этих измерений, чем от применяемой
аппаратуры и рода измерительных элементов. Один человек
нормально может обслужить один термометр, или две термо-
пары, по одной в каждой руке, или одну игольчатую термопару,
или пару двойных щупов для измерения сопротивления в том
случае, когда это измерение производится между близко рас-
положенными точками. Так как в большинстве случаев число
одновременно производимых измерений велико, то к их выпол-
нению приходится привлекать дополнительный персонал, по-
мимо непосредственно занятого на данном испытании. Для того
221
чтобы при затормаживании :: около машины не происходило
сутолоки, весь этот персонал должен быть заранее расставлен
так, чтобы не мешать друг другу, и обстоятельно проинструк-
тирован; еще целесообразнее производить перед началом испы-
тания репетицию остановки, позволяющую каждому ее участ-
нику найти удобное для себя положение без помехи для прочих.
Плохо организованная остановка срывает все испытание.
При применении термометров для измерений после 'Оста-
новки, особенно ртутных, имеющих заметную тепловую инер-
цию, рекомендуется их предварительное подогревание при-
кладыванием к доступным нагретым частям машины, что зна-
чительно ускоряет процесс установления показаний при измере-
нии. Показания термопар ввиду их незначительной массы
устанавливаются гораздо быстрее, но применение их затруднено
тем, что обычно нет возможности снабдить каждую из них от-
дельным прибором и приходится применять переключатели; это
затрудняет определение наибольшего показания по каждой из
термопар.
7.5. ИСПЫТАНИЕ НА НАГРЕВАНИЕ
ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ НАГРУЗКЕ
Особенностью испытания на нагревание машин постоянного
тока в режиме нагрузки является то, что одновременно с опре-
делением превышений температуры частей машины проверяется
ее коммутация. С этой целью машина должна проработать не-
прерывно в течение времени, зависящего от ее мощности, и оно
может оказаться большим, чем требующееся для установления
температуры всех частей, а для наиболее крупных и ответст-
венных машин и это время зачастую оказывается недостаточ-
ным.
Определение области безыскровой работы должно прово-
диться при установившемся состоянии коллектора и щеток;
между тем к моменту начала испытания на нагревание комму-
тация обычно еще не отрегулирована и машины может более
или менее сильно искрить, что для данного испытания недо-
пустимо, и приходится подавать в коммутирующие обмотки .
дополнительное питание с целью подавления этого искрения.
За питанием нужно вести непрерывное наблюдение, так как
в процессе испытания может потребоваться изменение тока
этого питания в ту или иную сторону сообразно изменениям
коммутации по мере приработки щеток и поверхности коллек-
тора.
Номинальное напряжение крупных машин постоянного тока
достаточно высоко и может представлять опасность для изоля-
ции низковольтного источника дополнительного питания; по-
этому следует либо заземлять тот вывод испытуемой машины, с
к которому подключены коммутирующие обмотки, либо, если
это не может быть допущено, накладывать на добавочные
222
полюсы временную обмотку изолированным проводником, что,
однако, может привести к ухудшению вентиляции машины.
Большинство крупных двигателей постоянного тока предна-
значается для работы с питанием от статических выпрямителей,
при котором коммутация ухудшается, а нагревание машины
возрастает. Для испытания на нагревание в режиме номиналь-
ной нагрузки при возвратной работе в оборудовании испыта-
тельной станции должны быть как статический выпрямитель
соответствующей мощности, так и преобразовательный машин-
ный агрегат, чего обычно нет, а при взаимной нагрузке, даже
в случае покрытия потерь электрическим путем, применение
статического выпрямителя в качестве источника не может соз-
дать в испытуемой машине условия, соответствующие требуе-
мым. По этой причине испытание при питании от выпрямителя
приходится переносить на место установки машины.
Хотя испытание на нагревание не входит в программу
приемо-сдаточных испытаний машин постоянного тока, однако
выпускающие предприятия обычно считают необходимым под-
вергать ему каждую машину из числа более крупных и ответ-
ственных именно для проверки коммутации.
Для приемочного испытания синхронных машин мощностью
до 10 000 кВ • А допускается проводить испытание на нагрева-
ние при номинальном режиме работы, но для машин большей
мощности требуется проведение испытаний при 3 — 4 различ-
ных нагрузках — от 0,6 номинальной до предельной возможной
по условиям испытания. В случае невозможности проведения
таких испытаний на заводе-изготовителе, они должны быть
перенесены на место установки машины и вместо них прово-
дится испытание косвенным методом.
Для работы на промышленную нагрузку на месте установки
характерна трудность поддержания заданного напряжения, осо-
бенно когда испытуемая машина работает параллельно с круп-
ной энергетической системой, напряжение которой в течение
суток регулируется по определенному графику. Так как изме-
нение напряжения во время испытания на нагревание не
должно иметь место, то для проведения испытания следует
выбирать такое время суток, в течение которого изменение
напряжения системы не предвидится; окончание испытания
должно быть приурочено к концу этого времени, но начато оно
может быть задолго до начала последнего.
Для крупных машин, работающих в блоке с трансформа-
тором, приноравливание к напряжению системы производится
подбором таких дополнительных отводов обмотки высшего
напряжения трансформатора, при которых можно иметь на
выводах машины заданное напряжение, а на стороне высшего
напряжения трансформатора — то, которое задано режимом
системы. Режим работы прочих генераторов станции должен
быть таким, чтобы обеспечивать испытуемому генератору неиз-
менность активной нагрузки и коэффициента мощности.
223
При организации испытаний на месте установки необходимо
заблаговременно позаботиться об измерении •< сопротивления
обмотки индуктора в холодном состоянии теми приборами, ко-
торые будут применены для испытания; если это не будет сде-
лано,. то в дальнейшем подходящие условия для этого могут
представиться очень не скоро. Во избежание всяких случайно-
стей можно рекомендовать изъятие из употребления тех прибо-
ров, которыми было измерено сопротивление, до того времени,
когда ими же будет производиться измерение сопротивления
обмотки в нагретом состоянии.
Кроме того, для машин, имеющих непосредственное или
косвенное охлаждение водой, следует заранее обеспечить воз-
можность установки приборов для измерения расхода воды и
ее температуры — врезать в трубопроводы фланцы для расходо-
меров и карманы для термометров до момента опробования
трубопроводов давлением.
По условиям режима энергетической системы не всегда
удается проводить испытание на нагревание точно при номи-
нальном режиме работы; в таких случаях проводится не-
сколько испытаний при меньших нагрузках, но по возможности
при одних и тех же напряжении и коэффициенте мощности.
Полученные значения превышений температуры обмоток от-
кладываются в функции квадратов соответствующих токов,
а еще лучше — произведений этих квадратов на сопротивления
обмоток, приведенные к температуре каждого из испытаний;
экстраполяция полученной зависимости, мало отличающейся от
прямой (рис. 7.4), дает возможность определить превышение
температуры при номинальном режиме работы с практически
достаточной точностью.
Испытание на нагревание машин с протяжной вентиляцией,
а тем более с замкнутым циклом, должно давать сведения
о температуре охлаждающей среды (воздуха или водорода) и
по возможности об ее расходе через машину. Последний при
замкнутом цикле вентиляции, особенно в турбогенераторах
и синхронных компенсаторах, нелегко поддается определению,
но это может быть возмещено измерением температуры и рас-
хода охлаждающей воды.
Поддержание расхода охлаждающей воды при испытании
на нагревание на уровне расчетного не играет существенной
роли. Охладители электрических машин обычно строятся так,
что при расчетном расходе воды повышение ее температуры
невелико, что делает его измерение неточным. Пусть, например,
оно составляет 2 К, а температура входящей воды равна
+ 25 °C; следовательно, средняя температура воды в охлади-
теле равна +26 °C. Если уменьшить расход воды вдвое, то
во столько же раз возрастет повышение ее температуры,
а средняя температура воды станет +27 °C. Таким образом,
последняя возросла всего лишь на 1 К; на столько же воз-
растет и средняя температура газообразной охлаждающей
224
среды, что представляет разницу, лежащую на пределе точ-
ности измерения ее температуры.
Испытания на нагревание машин с косвенным водородным
охлаждением при заполнении машины водородом и воздухом
(в тех пределах, которые допускаются изготовителем) не могут
служить для взаимного контроля, так как условия охлаждения
разными газами неодинаковы. Превышения температуры за-
висят не только от газа, заполняющего машину во время испы-
тания, но и от того, какой таз содержится в пустотах внутри
изоляции и определяет ее теплопроводность; нужен достаточно
большой промежуток времени, чтобы из них были удалены
остатки газа, предшествовавшего
данному. Периодические повы-
шения и понижения температуры
при перемежающейся нагрузке
ускоряют вытеснение остатков
постороннего газа из изоляции.
Опыт показывает, что превыше-
ния температуры, полученные
сразу после замены воздуха во-
дородом, могут оказаться до
10—15 К выше тех, которые ус-
Рис. 7.4. Определение превыше-
ния температуры экстраполяцией
при номинальном режиме ра-
боты
танавливаются после нескольких
недель эксплуатации.
Особенностью синхронных
машин является то, что в отно-
шении как многих характерис-
тик, так и испытания на нагревание безразлично, в каком ре-
жиме работает машина — в режиме генератора или двигателя,
если только одинаковы напряжения, ток и коэффициент мощ-
ности. При этом, в каком бы режиме ни выполнялось испыта-
ние и каким бы способом ни производилась нагрузка — с по-
глощением энергии или при возвратной работе, при осущест-
влении заданного режима работы следует всегда сначала
устанавливать активную мощность, а затем уже переходить
к необходимой реактивной мощности; отступление от этого пра-
вила ведет только к напрасной потере времени при установле-
нии режима работы.
Асинхронные двигатели, как объекты наиболее массового
производства, отличаются высокой степенью использования,
предел которого определяется допускаемыми превышениями
температуры; поэтому для них испытание на нагревание имеет
решающее значение. При определении рабочих характеристик
даже довольно крупных двигателей значительные удобства
дает нагрузка с поглощением энергии; напротив, при испытании
на нагревание имеет смысл применение возвратной работы
даже для относительно небольших машин, так как при нем
не требуется широкого регулирования нагрузки, но расход
энергии значителен.
8 Заказ № 512
225
Для асинхронных двигателей следует различать два близ-
ких понятия: номинальный ток и ток при номинальной отдавае-
мой мощности, который отличается от предыдущего в пределах
допускаемых отклонений КПД и коэффициента мощности от
нормированных значений. Испытание на нагревание проводится
нормально при номинальном токе, поскольку к моменту испы-
тания на нагревание ток при номинальной отдаваемой мощ-
ности может еще не быть известным; тогда превышение темпе-
ратуры обмотки статора AfK, соответствующее току при номи-
нальной отдаваемой мощности Z, может быть получено
пересчетом превышения температуры Д-&, соответствующего
номинальному току /н:
А^-(///н)2Дй.
По смыслу определения допускаемых отклонений такой
пересчет соответствует условию />/н; в противном случае
превышение температуры обмотки статора должно быть при-
нято равным полученному из опыта при номинальном значении
тока или может быть поставлен вопрос о пересмотре значения
последнего в сторону его уменьшения.
Большинство асинхронных двигателей имеет интенсивную
вентиляцию, всякое нарушение которой ведет к увеличению
измеряемых превышений температуры; в частности, испытание
на нагревание не должно проводиться в стесненной обстановке,
чтобы не было застоя нагретого воздуха, выбрасываемого как
самим испытуемым двигателем, так и другими машинами.
7.6. ИСПЫТАНИЕ НА НАГРЕВАНИЕ КОСВЕННЫМ МЕТОДОМ
Если испытание в режиме номинальной нагрузки невоз-
можно, то допускаются косвенные методы испытания на нагре-
вание. Такие испытания можно проводить только в продолжи-
тельном режиме работы.
Испытание на нагревание косвенным методом для машин
постоянного тока состоит в том, что проводятся испытания
в режимах холостого хода и короткого замыкания генератора
для определения зависимости превышений температуры каж-
дой из частей машины от нагрузки током и от напряжения.
На*основании полученных результатов предопределяются пре-
вышения температуры этих частей при номинальной нагрузке.
Превышение температуры каждой части якоря при номи-
нальной нагрузке может быть предопределено как сумма пре-
вышений температуры этой части при коротком замыкании и
при холостом ходе с возбуждением, в случае надобности умень-
шенная на превышение температуры при холостом ходе без
возбуждения, во всех случаях при номинальнной частоте вра-
щения.
В режиме короткого замыкания якорь нагружен всеми по-
терями, кроме потерь в стали; поэтому если установить, в ка-
226
кой степени последние участвуют в его нагревании, то можно
предопределить превышение температуры якоря при номиналь-
ной нагрузке.
В режиме холостого хода якорь не нагружен током и его
нагревание определяется потерями в стали и механическими
потерями. Трение якоря о воздух (если оно может повлиять на
нагревание) и потери на трение в подшипниках (если они спо-
собны влиять на нагревание машины) остаются неизменными
при постоянной частоте вращения; но потери на трение щеток
на коллекторе, заметно влияющие на температуру якоря,
в опыте холостого хода не те, как в опыте короткого замыка-
ния или при номинальной нагрузке, а потери в переходных
контактах щеток вообще отсутствуют. Поэтому необходимо
устранить потери на трение щеток, подняв все щетки при опыте’
нагревания в режиме холостого хода. Влияние всех остальных
механических потерь устанавливается нагреванием в режиме
холостого хода без возбуждения, также с поднятыми щетками;
впрочем, надобность в этом встречается только в особо быстро-;
ходных машинах. ;
Применение в якорях машин постоянного тока термопреоб-
разователей затруднено, а измерение температуры обмотки
методом сопротивления отличается невысокой точностью вслед-=
ствие как малости сопротивления и трудности его правильного^
измерения, так и невозможности производить его на ходу ма-
шины. Кроме того, все это предполагает, что на нагревание
якоря не влияет нагревание неподвижных частей машины; впро-
чем, в большей части машин постоянного тока это недалеко or
действительности.
Но этого нельзя сказать о нагревании неподвижных частей,
которые омываются воздухом, выходящим из вентиляционных
каналов якоря. При опыте короткого замыкания ток в обмот-
ках добавочных полюсов, последовательного возбуждения и
компенсационной, если они имеются, равен номинальному; по-
ток теплоты, выносимой вентиляционным воздухом из якоря,
меньше, чем при номинальной нагрузке, так как в его создании
не участвуют потери в стали якоря, практически отсутствую-
щие в режиме короткого замыкания. Таким образом, при этом
испытании обмотка возбуждения нагревается почти исключи-
тельно посторонней для нее теплотой.
Напротив, при холостом ходе поток, выходящий из якоря,
определяется практически одними лишь потерями в стали: не-
подвижные обмотки последовательной цепи не выделяют теп-
лоты и обмотка возбуждения нагревается теплотой, выделяю-
щейся в ней самой. Но ток возбуждения при холостом ходе
может отличаться от соответствующего номинальному режиму
работы, так как установлен таким, чтобы только создавать
магнитные нагрузки в якоре, и это затрудняет предопределение
превышений температуры неподвижных обмоток при номиналь-
ном режиме работы.
8* 227
Если провести испытание на нагревание в режиме холо-
стого хода при токе возбуждения, соответствующем номиналь-
ному режиму работы, и пренебречь тем, что поток, а вместе
с ним и потери в стали якоря при этом отличны от соответст-
вующих номинальному режиму работы, то превышение темпе-
ратуры обмотки возбуждения при последнем может быть при-
нято равным сумме превышений температуры при таком ре-
жиме холостого хода и при режиме короткого замыкания
(в случае надобности — с учетом превышения температуры при
холостом ходе без возбуждения). Аналогично можно поступить
и в отношении остальных неподвижных обмоток.
Если почему-либо нежелательно проводить дополнительное
испытание в режиме холостого хода, можно*ограничиться одним
испытанием при потоке, соответствующем номинальной нагрузке,
и пересчитать полученное при нем превышение температуры
обмотки возбуждения пропорционально квадрату ее тока.
Справедливость изложенного в значительной мере зависит
от особенностей случая и потому может вызывать разногласия.
Однако всякий спор о правильности предопределения превыше-
ний температуры имеет смысл, лишь когда последние близки
к предельно допускаемым. Если же достаточно ясно, что дан-
ная обмотка имеет запас по нагреванию, то ошибка в предоп-
ределении ее температуры в ту или иную сторону теряет ост-
роту.
Для синхронных машин испытание на нагревание косвен-
ным методом имеет особенно большое значение, поскольку их
испытание в номинальном режиме работы осуществляется
труднее.
Ни один из опытов, которые могут быть проведены, не дает
возможности определить нагревание машины каким-либо од-
ним видом потерь, кроме механических.
Испытание на нагревание в режиме короткого замыкания
при номинальном токе дает превышение температуры, которое
определяется полными потерями короткого замыкания, полными
механическими потерями (вентиляционными и на трение в под-
шипниках) и пониженными потерями на возбуждение, по-
скольку ток возбуждения при коротком замыкании меньше, чем
при нагрузке.
Испытание на нагревание в режиме холостого хода при но-
минальном напряжении дает превышение температуры, опреде-
ляемое полными потерями в стали (как основными, так и доба-
вочными), полными механическими потерями и пониженными
потерями на возбуждение, так как и при холостом ходе ток
возбуждения меньше, чем при нагрузке.
Испытание на нагревание в режиме холостого хода без воз-
буждения дает превышение температуры только за счет механи-
ческих потерь; потери всех остальных видов отсутствуют.
Испытание на нагревание в режиме холостого хода при по-
вышенном напряжении отличается тем, что при нем потери
228
в стали и потери на возбуждение преувеличены. Во избежание
перегревания сердечника статора не следует поднимать напря-
жение выше 115—125 % номинального.
В основу косвенного метода испытания на нагревание по-
ложено упрощающее предположение, что взаимное влияние на-
греваний различных частей машины отсутствует; на этом осно-
вании, если обозначить повышения температуры обмотки
якоря, полученные из первых трех опытов, через Дйк, ДОо и
ДФмех, то в режиме номинальной нагрузки превышение темпе-
ратуры должно быть равно
Д^н = Д^к-|-Д'О'о—
Сделанное предположение тем более справедливо, чем интен-
сивнее охлаждение испытуемой машины, особенно когда приме-
няется жидкостное охлаждение. Для определения превышения
температуры обмотки якоря четвертый опыт — при холостом
ходе с повышенным напряжением — не используется.
Для определения превышения температуры обмотки индук-
тора, соответствующего номинальному режиму работы, при ко-
тором ток возбуждения больше, чем в любом из перечисленных
четырех опытов, следует откладывать на графике полученные
в этих опытах превышения температуры в зависимости от по-
терь в обмотке, при каждом из них, вычисляемых как произ-
ведение квадрата соответствующего тока возбуждения I на со-
противление обмотки индуктора, приведенное к полученной
в опыте температуре обмотки, т. е. Искомое превышение
температуры при номинальном режиме работы определяется
экстраполяцией полученной зависимости, весьма близкой
к прямолинейной, на значение потерь в обмотке при этом ре-
жиме работы (рис. 7.4); его приходится находить последова-
тельными приближениями, поскольку номинальный ток возбуж-
дения предполагается уже известным, но соответствующее ему
превышение температуры само является искомым.
Продолжительное вращение при повышенном напряжении
в последнем опыте может представлять опасность для изоля-
ции обмотки якоря, сильно подогреваемой ненормально повы-
шенными потерями в стали сердечника; поэтому при номиналь-
ном напряжении обмотки 3000 В и выше настоятельно рекомен-
дуется размыкать ее нейтраль. В этом случае наибольшее на-
пряжение, которое может иметь любая часть обмотки по
отношению к корпусу, равно всего лишь половине фазного на-
пряжения, потому что действие распределенной емкости об-
мотки равносильно соединению с корпусом середины каждой
фазы.
7.7. ИСПЫТАНИЕ НА НАГРЕВАНИЕ ПРИ ИСКУССТВЕННО» НАГРУЗКЕ
Для машин постоянного тока испытание на нагревание
возможно как в режиме естественной нагрузки, так и косвен-
ным методом, когда машина поочередно нагружается потерями
229
разных видов; но для синхронной машины возможен еще один
вид испытания на нагревание, когда машина нагружается сразу
потерями всех видов, правда, не совсем в естественных соотно-
шениях, но активной мощности не производит,— испытание
в режиме компенсатора.
Для машин, действительно предназначенных для работы
в этом режиме, испытание в нем на заводе-изготовителе ослож-
нено тем, что оно требует наличия соответствующего прием-
ника реактивной мощности; при современных крупных энерге-
тических системах это само по себе не представляет особых
затруднений, но дело осложняется тем, что регулирование на-
пряжения такого приемника очень затруднено и сильно стес-
нены условия пользования им: начать выдачу в систему
сколько-нибудь . значительной реактивной мощности можно
только по согласованию с ее органами управления, а раз на-
чав такую выдачу, столь же трудно ее прекратить.
Однако для машин умеренной мощности режим компенса-
тора, обеспечиваемый собственными средствами хорошо обору-
дованной испытательной станции, может быть применен для ис-
пытания на нагревание в условиях, довольно близких к номи-
нальным. Первым из таких опытов является испытание при
номинальных значениях напряжения и тока якоря, если только
его допустит необходимое повышение тока возбуждения; полу-
чаемые превышения температуры обмотки и особенно стали
якоря преувеличены, но если они не выходят из пределов до-
пускаемых, задачу можно считать решенной.
Если ток возбуждения получается больше допустимого, то
приходится проводить 3—4 опыта при номинальном напряже-
нии и пониженных значениях тока якоря, а следовательно, и
тока возбуждения, причем один из них должен быть проведен
при номинальном значении тока возбуждения; тогда превыше-
ния температуры обмотки и стали якоря определяются экстра-
поляцией измеренных значений.
Другим способом является испытание при номинальных зна-
чениях токов якоря и возбуждения и пониженном напряжении;
если потери в стали, как это обычно бывает, не превосходят
потерь в обмотке якоря при коротком замыкании, то превыше-
ние температуры обмотки якоря принимается равным измерен-
ному без введения поправки для учета разницы, вносимой по-
терями в стали, которые в номинальном режиме работы будут
больше, чем в режиме данного испытания.
Если же, как иногда бывает, потери в стали больше потерь
в обмотке якоря при коротком замыкании, то для учета влия-
ния потерь в стали на превышение температуры обмотки якоря
следует провести дополнительно два опыта холостого хода:
один — при номинальном напряжении, а другой — при напря-
жении, соответствующем опыту с номинальными значениями
токов якоря и возбуждения. Разность превышений температуры
обмотки якоря в этих опытах дает искомую поправку.
230
Испытание на нагревание асинхронных двигателей ё режи-
мах искусственной нагрузки стандартами не предусматрива-
ется; однако необходимо упомянуть о предложенном в недавнее
время способе испытания при питании обмотки статора двумя
частотами — номинальной и пониженной примерно на 10 %. Для
этого последовательно с источником питания нормальной ча-
стоты включается еще один источник с частотой, регулируемой
так, чтобы в двигателе установился номинальный ток при но-
минальном напряжении. Так как подключение источника пони-
женной частоты к распределительной сети не может быть до-
пущено, источником основного питания должен служить отдель-
ный генератор; источник пониженной частоты может вклю-
чаться либо непосредственно между ним и объектом испыта-
ния, либо через вольтодобавочный трансформатор, либо в ра-
зомкнутую нейтраль объекта испытания, если она выведена,
либо, наконец, в нейтраль источника основного питания. Хотя
мощность, расходуемая основным источником, невелика, его но-
минальная мощность должна быть не меньшей, чем у объекта
испытания; это сильно ограничивает применимость данного ме-
тода.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ИСПЫТАНИЕ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
3.1. ПРОГРАММЫ ПРИЕМОЧНЫХ
И ПРИЕМО-СДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ
В качестве обязательной установлена следующая программа
приемочного испытания машин постоянного тока:
* измерение сопротивления изоляции обмоток по отношению
к корпусу машины и между обмотками;
* измерение сопротивлений "обмоток при постоянном токе
в практически холодном состоянии;
* испытание при повышенной частоте вращения;
* испытание изоляции обмоток относительно корпуса ма-
шины и между обмотками на электрическую прочность;
* испытание междувитковой изоляции обмоток якоря на
электрическую прочность;
* определение тока возбуждения генератора или частоты
вращения двигателя при холостом ходе (для двигателей с по-
следовательном возбуждением — при независимом возбужде-
нии) ;
* проверка коммутации при номинальной нагрузке и кратко-
временной перегрузке по току (для машин мощностью свыше
500 кВт допускается проводить в режиме короткого замыка-
ния);
231
определение характеристики холостого хода;
определение внешней характеристики генератора или меха-
нической (скоростной) характеристики двигателя (если это
указано в стандартах или технических условиях на конкретные
виды машин);
определение регулировочной характеристики генератора или
двигателя для машин мощностью до 500 кВт; при большей мощ-
ности — если это указано в стандартах или технических усло-
виях на конкретные виды машин;
испытание на нагревание;
определение области безыскровой работы (для машин с до-
бавочными полюсами);
определение коэффициента полезного действия;
измерение вибраций;
измерение биения коллектора (если это указано в стандар-
тах или технических условиях на конкретные виды машин);
измерение радиопомех;
измерение уровня шума.
Пункты этой программы, отмеченные звездочкой, состав-
ляют программу приемо-сдаточных испытаний.
Нумерация пунктов программы не предопределяет порядок
их чередования в процессе проведения испытаний; кроме об-
щих испытаний, рассмотренных во второй главе, ведущему ис-
пытания предоставляется возможность установить такой поря-
док чередования испытаний, который является лучшим в отно-
шении операций по переключениям при переходе от одного-
испытания к другому и экономии энергии.
8.2. ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ СОЕДИНЕНИИ
ЧАСТЕЙ ОБМОТОК
Ошибки в соединениях при сборке машин постоянного тока
встречаются очень часто; большинство их приходится на долю
соединений внутри магнитной системы. Обнаружение этих оши-
бок в собранной машине зачаетую требует ее разборки для их
устранения, что вызывает потерю времени. Поэтому целесооб-
разно производить проверку правильности соединений до-
сборки, когда магнитная система доступна.
Внутренние соединения машины постоянного тока можно
разделить на соединения между отдельными частями (катуш-
ками или секциями) какой-либо обмотки и соединения целых
обмоток между собой или с доской выводов. К первой группе
могут быть отнесены только соединения между катушками от-
дельных полюсов — главных и добавочных.
На главных полюсах могут находиться обмотки параллель-
ного возбуждения, последовательного возбуждения, независи-
мого возбуждения, пусковые, уравнительные и особого назна-
чения. На добавочных полюсах могут находиться обмотки по-
следовательные (основные) и параллельного или независимого-
232
питания (вспомогательные). Компенсационные обмотки, хотя
заложены в пазы полюсных наконечников главных полюсов,
но создают намагничивание по оси добавочных полюсов,
с обмотками которых соединяются наглухо.
Катушки обмоток соединяются между собой так, чтобы
образовывать на соседних полюсах противоположные поляр-
ности, что может быть достигнуто одним из следующих спосо-
бов.
Катушки данной обмотки для всех полюсов выполняются
одинаковыми, но соединяются между собой так, что обтека-
ются током попеременно в противоположных направлениях
(рис. 8.1, а): конец К1 соединяется с концом К2, начало Н2—
с началом НЗ, конец КЗ —с концом К4 и т. д.
Одинаковые катушки могут быть соединены через полюс:
конец К1 — с началом НЗ, конец КЗ — с началом Н5 и т. д.
для нечетных полюсов и конец К2 — с началом Н4, конец К4 —
с началом Н6 и т. д. для четных; образуются две группы ка-
тушек — нечетных и четных полюсов; они могут быть соеди-
нены как последовательно (рис. 8.1, б), так и параллельно.
Катушки нечетных полюсов наматываются в одном направ-
лении, а четных — в другом и соединяются так: конец К1 —
с началом Н2, конец К2 — с началом НЗ и т. д. (рис. 8.1, в);
все соединения имеют одну форму и размеры, что не лишено
преимуществ; но изготовление осложняется намоткой «правых»
и «левых» катушек, и такой способ применяется реже первых
двух.
В машинах на большие токи применяется параллельное или
смешанное соединение катушек обмоток последовательной цепи
как главных, так и добавочных полюсов; соединения должны
быть выполнены так, чтобы соседние полюсы обтекались то-
ком в противоположных направлениях.
Обычно обмотки распределяются поровну между полюсами,
однако иногда накладываются через один полюс, как, напри-
мер, последовательные обмотки слабоком'паундированных ма-
233
шин низкого напряжения; встречаются мелкие машины с по-
ловинным числом добавочных полюсов. В таких случаях об-
мотка должна образовывать одинаковую полярность на этих
полюсах.
Для проверки соединения катушек могут быть применены
следующие способы.
Осмотр с прослеживанием направления обтекания полюсов
током, условием возможности которого является доступность
катушек и соединений между ними. Он применим, когда ка-
тушки не покрыты изолирующими оболочками, особенно если
они состоят из небольшого числа витков, так что легко про-
следить направление намотки; но если это не удается, способ
может быть применен, когда известно, что все катушки данной
обмотки одинаковы.
Способ магнитной стрелки, инструментом для которого слу-
жит стрелка, подвешенная на нити, очень нагляден. Пользо-
ваться компасом в оправе не следует, так как его стрелка, имея
ограниченную подвижность, при неосторожном обращении пе-
ремагничивается, что ведет к ошибкам. Этот способ легче при-
менять до сборки машины; подавая питание в рассматриваемую
обмотку и поднося стрелку к поверхностям полюсных наконеч-
ников, легко проследить направления линий поля.
Обмотки последовательного питания в машинах на боль-
шие токи состоят обычно из небольшого числа витков; питать
их токами, соизмеримыми с номинальным, не всегда удается,
и создаваемые ими поля оказываются очень слабыми; если
магнитная система уже обладает остаточным намагничиванием,
то отличить эти поля от него затруднительно. В таких случаях
следует до подачи питания в обмотку держать стрелку на та-
ком расстоянии от одного из полюсов, чтобы ее подвеска только
незначительно отклонялась от вертикали, и затем начать пода-
вать питание. Если оно создает намагничивание, совпадающее
по направлению с остаточным, то подвеска сильнее отклонится
от вертикали; тогда, подав питание, возможное по условиям
опыта, можно приступить к проверке описанным способом.
Если же направления не совпадают, то отклонение подвескя от
вертикали при подаче питания сначала начнет уменьшаться,
а затем, когда намагничивание станет сильнее остаточного,
стрелка повернется на Ъол-оборота.
Способ магнитной стрелки может быть применен в собран-
ной машине, если есть доступ к полюсным наконечникам; для
этого стрелку на очень короткой нити следует подвесить на
конце длинного прутка из немагнитного и неэлектропроводного
материала.
Если полюсные наконечники недоступны, например при за-
крытом исполнении машины, то после подачи питания в рас-
сматриваемую обмотку стрелка подносится к головкам болтов,
крепящих полюс к ярму, и указывает полярность, противопо-
ложную той, которую имеет данный полюс на активной поверх-
234
ности. Однако это требует сильного питания обмотки и для об-
моток последовательного питания неудобно.
Способ пробной катушки также требует питания рассматри-
ваемой обмотки; инструментом для него является плоская ка-
тушка произвольной формы, намотанная из возможно боль-
шего числа концентрических витков тонкой изолированной про-
волоки, по возможности плотнее приклеенных в один слой
к пластине картона, целлулоида и т. п. Целесообразно вклады-
вать ее в футляр из немагнитного материала, защищающий от
повреждений.
Катушка присоединяется к флюксметру, а в случае его от-
сутствия — к чувствительному магнитоэлектрическому прибору;
обычно достаточно применения технического милливольтметра.
Для проверки наблюдаются отклонения стрелки прибора либо
при отключении питания обмотки полюсов, к поверхностям ко-
торых прикладывается катушка, либо при ее быстром сдерги-
вании с этих поверхностей. Первый способ позволяет исклю-
чить влияние остаточного намагничивания, что существенно при
проверке обмоток последовательного питания, но второй проще
в выполнении.
Способ пробной катушки применим и в несобранной, и в со-
бранной машине, но в последнем случае — когда конструкция
машины позволяет вводить катушку в зазор между полюсами
и якорем. Если же этого сделать нельзя, то следует приклады-
вать катушку к поверхности головок полюсных болтов; в этом
случае предпочтительнее отключение питания, нежели сдерги-
вание катушки.
Соединение катушек обмотки правильно, если под сосед-
ними полюсами получаются отклонения прибора в разные сто-
роны, при условии, что пробная катушка обращена к полюсам
всегда одной и той же стороной. Применение флюксметра по-
зволяет производить не только качественную, но и количест-
венную оценку; так, например, если катушки на каждом по-
люсе состоят из нескольких частей, как это иногда делается
для улучшения охлаждения в обмотках параллельного или не-
зависимого возбуждения («дисковые обмотки»), то в случае
неправильного соединения на каком-либо полюсе отдельных
частей отклонение флюксметра окажется много меньшим, чем
для прочих полюсов.
В некоторых случаях не представляется возможным подверг-
нуть испытанию на заводе-изготовителе готовую машину или
ее часть, например отдельный якорь, запасный или ремонтный,
когда к нему не удается подобрать подходящую магнитную си-
стему.
В таких случаях следует производить проверку правиль-
ности схемы обмотки якоря и отсутствия в ней обрывов и
коротких замыканий секций или витков. Проверка состоит в из-
мерении сопротивлений отдельных секций: при петлевой об-
мотке— между каждыми двумя соседними пластинами коллек-
235
тора, а при волновой — между пластинами, номера которых раз-
нятся на полный шаг обмотки по коллектору.
У волновой обмотки нужно предварительно проверить шаг,
для чего следует найти пластины, между которыми измеренное
сопротивление имеет наименьшее значение; расстояние между
ними примерно равно двойному полюсному делению. Отступле-
ние на одну пластину в любую сторону дает возрастание из-
меренного сопротивления в несколько раз, кроме четырехполюс-
ной обмотки, в которой две соседние пластины дают одно и
и то же сопротивление с пластиной, находящейся на противо-
положном конце диаметра коллектора.
Таким путем измеряется сопротивление не одной секции,
а сложного контура, одну из параллельных ветвей которого со-
ставляет данная секция, а другую — вся остальная обмотка,
которая при уравнительных соединениях состоит из ряда
сложно соединенных параллельных ветвей.
Однако сопротивление одной секции в несколько раз меньше,
чем у всей остальной части обмотки; поэтому отступления из-
меренного значения как в большую сторону, например при
плохой пайке соединений, а тем более при обрыве, так и в мень-
шую сторону — при коротком замыкании секции или ее части
этим способом отчетливо обнаруживаются. Когда секции неоди-
наковы (например, секции с более длинными лобовыми частями
при переходе ступенчатой обмотки из одного паза в другой),
это обнаруживается правильным периодическим изменением из-
меряемого сопротивления по окружности коллектора.
При простой петлевой обмотке без уравнительных соедине-
ний, а также при однократнозамкнутой обмотке с нечетным
числом пар полюсов питание обмотки якоря подается через
две пластины коллектора, расположенные по концам его диа-
метра; падение напряжения на отдельных секциях измеряется
между каждой парой соответствующих им пластин милливольт-
метром с игольчатыми щупами. При четном числе пар полюсов
точки подвода питания должны быть удалены одна от другой
на нечетное число полюсных делений; желательно, чтобы, по
крайней мере, одна из них совпадала с точкой подключения
уравнительных соединений.
Исправность уравнительных соединений может быть прове-
рена измерением сопротивлений между пластинами на рассто-
янии шага уравнительных соединений по коллектору, равного
частному от деления общего числа пластин на число пар по-
люсов. Если обмотка имеет полное число уравнительных соеди-
нений, то измеренное сопротивление между любыми двумя та-
кими пластинами должно быть одним и тем же и всякое за-
метное его увеличение свидетельствует о нарушенной пайке или
обрыве. Если же обмотка снабжена только частью возможных
соединений, то измеренные сопротивления будут регулярно че-
редоваться между наименьшим значением, соответствующим
измерению между пластинами, имеющими уравнительные сое-
236
динения, и наибольшим, соответствующим измерению между
пластинами, наиболее удаленными от снабженных соедине-
ниями. При проведении опытов в собранной машине все щетки
должны быть подняты.
При подъеме напряжения и принятии нагрузки в обмотке
вращающегося якоря могут обнаружиться замыкания и обрывы,
которых до этого не было; тем не менее проверка позволяет
обнаружить наиболее явные из них. Кроме того, описанные из-
мерения помогают проверить правильность выполнения обмотки,
особенно в якорях со сложными обмотками и при неполных
числах уравнительных соединений, ошибки в выполнении ко-
торых всегда возможны.
Пример. Якорь возбудителя гидрогенератора был выпущен без испытания
на ходу; была произведена только проверка падений напряжения между
пластинами, показавшая отсутствие обрывов замыканий. На месте уста-
новки было обнаружено, что напряжение в'пять раз меньше ожидаемого.
Якорь имел следующие данные: число полюсов 2р= 16, число секций и пла-
стин коллектора К=534; обмотка волновая двухходовая однократнозамкну-
тая, с числом параллельных ветвей 2а=4, с 13 уравнительными соединениями
второго рода и должна иметь шаги: #1=34, #2=33. При расследовании вы-
яснилось, что ошибочно был взят шаг #2=34, а все остальное, в том числе и
уравнительные соединения, выполнено правильно. В результате обмотка
превратилась в двукратнозамкнутую пятиходовую, с числом параллельных
ветвей 2а—20, в пять раз большим заданного.
Ошибка была бы своевременно обнаружена проверкой шага обмотки,
которая показала бы, что наименьшее сопротивление получается между пла-
стинами 1 и 69, а не 1 и 68, как должно быть.
8.3. ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ
ЦЕЛЫХ ОБМОТОК
В машинах постоянного тока для определения понятий «на-
чало» и «конец» обмоток установлено правило: при правом,
вращении в режиме двигателя ток во всех обмотках (за исклю-
чением размагничивающих обмоток на главных полюсах) дол-
жен протекать в направлении от начала (1) к концу (2); под
правым вращением понимается вращение по часовой стрелке,
если смотреть на машину со стороны приводного конца вала,
а в машинах с двумя приводными концами вала — со стороны,
противоположной коллектору.
Проверка правильности соединения целых обмоток между
собой сводится к определению их начал и концов; в приложе-
нии 2 даны таблицы обозначений выводов обмоток электри-
ческих машин всех видов. При этом соблюдаются следующие
правила.
1. Начало обмотки якоря — на щетках той полярности,
к которой присоединяется положительный провод сети незави-
симо от режима генератора или двигателя (рис. 8.2).
2. В якорях с барабанными обмотками и радиальными пе-
тушками щетки на коллекторе располагаются примерно против
середины главных полюсов; определение полярности щеток по
237
отношению к полярности главных полюсов — по табл. 8.1.
Нормально используемые типы обмоток — петлевая прямоходо-
вая и волновая обратноходовая; волновая прямоходовая и
петлевая обратноходовая применяются редко.
Для петлевых обмоток с уравнительными соединениями
в петушках полярность щеток такая же, как для волновых об-
моток.
Дбигатель
Гоператор
ное Воз5уждение\\_Ё2_
Рис. 8.2. Соединения обмоток при различных системах возбуждения, режи-
мах работы и направлениях вращения
3. При переходе от режима двигателя к режиму генератора
или обратно с сохранением направления вращения ток в якоре
и в обмотках последовательной цепи изменяет направление,
Таблица 8J
Тип обмотки Разновидность обмотки по ходу Направление вращения
правое левое
N S N S
Петлевая Прямоходовая + — — +
Обратноходовая — + + —
Волновая Прямоходовая — + + —
Обратноходовая + — —. +
238
а в обмотках параллельного или независимого питания глав-
ных полюсов сохраняет его.
4. При перемене направления вращения с сохранением ре-
жима двигателя или генератора направление тока изменяется
на обратное в обмотках либо последовательной цепи, либо па-
раллельного или независимого питания главных полюсов.
5. По направлению вращения машины после каждого глав-
ного полюса следует добавочный полюс той же полярности при
работе в режиме двигателя и противоположной полярности при
работе в режиме генератора.
6. Один из выводов обмотки добавочных полюсов соединя-
ется со щеточной травер-
сой наглухо; будучи уста- d$lr>r\——ooJLL
новлено, это соединение не С1 02
нарушается, если только
траверса не поворачивается
на полюсное давление в ка-
кую-либо сторону. Когда
обмотка добавочных полю-
сов разбивается на две
равные части, включаемые
по обе стороны якоря для
облегчения борьбы с радио-
помехами, соединение про-
изводится наглухо в сле-
дующем порядке (рис. 8.3):
Рис. 8.3. Симметрирование коммутирую-
щих обмоток и дополнительные выводы
обмоток возбуждения
1В1 —1В2—Al—А2—2В1 —2В2.
7. Каждая катушка компенсационной обмотки соединяется
последовательно с катушкой охватываемого ею добавочного по-
люса; все катушки прочих обмоток последовательной цепи сна-
чала соединяются между собой, а затем производятся соедине-
ния между целыми обмотками.
8. Обозначения начал и концов всех обмоток можно одно-
временно поменять местами.
Если в результате проверки соединений между катушками
стала известной полярность полюсов, создаваемая всеми об-
мотками, и известен тип обмотки якоря, то определение начал
и концов обмоток не требует дополнительных опытов. Если же
зависимость полярности полюсов от направления тока неиз-
вестна или неизвестен тип обмотки якоря, то необходимы до-
полнительные опыты, которые в отличие от предыдущих целе-
сообразнее проводить в собранной машине, хотя в отдельных
случаях они могут быть проведены и в несобранной машине.
Пусть N — полное число активных сторон секций обмотки
якоря (включая и мертвые, если они имеются) и р — число пар
полюсов машины; тогда, обозначив через шаг обмотки по
активным сторонам секций со стороны, противоположной кол-
лектору, и через У2 — шаг со стороны коллектора, можно сфор-
239
мулировать правило: петлевая обмотка является прямоходо-
вой, если У\>У2, и обратноходовой, если У\<уг\ волновая
обмотка является прямоходовой, если 2p(y\+y<z)>N, и обратно-
ходовой, если 2p(yi+y2)<N.
Когда сведений об обмотке нет, то ее тип может быть опре-
делен одним из следующих способов.
Способ питания якоря током. Если подвести к неподвиж-
ному якорю ток через щетки, то на протяжении каждого полюс-
ного деления во всех проводниках обмотки направление тока
будет одним и тем же: на полюсном делении, против середины
которого находятся щетки положительной полярности питания,
при петлевой прямоходовой и волновой обратноходовой обмот-
ках ток направлен от коллектора, а при петлевой обратноходо-
вой и волновой прямоходовой — к коллектору.
Ток в обмотке якоря создает поле реакции, полюсы кото-
рого расположены между главными полюсами или против до-
бавочных полюсов (если они имеются). Полярность этого поля
определяется направлениями токов в проводниках по правилу
буравчика: если смотреть на поверхность якоря сверху со сто-
роны коллектора, то при нормально применяемых типах обмо-
ток левее щеток положительной полярности лежат северные
полюсы поля реакции, а правее их — южные, а при редко при-
меняемых, наоборот, левее ' щеток положительной полярности
лежат южные полюсы поля реакции, а правее их — северные.
Подав питание в обмотку якоря через щетки в обход об-
мотки добавочных полюсов, следует определить полярность
поля реакции способами магнитной стрелки или пробной ка-
тушки; первый удобнее в машинах без добавочных полюсов,
а второй, особенно с применением флюксметра,— в машинах
с добавочными полюсами.
Способ вращения якоря. Если подать в обмотку главных
полюсов питание и определить их полярность, а затем присое-
динить к щеткам магнитоэлектрический прибор и вращать
якорь вручную или посторонним двигателем, то прибор пока-
жет полярность ЭДС, индуктированной в якоре. Сопоставле-
ние ее с полярностью главных полюсов и направлением враще-
ния позволяет определить тип обмотки на основании табл. 8.1.
Способ пуска в режим двигателя. Если при известной по-
лярности главных полюсов подать питание в якорь так, что
против северных полюсов будут находиться щетки положитель-
ной полярности, то якорь придет в правое вращение, если смот-
реть со стороны приводного конца вала, при нормально при-
меняемых типах обмоток и в левое — при редко применяемых
типах.
Способ отключения питания добавочных полюсов. Если по-
дать питание в обмотку добавочных полюсов, то при его от-
ключении в обмотке якоря будет индуктироваться ЭДС, кото-
рая может быть обнаружена магнитоэлектрическим прибором,
присоединенным к щеткам.
240
Если смотреть на поверхность якоря сверху и со стороны
коллектора, то направление ЭДС в проводниках якоря при от-
ключении питания будет от коллектора по левую сторону от
северного добавочного полюса и к коллектору по правую сто-
рону от этого полюса; при нормально применяемых типах об-
моток положительными будут щетки, лежащие правее северных
добавочных полюсов.
Если по местным условиям невозможно обеспечить питание
обмоток постоянным током, достаточным для получения надеж-
ных показаний применяемых приборов, то правильность соеди-
нения обмотки добавочных полюсов с якорем может быть про-
верена подачей питания переменным током в цепь, состоящую
из обмотки якоря и обмотки добавочных полюсов; по способу
вольтметра и амперметра измеряется ее полное сопротивление.
Затем либо щеточная траверса поворачивается на одно полюс-
ное деление, либо если это нежелательно, то соединение обмотки
якоря с обмоткой добавочных полюсов изменяется на противо-
положное, и измерение повторяется. Правильным является то
соединение, при котором измеренное сопротивление меньше,
так как при нем магнитные потоки, создаваемые обеими обмот-
ками, направлены встречно. В качестве источника переменного
тока может быть использован сварочный трансформатор с ре-
актором для регулирования тока или трансформатор для пита-
ния переносных ламп низкого напряжения.
Аналогично может быть произведена проверка правильности
включения последовательной обмотки возбуждения; для этого
следует сдвинуть щетки на половину полюсного деления в про-
извольную сторону и произвести два измерения полного сопро-
тивления, как и в предыдущем случае. Меньшее значение пол-
ного сопротивления указывает, что полярность, образуемая
последовательной обмоткой возбуждения, совпадает с поляр-
ностью потока реакции якоря. В соответствии с требованиями
каждого данного случая на этом основании можно судить, ка-
ково должно быть включение последовательной обмотки воз-
буждения.
Пример. Требуется проверить соединения между обмотками генератора
с добавочными полюсами и со смешанным возбуждением, имеющего левое
вращение. Обмотка якоря — волновая обратноходовая; полярность главных
полюсов, создаваемая параллельной обмоткой возбуждения, проверена опы-
том, а полярности, создаваемые последовательной обмоткой возбуждения и
обмоткой добавочных полюсов, определены осмотром. В двигателе правого
вращения соединения обмоток должны быть:
( + ) “> Al -> В2—>- D2 —D1 -> ( —)
I
I—^Регулятор возбуждения—>Е1-> Е2—!
Если, не изменяя направления вращения, перевести машину в режим
генератора, то все эти соединения сохранятся. Направление тока в якоре из-
менится на обратное, но одновременно изменятся направления тока в об-
мотке добавочных полюсов и в последовательной обмотке. Если присоедине-
241
ние параллельной обмотки возбуждения осталось прежним, то и направление
тока в ней сохранилось; поэтому последовательная обмотка возбуждения,
размагничивавшая машину в режиме двигателя, теперь будет намагничивать-
ее. Направление токов при этом
( + ) ч- Al ч- В2 ч- D2 ч- D1 ч- (—)
I
I—^-Регулятор возбуждения-ч-Е1 —ч Е2—'
Эти соединения удовлетворяли бы требованиям, если бы машина имела
правое вращение; но по условию генератор должен иметь левое. Если изме-
нить направления токов в якоре, в обмотке добавочных полюсов и в после-
довательной обмотке возбуждения, то направление вращения изменится, но
последовательная обмотка возбуждения, намагничивавшая машину, будет ее
размагничивать. Поэтому соединения должны быть изменены следующим
образом:
(+ ) ч- D2 ч— D1 ч— В2 ч— А1 ч- (-)
I t
1->-Регулятор возбуждения—>Е1—>-Е2—!
Вместо изменения направлений токов в обмотках последовательной цепи
можно изменить направление тока в параллельной обмотке возбуждения, х
установив направление тока в последовательной обмотке возбуждения таким,
чтобы она намагничивала машину:
( + ) ч— А1 ч— В2 ч—D1 - > D2 ч- ( —)
I t
Ерегулятор возбуждения—>Е2—>Е1—J
Последовательная обмотка возбуждения может быть перенесена с со-
хранением направления тока на противоположную сторону якоря.
Выбор варианта соединений определяется удобством; но
в отдельных случаях он может зависеть от существующего
в машине остаточного намагничивания, если последнее по мест-
ным условиям не может быть изменено, например из-за отсут-
ствия источника постоянного тока: чтобы машина самовозбуж-
далась, направление тока в параллельной обмотке возбужде-
ния должно быть таким, при котором она усиливает поле
остаточного намагничивания, а не ослабляет его.
При начале проверки любая полярность щеток может быть
условно принята за положительную. Из табл. 8.1 следует, что
при данном типе обмотки якоря против щеток положительной
полярности должны находиться южные главные полюсы; сле-
довательно, может быть отмечен вывод параллельной обмотки
возбуждения, к которому должен быть присоединен положи-
тельный проводник питания, чтобы она создала нужную поляр-
ность главных полюсов. Эту же полярность должна создавать
последовательная обмотка возбуждения, что дает возможность
отметить ее вывод, в который ток должен входить. Наконец,
учитывая, что в генераторе после каждого главного полюса по
направлению вращения машины должен следовать добавочный
242
полюс противоположной полярности, можно отметить вывод об-
мотки добавочных полюсов, в который ток должен входить для
образования нужной полярности.
8.4. ОСМОТР ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРА
Состояние поверхности коллектора очень важно для работы
машины; поэтому перед началом испытания необходимо убе-
диться, что оно соответствует следующим требованиям:
коллектор не должен иметь биения, препятствующего пра-
вильной работе щеточного аппарата;
все образующие его рабочей поверхности должны быть
прямолинейны;
изоляция между пластинами не должна выступать над ра-
бочей поверхностью;
на рабочей поверхности не должно быть заметных следов
резца, выбоин, пятен лака, краски и т. п., а также нагара от
предшествовавшей неудовлетворительной работы щеточного ап-
парата;
пластины не должны иметь острых краев, заусенцев и т. д.;
в машинах высокого напряжения и больших мощностей углы
пластин на торце коллектора должны быть завалены;
промежутки между пластинами должны быть совершенно
чисты — в них не должно ; быть металлических стружек или
опилок, пыли или кусочков графита от щеток, масла, лака, ка-
нифоли и олова от пайки и т. д.
Биение коллектора может иметь различный характер. Наи-
менее опасный вид биения — от эксцентричности* поверхности
по причине недостаточно правильной центровки при обточке
коллектора или его посадочных поверхностей. Чем выше ча-
стота вращения коллектора и его окружная скорость, тем
меньше допустимое биение этого рода. В быстроходных маши-
нах с частотой вращения до 3000 об/мин и с окружными скорос-
тями до 45—55 м/с, как, например, возбудители турбогенера-
торов, предельным допустимым биением такого рода нужно счи-
тать 0,02—0,025 мм, а при еще более высоких окружных
скоростях — и того менее. В тихоходных машинах, таких, как
возбудители гидрогенераторов, крупные прокатные двигатели,
дизель-генераторы, легко заметное на глаз биение, достигаю-
щее нескольких десятых долей миллиметра, вредного влияния
на работу не оказывает.
Значительно опаснее биение, обусловленное выступанием или
провалом отдельных пластин или групп пластин и свидетель-
ствующее о дефектах изготовления; при работе машины оно
вызывает образование местных нагаров из-за искрения щеток
и ведет к разрушению щеток и их арматуры. Поэтому биение
такого рода не может быть допущено.
Иногда встречается, что вследствие неправильностей обра-
ботки профиль коллектора принимает форму многоугольника
243
с закругленными углами, например шестиугольника. Такое бие-
ние также ведет к разрушению щеток и не должно быть допу-
щено.
На ходу машины биение коллектора проявляется в вибра-
ции щеток; при низких и средних частотах вращения — при-
мерно до 750 об/мин — отчетливо ощущается разница между
эксцентричностью коллектора и местными нарушениями его
поверхности; первая воспринимается как непрерывное плавное
колебательное движение щеток в обоймах щеткодержателей, вто-
рые проявляются дробными ударами. Шум от трения щеток
на коллекторе также имеет различный характер: в первом слу-
чае он ощущается как правильно вибрирующее шуршание, то,
возрастающее по интенсивности, то убывающее с каждым обо-
ротом коллектора; во втором — принимает характер дроби
в виде отдельных резких ударов на фоне более или менее рав-
номерного общего шуршащего звука. При более высокой частоте
вращения осязательные или слуховые восприятия труднее раз-
личимы не только из-за увеличения частоты колебаний, но и
вследствие общей вибрации машины и вентиляционного шума,,
на фоне которых вибрация и шум щеток теряются.
Напротив, при самых низких частотах вращения, например-
при выбеге машины, ощущения от эксцентричности постепенно-
исчезают, в то время как нарушение правильности поверхности
почти до самой остановки проявляется дробным стуком щеток.
От вибрации щеток, обусловленной нарушениями цилинд-
ричности коллектора, следует отличать вибрацию, происходя-
щую от неблагоприятных соотношений коэффициента трения,
кинематических особенностей щеткодержателей, окружной ско-
рости, давления на щетки и отношения ширины щетки к ши-
рине пластины коллектора, при которых наступает резонанс.
Этот вид вибрации разрушительно действует на щетки; в слабо-
выраженных случаях на их поверхности отпечатываются неров-
ности обоймы щеткодержателя, а в более сильно выраженных
случаях щетка приобретает форму «сапожка»: передняя грань
срабатывается под углом, а из-под обоймы высовывается уз-
кий носок.
Эта вибрация сопровождается резким визжащим шумом вы-
сокого тона, заметно зависящим от нагрузки щеток током.
Явление характерно для щеток с высоким значением коэффици-
ента трения, падающим с увеличением плотности тока под щет-
кой; по мере повышения нагрузки машины шум обычно зати-
хает. Так, например, внезапное включение нагрузки сопровож-
дается резким уменьшением шума, вновь появляющегося при
ее отключении. Исчезновение шума происходит и при легком
смазывании поверхности коллектора парафином или маслом,
что, впрочем, действует в течение непродолжительного времени
и загрязняет коллектор.
Прямолинейность образующих коллектора нарушается вы-
работкой пластин щетками, а в плохо работающих машинах —
244
из-за выгорания пластин от сильного искрения; она проверя-
ется прикладыванием к пластинам поверочной линейки — «на
просвет». Эти нарушения нежелательны потому, что в случае
осевой игры вала ухудшается контакт щеток с коллектором и
возрастает склонность машины к искрению.
Износ меди коллектора и изоляции между пластинами не-
одинаков. По причине большей твердости слюда изнашивается
меньше и после некоторого периода работы начинает высту-
пать над рабочей поверхностью, что ухудшает работу щеточ-
ного аппарата и способствует возникновению искрения. Во из-
бежание этого изоляция между пластинами выбирается при по-
мощи специального инструмента на глубину, тем большую, чем
больше коллектор, в среднем на 1,5—2 мм.
Эта операция, носящая название продорожки коллектора,
требует тщательного выполнения; слюда должна быть удалена
по всей толщине на глубину дорожек; если же часть слюды
осталась, то после некоторого износа пластин она будет высту-
пать так же, как и при непродороженном коллекторе.
Перед началом испытания коллектор должен быть осмот-
рен при сильном местном освещении; медь пластин на боковых
стенках дорожек заметно отличается своим темным цветом от
светло-серой слюды. Заодно проверяется чистота дорожек, осо-
бенно на отсутствие тонких стружек меди, получающихся при
продорожке, и медной пыли от шлифовки коллектора.
После продорожки пластины не должны иметь острых краев,
для этого на них срезаются небольшие фаски. При осмотре
коллектора нужно обращать особое внимание на то, чтобы на
краях пластин не было заусенцев и концы пластин на краю
коллектора были закруглены; всякие заострения, особенно'
в машинах высокого напряжения, облегчают образование кру-
гового огня вследствие повышения градиента потенциала плас-
тин. Коллекторы машин низкого напряжения, работающих
с металлографитными щетками, в снятии фасок не нуждаются.
Рабочая поверхность коллектора должна быть чистой и до-
статочно ровной, однако ее чистоту не следует переоценивать.
После полной приработки поверхности коллектора щетками ее
чистота достигает в среднем класса 7, лишь изредка переходя
в класс 8, и нет смысла добиваться более высокого класса при
обработке поверхности. В машинах с не очень большими окруж-
ными скоростями коллектора можно ограничиться даже клас-
сом 6.
Если обточка коллектора производится при слишком боль-
шой подаче и для выведения следов резца применяется шли-
фовка стеклянной бумагой, полотном или порошкообразными
абразивными материалами и пастами, нанесенными на кожу
или ткань, то края пластин заваливаются по направлению к до-
рожкам тем больше, чем мягче подкладки под шлифующий ма-
териал. Щетки на таком коллекторе склонны к вибрации и к ис-
крению с набегающего края, которое, впрочем, обычно без-
245
вредно, так как его энергия ничтожна и оно не вызывает
нагара на поверхности коллектора.
Наилучший результат дает обточка с очень малой подачей
(до 0,05 мм), особенно алмазными резцами без последующей
шлифовки, или шлифовка абразивным кругом или бруском
в суппорте. Хороший результат в отношении сохранения ци-
линдричности получается при шлифовке пемзой, но при мяг-
ких и легко изнашивающихся щетках ее следует избегать, так
как зерна пемзы, въедаясь в поверхность пластин, сильно из-
нашивают такие щетки.
При правильной обработке щетки натирают на пластинах
следы, равномерно покрывающие их от края до края, как по-
Рис. 8.4. Натирание поверхности коллектора щетками
казано на рис. 8.4, а; при неправильной — следы щеток не до-
ходят до краев пластин (рис. 8.4 б). Условия работы щеточного
аппарата более естественны при первом виде поверхности; в ра-
ботающей машине с течением времени картина на рис. 8.4, б
переходит в картину на рис. 8.4, а вследствие износа пластин,
если этому не препятствует искрение под щетками. Отдельные
продольные царапины или зарезы краев пластин, например от
срыва инструмента при продорожке, не препятствуют правиль-
ной работе коллектора, если сглажены края царапин, выступа-
ющие над поверхностью.
35. УСТАНОВКА ЩЕТОК В НЕЙТРАЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Под нейтральным понимается такое положение щеток, при
котором ЭДС ненагруженного якоря при прочих равных усло-
виях наибольшая. На таком определении основывается простей-
ший способ их установки в нейтральное положение: машина
приводится во вращение с постоянной частотой какий-либо
двигателем; при постоянстве тока независимого возбуждения
отыскивается положение щеток, при котором напряжение на
них достигает наибольшего значения. Однако чувствительность
этого способа неудовлетворительна: напряжение на щетках по-
*246
близости от нейтрального положения мало зависит от неболь-
ших смещений с него и точно установить его наибольшее зна-
чение практически невозможно.
Поэтому целесообразнее способ, основанный на том, что
при нейтральном положении щеток ЭДС трансформации между
обмотками главных полюсов и неподвижного якоря должна
быть равна нулю; это свидетельствует о полной уравновешен-
ности обмотки якоря по отношению к полю главных полюсов.
Если присоединить к щеткам чувствительный магнитоэлек-
трический прибор, желательно с нулем в середине шкалы,
а в обмотку главных полюсов подавать толчками постоянный
ток, то при нейтральном положении щеток прибор не должен
давать отклонений.
Смещение щеток с нейтрального положения будет вызывать
отклонения прибора: при включении питания — в одну сторону,
а при отключении — в другую, и тем большие, чем сильнее это
смещение. Отключение питания более четко, чем включение;
поэтому удобно учитывать отклонения прибора именно при нем.
Направление отклонений зависит от того, в какую сторону сме-
щены щетки с нейтрального положения.
Поставив щетки предварительно против середины главных
полюсов, следует закрепить траверсу и, определив направление
отклонений прибора, запомнить число делений. После этого
нужно передвинуть щетки в любую сторону и повторить опыт.
Если направление отклонений прибора сохранилось, а сами
они стали меньше, следует продолжать передвигать щетки
в том же направлении, пока отклонения не прекратятся. Если же
направление отклонений изменилось на обратное, то щетки
передвинуты слишком сильно, и надо начать осторожно пере-
двигать их в обратном направлении.
Описанный опыт прост, но наталкивается на затруднения.
Установка щеток в нейтральное положение производится впер-
вые тогда, когда они, хотя и притерты к поверхности коллек-
тора, но еще не приработались к ней и каждая щетка касается
поверхности коллектора в одной-двух точках, расположение ко-
торых случайно и изменяется при малейшем перемещении тра-
версы или коллектора. В результате после закрепления тра-
версы прибор зачастую начинает давать отклонения, которых
до закрепления не было; если и удалось добиться отсутствия
отклонений после закрепления, они могут снова появиться после
поворота коллектора на некоторый, хотя бы небольшой угол.
Невозможно добиться такого положения даже вполне при-
работавшихся щеток, при котором отклонения прибора отсут-
ствовали бы вне зависимости от положения коллектора; нужно
считать удовлетворительным, когда отклонения прибора при
разных положениях коллектора ограничиваются примерно оди-
наковыми пределами в обе стороны от нуля. После закрепления
траверсы следует несколько раз проверить отклонения прибора,
ставя коллектор в разные положения; нужно поворачивать его
247
в сторону вращения, чтобы избежать опрокидывания щеток во-
круг их точек касания с поверхностью коллектора.
Найденное положение щеток не окончательно; после прира-
ботки их контактной поверхности оно должно быть снова про-
верено и только после этого может быть отмечено способом,
принятым на предприятии.
Напряжение источника питания обмотки главных полюсов
достаточно такое, при котором ток составляет 3—5 % значения
при холостом ходе с номинальным напряжением и номиналь-
ной частотой вращения. В качестве указателя отклонений сле-
дует применять технический магнитоэлектрический милливольт-
метр или амперметр, отделенный от наружного шунта; приме-
нять для этой цели точные приборы не следует, так как они
чувствительны к ударам, испытываемым подвижной системой
при резких толчках ЭДС. При поворачивании якоря рекомен-
дуется размыкать цепь прибора во избежание его повреждения
за счет ЭДС от остаточного намагничивания машины.
При вполне приработанных щетках хорошие результаты дает
вращение в двух противоположных направлениях в режиме дви-
гателя под нагрузкой со строго неизменными возбуждением,
током нагрузки и частотой вращения; щетки стоят в нейтраль-
ном положении, если приложенное к якорю напряжение при
этом остается также неизменным. Этот способ пригоден для
машин как с параллельным или независимым, так и с после-
довательным возбуждением, но при условии, что щеткодержа-
тели имеют конструкцию, для которой направление вращения
безразлично.
3.6. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТКИ ЯКОРЯ
Особенностью обмотки якоря является то, что она не имеет
ни начала, ни конца; за них могут быть приняты любые две
точки ее присоединения к коллектору (между пластинами ко-
торого только и можно производить обычно измерение сопро-
тивления), от чего будет соответственно зависеть и результат
измерения.
Как и для любой другой обмотки, измерение сопротивления
•обмотки якоря может преследовать в основном две цели: либо
сопоставление с расчетным значением для проверки правиль-
ности выполнения этой обмотки и вычисления основных потерь
в ней при определении КПД методом отдельных потерь, либо
измерение температуры обмотки методом сопротивления при
испытании на нагревание, для чего вовсе не требуется, чтобы
результат измерения был сопоставим с расчетным значением.
Под расчетным значением понимается частное от деления
суммы сопротивлений всех секций обмотки на квадрат числа ее
параллельных ветвей:
R=-^-Re,
(2а)2
248
где Д— число секций обмотки, равное числу пластин коллек-
тора; — сопротивление одной секции; 2а — число параллель-
ных ветвей по отношению к току нагрузки.
Расчетное сопротивление условно, так как число секций
в каждой параллельной ветви обмотки якоря работающей ма-
шины меньше, чем Д/ (2а), потому что часть их коммутируется
щетками; оно непрерывно колеблется между некоторыми наи-
большим и наменьшим значениями, а токи в секциях изменя-
ются по законам, трудно поддающимся исследованию. Распре-
деление измерительного тока по обмотке отличается от распре-
деления тока нагрузки; поэтому правильное значение
расчетного сопротивления может быть получено из измеренного
либо введением поправок, основанных на допущениях, либо
применением иных способов измерения по сравнению с обыч-
ными.
Простые волновые обмотки отличаются тем, что при любом
числе пар полюсов р число их параллельных ветвей одно и
то же: 2а=2. Общее число секций Д может быть либо нечет-
ным, либо четным (в правильной водновой обмотке — при не-
четном числе пар полюсов и нечетном полном шаге у). Поэ-
тому можно подобрать такие две точки на коллекторе, которые
делили бы обмотку на две равные (при четном Д) или разли-
чающиеся только на одну секцию (при нечетном Д) ветви.
Если производить измерение сопротивления по наиболее
общему правилу — между пластинами коллектора, отстоящими
на Д/(2р) делений с округлением до ближайшего целого числа,
то при этом числа секций в двух параллельных ветвях будут
различаться не более чем на число пар полюсов р и сопротивле-
ния ветвей будут равны
Отсюда измеренное сопротивление обмотки
Ди
р/2
1 1
Р (Д/р)2 — 1
' 4Д/р2
Дс
Д/р+1 Д/р-1
Согласно
здесь будет
определению расчетное значение сопротивления
Д
К
(2а)2
Дс=4*'
4
и отношение расчетного значения к измеренному
Д _ Д 4Д/р2 = (Д/р)2
Ди " 4 (Д/р)2-1 (Д/р)2-1
249
Уже при числе секций на одну пару полюсов К/р=10 это
отношение отличается от единицы всего на 1 %; в реальных
машинах с волновыми обмотками число секций на пару полю-
сов обычно гораздо больше и ошибка в измерении сопротивле-
ния будет ничтожна. Это же относится и к неправильным про-
стым волновым обмоткам — с мертвой секцией или искусствен-
но замкнутым.
Множители вида ,
А2 1
—— »1+ —
А2—1 А2
будут встречаться и дальше; ниже приводятся их значения:
А 2 3 4 5 6 7 8 9
А2 А2 — 1 1,333 1,125 1,067 1,042 1,029 1,021 1,016 1,013
А 10 11 12 13 15 20 25 30
А2 А2—1 1,010 1,008 1,007 1,006 1,004 1,003 1,002 1,001
Простые петлевые обмотки без уравнительных соединений
при числе полюсов более двух применяются только в машинах
мощностью примерно не свыше 3 кВт. Измерение их сопротив-
ления можно производить как между пластинами коллектора,
отстоящими на К1(2р) делений, так и другими способами.
В первом случае обмотка по отношению к измерительному
току будет представлять две параллельные ветви, одна из ко-
торых содержит К1(2р) секций, а другая — остальные секции;
измеренное сопротивление
р ____ 1 р _____ К (2р 1) р
/\и -- “ J\c-----------------*\с*
2р 2р 4р2
К + (2р - 1) К
Число параллельных ветвей при работе машины с простой
петлевой обмоткой равно числу полюсов: 2а~2р; расчетное
сопротивление обмотки
R
-*-Rt
(2р)2
отсюда
R _ К 4Р2 _ 1
Rh ~ (2рГ К(2р-\) “ 2р— 1 ’
т. е. измеренное сопротивление больше расчетного в 2р—1 раз.
250
Можно измерить сопротивление между двумя диаметрально
противоположными пластинами коллектора; тогда обмотка
будет состоять из двух параллельных ветвей по К/2 секций
В каждой. Если К нечетно, то в одной ветви будет на одну
секцию больше, чем в другой, как в предыдущем случае, и
измеренное сопротивление
ки=4яс.
4
Простые петлевые обмотки с полным числом уравнительных
соединений очень распространены в крупных машинах. Резуль-
тат измерения сопротивления между пластинами коллектора,
отстоящими на К/(2р) делений, будет зависеть от того, где рас-
положены уравнительные соединения: со стороны коллектора,
со стороны, противоположной коллектору, или в петушках, яв-
ляющихся одновременно уравнительными соединениями, как
иногда делается в крупных машинах.
На рис. 8.5. представлен первый из этих случаев; ток из
пластины коллектора поступает в две секции, подключенные
Рис. 8.5. Уравнительные соединения со сто-
роны коллектора
к этой пластине, и в два уравнительных соединения, которыми
он отводится в две стороны к следующим полюсным делениям;
от пластин, смежных с первой, к которой подведен ток, снова
часть тока ответвляется в уравнительные соединения, а осталь-
ной ток передается дальше по секциям и т. д.
Таким образом, по отношению к измерительному току об-
мотка является сложно разветвленной цепью и задача о его
распределении по обмотке и об определении сопротивления
обмотки по отношению к нему требует решения системы Л'
уравнений с К неизвестными: К/2 токами в секциях и /С/2
токамй в уравнительных соединениях; для ее решения должны
быть известны сопротивления секции и уравнительного соеди-
нения между точками его подключения. Чем больше число
полюсов, тем большее участие принимают уравнительные сое-
251
динения в образовании измеренного сопротивления, между тем
как определение расчетного сопротивления не учитывает токи
в них.
Второй случай (рис. 8.6) отличается от первого тем, что
до разветвления тока каждая его половина проходит через
половину секции, присоединенной к пластине, и только после
этого начинается разветвление; поэтому измеренное сопротив-
ление во втором случае больше, чем в первом, на слагаемое
Цс 1 (2ру r _ 2р* R
2 .j 2 К К '
В третьем случае ток из пластины коллектора поступает
сначала в два подключенных к ней уравнительных соединения
(рис. 8.7), по каждому из которых протекает половина тока;
эта половина делится еще раз пополам и протекает по двум
целым секциям до точек подключения следующих уравнитель-
Рис. 8.6. Уравнительные соединения со сто-
роны, противоположной коллектору
ных соединений и т. д. Таким образом, этот случай сложнее
второго, причем отличие его не может быть выражено какой-
нибудь долей расчетного сопротивления, как в предыдущем
случае, так как сопротивление уравнительных соединений от
него независимо.
Однако можно перейти от второго и третьего случаев к пер-
вому, если производить измерение сопротивления не между
пластинами коллектора, а между точками подключения урав-
нительных соединений — хомутиками головок обмотки: в тре-
тьем случае — со стороны коллектора, а во втором — со сто-
роны, противоположной кoллeктopyj которая в крупных маши-
нах открытого исполнения доступна.
Погрешность измерения, вносимая перетеканием токов по
уравнительным соединениям, может быть уменьшена, если
производит измерение между пластинами, расположенными при
нечетных числах пар полюсов диаметрально противоположно,
252
а при четных — отстоящими на (р±1)/С/(2р) делений, т. е. как
можно дальше одна от другой. Тем не менее при больших чис-
лах пар полюсов погрешность все же значительная, что застав-
ляет обращаться к иным способам измерения сопротивлений.
Измерение с подводом измерительного тока через щеточный
аппарат давало бы правильный результат, если бы распреде-
Рис. 8.7. Уравнительные соединения в петушках
ление токов по параллельным ветвям обмотки было таким же,
как при нагрузке; но сопротивление щеточного контакта в не-
подвижном состоянии неопределенно и остается перетекание
токов по уравнительным соединениям. Этим способом можно
пользоваться, когда не вся ок-
ружность коллектора доступна
для измерения. Вольтметр при-
соединяется к перекрытым щет-
ками пластинам коллектора, от-
стоящим на К1(2р) делений, по-
очередно сначала у сбегающих
краев щеток, затем в середине и,
наконец, у набегающих краев
(рис. 8.8). Так как число плас-
тин коллектора петлевой об-
мотки с полным числом уравни-
тельных соединений делится на
число пар полюсов, но может
не делиться на число полюсов,
если он дробный, может быть округлен до целого как в боль-
шую, так и в меньшую сторону. Рекомендуется производить из-
мерения несколько раз под разными щетками и за результат
принимать среднее арифметическое из всех измерений. Щетки
должны быть хорошо приработаны к коллектору.
Измерение с отдельным подводом измерительного тока
игольчатыми щупами, предложенное В. К. Жаковым, применя-
ется при поднятых щетках. Подвод тока производится иголь-
чатыми щупами к пластинам, отстоящим на одно из чисел
Рис. 8.8. Измерение сопротивления
с подводом измерительного тока че-
рез щеточный аппарат
то результат деления Д7(2р),
253
делений: КЦ2р)\ ЗК/(2р); 5Д7(2р); ... с округлением до бли-
жайшего целого в любую сторону, если результат деления
дробный. Падение напряжения измеряется между пласти-
нами, отстоящими на К!(2р) делений (рис. 8.9) с округ-
лением до целого поочередно в большую и в меньшую сторону,
начиная от одной из точек подвода тока до другой по всей ок-
ружности коллектора и снова до первой; всего производится 2р
измерений. За результат принимается среднее арифметическое
всех измерений. Способ дает хорошие результаты, но примени-
мость его ограничена машинами с вполне доступными коллек-
торами; разброс измеренных значений тем меньше, чем дальше
одна от другой находятся точки подвода тока.
Рис. 8.9. Измерение сопротивления с отдельным под-
водом измерительного тока
Измерение части расчетного сопротивления. Подвод тока
производится к пластинам, отстоящим на KJ(2p) делений, а из-
мерение падения напряжения — между пластинами в проме-
жутке между точками подвода тока, отстоящими от последних
на число делений, равное числу пар полюсов (рис. 8.10),
в предположении, что на таких расстояниях от точек подвода
тока его распределение по параллельным ветвям уже практи-
чески закончено и уравнительные соединения внутри остающе-
гося промежутка не несут токов. Результат измерения подлежит
пересчету по. формуле
Я =----------Яй,
К-(2р)«
где 7?и — измеренное значение.
Простые петлевые обмотки с неполным числом уравнитель-
ных соединений распространены в машинах средних и больших
мощностей; чем меньше мощность, тем меньше обычно и число
уравнительных соединений q по отношению к возможному
числу К/p. В более крупных машинах это отношение равно от
Уз До V2, а в самых мелких может снижаться до 7ю и ниже,
254
причем соединения распределяются по окружности обмотки
не обязательно вполне равномерно.
В простейшем случае число уравнительных соединений q
является целой частью числа секций на одну пару полюсов
Л/р. Если уравнительные соединения расположены со стороны
коллектора, то можно представить, что коллектор состоит
только из тех пластин, к которым они подключены; тогда дан-
ный случай приводится к обмотке с полным числом уравни-
тельных соединений, но с числом секций и пластин коллектора
K' = pq, и к ней может быть приложено все сказанное выше,
если производить измерение сопротивления только между точ-
ками подключения уравнительных соединений. То же будет
•относиться и к случаю располо-
жения уравнительных соедине-
ний со стороны, противополож-
ной коллектору.
Если q четно, то Kf](2p)=ql%
является целым числом; если же
q нечетно, то результат измере-
ния нужно исправить, введя мно-
житель, взятый по таблице на
стр. 250:
&-?2/(?2—1).
Если производить измерение
на пластинах, ближайших к точ-
кам подключения уравнительных
Рис. 8.10. Измерение части рас-
четного сопротивления
соединений, то при четырех и
шести полюсах результат измерения между пластинами, отстоя-
щими на /С/(2р) делений, дает значение, мало отличающееся
от расчетного, но начиная с восьми полюсов ошибка стано-
вится заметной.
Сложные волновые обмотки. Из этих обмоток находят
применение двукратнозамкнутая и двухходовая однократно-
замкнутая, обе с уравнительными соединениями второго рода;
число их обычно невелико.
Измерение сопротивления можно производить между пла-
стинами, ближайшими к точкам подключения уравнительных
соединений и отстоящими на /С/(2р) делений с округлением
до ближайшего целого, но желательно, чтобы они принад-
лежали к разным обходам, для чего нужно, чтобы это целое
было нечетным. Ошибка при таком измерении невелика; при
нечетном числе пар полюсов она еще меньше, если произво-
дить измерение между пластинами, расположенными диамет-
рально.
Двукратнозамкнутые петлевые обмотки с числом парал-
лельных ветвей 2а = 4р снабжаются уравнительными соедине-
ниями и первого рода (внутри каждой обмотки), и второго
рода (между обмотками), а иногда еще и третьего рода (между
пластиной коллектора и головкой секции, подключенной к двум
255
соседним пластинам). Число уравнительных соединений первого
рода обычно полное, причем у одной обмотки они находятся
со стороны коллектора, а у другой — с противоположной сто-
роны. В отношении измерения сопротивления к этим обмоткам
может быть применено все сказанное для простых петлевых об-
моток с полным числом уравнительных соединений.
Однократнозамкнутые двухходовые петлевые обмотки приме-
няются в наиболее крупных машинах, но могут быть выполнены
только при нечетном числе пар полюсов. Их особенностью явля-
ется то, что удвоенное число параллельных ветвей 2а—4р обра-
зуется только при наложенных щетках; без них обмотка по
отношению к измерительному току будет состоять из 2а—2р па-
раллельных ветвей; и только при измерении с подводом тока че-
рез щеточный аппарат может быть получен результат, соизме-
римый с расчетным сопротивлением. Число уравнительных со-
единений, которые здесь служат соединениями и первого, и
второго, рода, либо полное, либо около !/г или ]/з полного.
Если измерять сопротивление между точками, отстоящими
друг от друга на К/(2р) делений коллектора, то, как и при
простой петлевой четырехполюсной обмотке без уравнитель-
ных соединений, половина параллельных ветвей по отношению
к измерительному току будет содержать примерно по К1(2р)
секций, а другая половина — по 3KI (2р) секций и результат
измерения надо разделить на 3; в остальном ошибка при из-
мерении будет иметь тот же порядок, что и для простой петле-
вой обмотки с тем же числом уравнительных соединений.
Однако, подобно тому как в простой петлевой обмотке без
уравнительных соединений можно производить измерение
между точками, по отношению к которым обмотка имеет две
параллельные ветви примерно одинакового состава, здесь
можно измерять сопротивление между точками, отстоящими на
К/p', 2К/р‘, ...; (р—1)К/(2р) делений, но так, чтобы они при-
надлежали разным обходам, иначе между ними будет только
уравнительное соединение. Тогда обмотка будет содержать 2р
почти одинаковых параллельных ветвей с различием лишь
в одну секцию. Результат следует разделить на 4; ошибка при
измерении из-за токов в уравнительных соединениях будет
той же, что и для простой петлевой обмотки с теми же числами
секций и уравнительных соединений, и тем меньшей, чем больше
удалены точки, между которыми производится измерение.
Сопротивление может быть измерено и между любыми двумя
соседними пластинами, чего не бывает ни при каком другом
типе обмотки.
При числе уравнительных соединений, близком к V2 пол-
ного, могут быть два варианта распределения точек подключе-
ния уравнительных соединений: когда в каждом обходе эти
точки лежат через одну секцию, кроме р мест, в которых они
лежат через две секции, и когда на протяжении двух полюсных
делений в одном обходе каждая секция снабжена уравнитель-
256
ным соединением, а в другом обходе их вовсе нет; на следую-
щей паре полюсных делений уравнительные соединения пере-
ходят в другой обход и т. д. Первый вариант конструктивно
менее удобен, потому что при нем точки подключения уравни-
тельных соединений разных обходов оказываются лежащими
рядом, между тем как при втором они чередуются через одну
секцию, что заставляет обычно отдавать предпочтение ему; но
зато при втором варианте измерение сопротивления можно
производить не между всякими двумя точками, отстоящими на
указанные выше числа делений, а только между местами пере-
ходов точек подключения уравнительных соединений из одного
обхода в другой, иначе результат измерения будет несопоставим
с расчетным сопротивлением.
Однократнозамкнутые трехходовые петлевые обмотки не-
давно начали находить применение в наиболее крупных маши-
нах, и накопленный по ним опыт пока не позволяет судить
о возможности применения неполных чисел уравнительных
соединений. Подобно двухходовым петлевым обмоткам, полное
число параллельных ветвей образуется в них только через
щеточный аппарат при работе машины; без него результат
измерения сопротивления между пластинами коллектора на
расстоянии, равном К!(2р) или в любое целое нечетное число
раз большему числу делений, следует делить на квадрат числа!
ходов, т. е. на 9.
Простые лягушечьи обмотки имеют число параллельных
ветвей' 2а=4р; они являются сочетанием простой петлевой об-
мотки и многократнозамкнутой волновой обмотки, и каждая
по отношению к другой является системой уравнительных соеди--
нений. Однако эти последние отличаются от обычных тем, что
соединяемые ими точки становятся точками равного потенциала
только в работающем якоре и секции обеих частей обмотки
в равной степени несут ток нагрузки. Сопротивления этих сек-
ций практически одинаковы, потому что они имеют равные
сечения и примерно одинаковую полную длину. К каждой пла-
стине коллектора присоединены четыре секции — две из петле-
вой части и две из волновой; распределение измерительного
тока между ними должно быть одинаково, и каждая из секций,,
ближайших к пластине, через которую подводится ток, нагру-
жена его четвертью. Если предположить, что все следующие
секции нагружены одинаковыми долями измерительного тока
(что почти точно при четырех полюсах и не слишком непра-
вильно при шести), то можно Представить обмотку состоящей из
4р параллельных ветвей примерно по К/(2р) секций в каждой,
последовательно с которыми с обеих сторон включено по че-
тыре секции. Отсюда измеренное сопротивление должно быть
равно
9 Заказ № 512
257
и результат измерения следует исправить введением множителя
7? 2К/(4р)а , = К
7?и 2/С/(4р)а + 1/2 К + 4ра ’
Для четырехполюсной обмотки это дает результат, очень
близкий к действительному расчетному сопротивлению и отно-
сительно неплохой для шестиполюсной обмотки, особенно если
измерять ее сопротивление между диаметрально противополож-
ными пластинами.
Двухходовые однократнозамкнутые лягушечьи обмотки
можно уподобить двухходовым петлевым однократнозамкнутым
обмоткам с полным числом уравнительных соединений; число
параллельных ветвей, равное 2а = 8р, образуется лишь при на-
ложенных на коллектор, щетках, а по отношению к измеритель-
ному току, подводимому без щеточного аппарата, оно равно 4р.
К данному типу обмоток может быть приложено все относя-
щееся к двухходовым однократнозамкнутым петлевым обмот-
кам и к простым лягушечьим обмоткам.: Роль уравнительных
соединений по отношению к петлевой части выполняет волно-
вая, причем ее секции переходят из одного обхода петлевой
части в другой; обмотка может быть выполнена только при
нечетных числах пар полюсов. Измерение сопротивления сле-
дует производить между пластинами, принадлежащими к раз-
ным обходам петлевой части, теми же двумя способами, что и
для двухходовой петлевой обмотки, и с теми же исправлениями
результата; кроме того, он должен быть исправлен введением
множителя, полученного для простой лягушечьей обмотки.
Из изложенного следует, что перед измерением сопротивле-
ния обмотки якоря необходимо ознакомиться с ее устройством.
В частности, нужно установить точки подключения уравнитель-
ных соединений, когда их число неполное. При расположении
со стороны коллектора они могут быть скрыты под лобовыми
частями обмотки, а при расположении со стороны, противопо-
ложной коллектору, не; во всякой машине доступны, и тогда
необходимо знать, какие пластины коллектора всего ближе
к точкам подключения уравнительных соединений.
Эти точки определяются поочередным измерением сопротив-
ления между каждыми двумя пластинами, в петлевых обмот-
ках всех видов — отстоящими на К!р делений коллектора,
а в сложных волновых обмотках при четных числах пар полю-
сов— по диаметру коллектора, при нечетных — на расстоянии
(р—1)К/(2р) делений, пока не выяснится закономерность их
распределения по коллектору.
Если измерение сопротивления производится с целью опре-
деления превышения температуры обмотки якоря, то не обяза-
тельно, чтобы его результат был сопоставим с расчетным;
важно, чтобы в состав измеряейого сопротивления не входили
сопротивления уравнительных соединений, потому что во время
'25.8
работы машины последние нагреваются иначе^ чем секции об-:
мотки.
В небольших машинах,, имеющих более или менее высокое
сопротивление обмотки, якоря, необходимо устранять.влияние
наложенных на коллектор щеток, которые при измерении
сопротивления в холодном и в нагретом состоянии могут нахо-
диться не на одних и тех же пластинах; производить измерение
сопротивления с наложенными щетками допускается для ма-
шин с числом полюсов от восьми и выше.
При измерении сопротивления в нагретом состоянии после
остановки машины с шестью полюсами и менее следует быстро;
поднимать щетки с коллектора; но в таких машинах нет пре-
пятствий к измерению сопротивления в нагретом состоянии
теми же способами, что и при измерении расчетного сопротив-
ления, так как в них влияние уравнительных соединений незна-
чительно.
Подъем щеток в многополюсных машинах занимал бы
слишком много времени, поэтому целесообразно применять из-
мерение сопротивления части обмотки с таким расчетом, чтобы
по возможности исключить влияние уравнительных соединений.
Средством для этого является уменьшение части обмотки,
сопротивление которой измеряется, в пределе до одной секции;
однако это противоречит общей установке — измерять по воз-
можности большие сопротивления, как легче поддающиеся из-
мерению. Таким образом, должна существовать разумная гра-
ница уменьшения части обмотки, подвергающейся измерению.
Если измерение с целью получения расчетного сопротивле-
ния в сложных обмотках следует производить между разными:
обходами, то здесь, наоборот, — между .точками, принадлежа-
щими одному и тому же обходу, с целью ослабления влияния
уравнительных соединений. • : л • . -
) Хорошим средством, для исключения влияния уравнительных;
соединений является разделение точек подвода измерительного
тока и точек измерения падения напряжения; но подвод изме-
рительного тока через щеточный аппарат не может обеспечить
устойчивое равномерное распределение тока. Подвод измери-
тельного тока отдельными игольчатыми щупами более надежен^
но он требует двух человек вместо одного, и если машина,
мала, около нее может не хватить места.
Измерение сопротивления как в нагретом, так и в холодном
состоянии должно производиться одинаковым образом и между:
одними и теми же точками, для чего они должны быть снаб-
жены хорошо видимыми метками. Для крупных машин, прово-
рачивание которых после остановки затруднительно, рекомен-
дуется производить измерение сопротивления в холодном со-
стоянии в нескольких местах коллектора с тем, чтобы после
остановки воспользоваться наиболее удобно расположенным-
в крайнем случае может понадобиться только довернуть якорь
на небольшой угол до нужного положения. •
9*
259
8.7. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА
В машинах постоянного тока короткое замыкание в режиме
генератора лишено того значения, которое имеет в синхронных
машинах, но является вспомогательным средством, позволяю-
щим провести ряд испытаний, связанных с нагрузкой обмоток
последовательной цепи током, когда нет возможности нагрузить
машину.
Если, помимо обмотки параллельного и независимого воз-
буждения главных полюсов, машина имеет последовательную
обмотку, то для осуществления короткого замыкания ее нужно
включить встречно (на размагничивание главных полюсов).
При согласном включении последовательной обмотки
самовозбуждение замкнутой накоротко машины протекает
чрезвычайно бурно: ток короткого замыкания достигает значе-
ний, во много раз превышающих номинальное, почти неизбе-
жен круговой огонь и машина получает тяжелые поврежде-
ния— распаивание обмоток, оплавление коллектора и разру-
шение щеточного аппарата. Поэтому, если даже полярность
последовательной обмотки считается предварительно проверен-
ной, нельзя замыкать машину сразу наглухо. Риск повредить
машину из-за ошибки при проверке соединений обмоток на-
столько велик, что правильность этих соединений обязательно
должна быть проверена опытным путем.
К машине, приготовленной к короткому замыканию, под-
ключается максимальный автоматический выключатель, уставка
которого не превосходит —V2 номинального тока машины
(рис. 8.11,а). Выключатель замыкается при неподвижной ма-
шине, и она приводится во вращение. Если последовательная
обмотка включена согласно с остаточным намагничиванием, то
машина самовозбудится и выключатель разомкнет цепь корот-
кого замыкания; но если этого не произойдет, то следует осто-
рожно подавать в параллельную обмотку возбуждение от
постороннего источника. Только убедившись, что ток короткого
замыкания подчиняется управлению, можно перейти к глухому
короткому замыканию.
Другой способ (рис. 8.11, б): если последовательно с авто-
матическим выключателем введен рубильник, то машина приво-
дится во вращение при замкнутом выключателе, но разомкну-
том рубильнике, и последний замыкается быстрым и решитель-
ным движением. В случае отсутствия автоматического
выключателя может быть применен плавкий предохранитель
на 10—15 % номинального тока машины.
Применение при такой проверке поляризованных автомати-
ческих выключателей с независимо питаемыми держащими
катушками недопустимо, так как Они производят отключение
только при определенном направлении тока, а при противо-
положном рабочие контакты прижимаются еще сильнее, так
что и размыкание цепи держащей катушки не в Состоянии их
отключить.
260
Машины, не имеющие последовательной обмотки, не могут
быть непосредственно замкнуты накоротко, так как они само-
возбуждаются за счет компаундирующего действия коммутиру-
ющих обмоток — добавочных полюсов и компенсационной, нор-
мально создающих ускоренную коммутацию, что как бы сме-
щает нейтральную линию против направления вращения.
Если в машине имеются достаточные промежутки между
обмотками главных и добавочных полюсов, то можно наложить
временную последовательную обмотку гибким изолированным
проводником, просовывая его в эти промежутки. В машинах
°) ____________________
Рис. 8.11. Схемы для опробования
короткого замыкания
Рис. 8.12. Наложение времен-
ных размагничивающих обмо-
ток
с номинальными токами в сотни ампер обычно бывает доста-
точно наложить По одному витку на каждый главный полюс.
Наложенные витки не должны охватывать добавочные полюсы
й этим создавать дополнительное намагничивание последних.
На рис. 8.12 показано правильное (а) и неправильное (б) на-
ложение такой обмотки.
При более высоких токах — в тысячи ампер — необходимое
сечение проводника становится настолько большим, что его
приходится подразделять на части, включая параллельно два и
более проводника. Но в этом случае достаточно иметь по ’/г
витка на полюс (в пересчете на полный ток последовательной
цепи), как представлено на рис. 8.12, в.
Если промежутки между обмотками главных и добавочных
полюсов недостаточны для прохода проводника временной об-
мотки, то приходится использовать для размагничивания часть
обмотки главных полюсов; для этого все ее катушки разделя-
ются на две равные группы. Одна из них, состоящая из кату-
шек на полюсах, например, нечетной нумерации и включенных
261
последовательно, служит для возбуждения от независимого
источника.; катушки другой группы —на полюсах четной нуме-
рации—соединяются параллельно и должны заменить последо-
вательную обмотку. Но так как сечение их проводников недо-
Рис. 8.13. Использование части обмотки главных полюсов
в качестве размагничивающей
Рис. 8.14. Использование последова-
тельной обмотки возбудителя для ус-
тойчивости короткого замыкания
статочно, приходится шунтировать катушки этой группы сопро-
тивлением, способным пропустить ток короткого замыкания и
достаточным, чтобы создать падение напряжения, необходимое
для питания размагничиваю-
щих катушек,. например.сопро-
тивлением обмотки Добавоч-
ных полюсов (рис. 8.13,а).
Ток, ответвляющийся в эту
группу, настолько невелик, что
существенно не нарушит ком-
мутационные условия машины
из-за ослабления добавочных
полюсов и может быть учтен
при наладке коммутации ма-
шины.
В машинах с чисто после-
довательным возбуждением
одна из групп катушек служит
для возбуждения от независим
мого источника, а другая мо-
жет быть включена в цепь якоря (рис. 8.13,6); и здесь следует
соединять катушки этой группы параллельно.
Правильность включения размагничивающей обмотки при.
всех приведенных способах должна быть проверена так же,
как и при использовании последовательной обмотки.
Операция переключения обмоток в крупных машинах явля^
ется подчас затруднительной; в. этих условиях можно прибег-
262
нуть к следующему способу: в цепь короткого замыкания испы-
туемой машины вводится последовательная обмотка вспомога-
тельного генератора постоянного тока, питающего параллель-
ную обмотку испытуемой машины, включенная на размагничи-
вание (рис. 8.14, а). Если номинальный ток вспомогательной
машины не меньше номинального тока испытуемой машины,
то для размагничивания вспомогательной машины может быть
использована ее собственная последовательная обмотка.
Если же номинальный ток вспомогательной машины меньше,
чем у испытуемой, то либо на главные полюсы вспомогательной
машины может быть наложена временная размагничивающая
обмотка по рис. 8.12, либо ее собственная последовательная
обмотка подключается к якорю испытуемой машины через
регулирующее сопротивление (рис. 8.14, б).
8.8. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИСКРЕНИЯ
Пригодность машины для эксплуатации определяется не ви-
димым искрением, а зависит от состояния коллектора и щеточ-
ного аппарата; встречаются машины, исправно работающие
без ухудшения состояния контактных поверхностей, несмотря
на заметное искрение. Напротив, искрение, поначалу едва за-
метное и даже невидимое, иногда вызывает изменения поверх-
ности коллектора, которые прогрессивно доводят машину до
неработоспособного состояния. К тому же, во время работы
машины часть щеток, а иногда и весь щеточный аппарат не-
доступны для осмотра.
Оценка степени искрения, или класса коммутации, устанав-
ливается не столько по видимому искрению, сколько по произ-
водимому им результату, по шкале, состоящей из пяти степе-
ней, и не ставится в зависимость от числа щеток, под которыми
наблюдается искрение.
Степень искрения 1 характеризуется полным отсутствием
искрения, или «темной коммутацией».
Степень искрения Р/4 характеризуется слабым точечным
искрением под небольшой частью щетки. Такая оценка не явля-
ется определенной, так как мнение, что следует называть «сла-
бым точечным искрением», субъективно; поэтому первые две
степени искрения объективно характеризуются полным отсутст-
вием почернения коллектора и следов нагара на щетках.
Степень искрения 1*/2 характеризуется слабым искрением
под большей частью щетки; при ней могут появляться следы
нагара на щетках и почернения коллектора, однако лишь такие,
что легко устраняются протиранием его поверхности каким-либо
растворителем, не окисляющим медь.
Степень искрения 2 характеризуется искрением под всем
краем щетки, появлением следов почернения коллектора,
не устраняемых протиранием его поверхности, и нагара на
щетках.
263
Степень искрения 3 характеризуется значительным искре-
нием под всем краем щетки с крупными и вылетающими иск-
рами, почернением коллектора, не устраняемым протиранием
его поверхности, подгаром и разрушением щеток.
Условия работы машин разнообразны, и не может быть од-
ного общего подхода к установлению допускаемой степени
искрения; то, что допустимо для машины, предназначенной для
кратковременного режима работы, не может быть приемлемо-
для машины, предназначенной для продолжительного режима
работы, и т. п. Поэтому допускаемая степень искрения должна1
быть указана в стандартах или в технических условиях на
конкретные виды машин; если же она не оговорена, то при
нормальном режиме работы машины должна быть не выше-
172.
Электромашиностроительные заводы обычно подходят к воп-
росу о допустимой степени искрения; строже и стремятся выпу-
скать машины ’со степенью искрения не выше 1, а для машин
с трудными условиями работы — не выше РД.
Вне зависимости от этого степень искрения 2 допускается
только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки,
а степень искрения 3 — для моментов прямого (без реостатных
ступеней) включения или реверсирования машин, и лишь при
условии, что коллектор и щетки остаются в состоянии, пригод-
ном для дальнейшей работы, т. е. почернение поверхности и
подгар щеток сами устраняются.
При оценке степени искрения принимается во внимание иск-
рение под сбегающим краем щетки; искрение, наблюдаемое
иногда под набегающим краем щетки, не должно учитываться.
Причиной этого искрения является обычно вибрация щеток
со звуковой частотой, происходящая большей частью от шли-
фовки коллектора мягкими материалами (стеклянная бумага
или полотно), при которой поверхность каждой пластины
становится горбатой. Мощность, выделяемая этим искрением,
ничтожна, и потому оно безвредно, так как не оставляет сле-
дов. С течением времени, по мере обтачивания поверхности:
коллектора щетками, это искрение обычно исчезает.
Появление следов почернения на коллекторе и нагара на
щетках требует некоторого времени; судить об их отсутствии
при продолжительном или повторно-кратковременном режиме:
работы машины можно не раньше достижения коллектором и
щетками практически установившейся температуры, но не ме-
нее чем через 2 ч для машин мощностью до 100 кВт включи-
тельно, 4 ч —от 100 до 300 кВт, 8 ч — от 300 до 1000 кВт и
16 ч — свыше 1000 кВт.
При кратковременных, повторно-кратковременных и пере-
межающихся режимах работы следует производить проверку
состояния поверхности коллектора и щеток после ряда рабочих
циклов, общая длительность которых не менее указанной для
продолжительного режима работы.
264
Малая продолжительность работы машины под нагрузкой
на стенде испытательной станции не дает полной уверенности
в исправности ее коммутации, так как для достижения устано-
вившегося состояния коллектора и щеток, как правило, требу-
ется более длительное время.
Оценка коммутации двигателей, предназначенных для ра-
боты от статических выпрямителей, должна производиться при
питании от последних.
3.9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ БЕЗЫСКРОВОЙ РАБОТЫ
Коммутация зависит от многих факторов, разделить- влияние
которых не всегда легко. Основными из них являются правиль-
ность выбора данных для коммутирующих обмоток, соответст-
вие примененных щёток (марки и размеров) условиям работы
машины и удовлетворительность состояния машины в механи-
ческом отношении, а именно: отсутствие вибрации и биения
коллектора, правильность расстановки щеток по его окруж-
ности, жесткость траверсы и других деталей щеточного аппа-
рата и их устойчивость против температурных деформаций,
равномерность нажима щеткодержателей, тщательность при-
работки щеток к поверхности коллектора и состояние этой
поверхности.
. Определение области безыскровой работы, введенное в прак-
тику испытаний В. Т. Касьяновым, просто, доступно для при-
менения в обстановке промышленного испытания и дает непо-
средственный ответ на вопрос о правильности выбора данных
для коммутирующих обмоток, а косвенно им освещаются и дру-
гие обстоятельства, влияющие на коммутацию.
При различных нагрузках — от холостого хода и до номи-
нальной, а если возможно, то и выше номинальной, определя-
ются верхний и нижний пределы МДС коммутирующих обмо-
ток, между которыми коммутация остается «темной»; область,
ограниченная этими пределами, носит название области безыс-
кровой работы. За ее пределами безыскровая работа невоз-
можна. Изменение этой МДС может производиться следую-
щими способами.
Дополнительное питание коммутирующих обмоток от само-
стоятельного источника, который подключается к их выводам
и должен доставить разность между данным током нагрузки и
токами в коммутирующих обмотках, соответствующими грани-
цам области безыскровой работы. При высоком напряжении
приходится либо заземлять один из выводов коммутирующих
обмоток, либо изолировать от земли источник дополнительного
питания вместе с его двигателем.
Независимое питание коммутирующих обмоток, отключен-
ных от остальных цепей испытуемой машины, от самостоятель-
ного источника постоянного тока. Оно пригодно для испытания
небольших машин высокого напряжения; в крупных машинах
265
применение его возможно при наличии источника постоянного
тока низкого напряжения, но с номинальным током того же
порядка, что у испытуемой машины.
Питание временной обмотки, наложенной на добавочные
полюсы помимо постоянной обмотки, от самостоятельного
источника или от самой испытуемой машины. Этот способ сое-
диняет преимущества обоих предыдущих и дает свободу в вы-
боре источника питания, так как число витков временной об-
мотки произвольно; однако применимость его ограничена
трудоемкостью наложения временной обмотки, а иногда й его
невозможностью, если промежутки между главными и добавоч-
ными полюсами слишком малы.
Все дальнейшее изложение ориентируется на первый спо-
соб— дополнительное питание коммутирующих обмоток.
Определение области безыскровой работы может проводиться
в режиме как нагрузки, так и короткого замыкания; последнее
проще, а при высоком напряжении машины — безопаснее для
обслуживающего персонала. Зачастую, особенно на крупных
машинах, нагрузка которых при испытании на заводе-изгото-
вителе встречает затруднения, предпочитается проводить его
в режиме короткого замыкания, хотя это не всегда дает пра-
вильный результат. На рис. 8.15 показана схема включения
источника дополнительного питания. Чтобы управление его
током было устойчивым, необходимо независимое возбуждение,
а для возможности изменения направления этого тока следует
либо применять потенциометрическую схему, либо иметь пере-
ключатель возбуждения. Удобно, если амперметр в цепи тока
дополнительного питания имеет шкалу с нулем в середине,
чтобы не надо было его переключать при каждом изменении
направления тока. Вольтметр на выводах коммутирующих об-
моток дает возможность проверять, совпадает ли по направле-
нию дополнительный ток с основным (положительное дополни-
тельное питание) или направлен навстречу (отрицательное
дополнительное питание).
Опыт удобнее начинать с холостого хода испытуемой ма-
шины: При разомкнутой цепи якоря в коммутирующие обмотки
подается питание произвольного направления; ток питания
постепенно увеличивается, пока не будет замечено появление
искрения под сбегающими краями щеток. Чтобы по возмож-
ности исключить влияние субъективности оценки степени искре-
ния, за границу искрения следует принимать появление первой
искры, которую удается заметить, так как только степень ис-
крения 1 объективна.
£сли начать понижать ток питания, то замеченная искра
гаснет не сразу; будучи раз вызвана, она продолжает оста-
ваться и при несколько меньшем токе, и только путем повторе-
ния небольших увеличений и уменьшений последнего удается
с достаточной точностью определить границу искрения. После
этого дополнительное питание понижается до нуля, направле-
266
ние его изменяется на обратное и снова таким же способом
устанавливается граница искрения.
Токи, соответствующие обеим границам искрения, при опыте,
проводимом в режиме холостого хода, должны быть по абсолют-
ному значению примерно .равны; в противном случае нужно
предполагать какую-либо ненормальность в щеточном аппарате
машины. Особенно следует опасаться налета меди на рабочих
поверхностях щеток. Но если опыт проводился при напряжении,
отличном от нуля, то неравенство токов положительного и от-
рицательного дополнительного питания
свидетельствует о том, что на поле доба-
вочных полюсов оказывает влияние поле
главных полюсов той же полярности,
если преобладает отрицательное допол-
нительное питание, и противоположной
полярности — в обратном случае.
Далее, не изменяя тока питания об-
моток, следует замкнуть цепь якоря и
нагрузить ее током около 20—25 %, но-
минального. Если в процессе установле-
ния этого тока искрение склонно усили-
ваться, нужно одновременно уменьшить
ток дополнительного питания, не давая
искрению развиваться, так как вызвать
его легче, чем устранить.
После установления границы искре-
ния при этой нагрузке якоря ток допол-
нительного питания уменьшается до ну-
ля, направление его изменяется на об-
ратное и т. д., как было описано выше.
Попутно выясняется направление тока
Рис. 8.15. Схема допол-
нительного питания ком-
мутирующих обмоток
дополнительного питания по показанию
вольтметра на выводах коммутирующих обмоток, которое при
неизменном токе нагрузки больше при токе положительного пи-
тания и меньше при токе отрицательного. О знаке питания
можно судить и по компаундирующему действию: увеличение
тока в коммутирующих обмотках вызывает возрастание тока
нагрузки при неизменном токе возбуждения.
Повторяя эти операции при постепенно возрастающих токах
нагрузки, можно получить два ряда точек, определяющих верх-
нюю и нижнюю границы области безыскровой работы, как пред-
ставлено на рис. 8.16.
, Можно считать, что для каждого значения тока нагрузки
надлучшая коммутация будет определяться точкой, лежащей
в середине между верхней и нижней границами искрения. Ли-
ния, соединяющая такие точки для различных значений тока
нагрузки, носит название средней линии области безыскровой
работы. Суждение о коммутации может быть основано на трех
критериях.
267
Отклонение средней линии от оси абсцисс — чем оно меньше,
тем удачнее выбор числа витков коммутирующих обмоток и
зазора между добавочными полюсами и якорем; идеальным
является случай, когда средняя линия совпадает с осью абс-
цисс на всем своем протяжении. Отклонение ее от оси абсцисс
вверх (рис. 8.17) свидетельствует о слишком слабых комму-
тирующих обмотках, требуется усиление их действия током по-
ложительного дополнительного питания, равносильное увеличе-
нию числа витков или уменьшению зазора. Наоборот, отклоне-
ние средней линии вниз (рис. 8.18) указывает на чрезмерно
сильные коммутирующие обмотки, и действие их нужно ослаб-
лять, в опыте — током отрицательного дополнительного пита-
Рис. 8.16. Порядок проведения
опыта дополнительного пита-
ния коммутирующих обмоток
Рис. 8.17. Область безыскровой ра-
боты при слишком слабых комму-
тирующих обмотках
ния, а после него — уменьшением числа витков или увеличе-
нием зазора.
Ширина области безыскровой работы — чем она больше^
тем надежнее и устойчивее безыскровая работа при каждой
данной нагрузке. Эта ширина зависит от многих факторов, на-
пример от ширины полюсных наконечников добавочных полю-
сов. На рис. 8.19 представлена серия областей безыскровой
работы, определенных на крупной машине; их ширина и поло-
жение средней линии изменяются' в зависимости от ширины
b сменных полюсных наконечников. В ответственных случаях
имеет смысл определение области безыскровой работы для
различных марок или размеров щеток, которые могут быть при-
менены. Щетки тем лучше подходят к условиям машины, чем
больше ширина области безыскровой работы. Может быть
установлено влияние на коммутацию и других факторов, таких,,
как материал и размеры бандажей на лобовых частях обмотки
якоря, нажим щеткодержателей, способ обработки коллектора
и т. д. Однако для получения надежных результатов таких
испытаний необходимо, чтобы все прочие условия оставались
неизменными; в частности, следует обращать особое внимание
на приработку щеток, от которой сильно зависит ширина
области безыскровой работы, и на состояние поверхности кол-
лектора. Образующийся на ней глянцевый цветной налет, или
268
«политура», в зависимости от марки щеток и других условий
приобретающий цвет от светло-лилового до иссиня-черного,
если на нем нет матово-серых или черных следов подгара,
свидетельствует об исправности коммутации и сам ей способ-
ствует; если он выработался на всей поверхности коллектора,
необходимо стремиться к его сохранению. В частности, при
определении области безыскровой работы не следует допускать
сильного или продолжительного искрения; несоблюдение этого
ведет к сужению области.
Если отклонение средней линии от оси абсцисс значительно,
а ширина области безыскровой работы относительно невелика,
то при некотором значении
тока нагрузки один из преде-
лов искрения пересекает ось
абсцисс (см. рис. 8.17 и 8.18).
Рис. 8.19. Зависимость области
безыскровой работы от ширины
наконечников добавочных полю-
сов
Рис. 8.18. Область безыскровой’ ра-
боты при слишком сильных комму-
тирующих обмотках
При более высоких токах нагрузки оба предела безыскровой
работы соответствуют токам дополнительного питания одного и
того же знака, и безыскровая работа без него дальше стано-
вится невозможной.
• Обычно ширина области безыскровой работы уменьшается
по мере повышения тока нагрузки; если машина механически
исправна, это уменьшение происходит очень постепенно,
и быстрое схождение верхнего и нижнего пределов искрения
до их пересечения может считаться признаком механических
неисправностей, преимущественно тех, которые вызывают виб-
рацию щеток.
Кривизна средней линии области безыскровой работы. Она
может служить показателем компенсированности машины —
в компенсированных машинах средняя линия близка к прямой,
в некомпенсированных машинах ее обычная форма имеет вид,
как на рис. 8.20: сначала выпуклость направлена вверх, а при
более высоких нагрузках изменяется на обратную. По этой
причине в некомпенсированных машинах затруднительно обес-
269
-Д1
Рис. 8.20. Двойное пересечение
оси абсцисс областью безыск-
ровой работы
в других, наоборот, они
печить одинаково надежную коммутацию при всех нагрузках;
если, например, средняя линия близка к оси абсцисс в неко-
торых пределах около номинальной нагрузки, то при небольших
нагрузках она более или менее значительно отклоняется в сто-
рону положительного дополнительного питания. Если это выра-
жено очень резко, то получается, как на рис. 8.20: нижний
предел искрения дважды пересекает ось абсцисс и машина без
дополнительного питания обнаруживает искрение на проме-
жутке между этими двумя пересечениями; как при более низ-
ких нагрузках, так и при более высоких искрение исчезает, но
при еще более высоких нагрузках снова возникает. Без опре-
деления области безыскровой ра-
боты такое поведение машины
было бы непонятно.
В большинстве машин ширина
области безыскровой работы мало
зависит от напряжения, но этого
нельзя сказать о положений * ее
средней линии: по мере повышения
напряжения в одних машинах она
отклоняется в сторону положитель-
ного дополнительного питания^ т. е.
добавочные полюсы ослабляются,
усиливаются, что проявляется откло-
нением средней линии вниз.
Отклонение средней линии области безыскровой работы при
' переходе от режима короткого замыкания к режиму нагрузки
определяется действием ряда факторов, наиболее существен-
ными из которых являются следующие.
Насыщение ярма и тела якоря. На рис. 8.21 показано рас-
пределение магнитных потоков при холостом ходе и при ко-
ротком замыкании, когда машина намагничивается почти
• только одними коммутирующими обмотками, что особенно ха-
рактерно для компенсированных машин. Распределение пото-
ков при нагрузке может быть представлено наложением обеих
картин: в ярме и в сердечнике поток добавочных полюсов про-
ходит по участкам, которые насыщены потоком главных полю-
сов, вследствие чего добавочные полюсы ослабляются. Это яв-
ление одинаково и в генераторе, и в двигателе.
Влияние поля главных полюсов на поле добавочных полю-
сов. На рис. 8.22 представлено сложение полей главных и до-
бавочных полюсов в зазоре; из него видно, что поле добавочных
полюсов оказывается смещенным: у генератора — по направле-
нию вращения, а у двигателя — против направления вращения.
Смещение поля против направления вращения вызывает ускоре-
ние коммутации, поэтому добавочные полюсы оказываются
усиленными; напротив, смещение по направлению вращения за-
медляет коммутацию, вследствие чего добавочные полюсы ока-
зываются ослабленными.
270
Ширина области безыскровой работы в долях номиналь-
ного тока убывает с возрастанием мощности машины и с уве-
личением ее частоты вращения; в одной и той же машине при
холостом ходе она примерно обратно пропорциональна частоте
вращения. Поэтому если машина имеет несколько номиналь-
ных частот вращения, то опыт дополнительного питания нужно
проводить прежде всего при наибольшей из них.
Рис. 8.21. Распределение магнитных по-
токов главных и добавочных полюсов:
а — поток главных полюсов; б — поток
добавочных полюсов; в— общий поток
Рис. 8.22. Влияние поля
главных полюсов на поле
добавочных полюсов
При этом обычно наблюдается такое явление: если добавоч-
ные полюсы оказываются подходящими при наибольшей из
частот вращения, то по мере перехода к более низким они ос-
лабевают, и наоборот; на рис. 8.23 дан пример областей
безыскровой работы крупного компенсированного двигателя
с регулированием частоты вращения в отношении 1:2,5, под-
тверждающий это положение.
Не превосходя в крупных машинах нескольких процентов
от номинального тока, ширина области безыскровой работы
в мвлых машинах может достигать десятков процентов, так
271
как в них безыскровая работа обеспечивается легче, чем в круп-
ных. Для небольших машин достаточно характерно, что верх-
ний предел безыскровой работы уходит в бесконечность, т. е.
для нарушения коммутации машин требуется настолько значи-
тельное увеличение потока добавочных полюсов, что их сердеч-
ники насыщаются, и это проявляется сильным возрастанием
тока дополнительного питания. Область безыскровой работы
приняла бы нормальный вид, если бы по оси ординат отклады-
вать не ток дополнительного питания добавочных полюсов,
Рис. 8.23. Изменение области
безыскровой работы в зависи-
мости от частоты вращения.
а создаваемое им изменение потока
или индукции в зазоре между до-
бавочными полюсами и якорем.
8.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ДАННЫХ ДЛЯ ДОБАВОЧНЫХ
ПОЛЮСОВ
Если — число последова-
тельно включенных витков- комму-
тирующих обмоток и при нагрузке
номинальным током /н отклонение
средней линии области безыскровой
работы от оси абсцисс. равно
то для устранения этого отклоне-
ния нужно изменить число витков
на
а А/н
Да>д = —л-а>д;
7 н
если А/я положительно, то надо домотать это число витков,
а если отрицательно — отмотать.
Однако технически трудно отмотать, а тем более домотать
витки в обмотке из проводника большого сечения, что требует
полной разборки машины и переделки катушек, а в крупных
машинах Аи»д может являться небольшой дробью. Между тем
для изменения числа витков оно должно быть не только це-
лым, но и кратным, по крайней мере, числу пар полюсов, так
как правильная коммутация невозможна, если различные пары
полюсов имеют разные числа витков. Поэтому изменение числа
витков может быть выполнено, только когда число витков каж-
дой катушки велико и требуемое изменение его может быть
произведено достаточно точно, а это бывает лишь в небольших
машинах относительно высокого напряжения, когда обмотка
добавочных полюсов проволочная. В более крупных машинах
при обмотках из меди прямоугольного сечения изменение числа
витков возможно лишь при очень грубых отклонениях средней
линии области безыскровой работы от оси абсцисс.
Другим способом регулирования является изменение зазора
добавочных полюсов посредством стальных прокладок между
их сердечниками и ярмом; чем меньше зазор, тем сильнее ста-
272
новятся добавочные полюсы, и наоборот. Подсчет изменения
зазора производится по формуле
6'=________8-______,
!+AZ 0
0—1
где 6 — прежнее значение зазора; I — ток нагрузки, для кото-
рого требуется отрегулировать добавочные полюсы (обычно
номинальный ток); Д/ — соответствующее этому току отклонен
ние средней линии области безыскровой работы от оси абсцисс;
€) — соотношение МДС коммутирующих обмоток и реакции
якоря:
q = 2Р (wa + а>к) / = 8ра (и>д ± wK) .
4а
здесь р — число пар полюсов; а — число пар параллельных
ветвей обмотки якоря; ауд — число витков на одном добавоч-
ном полюсе; wK — число витков компенсационной обмотки во-
круг одного добавочного полюса; N — общее число проводни-
ков на якоре; ад — число параллельных ветвей коммутирующих
обмоток. Формула дает правильный результат при изменениях
зазора в пределах примерно ±20%; более значительные из-
менения приходится подбирать последовательными приближе-
ниями.
Изменение зазора может быть произведено различными спо-
собами. Пусть требуется ослабить чрезмерно сильные добавоч-
ные полюсы. Если между их сердечниками и ярмом имеется
запас стальных прокладок, ослабление может быть достигнуто
удалением соответствующего их числа из-под каждого сердеч-
ника; при этом зазор между добавочными полюсами и якорем
возрастет на сумму толщин удаленных прокладок.
Однако результатом будет не только ослабление поля до-
бавочных полюсов, но и изменение формы кривой распределе-
ния его индукции. Чем больше зазор, тем сильнее проявляется
ослабляющее действие краев наконечников добавочных полю-
сов, что ясно из сравнения картин распределения поля для ма-
лого и большого зазора на рис. 8.24, а. При таком изменении
зазора эта кривая не только понижается, но и изменяет
форму — увеличивается ее выпуклость против середины нако-
нечника.
В относительно небольших машинах, с нетяжелыми усло-
виями коммутации, это не играет роли, но в более крупных,
особенно в компенсированных, приобретает важное значение.
Изменение формы кривой распределения поля, при котором по
мере увеличения зазора индукция у краев полюсного наконеч-
ника уменьшается быстрее, чем против его середины, может
оказать вредное влияние на область безыскровой работы.
273
Рис. 8.24. Зависимость формы поля до-
бавочного полюса от зазора
ния зазора должен быть проверен
Чтобы устранить это влияние, следует производить ослаб-
ление добавочных полюсов без изменения зазора между ними
и якорем, для чего на место каждой удаленной прокладки ста-
вится прокладка из немагнитного материала той же толщины.
Тогда ослабление поля будет происходить по всей ширине по-
люсного наконечника равномерно, как это представлено на
рис. 8.24, б; кривая его распределения сохраняет форму, а все
ее ординаты изменяются в одном и том же отношении. Для воз-
можности такого регулирования машина снабжается запасов
как магнитных, так и не-
магнитных прокладок под
сердечниками добавочных
полюсов в таком количе-
стве, которое обеспечивает
необходимые изменения за-
зора.
Рассеяние добавочных
полюсов относительно ве-
лико, и потому изменение
толщины немагнитных про-
кладок действует примерно
вдвое сильнее, чем равное
ему изменение зазора, что
необходимо учитывать при
настройке коммутации.
Результат каждого измене-
повторением опыта допол-
нительного питания добавочных полюсов.
Пример. Двенадцатиполюсный генератор мощностью 2470 кВт при номи-
па льном напряжении 815 В и номинальном токе /н=3030 А снабжен простой
петлевой обмоткой с числом параллельных ветвей 2а = 12 из 540 одновитко-
вых секций; число проводников на якоре А=2* 540= 1080. Каждый добавоч-
ный полюс имеет число витков о>д=4, а компенсационная обмотка — число
витков на полюс wK=5; обе обмотки вклрчены в две параллельные ветви:
ад=2. Ввиду отсутствия последовательнби обмотки возбуждения половина
катушек обмотки независимого возбуждения соединена в 6 параллельных
ветвей и подключена в качестве размагничивающей обмотки параллельно
коммутирующим обмоткам. Зазор под добавочными полюсами равен 14 мм;
кроме того, под каждый добавочный полюс положены немагнитные прокладки
общей толщиной 6 мм и стальные прокладки — 8 мм.
При определении области безыскровой работы установлено, что для но-
минального тока безыскровая работа получается при токах дополнительного
питания от +12 до —86 А, а цепь размагничивающей обмотки потребляет
при этом ток соответственно 57 и 55 А. Требуется определить необходимое
изменение зазора для получения наилучшей коммутации.
Отношение
З — $Ра — 8 • 6 * 6 (4 -|- 5) _ । пл
Аад . 1080*2
При определении среднего тока дополнительного питания следует учесть,
что от цепи коммутирующих обмоток часть тока ответвляется в подключен-
ную параллельно к ним размагничивающую обмотку; поэтому верхней грани-
цей области безыскровой работы является не +12 А, а +12 — 57=—45 А,
274
% нижней границей не —86 А, а —86—=—141 А; отсюда средняя точка
области (
При определении нового значения зазора должен быть учтен не только
фактический зазор между добавочными полюсами и якорем, но и немагнит-
ные прокладки, действие которых можно считать вдвое более сильным:
5 ~ 14 --L 2.6 — 26 мм;
тогда
1 Н---------- 1 — —-------------—
ZH 6— 1 3030 1,2—Г
Таким образом, новый зазор может быть получен удалением из-под
каждого добавочного полюса стальных прокладок общей толщиной 31,9 — 26=
= 5,9~6 мм.
Вместо этого можно оставить зазор прежним, заменив часть стальных
прокладок немагнитными прокладками общей толщиной примерно вдвое
меньшей, т. е. около 3 мм.
Когда при полностью удаленных магнитных прокладках до-
бавочные полюсы остаются чрезмерно сильными, а удаление
хотя бы одного витка на пару полюсов вызовет ослабление, ко-
торое не может быть устранено введением магнитных прокла-
док, то радикальным решением является понижение высоты сер-
дечников добавочных полюсов; машина должна быть разобрана
для их механической обработки. Если это нежелательно, то
можно отшунтировать от коммутирующих обмоток часть тока
Л/ш, подключив параллельно к ним сопротивление. Если —
.сопротивление коммутирующих обмоток при рабочей темпера-
туре, то шунтирующее сопротивление
р __ Д/ш п
А/ пт
Однако когда машина работает в быстропеременном ре-
жиме, как, например, прокатный двигатель, распределение
тока между обмотками и шунтирующим их сопротивлением бу-
дет нарушаться при каждом быстром изменении тока нагрузки;
индуктивность обмоток, не проявляющаяся при спокойной на-
грузке, вызовет перегрузку шунтирующего сопротивления при
возрастании тока и недогрузку при его убывании.
Между тем именно при резких толчках нагрузки требуется
усиление коммутирующих обмоток, так как изменение их по-
тока отстает от тока; таким образом, применение шунтирования
тока добавочных полюсов сопротивлением для машин, предназ-
наченных для толчкообразной нагрузки, недопустимо и для та-
ких машин применяются так называемые магнитные шунты —
катушки большой индуктивности с регулируемым зазором
в сердечниках. Последовательно с шунтом включается регули-
руемое добавочное сопротивление, ограничивающее ответвля-
275
ющийся ток при установившемся режиме работы, так как со-
противление обмотки шунта мало.
Действие шунта состоит в том, что при резких толчках на-
грузки распределение тока между коммутирующими обмотками
и шунтом нарушается — ток в цепи шунта еще не успевает из-
мениться и потому ток коммутирующих обмоток усиливается;
наоборот, при резком спадании тока шунт принимает на себя
большую его часть, чем при установившемся токе, и это ведет
к ослаблению коммутирующих обмоток.
Настройка шунта производится обычно на месте установки
машины при нормальной ее эксплуатации постепенным измене-
нием зазора в сердечнике с наблюдением за искрением ма-
шины при резких толчках нагрузки.
В целях облегчения борьбы с генерируемыми радиопоме-
хами применяется так называемое симметрирование обмоток,,
состоящее в том, что эти обмотки подразделяются на две рав-
ные части, включаемые по обе стороны якоря. Если подразде-
ление выполнено так, что одна половина состоит из катушек
одной полярности, а вторая—другой, то при определении об-
ласти безыскровой работы можно подавать дополнительное
питание в одну половину, а при определении изменения зазора
полученное отклонение средней линии А/ делить на два.
Если же в состав каждой половины обмотки включены ка-
тушки полюсов, расположенных рядом, то подача дополнитель-
ного питания искажает распределение индукции под добавоч-
ными полюсами и дает неправильное представление о коммута-
ции машины. В этом случае необходимо на время определения
области безыскровой коммутации пересоединить обмотки так,
чтобы обе их половины оказались по одну сторону якоря и это
дало возможность подавать дополнительное питание во всю
обмотку.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ИСПЫТАНИЕ СИНХРОННЫХ МАШИН
9Л. ПРОГРАММЫ ПРИЕМОЧНЫХ
И ПРИЕМО-СДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИИ
Для синхронных машин всех видов — генераторов, двига-
телей и синхронных компенсаторов — установлена следующая
программа приемочного испытания:
* измерение сопротивления изоляции обмоток по отноше-
нию к корпусу машины и между обмотками;
* измерение сопротивлений обмоток при постоянном токе
в практически холодном состоянии;
276
* испытание при повышенной частоте вращения;
* испытание изоляции обмоток относительно корпуса ма-
шины и между обЛ1ОТКами на электрическую прочность;
* испытание междувитковсй изоляции обмотки якоря на
электрическую прочность;
* определение характеристики холостого хода;
* определение ^арактерист'ики установившегося трехфаз-
ного короткого 3aMfeiKaHHH (трехфазных машин) или однофаз-
ного короткого замыкания (однофазных машин);
измерение тока возбуждения в режиме ненагруженного пе-
ревозбужденного Двигателя при номинальном напряжении и
номинальном токе икоря и определение {/-образной характе-
ристики (для мац1ИН частотой 50 Гц и мощностью до
1000 кВ-А);
определение номинального тока возбуждения, регулировоч-
ной характеристики и номинального изменения напряжения
генератора;
определение номинального т°ка возбуждения и регулиро-
вочной характеристики двигателя;
испытание при кратковременной перегрузке по току;
определение коэффициента полезного действия;
испытание на наг'ревание;
испытание на м^хаНическу1° прочность при ударном токе
короткого замыкание (для маи^ин каждой серии данного пред-
приятия это испытание допускается проводить только на ма-
шинах с наибольшие полюсным делением);
определение коэффициента искажения синусоидальности
кривой линейного напряжения (и коэффициента телефонных
гармоник при наличии требования в стандартах или техниче-
ских условиях на конкретные виды машин);
определение индуктивных сопротивлений и постоянных вре-
мени обмоток (для Машин мощностью свыше 100 кВ • А);
* определение то^а и потерь короткого замыкания при не-
подвижном роторе (,для двигателей и синхронных компенсато-
ров);
определение начального пускового, минимального и номи-
нального входного в[эащающих моментов (для двигателей);
измерение вибрацци;
измерение радиоп[ОМ’ех (при наличии требований в стандар-
тах или технических условиях да конкретные виды машин);
измерение уровня шума (ддя турбогенераторов проводится
только на месте установки);
* проверка состояния уплотнений и определение утечки
водорода (для машим с водородным охлаждением).
Пункты, отмеченНЬ1р чнезлочкой, составляют программу
приемо-сдаточного испытания.
В синхронных мацпИнах в деныней степени, чем в каких-
либо иных, существу^ различиё между работой в режимах ге-
нератора и двигатеЛ|Я. поэтому и программа, кроме пунктов,
277
относящихся только к двигателям, не делает между ними раз-
личия.
Вопрос об отнесении измерения вибрации и уровня шума
к приемочным или приемо-сдаточным испытаниям решается
в стандартах или технических условиях на конкретные виды
синхронных машин.
Программа составлена применительно к машинам трехфаз-
ного и однофазного тока, но может быть распространена на
машины с любым иным числом фаз.
Установившееся исполнение синхронной машины — «пря-
мое», при котором вращающаяся часть (ротор) является индук-
тором, а неподвижная часть (статор)—якорем; однако при не-
больших мощностях применяется и «обращенное» исполнение,
когда наподобие машин постоянного тока якорем является вра-
щающаяся часть, а индуктором — неподвижная. Программа не
делает различия между «прямым» и «обращенным» исполнени-
ями, но проведение некоторых испытаний приобретает в зави-
симости от исполнения свои особенности. Порядок чередования
большинства испытаний не определяется их нумерацией по
программе и может быть видоизменен сообразно с требовани-
ями удобства и экономии времени, кроме испытания электри-
ческой прочности изоляции обмоток относительно корпуса ма-
шины и между обмотками и междувитковой изоляции, кото-
рым должны предшествовать испытание на нагревание (если
оно проводится), проверка сопротивления изоляции обмоток,
испытания при повышенной частоте вращения, при кратковре-
менной перегрузке по току и на механическую прочность при
ударном токе короткого замыкания (если оно выполняется).
За исключением определения пусковых характеристик дви-
гателя, все остальные испытания при вращающейся машине
могут быть проведены в режиме генератора.
Испытание электромашинных возбудителей проводится по
программам Испытаний машин соответствующего вида, а испы-
тание статических систем возбуждения — по программам, ус-
танавливаемым в соответствующих стандартах или технических
условиях и не входящим в содержание настоящей книги; но
определение скорости нарастания напряжения возбуждения и
кратности установившегося напряжения независимо от приме-
ненной системы возбуждения рассматривается в § 9.16, так как
оно может входить в программы испытания синхронных ма-
шин отдельных видов. _•
9.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Ток возбуждения при коротком замыкании на выводах ма-
шины может рассматриваться как содержащий составляющую,
необходимую для создания ЭДС, равной сумме всех падений
напряжения в цепи короткого замыкания, и составляющую,
278
компенсирующую реакцию якоря. При наличии щеточного кон-
такта в цепи короткого замыкания, как, например, в машинах
постоянного тока или в синхронных машинах обращенного ис-
полнения (с вращающимся якорем), сюда добавляется еще со-
ставляющая для покрытия переходного падения напряжения
в скользящем контакте.
Первые две составляющие с достаточной точностью могут
считаться пропорциональными току, поскольку магнитная цепь
машины при коротком замыкании далека от насыщения; поэ-
тому характеристика короткого замыкания синхронной машины
должна являться прямой линией. Но третья составляющая,
хотя она в действительности не является постоянной и не за-
висящей от тока, как это принято полагать для простоты, все
же зависит от него мало, и потому, чем меньше номинальное
напряжение машины, имеющей щеточный контакт, а вместе
с ним и первые две составляющие, тем больше отклонение ха-
рактеристики от прямой, особенно в ее нижней части.
Влияние гистерезиса на характеристику короткого замыка-
ния практически не обнаруживается из-за малости магнитного
потока; но влияние остаточного намагничивания проявляется,
хотя и в меньшей степени, чем на характеристику холостого
хода, и должно быть учтено введением поправки Агк, анало-
гичной поправке Ai0.
Определение характеристики короткого замыкания не вхо-
дит в программы испытания машин постоянного тока, так как
необходимые сведения о последних могут быть получены и без
нее; но для машин переменного тока эта характеристика имеет
первостепенное значение. При этом для машин многофазного
тока короткое замыкание выводов может быть произведено
различными способами и получаемые при этом характеристики
не равноценны.
Обычно имеется в виду замыкание всех линейных выводов,
называемое симметричным коротким замыканием; но помимо
него могут рассматриваться и несимметричные короткие замы-
кания, как, например, для машин трехфазного тока при сопря-
жении фаз в звезду — замыкание двух линейных выводов на
нейтраль или друг на друга, или одной фазы на нейтраль;
в случае сопряжения фаз в треугольник единственным возмож-
ным видом несимметричного короткого замыкания является
замыкание двух линейных выводов. Основные разновидности
короткого замыкания представлены на рис. 9.1.
При числе фаз, большем трех, возможных вариантов не-
симметричных коротких замыканий становится еще больше,
но здесь имеет смысл отметить только случай шести фаз в виде
двух одинаковых трехфазных систем, сдвинутых на 712 периода,
где возможно замыкание трех линейных выводов одной из них;
хотя такое замыкание нельзя назвать несимметричным, но его
нельзя и приравнивать к замыканию всех линейных выводов,
так как половина обмотки в нем не участвует.
279
На рис. 9.1 обозначены места измерения тока короткого
замыкания. При симметричном коротком замыкании измере-
нию подлежат токи во всех фазах и за его ток принимается
среднее арифметическое; но при приемо-сдаточном испытании
допускается измерять только один из токов. При несимметрич-
ных коротких замыканиях подлежат измерению также напря-
жения на свободных фазах, а в случае коротких замыканий
двух фаз друг на друга или на нейтраль — условная мощность
Рис. 9.1. Принципиальные схемы коротких замы-
каний синхронной машины
посредством показанного на схемах ваттметра, назначение ко-
торого объяснено при рассмотрении определения параметров
синхронных машин.
При симметричных коротких замыканиях существенно,
чтобы проводники, внешние по отношению к выводам, образо-
вывали нейтральную точку; если замкнуть каждую пару выво-
дов отдельно, то токи будут определяться случайными соотно-
шениями сопротивлений, но не соответствовать действитель-
ному распределению по фазам.
При коротком замыкании реакция якоря должна уравнове-
сить основную часть МДС индуктора за вычетом небольшой
ее доли, необходимой для индуктирования ЭДС, покрывающей
падение напряжения в обмотке; поэтому чем меньше часть об-
мотки, замкнутая накоротко, тем больше ток в ней при одном
280
и том же токе индуктора iK. При прочих равных условиях наи-
меньшим является ток симметричного короткого замыкания,
в котором участвует вся обмотка, и наибольшим — ток замы-
кания одной фазы на нейтраль, как это можно видеть из
рис, 9,2. По этой же причине токи при частичных коротких
замыканиях, являющихся тяжелой аварией, достигают огром-
ных значений.
При симметричном коротком замыкании с номинальным
значением тока якоря ток возбуждения меньше соответствую-
щего номинальному режиму работы; поэтому синхронная ма-
шина может выдерживать такое короткое замыкание неопре-
деленно долгое время без опасности повреждения, если только
Рис. 9.2. Характеристики коротких за-
мыканий синхронной машины
Рис. 9.3. Зависимость тока ко-
роткого замыкания от частоты
вращения
система охлаждения машины действует нормально. Но это не
распространяется на несимметричные короткие замыкания, при
которых опасность представляет не столько ток в обмотке
якоря, сколько обратносинхронное поле, индуктирующее пере-
менные токи двойной частоты в обмотках, вызывающие силь-
ное нагревание поверхности индуктора. По этой причине при
испытании неявнополюсных машин не следует увеличивать ток
замыкания двух фаз на нейтраль более 40—45 % номиналь-
ного, а ток замыкания двух фаз друг на друга или одной фазы
на нейтраль — более 20—25 % и во всех случаях выдерживать
такой ток не продолжительнее, чем это нужно для отсчета по
приборам.
При испытании явнополюсных машин токи короткого замы-
кания всех видов могут быть на время отсчета доведены до
номинального значения, если при этом не возникает вибрация,
которая может иметь вредные последствия для машин; это
особенно относится к крупным гидрогенераторам и синхронным
компенсаторам.
Ток короткого замыкания в широких пределах практически
не зависит от частоты вращения, потому что при ее уменьше-
нии в одинаковом отношении уменьшаются и ЭДС в обмотке,
281
и ее индуктивное сопротивление. Поэтому если определение
характеристики короткого замыкания не сопровождается изме^
рением его потерь, то поддержание номинальной частоты вра-
щения не обязательно. На рис. 9.3 представлена зависимость
тока короткого замыкания от частоты при неизменном токе
возбуждения.
Для неявнополюсных машин обычно токи короткого замы-
кания разных видов находятся в примерном соотношении
^кз • /ка • Дао • Ikl — 1 • 1»6 • 2,0 : 2,7;
для явнополюсных это соотношение будет близко к следую-
щему:
1кз • Да • ^кго • 1 : 1,2 : 1,5 : 2,2.
По причине прямолинейности Характеристики короткого за-
мыкания нет необходимости брать много отсчетов при ее опре-
делении, если только оно не сопровождается измерением по-
терь; а при приемо-сдаточных испытаниях машин мощностью
до 100 кВ*А допускается ограничить его одним отсчетом при
номинальном значении тока. Во всех случаях определение ха-
рактеристики проводится начиная от наибольшего значения
тока.
Если испытуемая синхронная машина не имеет приводного
двигателя, то определение характеристики короткого замыка-
ния может быть проведено на выбеге. С этой целью, например,
по окончании определения характеристики холостого хода в ре-
жиме ненагруженного двигателя следует отключить испытуе-
мую машину от источника питания, немедленно снять с нее
возбуждение, замкнуть выводы обмотки якоря накоротко за-
ранее подготовленным устройством и снова подать возбужде-
ние. Поскольку магнитный поток в замкнутой накоротко ма-
шине мал, он устанавливается быстро и это дает возможность
произвести отсчет тока короткого замыкания. В тихоходных
машинах с большими маховыми массами удается произвести
несколько отсчетов, пока машина не остановится.
Определение характеристики симметричного короткого за-
мыкания обычно сопровождается измерением потерь, которые,
как и при опыте холостого хода, могут быть разделены на соб-
ственно потери короткого замыкания и механические потери;
может случиться, что последние не совпадут с определенными
в опыте холостого хода. В этом случае если различие не пре-
восходит 10 % их среднего, то за действительное значение при-
нимается это среднее, а в противном случае причины расхож-
дения подлежат выяснению и устранению. При определении
характеристик несимметричных коротких замыканий измерение
потерь обычно не производится.
Сопоставление характеристик холостого хода и симметрич-
ного короткого замыкания позволяет определить отношение ко-
роткого замыкания К с, под которым понимается отношение
тока короткого замыкания 1К при токе возбуждения, соответст-
282
вующем номинальному напряжению холостого хода, к номи-
нальному току /н:
Kc = Zk//h;
оно может быть заменено отношением токов возбуждения
где to — ток возбуждения, соответствующий по характеристике
холостого хода номинальному значению напряжения С/о=^ю
a iK — ток возбуждения, соответствующий по характеристике
короткого замыкания номинальному значению тока якоря /к=
= /н.
Обычно для неявнополюсных машин /Со< 1, для быстроход-
ных явнополюсных оно более или менее близко к единице,
а для тихоходных машин Лс>1.
9.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ
И U-ОБРАЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК
Среди нагрузочных характеристик синхронной машины- ин-
терес представляет соответствующая чисто индуктивной на-
грузке При номинальном токе; обычно можно ограничить опыт
получением только одной точки этой характеристики при номи-
нальном напряжений. Этот опыт возможен в режиме и гене-
ратора, и двигателя:
Если имеется сеть достаточной мощности, напряжение кото-
рой соответствует номинальному напряжению испытуемой ма-
шины, то, синхронизировав последнюю с Этой сетью, следует
поднимать возбуждение, пока отдаваемый машиной ток не ста-
нет равным номинальному. Если машина имеет приводной
двигатель постоянного тока, то его следует регулировать так,
чтобы между машиной и сетью не было обмена активных мощ-
ностей и все потери покрывались приводным двигателем. Приз-
наком этого служит равенство отклонений приборов при способе
двух ваттметров, имеющих в данном случае разные знаки, или
отсутствие отклонений при способе одного или трех ваттметров;
если же приводного двигателя нет, то потери в испытуемой ма-
шине будут покрываться сетью и коэффициент мощности бу-
дет отличен от нуля, но это может быть допущено по его ма-
лости.
Так как напряжение сети повышается емкостной нагрузкой
(сеть компаундируется), то может оказаться, что напряжение
уже превосходит номинальное, хотя ток еще не достиг номи-
нального значения. В этом случае отсчет следует произвести,
когда напряжение достигнет предела, допустимого по местным
условиям, но не более 115% его номинального значения, и
нанести его на график характеристики холостого хода —точка
С на рис. 9.4. Влево от этой точки откладывается ток возбуж-
дения при коротком замыкании iK, соответствующий току
283
якоря Л достигнутому в опыте. Через конец F полученного от-
резка проводится прямая, параллельная начальной прямоли-
нейной части характеристики холостого хода, до пересечения
с характеристикой в точке Н и прямая через точки Н и С; на
последней откладывается отрезок HN, определяемый равенст-
вом
I
Если перенести характеристику холостого хода параллельно
самой себе по направлению этого отрезка так, чтобы она про-
шла через точку N, то она будет являться нагрузочной харак-
теристикой при cos ф=
— О и номинальном токе,
а точка на ней, соответ-
ствующая номинальному
напряжению, с достаточ-
ной точностью даст ис-
правленный резуль^ах
опыта. Перпендикуляр,
опущенный из точки А
на ось абсцисс, отсечет на
ней ток возбуждения iHo,
соответствующий номи-
„ нальному току якоря при
Рис. 9.4. Построение участка нагрузочной НЯПпяжриии £/=/7„ и
характеристики Р ®
cos<p = 0 (на рис. 9.4 не
показан).
Компаундирование сети можно уменьшить или вовсе уст-
ранить подключением к ней параллельно с испытуемой маши-
ной еще одной синхронной машины, работающей в режиме не-
нагруженного и недовозбужденного двигателя и представляю-
щей для сети индуктивную нагрузку, компенсирующую своим
отстающим током опережающий ток испытуемой машины.
Однако следует иметь в виду, что не всякая синхронная ма-
шина допускает работу в режиме недовозбуждения вследствие
перегревания торцевых частей сердечника статора потоками
рассеяния и что если такая работа все же возможна, то пре-
делом ее следует считать полное снятие возбуждения, при ко-
тором ток ее якоря может в большей или меньшей степени не
достигать номинального значения для данной машины. Если
первое может не играть существенной роли при быстром выпол-
нении опыта, когда недовозбужденная машина не успеет пере-
греться, то второе можно устранить в ограниченной степени
подачей возбуждения в обратном направлении, пока ротор не
проскользнет на одно полюсное деление.
При наличии еще одной синхронной машины с тем же но-
минальным напряжением, но не менее чем в 1,5—2 раза боль-
шей мощности можно заставить испытуемую машину работать
на нее без подключения к сети; это представляет то преиму-
284
*
щество, что и ток, и напряжение испытуемой машины могут
быть установлены номинальными. Опыт может быть проведен
в двух вариантах.
Если обе синхронные машины имеют приводные ^двигатели,
то они синхронизируются, после чего одновременно повыша-
ется возбуждение испытуемой машины и понижается возбужде-
ние вспомогательной до тех пор, пока не будет установлен
требуемый режим. Если хотя бы один из приводных двигате-
лей является двигателем постоянного тока, можно исключить
обмен активных мощностей между обеими машинами.
Если одна из синхронных машин не имеет своего привод-
ного двигателя, то обе машины пускаются синхронно и даль-
нейшие операции проводятся по предыдущему. Все потери по-
крываются от машины с приводным двигателем, и потому ко-
эффициент мощности будет отличен от нуля; однако неточность,
вносимая этим в результаты опыта, невелика. Мощность при-
водного двигателя должна быть достаточной для разворачива-
ния всей системы и покрытия суммы потерь холостого хода и
короткого замыкания обеих синхронных машин.
Если мощность вспомогательной синхронной машины не-
достаточна, то ее возбуждение будет полностью снято еще до
достижения номинальных значений тока и напряжения и даль-
нейшее повышение возбуждения испытуемой машины вызовет
увеличение напряжения; тогда можно пойти на проведение
опыта при повышенном напряжении с введением поправки,
описанной в начале параграфа, если это повышение получается
не более 15 % номинального.
Если ни первый, ни второй способы неприменимы, остается
нагружать испытуемую машину индуктивным сопротивлением,
в качестве которого может служить реактор, крупный нена-
груженный трансформатор или асинхронный двигатель. Если
такая нагрузка и отличается от чисто индуктивной за счет по-
терь в приемниках, то это не вносит существенной неточности
в результат опыта. При таком способе нагрузки нельзя рас-
считывать на то, чтобы и напряжение, и ток одновременно
имели номинальные значения, и поэтому необходимо примене-
ние описанной выше поправки.
Если изменять ток возбуждения синхронной машины, рабо-
тающей параллельно с крупным источником, то потребляемый
ею ток будет изменяться и по значению, и по фазе; понижение
тока возбуждения против соответствующего наименьшему по-
требляемому току при данном напряжении, или недовозбужде-
ние, вызывает потребление тока, отстающего от напряжения
источника, т. е. превращает машину по отношению к источнику
в индуктивный приемник, а повышение тока возбуждения про-
тив этого значения, или перевозбуждение, вызывает потребле-
ние тока, опережающего напряжение источника, т. е. машина
становится по отношению к источнику как бы емкостным при-
емником, переходя в режим синхронного компенсатора.
285
Зависимость тока якоря от тока возбуждения при неизмен-
ном напряжении на выводах благодаря своей форме (рис. 9.5)*
носит название U-образной характеристики. Эта характеристика
может быть определена в режиме как двигателя, так и генера-
тора, притом при различных активных нагрузках; но наиболь-
ший интерес представляет характеристика в режиме ненагру-
женного двигателя (^2 = 0). Точка Л этой характеристики,
соответствующая номинальному потребляемому току при номи-
нальном напряжении и перевозбуждении, является одновре-
менно точкой нагрузочной характеристики, получение которой*
описано выше.
Самая нижняя точка на каждой U-образной характеристике
соответствует минимальному току якоря при данной отдавае-
мой мощности Pz для генератора или потребляемой мощности
Рис. 9.5. U-образные характеристики
Pi для двигателя, т. е. макси-
мальному значению коэффи-
циента мощности cos<p=s,U
Если соединить эти точки меж-
ду собойь (штриховая линия
в середине рис. 9.5), то полу-
чится регулировочная харак-
теристика для случая cosq>^
= 1, или зависимость тока воз-
буждения от тока нагрузки
i=f (/) при неизменных напря-
жении и коэффициенте мощно-*
сти, только изображенная «at
оборот—*в виде
Представляется, что, измеряя мощность, подведенную к маг
шине, можно сразу определить сумму потерь, соответствующих
номинальной нагрузке, кроме потерь на возбуждение, которое
здесь не соответствуют номинальному режиму работы, но при
возбуждении от независимого источника не участвуют в изме-
рении. Однако при очень низких значениях коэффициента мощ-
ности, какие имеют место в этом опыте, на правильность, изме-*
рения сильно влияют угловые погрешности измерительных
трансформаторов, что особенно заметно при применении полу-
косвенных схем измерения мощности. В результате при одних
и тех же токе и напряжении измеренная мощность при недо-
возбуждении может оказаться большей, чем при перевозбуж-
дении. Но когда возможно измерение мощности по непосредст-
венной схеме, картина получается обратной, так как при пере-
возбуждении внутренняя ЭДС и определяющий ее магнитный
поток, а вместе с ним и потери в стали якоря выше, чем при
недовозбуждении.
В режиме перевозбужденного двигателя может быть про-
ведено испытание на кратковременную перегрузку по току; но
так как нормально было бы очень затруднительно так поднять
возбуждение машины, чтобы она при номинальном напряже-
286
нии перегрузилась по току на 50 %, то приходится проводить
это испытание при пониженном напряжении. Оно возможно,
если только имеется приемник, способный принять этот ток.
Если определять ветви U-образных характеристик при раз-
личных нагрузках и недовозбуждении, то окажется, что при не-
котором токе возбуждения каждая из этих характеристик об-
рывается, так как машина выпадает из синхронизма: ее син-
хронный вращающий момент становится недостаточным для
данной нагрузки. Если соединить все точки обрыва характе-
ристик плавной кривой (штриховая кривая в левом верхнем
углу рис. 9.5), то она будет являться пределом устойчивой
работы с недовозбуждением при данном напряжении.
9.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНОГО ТОКА
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Если ток возбуждения синхронной машины при нагрузке не
может быть определен непосредственно из опыта, то его сле-
дует получить построением векторной диаграммы, использую-
щей данные опытов холостого хода и короткого замыкания и
известной под названием диаграммы Потъе. Для этого к век-
тору тока якоря I под углом <р, соответствующим заданному
коэффициенту мощности cosq>, пристраивается вектор напряже-
ния U. Чтобы определить действующую в машине внутреннюю
ЭДС Ев, необходимо пристроить к вектору напряжения векторы
активного и индуктивного падений напряжения в обмотке IRt
и 1ХР (рис. 9.6). Здесь под Ri понимается сопротивление при
переменном токе, учитывающее добавочные потери в провод-,
никах обмотки, а под Хр — индуктивное сопротивление, припи-
сываемое обмотке одной фазы при вращающемся роторе; оно
не может быть непосредственно измерено и определяется рас-
сматриваемыми ниже косвенными способами.
Построение диаграммы обычно производится для работы ма-
шины в режиме генератора; хотя в случае ее работы в режиме
двигателя некоторые векторы должны быть ориентированы
иначе, это не вносит количественного изменения. Вектор актив-
ного падения напряжения IRi следовало бы пристроить
к концу вектора напряжения U параллельно вектору тока I; но
.даже в машинах небольшой мощности это падение настолько
мало, что можно им пренебречь и пристроить к вектору напря-
жения U вектор индуктивного падения напряжения 1Хр так,
чтобы он был опережающим на ’А периода по отношению
к току I. Геометрической суммой векторов U и IXV будет век-
тор ЭДС Ев, индуктированной в обмотке результирующим маг-
нитным потоком.
По характеристике холостого хода определяется ток возбуж-
дения iB, который был бы необходим для создания магнитного
потока, индуктирующего ЭДС Ев; считается, что такой поток и
существует в машине при нагрузке. Его вектор должен опере-
287
жать ЭДС £в на периода, однако вместо него может быть от-
ложен вектор 1В, совпадающий с ним по фазе.
При нагрузке обмотки якоря током I она создает реакцию,
в общем стремящуюся размагничивать машину; эта реакция
Рис. 9.6. Построение векторной диаграммы синхронной машины
должна быть уравновешена составляющей тока возбуждения
1Я, вектор которой параллелен вектору тока 7, но направлен
противоположно ему. Геометрическая сумма векторов iB и 1Я
будет полным током возбуждения индуктора in, необходимым
Рис. 9.7. Практический вид диаграммы
синхронной машины
для данного режима ра-
боты. Этим заканчивается
построение диаграммы.
При практическом по-
строении диаграммы тре-
угольник составляющих
тока возбуждения условно
поворачивается на 90 по
часовой стрелке так, что
составляющая тока воз-
буждения iB совпадает по
направлению с ЭДС £в>
а составляющая гя, уравно-
вешивающая реакцию
якоря, становится перпен-
дикулярной к вектору тока
I (рис. 9.7).
Если проведены опыты холостого хода, короткого замыка-
ния и нагрузки при cos <р = 0, то для получения индуктивного
падения напряжения на характеристику холостого хода сле-
дует нанести точку Д соответствующую нагрузке машины то-
ком / при напряжении U и cos<p=0 (рис. 9.8); ее абсцисса О£
288
Рис. 9.8. Определение реакции якоря и ин-
дуктивного падения напряжения из опыта
при cos ф=0
дает ток возбуждения tHo при этом опыте. От точки А влево
откладывается отрезок AD, равный току возбуждения iK при
симметричном коротком замыкании с током /к=/н. Через точку
D проводится прямая DB, параллельная нижней прямолиней-
ной части характеристики холостого хода. Длина перпендику-
ляра BG, опущенного на отрезок AD из точки пересечения В
этой прямой с характеристикой холостого хода, изображает
индуктивное падение напряжения 1ВХ9, а отрезок AG, отсека-
емый этим перпендикуляром на прямой AD,—-составляющую
тока возбуждения iw уравновешивающую реакцию якоря, по-
тому что при короткоМ-Замыкании ток возбуждения iK состоит
из двух частей: iH=AG, уравновешивающей реакцию якоря, и
DG, необходимой для ин-
дуктирования ЭДС, по-
крывающей индуктивное
падение напряжения /ХР.
В неявнополюсных ма-
шинах с бандажами ро-
тора из магнитной стали
и в явнополюсных, имею-
щих сильно выступающие
магнитные щеки сердеч-
ников полюсов, получае-
мая опытным путем точ-
ка А дает преувеличен-
ное значение составляю-
щей 1я.
Если известны данные
обмоток якоря и индуктора, то для неявнополюсных машин со-
ставляющая тока возбуждения, уравновешивающая реакцию
якоря, может быть вычислена по формуле
. __ 3 У 2 Wiki 1аг ____ 2,12wik1Iat
*я — - . . - —. . - -
2К>2^2Й1
где Wi — число витков одной фазы обмотки якоря; w2 — число
витков обмотки индуктора; ki и k2— их обмоточные коэффи-
циенты; ai и а2 — их числа параллельных ветвей. Отняв от
тока возбуждения iK при токе короткого замыкания /к=/ со-
ставляющую in, можно определить ЭДС, необходимую для по-
крытия индуктивного падения напряжения 1ХР и по характе-
ристике холостого хода соответствующую остатку от этого вы-
читания (отрезок DG на рис. 9.8).
Диаграмма должна бы строиться для фазных значений всех
входящих в нее величин; но так как все характеристики
обычно строятся для линейных значений, то и диаграмму
удобно строить для них. В формулу для составляющей тока
возбуждения 1я входит , фазный ток; поэтому, если обмотка
Ю Заказ № 512
289
якоря сопряжена в треугольник, то следует пересчитать линей-
ный ток в фазный.
Этот способ может быть применен и для явнополюсных ма-
шин, если положить й2=1; но построение диаграммы дает для
них не такое хорошее совпадение с действительностью, как для
неявнополюсных, так как вычисленная составляющая гя недо-
статочно точно совпадает с определенной из опыта при
cos<p=0.
Построение диаграммы может быть заменено вычислением
(рис. 9.9): _________________________
ЕВ~У £/2cosa <р-|-(£7 sin <р-|-/Хр)2
и по характеристике холостого хода определяется соответству-
ющий ей ток возбуждения iB; тогда полный ток возбуждения
in = VIl + tn + 2tAsin((P + 6),
гДе
• / t с\ U Sin ф -j— I Хр
sin (ф + о) =---р .
Сдвиг (ф + 6) между ЭДС Е3 и током / является внутрен-
ним сдвигом фаз, аналогичным внешнему сдвигу фаз ф между
напряжением U и током /; им определяется внутренняя мощ-
ность машины.
По характеристике холостого хода определяется ЭДС £ц,
соответствующая полному току возбуждения fn; она равна
тому напряжению, которое установится на выводах якоря при
неизменном токе возбуждения и неизменной частоте вращения
после отключения данной нагрузки.
Сдвиг между ЭДС £п и током I обычно обозначается через
ф; разность 0 = ф—ф носит название угла нагрузки синхронной
машины, определяющего устойчивость ее работы параллельно
с сетью бесконечно большой мощности.
Практика показывает, что токи возбуждения, получаемые
из диаграммы, мало отличаются ют действительных, особенно
когда насыщение магнитной цепи не^слишком высоко; однако
это не распространяется на углы между различными векто-
рами, которые могут заметно отличаться от определяемых по
диаграмме. .
Выраженное в процентах отношение разности между ЭДС
Еп и напряжением U при нагрузке к этому последнему назы-
вается изменением напряжения &U; под номинальным измене-
нием напряжения понимается его значение при отключении но-
минальной нагрузки:
А£/н=1бО £п"~1/н .
- . Ток возбуждения и изменение напряжения могут опреде-
ляться для любых режимов работы машины; это дает возмож-
ность построения характеристик, в первую очередь регулиро-
290
вочной характеристики, наиболее важной для эксплуатации ма-
шины в режиме как генератора, так и двигателя. На рис. 9.10
дан пример семейства регулировочных характеристик при но-
минальном значении напряжения и различных значениях ко-
Рис. 9.9. Пояснения Рис. 9.10. Семейство регулиро-
к расчетному определе- вочных характеристик при раз-
вито тока возбуждения личных значениях cos ф
эффициента мощности; ток нагрузки выражен в процентах от
номинального тока, а ток возбуждения — в процентах от его
значения при холостом ходе с номинальным напряжением.
9.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСКАЖЕНИЯ
СИНУСОИДАЛЬНОСТИ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ
Под коэффициентом искажения синусоидальности периоди-
ческой кривой понимается выраженное в процентах отношение
квадратного корня из суммы квадратов амплитудных (или
действующих) значений всех высших гармонических составля-
ющих этой кривой к амплитудному (или действующему) зна-
чению ее первой гармонической (основной волны). Это поня-
тие применяется к кривой напряжения синхронных генераторов:
где Ui — амплитудные (или действующие) значения гармони-
ческих порядков i. Для синхронных генераторов трехфазного
тока мощностью свыше 100 кВ-А коэффициент искажения си-
нусоидальности кривой линейного напряжения при холостом
ходе и номинальных значениях напряжения и частоты не дол-
жен превосходить 5%, т. е. это напряжение должно быть
практически синусоидальным.
Ю* 29|
успокоительной обмотки tz и имеют нечетные значения, бли-
жайшие к числам:
т//2 =F 1 (I серия); 2т//2 =F 1 (II серия) и т. д.
Соотношения между амплитудами гармонических каждой
серии могут быть различными; так, если отношение x/tz близко
к целому нечетному числу, то I серия состоит только из одной
гармонической этого нечетного порядка, а парная с ней отсут-
ствует; обе гармонические II серии выражены при этом очень
явственно, но затруднительно предвидеть, которая из них
больше.
Для неявнополюсных машин зубчатость индуктора опреде-
ляется пазами, в которые заложена его обмотка, а иногда
также и пустыми пазами, предусматриваемыми конструкцией
по разным соображениям. Если Z2 — число делений электриче-
ской окружности, по которой расположены эти пазы (оно обычно
берется целым), то при его нечетном значении следует ожи-
дать гармонические порядков
Zz (I серия); 2Z2 =F Г (П серия) и т. д.,
а при четном
Z2 =F 1 (I серия); 2Z2 =р 1 (II серия) и т. д.
Кроме того, возможны побочные серии гармонических этого
рода, порядки которых связаны с множителями числа Z2.
Гармонические, определяемые зубчатостью индуктора, про-
являются особенно сильно, когда соотношение между шагами
пазов успокоительной обмотки и пазов якоря близко к одному
из простых: 1:1; 1:2; 2:3 и т. д. В неявнополюсных машинах
такие соотношения встречаются редко; характерный для этих
машин большой зазор сглаживает влияние зубчатости индук-
тора на форму магнитного поля.
Гармонические, обусловленные соотношением полюсной
дуги индуктора и шага пазов якоря, определяются пульсаци-
ями магнитного потока и имеют те же порядки, что и гармо-
нические, определяемые зубчатостью якоря.
Содержание гармонических в кривых линейного и фазного
напряжений неодинаково: в первой не могут содержаться гар-
монические порядков, кратных трем, так как при сопряжении
фаз в звезду они не образуют разности потенциалов между вы-
водами любых двух фаз, а при сопряжении в треугольник по-
следний представляет для них цепь короткого замыкания.
На рис. 9.11 дан пример осциллограммы линейного напря-
жения U„, фазного напряжения t/ф и кривой распределения ин-
дукции в зазоре машины с сопряжением фаз в звезду; для
последней вдоль зубца якоря уложен проводник, концы кото-
рого поданы на вибратор осциллографа.
Шесть глубоких провалов кривой распределения индукции
соответствуют пазам успокоительной обмотки в полюсных на-
конечниках индуктора, шаг которых близок к ‘/и полюсного
294
деления. Соответственно этому фазное напряжение искажено
суммой гармонических порядков 21 и 23; но поскольку первый
из них кратен трем, в линейном напряжении гармоническая
этого порядка отсутствует и искажение кривой линейного на-
пряжения значительно меньше.
Обмотка оказывает фильтрующее действие на высшие
гармонические индукции, за исключением определяемых зубча-
тостью якоря; последние воспроизводятся в кривой напряже-
ния не только наравне с основной волной, но даже с некото-
рым усилением под действием перечисленных выше причин.
Значительно фильтрующее действие двухслойных обмоток с уко-
рочением шага по отношению к гармоническим порядков 5
и 7, которые исключаются
им высших порядков, пер-
вая — при укорочении до
4/б, а вторая — до 6/7 диа-
метрального шага.
В машинах с совмещен-
ным расположением обмо-
ток якоря и возбуждения
форма кривой напряжения
зависит от формы зубцов и
впадин ротора, и было бы
затруднительно дать, опре-
деленные указания о со-
ставе их кривых напряжения: в них могут содержаться также
гармонические четных порядков; однако такие машины обычно
имеют небольшую мощность, работают на индивидуальный
приемник и линии передачи их энергии весьма коротки — все
это ослабляет интерес к форме кривых их напряжения.
вместе с гармоническими кратных
Рис. 9.11. Пример осциллограммы ли-
нейного и фазного напряжений и рас-
пределения индукции в зазоре
Пример. Измерения, произведенные анализатором гармонических состав-
ляющих на двенадцатиполюсном генераторе, имеклцем число пазов на полюс
и фазу <?=21/2, двухслойную обмотку с укорочением шага до 4/з диаметраль-
ного, шаг пазов успокоительной обмотки /2=22 мм и диаметр расточки ста-
тора D = 750 мм, дали следующий состав кривых линейного и фазного на-
пряжений в делениях шкалы:
Порядок гармо-
нической ........ 1 3
Линейное на-
пряжение ........... ... 110,0 О
Фазное напря-
жение . . .. . . .. . . . 63,5 2,65
Порядок гармо-
нической . ............ 17 19
Линейное на-
пряжение ............... 1,40 0,83
Фазное на-
пряжение . ............0,81 0,48
5 7 9 11 13 15
0 0,70 0 0,115 0,05 0
0 0,40 0,80 0,07 0,03 0
21 23 25 27 29 31
0 0 0 0 0,25 0,57
0 0 0 0 1,14 0,33
В линейном напряжении сильнее всего выражены гармонические поряд-
ков 7, 17 и 19; учет всех измеренных гармонических дает значение коэффи-
циента искажения синусоидальности Ди=1,71 %, а при помощи измерителя
295
нелинейных искажений йолучено значение 1,70 %. Для фазного напря-
жения определять коэффициент искажения синусоидальности не требуется,,
но оно представляет интерес для сравнения с линейным. В нем преобладают
гармонические порядков 3, 9 и 17, и вычисление коэффициента^ искажения
дает значение Ки==4,68 %, а измеритель нелинейных искажений дал Ки~
=4,70 %.
Гармонические с порядками, кратными трем, отсутствуют в линейном
напряжении, но содержатся в фазном; первая из них, порядка 3, несомненней
содержится в кривой распределения индукции, а гармоническая порядка &
вызвана тем, что шаг успокоительной обмотки почти точно составляет 1/9г
полюсного деления:
nD 3,14-750
.—- =1-----------— 195,5 мм;
2р 12
отсюда
т//2 = 196,5/22 — 8,93.
Гармонические порядков, кратных пяти, отфильтрованы укорочением
шага обмотки и в обеих кривых отсутствуют, хотя несомненно, что, по край-
ней мере, первая из них содержится в кривой распределения индукции. Гар-
монические порядков И и 13 содержатся в обеих кривых в одинаковых:
относительных долях; вероятно, они тоже содержатся в кривой распределе-
ния индукции. Гармонические порядков 17 и 19 представляют II серию гар-
монических от зубчатости индуктора; их относительное содержание в обеих:
кривых одинаково. Далее следует пробел, за которым идут гармонические:
порядков 29 и 31, происходящие от зубчатости якоря:
q — b-\-C/d = 2+ 1/2;
q' = &а + с = 2-2ф1 = 5; 6/ :р 1==6-5? 1 = 29 и 31.
Эти гармонические содержатся в обеих кривых в одинаковых долях..
Гармонические более высоких порядков не были обнаружены.
Вычисление коэффициента телефонных гармоник с учетом весомости всех
составляющих для i кривой линейного напряжения дает несколько большее:
значение, чем коэффициента искажения синусоидальности, а именно Кт =
= 1,96 %. Если провести такое же вычисление для фазного напряжения, то
получится весьма близкое значение: Кт=2,00 %, потому что обе кривые раз-
личаются главным образом гармоническими таких порядков, для которых:
весовые коэффициенты имеют малые значения.
9.6. ПАРАМЕТРЫ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
Параметрами синхронной машины называются такие ха-
рактерные для нее величины, знание которых позволяет пред-
определить ее поведение при различных режимах работы — как.
установившихся, так и неустановившихся.
В узком смысле под параметрами синхронной машины под-
разумеваются активные и индуктивные сопротивления, введен-
ные ее теорией; здесь дается краткая характеристика тех и&
них, которые могут быть определены при приемочном испыта-
нии. Все параметры относятся к одной фазе обмотки якоря.
Активные сопротивления.
1. Сопротивление при расчетной рабочей температуре R&
есть сопротивление, измеренное при постоянном токе в прак-
тически холодном состоянии и приведенное к расчетной рабо-
296
чей температуре соответственно классу нагревостойкости изо-
ляционных материалов обмотки.
2. Активное сопротивление обмотки якоря R\ есть сопротив-
ление, определяющее выделение теплоты в обмотке якоря при
питании ее переменным током номинальной частоты. Оно равно
произведению сопротивления R® при расчетной рабочей тем-
пературе, измеренного при постоянном токе, на коэффициент
kFi учитывающий его увеличение вследствие выделения доба-
вочных потерь:
R1 = kFRe,
3. Активное сопротивление обратной последовательности R2
ютличается от сопротивления 7?! тем, что поля рассеяния, обра-
зуемые токами обратной последовательности и создающие до-
бавочные потери, отличны от образуемых токами прямой по-
следовательности, и тем, что в его состав входят приведенные
сопротивления обмоток индуктора.
4. Активное сопротивление нулевой последовательности R$
отличается от сопротивлений и R2 тем, что поля рассеяния,
образуемые токами нулевой последовательности и создающие
добавочные потери, не походят на создаваемые токами прямой
и обратной последовательности, так как во всех трех фазах об-
мотки якоря эти токи совпадают по фазе.
Индуктивные сопротивления при установившихся режимах.
5. Индуктивное сопротивление прямой последовательности
есть индуктивное сопротивление обмотки якоря току пря-
мой последовательности, определяемое потоком рассеяния от
этого тока и потоком реакции якоря по продольной оси.
6. Индуктивное сопротивление обратной последовательности
есть индуктивное сопротивление обмотки якоря току обрат-
ной последовательности, определяемое потоком рассеяния от
этого тока и действием обратносинхронного поля.
7. Индуктивное сопротивление нулевой последовательности
есть индуктивное сопротивление обмотки якоря току нуле-
вой последовательности, определяемое потоком рассеяния от
этого тока.
8. Синхронное индуктивное сопротивление по продольной
оси Xd равноценно индуктивному сопротивлению прямой по-
следовательности
9. Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной
оси Xq аналогично Xd, но для поперечной оси машины. В не-
явнополюсных машинах различия между ними практически
нет: Xd^Xq.
10, Расчетное индуктивное сопротивление Хр есть индуктив-
ное сопротивление обмотки якоря, определяемое потоком рас-
сеяния от токов прямой последовательности и частично рассе-
янием в индукторе. Оно относится собственно к неявнопо-
люсным машинам, но удовлетворительная пригодность их
297
диаграммы для явнополюсных машин позволяет рассматри-
вать Лр как параметр, относящийся ко всем синхронным маши-
нам. Его называют также «реактивностью Потье».
Индуктивные сопротивления при неустановившихся режимах.
11. Переходное индуктивное сопротивление по продольной
оси X'd — начальное значение синхронного индуктивного сопро-
тивления по продольной оси при переходном режиме.
12. Переходное индуктивное сопротивление по поперечной
оси X'q — начальное значение синхронного индуктивного со-
противления по поперечной оси при переходном режиме; оно
не может быть получено из элементарных опытов.
В неявнополюсных машинах оба эти сопротивления близки
друг к другу: X'd~X'q.
13. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по про-
дольной оси X"d — начальное значение индуктивного сопротив-
ления по продольной оси при сверхпереходном режиме.
14. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по попе-
речной оси X"q — начальное значение индуктивного сопротив-
ления по поперечной оси при сверхпереходном режиме.
В машинах с неявновыраженными полюсами последние два
индуктивных сопротивления, подобно предыдущим двум, прак-
тически равны между собой: X"d^X"q.
Различие между сверхпереходными и переходными индук-
тивными сопротивлениями тем резче, чем сильнее средства ус-
покоения индуктора машины. В машинах, лишенных средств
успокоения, как, например, явнополюсные машины без клеток
с наборными полюсными сердечниками, различие между сверх-
переходными и переходными индуктивными сопротивлениями
почти стирается, однако полностью исчезнуть не может, так
как некоторое успокоительное действие остается за счет об-
мотки возбуждения, электропроводности между отдельными
листами полюсов, стяжных шпилек в сердечниках полюсов
и т. д.
15. Индуктивное сопротивление при удаленном индукторе
Хо —индуктивное сопротивление обмотки якоря, обусловлен-
ное потоком рассеяния от тока номинальной частоты с номи-
нальным числом фаз, когда якорь находится отдельно от ин-
дуктора, за вычетом потока, замыкающегося через простран-
ство, нормально занимаемое индуктором.
Хотя этот параметр относится к несобранной машине, од-
нако; играет важную роль при вычислении других параметров
и близок к индуктивному сопротивлению Хр, но несколько
меньше последнего, так как в него не входит составляющая,
определяемая рассеянием в индукторе, впрочем, довольно не-
значительная.
При опытном определении перечисленные выше параметры
Moryf быть выражены в единицах сопротивления — омах; но
повсеместное применение нашло выражение их в относительных
298
единицах, под которым подразумевается вычисление отношений,
падений напряжения, создаваемых номинальным током на этих
сопротивлениях, к номинальному фазному напряжению. Для
отличия выраженные таким образом параметры обозначаются
строчными буквами вместо прописных, как, например:
а н. ф а н. ф
Такое определение облегчает сравнение между собой пара-
метров различных машин. Входящее сюда отношение номи-
нального фазного напряжения UH. ф к номинальному фазному
току /н. ф, выраженное в омах, носит название номинального со-
противления машины:
2Н = t/н. ф//н. ф>
Пользуясь этим термином, можно определить переход от
абсолютных значений параметров, выраженных в омах, к отно-
сительным, выраженным в относительных единицах, как деле-
ние на номинальное сопротивление, например:
/=X7Z.
d d Н
Нередко относительные значения параметров выражаются
также в процентах.
Параметры синхронной машины не сохраняют строго по-
стоянных значений. Так, активные сопротивления зависят пт
температуры обмоток, причем сложным образом, поскольку
основные потери в обмотках возрастают с повышением этой
температуры, а добавочные потери убывают. Значения индук-
тивных сопротивлений зависят от насыщёния ферромагнитных
участков путей потоков рассеяния, определяющих эти сопро-
тивления; принято отличать так называемые ненасыщенные
значения этих сопротивлений от насыщенных.
Под ненасыщенными подразумеваются значения, измерен-
ные при столь малых токах, что практически никакого насы-
щения путей рассеяния нет. Большинство опытов по определе-
нию параметров дает ненасыщенные значения; однако некото-
рые опыты позволяют получать и насыщенные значения, что
менее определенно, так как степень насыщения может быть
различной.
Обычно под ненасыщенными значениями индуктивных со-
противлений, кроме синхронных, понимаются их значения при
номинальном токе, а под насыщенными — при номинальном
напряжении. -
Насыщенные значения всегда меньше ненасыщенных.
9.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИНХРОННЫХ
ИНДУКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИИ
. Выше, в § 9.4, было установлено, что большая часть тока,
возбуждения идет на уравновешивание размагничивающей ре-:
акции якоря, а остальная часть — на создание магнитного.
299
наименьшее значение тока приходится принимать среднее
арифметическое из двух соседних (рис. 9.13):
7 ' ^mini + /min2
1 min — -»
2
а за действительное наибольшее значение
Г — /( ^тах 1 + 7max 2 V ^0
2 / 3X|
где Uq — напряжение от остаточного намагничивания; Xd —
синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, оп~
Рис. 9.13. Определение Ха и Хд методом малого
скольжения
ределенное каким-либо другим методом, например по харак-
теристикам холостого хода и короткого замыкания. При до-
статочной мощности источника питания приложенное напряже-
ние меньше подвержено колебаниям, но если наблюдаются
различия между его соседними наибольшими или наименьшими
значениями, то за действительные надо принимать средние
арифметические из чередующихся значений.
Если скольжение недостаточно мало, то происходит наложе-
ние асинхронного режима на синхронный: двигательного, если
частота вращения ниже синхронной, и генераторного если она
выше синхронной. В обоих случаях значения синхронных ин-
дуктивных сопротивлений вследствие этого наложения отлича-
ются от действительных; скольжение во всяком случае должно
быть не свыше 1 %, тогда отклонение измеренных значений
будет не более 10 %. Для получения правильных значений па-
раметров нужно провести несколько опытов при различных зна-
чениях скольжения, отложить результаты в функции скольже-
ния и экстраполировать их на его нулевое значение.
Если мощность приводного двигателя слишком мала, то
при переходе от положения, соответствующего к положению,
302
соответствующему Xd, ротор испытуемой машины ускоряется,
а при обратном переходе — замедляется, когда средняя частота
вращения ниже синхронной; когда она выше синхронной, все
происходит в обратном порядке. При этом наложение асин-
хронного режима на синхронный происходит при непрерывно
пульсирующем скольжении, в результате чего наибольшие и
наименьшие значения напряжения перестают соответствовать
наименьшим и наибольшим значениям тока; промежуток вре-
мени от наибольшего значения тока до следующего за ним наи-
меньшего становится заметно меньшим, чем промежуток от
наименьшего значения до очередного наибольшего.
Рис. 9.14. Зависимость синхронного индуктивного
сопротивления от угла поворота фазы питания
Метод поворота фазы питания. Если испытуемая машина
имеет синхронный приводной двигатель, то при наличии источ-
ника трехфазного тока с поворачиваемой фазой, например аг-
регата с машиной продольно-поперечного возбуждения или
фазорегулятора достаточной мощности, можно, изменяя фазу
питания, производить непосредственное измерение любого зна-
чения синхронного индуктивного сопротивления в пределах от
Xd до Xq как частного от деления приложенного напряжения
на потребляемый ток. Если двигатель, приводящий испытуе-
мую машину, имеет продольно-поперечное возбуждение, то им
тоже может производиться поворот фазы. Если при этом из-
мерять угол поворота фазы питания по отношению к сетевому
напряжению, то значения синхронного индуктивного сопротив-
ления могут быть отложены на графике в зависимости от этого
угла (рис. 9.14), что позволяет определить Xd как полусумму
двух соседних максимальных значений, a Xq — как полусумму
минимальных значений, полученных из графика. Напряжение
на разомкнутой обмотке индуктора при этом равно нулю, так
как нет вращения поля якоря по отношению к индуктору; мо-
жет быть обнаружено только небольшое напряжение высокой
частоты от пульсации поля , из-за зубчатости якоря.
303
Данный метод дает наиболее точные ненасыщенные значе-
ния Xd и Xq\ по существу, он является предельным случаем ме-
тода малого скольжения, доведенного до нуля.
Метод отрицательного возбуждения состоит в том, что с ма-
шины, работающей в режиме ненагруженного двигателя при
напряжении, близком к номинальному, возбуждение снимается
и постепенно подается в противоположном направлении до тех
пор, пока ротор не проскользнет на одно полюсное деление,
в результате чего отрицательное возбуждение превратится в по-
ложительное.
Если ix — ток отрицательного возбуждения в момент опро-
кидывания и U\ —напряжение в этот момент, а — ток возбу-
ждения, соответствующий ему по характеристике холостого
хода, то вычисляется условное напряжение
после чего синхронное индуктивное сопротивление по попереч-
ной оси определяется по формуле
xq=xd—^—,
’ t/1 + их
где Хц — значение синхронного индуктивного сопротивления по
продольной оси, определенное каким-либо другим
если в момент опрокидывания измерено значение
Xq может быть получено по формуле
" Л Уз
Этот метод должен применяться к машинам
скими потерями менее 1 % номинальной мощности, следова-
тельно, достаточно крупным; однако его не следует применять
для неявнополюсных машин, так как в момент опрокидывания
могут получаться ожоги в местах контактов между бочкой ин-
дуктора и бандажными кольцами на лобовых частях его об-
мотки..
Если имеется возможность измерить угол S между внутрен-
ней ЭДС и напряжением на выводах, что с достаточной точно-
стью может быть' выполнено только при малых числах пар
полюсов, то синхронное индуктивное сопротивление по попереч-
ной оси Хя может быть определено по формуле
методом; но
тока /ь то
с механиче-
X — sin б + //?г V 3 sin (<р + 6)
q~ Z<3cos(<p + 6)
где — активное сопротивление обмотки якоря; если же этим
сопротивлением можно пренебречь по его малости, то формула
упрощается:
v U sin 6
I V 3 COS (ф + S)
304
Если измерение угла 6 произведено при номинальных зна-
чениях тока и напряжения, то результатом опыта является на-
сыщенное значение Xq; желательно, но не обязательно, чтобы
и сдвиг ср имел при этом номинальное значение.
9.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО
И ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ
ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Если короткое замыкание осуществлено между двумя фа-
зами, то в их обмотках устанавливается ток /К2, который мо-
жет быть разложен на системы прямой и обратной последова-
тельности, состоящие из одинаковых по значению токов. На
рис. 9.15 векторы токов системы прямой последовательности Л
2, 3 изображены сплошными линиями, а векторы токов системы
обратной последовательности Г, 2', 3' —штриховыми. В первой
фазе они взаимно уничтожаются, а во второй и третьей — скла-
дываются и дают два тока И и ИЦ которые на диаграмме на-
правлены в прямо противоположные стороны, так как, если ток
короткого замыкания в некоторый момент времени в одной из
этих фаз направлен от начала к концу, то в другой — от конца
к началу. Сложение составляющих в этих фазах происходит
под углом 60°, поэтому их суммы больше каждого из слагае-
мых в V3 раза.
Метод короткого замыкания двух фаз друг на друга, назы-
ваемый в литературе методом Бекку или методом Вагнера—
Довжикова. Поле, сцепленное с обмоткой индуктора, за выче-
том полей рассеяния последнего, индуктирует в обмотке сво-
бодной фазы (не участвующей в коротком замыкании) ЭДС,
равную той, которая уравновешивает падение напряжения от
тока короткого замыкания. Падение напряжения в одной фазе
от полей рассеяния обмотки якоря составляет
-^{Хг+Х^^-2Хг.
где X о — индуктивное сопротивление одной фазы обмотки
якоря при удаленном индукторе.
Так как индуктирование ЭДС по оси свободной фазы про-
исходит не только в ней, но и в замкнутых накоротко фазах,
расположенных под углами 120° к нёй, то напряжение UK2 ме-
жду свободной фазой и точкой короткого замыкания увеличи-
вается в 3/2 раза:
^К2 = ^к2^2 V*3,
откуда
V £^к2
2~ /к27з" *
305
Это равенство верно, когда активное сопротивление обрат-
ной последовательности R2 мало по сравнению с Х2 и им можно
пренебречь; в противном случае результатом является полное
сопротивление обратной последовательности
Тогда выделение Х2 можно произвести следующим образом:
ЭДС, индуктируемая обратносинхронным полем в свободной
фазе, опережает на V4 периода сопряженную ЭДС, индуктируе-
мую этим же полем в короткозамкнутых фазах (рис. 9.16).
Если сопротивлением R2 можно пренебречь, то ток обратной
Рис. 9.15. Разложение тока корот-
кого замыкания двух фаз на симмет-
ричные составляющие
при коротком замыкании
двух фаз
последовательности /к2 должен отставать от этой ЭДС на V4
периода, а от ЭДС в свободной фазе — на V2 периода. Ватт-
метр, включенный так, что его обмотка напряжения присоеди-
нена между точкой короткого замыкания и свободной фазой,
а обмотка тока введена в цепь короткого замыкания (см.
рис. 9.1,г), должен бы дать показание
р ~ UK2IK2,
но при наличии заметного активного сопротивления R2 сдвиг ф
между ЭДС и током в цепи короткого замыкания меньше, чем
’А периода, причем
sinip=X2/Z2;
поэтому и показание ваттметра будет меньше:
Р= f/K2AcsCOS(lp+90o)= t/K2/K2sini|)= UK2IKi ;
Z2
отсюда следует, что
Y _ (/к2 Р Р
-Л 2 —----—----------=-------—— .
^К2 V 3 Д/к2 ^К2 7^ J/" 3
306
Заодно можно определить и активное сопротивление:
что, впрочем, не отличается точностью, поскольку под корнем
стоит разность двух близких величин.
В процессе опыта необходимо контролировать формы кри-
вых тока короткого замыкания и напряжения t/K2; если они зна-
чительно отличаются от синусоидальной, то следует все опера-
ции производить под основными гармоническими, выделенными
из реальных кривых применяемыми для этого способами. Опыт
показывает, что чем совершеннее средства успокоения машины,
тем ближе все кривые к синусоидальной форме и тем меньше
расхождение между значениями параметров, получаемыми раз-
ными методами.
Все рассуждения проводились для ненасыщенного состояния
машины, так как ЭДС предполагались взятыми по продолже-
нию прямолинейной части характеристики холостого хода; ме-
жду тем в опыте измеряется реальное напряжение на свобод-
ной фазе £/к2, подверженное влиянию насыщения. Поэтому сле-
довало бы для подсчетов Х2 при номинальном значении тока
обратной последовательности доводить характеристику данного
короткого замыкания до значения тока /К2 = ^нУЗ, но это не-
возможно; остается проводить вычисления Х2 для ряда значе-
ний тока /К2 в пределах опыта и откладывать результаты в за-
висимости от тока.
Метод обратносинхронного вращения, которое является ре-
жимом электромагнитного тормоза при скольжении, равном
200 %. Обмотка индуктора должна быть замкнута накоротко,
чтобы на ней не создавалось опасное перенапряжение; в нор-
мальной эксплуатации она замкнута на якорь возбудителя, что
мало отличается от короткого замыкания. Приложенное от по-
стороннего источника напряжение с обратным чередованием
фаз не должно превосходить 15—20 % номинального напряже-
ния испытуемой машины, так как иначе развивается чрезмерно
большой тормозящий момент, а успокоительная обмотка и все
массивные детали на поверхности индуктора сильно перегрева-
ются.
С другой стороны, слишком понижать это напряжение не
следует, так как в противном случае на результаты опыта ока-
жет нежелательное влияние остаточное намагничивание; не
рекомендуется, чтобы напряжение от него превосходило 30 %
приложенного напряжения.
При опыте измеряются приложенное напряжение U, потреб-
ляемый ток I и подводимая мощность Р; результаты обрабаты-
ваются по формулам:
307
Привод испытуемой ♦ машины желательно производить дви-
гателем переменного тока, лучше всего синхронным, чтобы
устранить трудность поддержания Частоты вращения.
Индуктивное сопротивление обратной последовательности
может быть определено по значениям сверхпереходных сопро-
тивлений по продольной и поперечной осям, что рассматрива-
ется несколько ниже, в § 9.13.
9.9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Применяются два метода определения этого параметра.
Метод короткого замыкания двух фаз на нейтраль, называе-
мый в литературе методом Райта. Согласно методу симметрич-
ных составляющих напряжение нулевой последовательности
равно
Uq^= —- {(J 1 + “Г ^з),
о
где U2, Us — векторы напряжения трех фаз; точно так же
ток нулевой последовательности равен
“ (л + л + л) 1
где /ь 12, и /3 — векторы токов трех фаз. Если произвести ко-
роткое замыкание двух фаз на нейтраль, например второй и
третьей, то напряжения этих фаз будут равны нулю и в выра-
жении для Uq останется только напряжение на свободной фазе
Ук20-
и0•
<5 о
Ток в свободной первой фазе равен нулю, и потому
^0=“(^2 + Л).
Но геометрическая сумма токов второй и третьей фаз равна
току в нейтрали /кго, откуда
|/0( —_. /к20.
/ 6
Следовательно, пренебрегая активным сопротивлением, мо-
жно получить
1
Хо = ^0 3 УК2О
0 1 7 К2°
з к20
308
Здесь нельзя ограничиться определением Хо для какого-либо
одного значения тока короткого замыкания. Так как в опыте
производится измерение реального напряжения на свободной
фазе С7к20, подверженного влиянию насыщения, следовало бы
доводить ток /К2о До трехкратного номинального значения, что
невозможно; остается производить вычисление Хо для различ-
ных значений тока /К2о в пределах опыта и откладывать резуль-
таты в зависимости от тока.
Метод постороннего однофазного питания, называемый ме-
тодом Моргана и Райта. К обмотке якоря
коротко обмотке индуктора подается пита-
ние от постороннего источника однофазного
тока. Обмотка якоря должна быть соеди-
нена так, чтобы направления токов в фа-
зах совпадали; это можно сделать как при
параллельном соединении всех трех фаз,
так и при последовательном. Параллельное
соединение фаз достигается использова-
нием схемы симметричного короткого за-
мыкания, питаемой однофазным током,
приложенным между нейтралью й коротко-
замыкающим соединением (рис. 9.17, а),
а последовательное — сопряжением фаз
в треугольник, питаемый через одну
разомкнутую вершину (рис. 9.17, б). При
вращении машины с номинальной или
близкой к ней частотой производится изме-
при замкнутой на-
Рис. 9.17. Определение Хо при однофазном питании
всех трех фаз якоря
рение приложенного напряжения U, потребляемого тока I и
подводимой мощности Р; тогда при параллельном соединении
фаз •
z0=~‘, Яо=~; =
/ г/2
и при последовательном
Таким образом, при одном и том же напряжении источника
питания во втором случае потребляемый ток в девять раз
меньше, чем в первом, и, кроме того, обеспечивается равенство
токов во всех трех фазах, что существенно для правильности
результата. Последовательное соединение фаз может быть ре-
комендовано для машин, имеющих сопряжение фаз в треуголь-
ник, при условии, что хотя бы одна из его вершин доступна
для размыкания; однако такие машины встречаются редко. При
309
сопряжении фаз в звезду пересоединение их в треугольник,
если и возможно при условии вывода начал и концов всех фаз,
то может потребовать применения длинных соединительных
проводников, когда они удалены друг от друга, и сопротивле-
ние этих проводников, особенно индуктивное, складываясь с из-
меряемым, искажает результат.
В некоторых руководствах считается допустимым прово-
дить опыт при неподвижной машине; однако эксперимент по-
казывает, что параметры Хо и /?0 зависят от частоты вращения
(рис. 9.18); так, например, при !/з синхронной частоты враще-
ния токи нулевой последователь-
ности создают вращающий момент,
как у однофазного двигателя.
9.10. ОПЫТ ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО
ЗАМЫКАНИЯ
Синхронные машины должны
выдерживать без повреждений вне-
запное симметричное короткое за-
мыкание при 105 % номинального
напряжения холостого хода. Одна-
ко машина, выдержавшая ударное
короткое замыкание без видимых
последствий, может получить неза-
от частоты вращения метные повреждения, которые с те-
чением времени проявятся в виде
пробоя изоляции обмотки якоря; поэтому прибегать к такому
опыту без действительной необходимости нецелесообразно,
а для определения параметров неустановившихся режимов при
приемочных испытаниях можно ограничиться опытом при на-
пряжении >/4—Vs номинального.
Для крупных турбо- и гидрогенераторов, предназначенных
для работы в блоке с трансформаторами, считается достаточ-
ным, чтобы они выдерживали внезапное короткое замыкание
при напряжении на выводах, равном 70 % номинального, что
примерно соответствует замыканию на стороне высшего на-
пряжения трансформатора.
Возбуждение должно быть подано от источника с номи-
нальным током, по крайней мере в 1,5 раза большим тока воз-
буждения при номинальном режиме работы; ’собственный воз-
будитель испытуемой машины не должен применяться, так как
его номинальный ток обычно недостаточно велик.
Опыт внезапного короткого замыкания требует особой тща-
тельности и полной надежности применяемых приборов и ап-
паратов, так как не всегда .может быть повторен в случае не-
удачи. '
Короткое замыкание, за исключением наиболее крупных
машин, может производиться масляным выключателем,с ди-
станционным управлением; при выборе его следует отдать пред-:
зю
почтение. конструкциям с расположением рабочих контактов
в масле, а не в воздухе, так как в них можно, удалить искро-
гасительные контакты, обычно недостаточно надежные для мо-
мента включения. Замыкание наиболее крупных машин произ-
водится специально построенными для этого.аппаратами. За-
мыкание всех трех фаз должно происходить практически
одновременно, для чего следует отрегулировать контакты при
медленном включении. После этого одновременность замыка-
ния может быть проверена при нормальной работе приводного
механизма записью процесса включения трехфазного напряже-
ния с наибольшей возможной скоростью. Регулировку контак-
тов можно считать удовлетворительной, если неодновремен-
ность включения не превосходит 0,04 периода или 15 угловьгх
градусов. Динамическая устойчивость выключателя должна
быть достаточной для того, чтобы выдержать предполагаемый
ударный ток.
Пребывание персонала вблизи от замыкающего устройства
в момент его действия недопустимо, так как возможны вы-
бросы масла и газов из масляных баков, разрывы соединитель-
ных проводников и другие механические повреждения, а при
открытых аппаратах — ослепляющие вспышки в момент за-
мыкания. Соединительные проводники должны быть надежно
закреплены против действия электродинамических сил; чем они
короче и ближе друг к другу, тем меньше их активные и ин-
дуктивные сопротивления, которые прибавляются к парамет-
рам машины и вносят искажение в результаты испытания, осо-
бенно при низком напряжении.
Применяются два способа включения элементов, служащих
для записи токов короткого замыкания: через трансформаторы
тока и через безындукционные шунты.
Трансформаторы тока рекомендуется выбирать преимуще-
ственно без стыков в сердечнике; этому обычно удовлетворяют
одновитковые трансформаторы тока. Предполагаемое ударное
значение тока короткого замыкания должно быть в пределах
прямолинейной части характеристики трансформаторов токй.
Большое удобство представляют трансформаторы с несколь-
кими пределами измерения, особенно с отношениями 1 :4 или
1 : 5; это позволяет провести предварительно запись при 1/4—
Vs напряжения наименьшем пределе, и если настройка схемы
записи оказалась Неудачной, то исправить ее соответствующим
образом, после чего для записи при полном напряжении опыта
перейти на больший предел измерения.
Записи при таком пониженном напряжении могут быть по-
вторены без ущерба для испытуемой машины, так как электро-
динамические усилия-при нем в 15—20 раз меньше, чем при
полном напряжении опыта. ;
От каждого трансформатора тока должна быть произведена
подача отдельным двухжильным шитым шнуром; применение
многожильных кабелей или сокращение числа проводников ис-
311
кажают запись. Если при перегрузках в процессе внезапного
короткого замыкания наступает заметное насыщение сердеч-
ников трансформаторов тока, то последние не могут передавать
без искажений производимую запись; это особенно касается
трансформаторов с сердечниками из пермаллоя. Сопротивление
измерительной цепи должно быть минимальным возможным;
особенно не следует применять длинные соединительные про-
водники, так как при них напряжение на выводах измеритель-
ной обмотки, а вместе с ним и поток в трансформаторе сильно
возрастают.
Асимметричная составляющая тока короткого замыкания
способна создавать остаточное намагничивание сердечников
трансформаторов тока, которое при последующих опытах мо-
жет стать причиной искажения записи; поэтому рекомендуется
производить после каждого опыта размагничивание сердечни-
ков, для чего следует отключить от трансформаторов тока из-
мерительные цепи и подать на измерительные обмотки перемен-
ный ток, повышая его в пределах пропорциональности прило-
женному напряжению, затем понизить плавно до возможного
минимума и отключить.
Безындукционные шунты включаются, как правило, со сто-
роны заземленной нейтрали машины или за короткозамыкаю-
тцим приспособлением с тем, чтобы до момента короткого за-
мыкания они не находились под напряжением; в последнем слу-
чае во избежание появления в измерительных цепях высокого
напряжения в момент замыкания следует заземлять коротко-
замыкающую перемычку за шунтами. При испытании машин
с низким номинальным напряжением шунты могут включаться
1иежду машиной и короткозамыкающим приспособлением, если
изоляция записывающего устройства достаточна для этого на-
пряжения. Может допускаться значительная мгновенная пере-
грузка шунтов; но установившийся ток короткого замыкания
не должен перегревать их до температуры, опасной для их изо-
ляции или паек. Чем выше номинальное падение напряжения
шунта, тем надежнее запись, так как на нее меньше влияют
поля рассеяния, неплотности контактов, индуктивность потен-
циальных проводников и т. п.
Основным способом записи процесса является осциллогра-
фирование; все искомые величины получаются из обмера осцил-
лограммы и его обработки и потому зависят от их правиль-
ности, четкости и тщательности определения масштабов. На-
стройка вибраторов должна быть произведена так, чтобы
записи не вышли за края ленты. При применении шунтов на-
стройка производится следующим образом: потенциальные про-
водники отсоединяются от шунтов и подключаются к зажимам
известного, практически безындукционного сопротивления, ко-
торое нагружается переменным током так, чтобы падение на-
пряжения на нем было на 120—130 % больше ожидаемого на
шунте от одной только симметричной составляющей ударного
312
тока короткого замыкания. Так как для обработки записи
удобно, чтобы все три тока имели один масштаб, осевые линии
вибраторов совмещаются и производится такая настройка ре-
гулирующих сопротивлений вибраторов, чтобы записи слива-
лись точно в одну, а их размах (двойная амплитуда) не пре-
восходил примерно % ширины ленты. После этого никакие из-
менения в цепях вибраторов не допускаются, в том числе
нельзя пользоваться выключателями на их регулирующих со-
противлениях. Потенциальные проводники переносятся на
шунты; проводники, которые были присоединены к одному и
тому же зажиму градуировочного сопротивления, должны быть
одинаково расположены на шунтах по отношению к машине или
к короткозамыкающей перемычке, чтобы было обеспечено есте-
Рис. 9.19. Осциллограмма симметричного внезапного
короткого замыкания
ственное взаимное расположение записей. В заключение опыта
следы вибраторов раздвигаются на 10—15 мм, так как обмер
осциллограммы неудобен, если записи имеют общую ось.
В случае применения трансформаторов тока измерительные
линии отключаются от их вторичных обмоток, соединяются по-
следовательно и в них подается переменный ток, превосходя-
щий на 120—130 % ожидаемую симметричную составляющую
ударного тока в измерительных обмотках трансформаторов
тока; все дальнейшие операции производятся так же, как и при
работе с шунтами.
Снятие осциллограмм внезапных коротких замыканий* пред-
почтительно производить с применением кассет, допускающих
многократную экспозицию одного и того же отрезка ленты; это-
позволяет предварительно нанести нулевые линии всех вибра-
торов, что облегчает обработку осциллограммы. Осциллографы^
работающие на кинопленке, непригодны для данного опыта, так
как непосредственная обработка таких осциллограмм без спе-
циальных устройств невозможна, а при увеличении они теряют
необходимую точность.
Чтобы обработка осциллограммы не была затруднительной,
один период тока должен занимать на ней не менее 8—10 мм;
31?
при частоте 50 Гц это дает скорость 0,4—0,5 м/с. Для самых
крупных машин достаточно, чтобы на осциллограмме поме-
стилось 25—30 периодов после внезапного короткого замыка-
ния; таким образом, длина записи получается 200—300 мм. Так
как большинство конструкций осциллографов имеет значи-
тельно больший отрезок ленты в кассете для повторной записи,
то еще остается запас на время между открытием затвора ос-
циллографа и моментом короткого замыкания, допускающий
приведение в действие короткозамыкающего устройства от
вспомогательных контактов затвора осциллографа, если они
имеются.
Кроме трех токов якоря, производится запись тока в цепи
индуктора и одного из линейных напряжений (рис. 9.19). За-
тухание переменной составляющей тока в цепи индуктора по-
зволяет судить о затухании асимметричных составляющих то-
ков якоря, а по кривой напряжения видно, остается ли напря-
жение на выводах машины после короткого замыкания, что
важно для машин низкого напряжения.
9.11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ИЗ ОПЫТА ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Перед началом обработки записи опыта внезапного корот-
кого замыкания следует произвести подготовку, которая со-
стоит в проведении осей и определения масштаба времени.
Если на осциллограмму нанесены нулевые линии самими вибра-
торами, то непосредственно воспользоваться ими для обра-
ботки осциллограммы нельзя, так как они слишком широки. По-
этому следует не реже чем через каждые 50 мм наметить се-
редину каждой нулевой линии и через эти отметки провести
волосные оси; светочувствительная лента могла быть заложена
в кассету не вполне ровно, а во время фотографической обра-
ботки претерпеть деформации, и оси записей могут быть ис-
кривлены.
Если кассета осциллографа не допускает повторной экспо-
зиции, то можно воспользоваться проколами на ленте от игл
подающего механизма, которые сохраняют расположение по
отношению к записям; измерив расстояния между проколами и
участками осей до момента короткого замыкания, следует на-
метить через каждые 50 мм штрихи, через которые должны
проходить оси. Если подающий механизм не оставляет на ленте
проколов, то при снятии осциллограммы нужно нанести хотя
бы одну линию невключенным вибратором или нулевым зерка-
лом в стороне от записей и затем, проведя ее ось, измерить
расстояние последней от осей нулевых линиш до момента ко-
роткого замыкания.
Для определения положения осей не следует пользоваться
краями ленты, которая может совершать поперечные переме-
щения, деформирующие запись.
Масштаб времени определяется измерением длины отрезка I
314
осциллограммы, заключающего JV, периодов напряжения до мо-
мента короткого замыкания; тогда масштаб времени будет
1 тл — N/l периодов или 1 мм = N/(lf) секунд,/где / — частота
напряжения, измеренная до короткого замыкания.
Обмер осциллограммы состоит из определения отрезков вре-
мени между моментом короткого замыкания и каждой верши-
ной кривой как тока в каждой фазе, так и тока в цепи индук-
тора и измерения амплитуд-
ных значений токов на про-
тяжении 10—15 периодов для
машин средних мощностей и
до 25—30 периодов для наи-
более крупных.
Для определения указан-
ных отрезков времени прово-
дится волосяная ордината, оп-
ределяющая момент короткого
замыкания. Между замыка-
нием первых двух фаз и тре-
тьей часто имеется промежу-
ток времени до 0,001 с; тем не
менее отсчет времени для^тре-
тьей фазы начинается от мо-
мента, общего с первыми
двумя. Через вершины кривых
Рис. 9.20. Определение координат
времени (а) и амплитудных значе-
ний (б) кривой тока
токов всех трех фаз и тока
в цепи индуктора, ближайшие к моменту короткого замыкания,
проводятся тонкие вертикальные штрихи, расстояния которых
от момента короткого замыкания дают искомые отрезки вре-
мени (рис. 9.20, а).
Для различных фаз эти отрезки отличаются друг от друга
от 0,12 до 0,2, в среднем около 7б периода; они зависят от
взаимного расположения якоря и индуктора в момент корот-
кого замыкания и от соотношения постоянных времени затуха-
ния симметричной и асимметричной составляющих токов. Для
машин со слабо выраженным сверхпереходным режимом ко-
ординаты времени всех последующих вершин могут быть по-
лучены прибавлением по 0,5 периода к этим отрезкам; но при
сильно выраженном сверхпереходном режиме следует опреде-
лять эти координаты обмером, по крайней мере, для 5 — 6 вер-
шин в каждой фазе.
Для измерения амплитудных значений токов через середину
следа вибратора у каждой вершины наносятся горизонтальные
штрихи; от точности их нанесения зависит правильность изме-
рения. За амплитудное значение принимается расстояние ме-
жду соответствующим штрихом и осью кривой данного тока
(рис. 9.20,6), выраженное в миллиметрах. Расстояния, изме-
ренные вверх от осей, считаются положительными, а вниз от
них — отрицательными; все ординаты тока в цепи индуктора
положительны.
315
Все измерения следует производить масштабной линейкой;
пользование циркулем и десятичным масштабом портит осцил-
лограмму и затрудняет повторный обмер, если в нем будет не-
обходимость. При нормальном зрении точность измерения до-
стигает 0,1 мм, что вполне достаточно. Измеренные ординаты
откладываются с соблюдением их знаков на миллиметровой
Рис. 9.21. Построение огибающих кривых тока якоря
бумаге по координатам времени в масштабе, увеличенном от
2 до 5 раз, и соединяются плавными огибающими кривыми. На
рис. 9.21 показано такое построение для токов якоря.
Для отделения асимметричной составляющей каждого тока
от симметричной производится определение ординат обеих оги-
бающих для моментов времени начиная от 0,5 периода после
короткого замыкания через каждый 0,5 периода на протяже-
нии первых 5—10 периодов и через целый период —до конца
316
осциллограммы. Алгебраическая полусумма ординат верхней
и нижней огибающих в любой момент времени дает асиммет-
ричную составляющую тока в этот момент, а алгебраическая
полуразность — амплитуду симметричной составляющей. В не-
которых случаях, когда симметричная составляющая (кривая
J) затухает быстрее асимметричной (кривая 2), как это видно
на нижней части рис. 9.22, ординаты обеих огибающих одного
из токов якоря в начальной
части процесса могут быть од-
ного знака.
В дальнейшем предполага-
ется, что симметричная состав-
ляющая тока короткого замы-
кания не имеет высших гармо-
нических; такое предположе-
ние тем ближе к действитель-
ности, чем сильнее средства
успокоения индуктора. В кри-
вых напряжения неявнополюс-
ных машин обычно практиче-
ски нет примесей высших гар-
монических, но в кривых на-
пряжения явнополюсных ма-
шин без успокоителей и с рас-
слоенными полюсными нако-
нечниками они очень заметны,
особенно в начале процесса.
Предположение об отсутствии
высших гармонических позво-
ляет считать действующие и
наибольшие (амплитудные)
значения токов всегда находящимися в одном и том же соот-
ношении; при определении масштабов измерительные приборы
дают действующие значения, а обмеру на осциллограммах под-
вергаются наибольшие.
Симметричная составляющая тока якоря рассматривается
как состоящая из неизменного установившегося тока короткого
замыкания 1К, затухающего тока переходного режима с началь-
ным значением A/ZK и быстро затухающего тока сверхпереход-
ного режима с начальным значением A/ZZK. С целью разделения
этих компонентов определяется средняя из трех симметричных
составляющих. Если масштабы всех трех токов одинаковы, то
достаточно определить для каждого момента времени среднюю
арифметическую из трех амплитуд, выраженных в миллимет-
рах; если же масштабы различны, то следует предварительно
привести их пересчетом к одному масштабу.
По характеристике установившегося симметричного корот-
кого замыкания, определяется первая часть симметричной со-
ставляющей /к; ее действующее значение, соответствующее
317
Рис. 9.23. Определение начальных значе-
ний составляющих сверхпереходного и пе-
реходного режимов
току возбуждения до короткого замыкания и выраженное в ам-
перах, по масштабу тока переводится в миллиметры амплитуд-
ных значений осциллограммы и вычитается из всех средййх
арифметических значений симметричной составляющей.
Остатки от этого вычитания наносятся на полулогарифмиче-
скую бумагу так, что по оси абсцисс с линейной шкалой откла-
дывается время, истекшее от момента короткого замыкания
(в периодах или секун-
дах), а по оси ординат
с логарифмической шка-
лой — численные зн аче-
ния остатков. Если через
нанесенные точки про-
вести плавную линию, то
она вначале будет кри-
вой, обращенной выпук-
лостью вниз, а затем пе-
рейдет в наклонную пря-
мую (рис. 9.23). Экстра-
поляция этой прямой на
момент короткого замы-
кания дает начальное
значение составляющей
переходного режима АЛД
а разности между нею и
кривой — составляющую
сверхпереходного ре-
жима.
Чтобы определить на-
чальное значение состав-
ляющей сверхпереход-
эти разности на полулога-
рифмической бумаге и экстраполировать их на момент корот-
кого замыкания. Как правило, первые 3—4 точки хорошо укла-
дываются на прямую; только они и должны приниматься во
внимание для экстраполяции.
Согласно определению понятия о синхронном индуктивном
сопротивлении по продольной оси
ного режима А/КД нужно отложить
Xd = Ex/IK,
где Ех— фиктивная фазная ЭДС, определяемая по продолже-
нию прямолинейной части характеристики холостого хода и со-
ответствующая току возбуждения до момента короткого замы-
кания.
Поскольку переходное индуктивное сопротивление по про-
дольной оси ЛД рассматривается как начальное значение Ха
при переходном режиме, оно должно определяться аналогичной
формулой, но вместо тока установившегося короткого замыка-
318
начального
Д/"к:
сверхпере-
ния /к в ней должна стоять сумма этого тока и начального
значения составляющей переходного режима £ГК:
x'd = ...
s А/к
Аналогичным образом сверхпереходное индуктивное сопро-
тивление по продольной оси X"d, рассматриваемое как началь-
ное значение X'd при сверхпереходном режиме, должно опре-
деляться суммой установившегося тока /к, начального значе-
ния составляющей переходного режима А/'к и
значения составляющей сверхпереходного режима
%" = -----
, Таким образом, чтобы определить переходное и
ходное индуктивные сопротивления по продольной оси на осно-
вании результатов обработки осциллограммы, нужно перевести
из миллиметров в амперы экстраполированные значения со-
ставляющих A/ZK и Д//7К и по продолжению прямолинейной ча-
сти характеристики холостого хода найти фиктивную фазную
ЭДС Ех, соответствующую току возбуждения до момента ко-
роткого замыкания.
Однако в действительности все это обстоит так лишь при
настолько пониженном напряжении до момента внезапного ко-
роткого замыкания £70, что характеристика холостого хода в ча-
сти, определяющей Ех, практически не отличается от прямой
линии. В этих условиях значения X'd и определенные, как
указано выше, являются ненасыщенными значениями этих па-
раметров.
Но при повышении напряжения £70 начинает обнаружи-
ваться действие двух факторов: во-первых, вследствие насыще-
ния сердечника ток возбуждения, потребный для создания ЭДС,
покрывающей индуктивное падение напряжения в обмотке, пе-
рестает быть пропорциональным соответствующим значениям
£х\ во-вторых, потоки, создаваемые токами, возрастающими
с напряжением, становятся настолько значительными, что вы-
зывают заметное насыщение своих путей рассеяния, вследствие
которого сами эти токи, соответственно возрастают.
Если бы имело место действие только первого из этих фак-
торов, то значения параметров X'd и X"di определенные по на-
пряжению Uо до момента внезапного короткого азмыкания и по
полученным из эксперимента токам /к+Д/'к и /к+Д/'к+ДД'к,
сохраняли бы практически неизменные значения:
xr . y"
4 + А/к + А/к + Д/к
Однако влияние второго из упомянутых факторов приводит
к тому, что значения, подсчитанные таким образом, не остаются
неизменными, но убывают с повышением напряжения {/«•
319
Как общее правило, понижение значений параметров с уве-
личением напряжения Uo, особенно сверхпереходного индуктив-
ного сопротивления X/', более заметно в неявнополюсных ма-
шинах. Согласно многочисленным экспериментам это пониже-
ние при номинальном напряжении может достигать в явнопо-
люсных машинах 10—15%, а в неявнополюсных машинах —
15—25 % ненасыщенного значения.
Для надежного получения ненасыщенных значений X/ и
Xd' следует производить опыт внезапного короткого замыкания
при напряжении, не превосходящем 20—25 % номинального;
насыщенные значения, напротив, получаются из опытов, про-
изведенных при напряжении не ниже 70 % номинального.
Ток возбуждения, устанавливающийся по окончании про-
цесса, может отличаться от того, который был до момента вне-
запного короткого замыкания; поэтому за установившееся зна-
чение тока короткого замыкания /к следует принимать не то,
которое фактически устанавливается по окончании опыта, а со-
ответствующее первоначальному току возбуждения по харак-
теристике короткого замыкания; изменение состояния возбуди-
теля под влиянием сверхтока в цепи индуктора не может за-
метно отразиться на начальной части процесса, но вычитание
неправильной установившейся составляющей отразится на обра-
ботке результатов опыта.
Асимметричные составляющие во всех фазах различны, и
их начальные значения должны быть определены отдельно. Эта
операция выполняется также путем нанесения вычисленных
значений асимметричной составляющей на полулогарифмиче-
скую бумагу. При экстраполяции должна приниматься во вни-
мание только начальная часть нанесенных точек, хорошо укла-
дывающаяся на прямую (рис. 9.24); из этого графика видно,
что наклоны этих кривых во всех фазах различны.
При разделении токов на составляющие нередко обнару-
живается, что асимметричная составляющая изменяет знак;
это происходит потому, что закон ее затухания близок к пока-
зательной функции лишь в начальной части процесса, а в даль-
нейшем принимает вид быстро затухающих колебаний с отно-
сительно большим периодом (рис. 9.25).
По трем начальным значениям асимметричной составляю-
щей, полученным экстраполяцией, следует определить наиболь-
шее возможное ее значение, соответствующее замыканию в мо-
мент, когда в данной фазе напряжение проходит через нулевое
значение. Для этого три начальных значения асимметричной со-
ставляющей, полученные экстраполяцией, наносятся в виде
векторов, наклоненных под углами 60°; в середине должен
быть самый больший из них (рис. 9.26). В конце каждого век-
тора восстанавливается перпендикуляр к нему; пересечения
этих трех перпендикуляров образуют треугольник, который тем
меньше, чем тщательнее произведены опыт и его обработка.
Вектор, проведенный из полюса в центр этого треугольника,
320
дает искомую наибольшую возможную асимметричную состав-
ляющую /а max; она может быть также вычислена по формуле
max /. у ^а1 4" а2
где Л1 — наибольшее из трех и /а2 — любое из двух других
начальных значений. Наибольшая возможная начальная асим-
метричная составляющая должна быть равна начальному зна-
чению амплитуды симметричной составляющей; таким образом,
сверхпереходное индуктивное сопро-
тивление может быть определено
не только по симметричной, но и по
асимметричной составляющей.
Рис. 9.25. Затухание асим-
метричной составляющей
Рис. 9.24. Определение начальных зна-
. чений асимметричных составляющих
Рис. 9.26. Определение наи-
большего возможного зна-
чения асимметричной со-
ставляющей
Масштаб тока выражается в амперах действующего значе-
ния, хотя измерению на осциллограмме подвергаются мгновен-
ные— наибольшие значения. Между тем асимметричная состав-
ляющая, как постоянный ток, выражается в амперах мгновен-
ного значения. Следовательно, масштаб тока имеет для
асимметричной составляющей иное значение, чем для симме-
тричной: каждый его миллиметр равен в V 2 раза большему
числу ампер. Но как в линейных мерах на осциллограмме, так и
в амперах начальное мгновенное значение симметричной состав-
ляющей и наибольшее возможное начальное значение асим-
метричной составляющей равны друг другу; поэтому, переводя
11 Заказ № 512
321
асимметричную составляющую из миллиметров в амперы только
для вычисления Х&", нет надобности изменять масштаб в У2~
раза, но зато не нужно вводить У 2 в формулу для вычис-
ления Xd":
=__________<МВ]__________
Zo[mm] X масштаб тока [А/мм]
Осциллограмма внезапного короткого замыкания позволяет
определить постоянные времени затухания симметричных со-
ставляющих по продольной оси — сверхпереходной Xd" и пере-
ходной %d и асимметричной составляющей та сообразно пред-
ставлению затухающей величины в виде
Д = Ло8-</Т,
где Ад — ее начальное значение; 6=2,718... — основание си-
стемы натуральных логарифмов; t — текущая координата вре-
мени; х — искомая постоянная времени затухания. Если поло-
жить t—x, то
Ат = Дое-1 = -^-=О,368Ло.
8
Значение затухающей величины, равное 1/8 = 0,368 началь-
ного, соответствует абсциссе /=т; вычислив эту долю, доста-
точно определить ее абсциссу, которая численно равна иско-
мой постоянной времени (рис. 9.27). Если закон затухания
нарушается до истечения этого времени, что в полулогарифмиче-
ских координатах выражается отклонением от прямой, изо-
бражающей данную затухающую величину, то следует про-
длить начальную прямолинейную часть настолько, чтобы от-
ложить на этом продолжении 0,368 начального значения
затухающей величины.
Асимметричные составляющие имеют не только различные
начальные значения, но и различные постоянные времени; но
симметричная составляющая тока в цепи индуктора затухает
с постоянной времени, соответствующей затуханию всей сово-
купности асимметричных составляющих токов якоря. При по-
строении этой составляющей в полулогарифмических координа-
тах зачастую первые точки оказываются лежащими ниже по-
следующих, которые хорошо укладываются на прямую; тогда
этими точками следует пренебречь и за постоянную времени
та асимметричной составляющей тока якоря принимать посто-
янную времени симметричной составляющей тока индуктора.
Электродинамические усилия, возникающие в лобовых частях
обмотки якоря при внезапном коротком замыкании, определя-
ются совместным действием мгновенных значений симметрич-
ной и асимметричной составляющих; но наибольшего значения
ток достигает спустя примерно V2 периода (в действитель-
ности немного меньше) после момента короткого замыка-
ния, и за это время как симметричная, так и асимметричная
322
составляющие успевают заметно затухнуть, так как скорость их
убывания на этом участке велика. Поэтому в образовании наи-
большего электродинамического усилия принимает участие не
сумма начальных мгновенных значений каждой из них в отдель-
ности, а величина, которая может быть определена суммиро-
ванием сверхпереходной составляющей, переходной составляю-
щей, тока установившегося короткого замыкания и наиболь-
шей возможной асимметричном
0,5 периода с момента корот-
кого замыкания. Эта сумма но-
сит название ударного тока
внезапного короткого замы-
кания.
Первые два слагаемых мо-
гут быть взяты прямо из гра-
Рис. 9.28. Определение наиболь-
шего возможного мгновенного
значения тока внезапного корот-
кого замыкания
Рис. 9.27. Графическое
определение постоянной
времени
фика в полулогарифмических координатах (рис. 9.28),третье
неизменно для всех моментов времени, определение четвертого
встречает некоторое затруднение. Наибольшее возможное на-
чальное значение асимметричной составляющей Лтах должно
быть равно сумме начальных значений первых двух слагаемых
Д/к'+А/к" и третьего /к; эту сумму следует отложить на оси
ординат по логарифмической шкале (точка Л). Если же наи-
большее возможное значение асимметричной составляющей, оп-
ределенное по диаграмме рис. 9.26, больше этой суммы, то его
и надо отложить по логарифмической шкале. После этого через
точку А проводится прямая с наклоном, соответствующим по-
стоянной времени симметричной составляющей тока индуктора^
по которой и может быть определено искомое четвертое сла-
гаемое.
11*
323
Остается перевести в амперы полученную сумму, выражен-
ную в миллиметрах осциллограммы, умножив ее на масштаб
тока; но так как последний, выражен в действующих значе-
ниях, то для получения мгновенного значения результат сле-
дует умножить еще на "К2.
Пример. В результате обработки осциллограммы внезапного короткого
замыкания турбогенератора мощностью 6000 кВт, 7500 кВ*А с номинальным
напряжением (7н=6300 В, произведенного при 105 % номинального напря-
жения, т. е. при //=6615 В, установлено, что амплитуда начального значения
сверхпереходной составляющей Д/к"—6,8 мм и переходной составляющей
Д/к/=14,0 мм, а наибольшая возможная асимметричная составляющая до-
стигает 22,4 мм. Масштаб тока для всех трех фаз одинаков и получен
осциллографированием установившегося короткого замыкания при токе 948 А
на пределе измерения трансформаторов тока 1000 А; двойная амплитуда
токов всех трех фаз составляла 19,2 мм. После этого трансформаторы тока
были переключены на предел 4000 А для осциллографирования процесса
внезапного короткого замыкания. Таким образом, масштаб тока
948*4000*2
1 мм =..ш 394 А (действ.).
1000*19,2
Ток установившегося короткого замыкания, соответствующий по харак-
теристике короткого замыкания току возбуждения, при котором произведен
опыт, равен /к—630 А; следовательно, его амплитуда на осциллограмме
должна быть 1,6 мм. Постоянная времени сверхпереходного режима
—0,0145 с и переходного режима Та'—0,289 с, постоянная времени асиммет-
ричной составляющей принята равной постоянной времени симметричной
составляющей тока индуктора та = 0,133 с. Требуется определить ударный
ток при номинальном напряжении.
Если известны начальные значения и постоянные времени всех состав-
ляющих, то их суммирование может быть произведено графически; но его
можно произвести и расчетом. Логарифмирование выражения
А = До8~tlx
дает
1g Я =lg40 — 0,434</т
или при подстановке значения /=0,01 с .
lg Ao,oi == 1g Ао — 0,00434/т.
Таким образом, логарифмы значений составляющих могут быть полу-
чены вычитанием из логарифмов их начальных значений числа 0,00434, де-
ленного на соответствующую постоянную времени в секундах. Логарифмы
начальных значений сверхперёходной, переходной и наибольшей возможной
асимметричной составляющих равны соответственно 0,8325; 1,1461 и 1,3503.
Результаты деления 0,00434 на приведенные выше постоянные времени нравны
соответственно 0,299; 0,015 и 0,0326, откуда логарифмы искомых значений
составляющих будут 0,5335; 1,1311 и 1,3177, а сами эти составляющие —
3,416; 13,53 и 20,78 мм. Остается их просуммировать вместе с амплитудой
установившегося тока короткого замыкания:
3,416 + 13,53 + 20,78 + 1,6 & 39,3 мм,
пересчитать из миллиметров осциллограммы в амперы, умножив на масштаб
тока, увеличенный в V 2 раза:
39,3*394*21 900 А.
В случае надобности индуктивные сопротивления Xd" и Xd
могут быть выражены не в омах, как это следует из сде-
324
«данных выводов, а в относительных единицах, для чего их
нужно разделить на номинальное сопротивление машины ZH;
но это может быть сделано и на стадии определения масшта-
бов тока.
Известные затруднения представляет опыт внезапного ко-
роткого замыкания для машин низкого напряжения или повы-
шенной частоты: на выводах машины после короткого замыка-
ния остается заметная часть напряжения, а ток короткого за-
мыкания преуменьшен и обработка осциллограммы дает сумму
индуктивных сопротивлений машины и внешней части схемы.
Индуктивное сопротивление внешней части схемы можно изме-
рить, например, при установившемся коротком замыкании. Од-
нако малое напряжение на выводах недоступно измерению нор-
мальными вольтметрами, а вольтметры с низким потреблением
тока, например, катодные, подвержены наводкам от полей рас-
сеяния. Одним из возможных решений является применение
трансформаторов напряжения с коэффициентом трансформа-
ции, меньшим единицы, с таким расчетом, чтобы допустить
измерение нормальными вольтметрами.
Влияние внешнего сопротивления на симметричные и асим-
метричные составляющие токов внезапного короткого замыка-
ния различно. Постоянные времени симметричных составляю-
щих, определяемые активными и индуктивными сопротивле-
ниями в цепях индуктора, остаются неизменными, а постоянные
времени асимметричных составляющих, определяемые парамет-
рами в цепи якоря, претерпевают изменение. Поскольку соот-
ношение между индуктивными и активными сопротивлениями
во внешней цепи обычно меньше, чем в якоре, следует ожидать
некоторого преуменьшения этих постоянных времени и удар-
ного тока.
9.12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ДРУГИХ ВИДАХ НАРУШЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ МАШИНЫ
Определение сверхпереходного и переходного индуктивных
сопротивлений из опыта внезапного короткого замыкания осно-
вано на мгновенном изменении электромагнитного состояния
машины; отключение установившегося симметричного корот-
кого замыкания тоже является внезапным нарушением элект-
ромагнитного состояния машины. Если обозначить через U" на-
пряжение якоря, возникающее в момент отключения тока /к, то
U"
Нарастание напряжения до установившегося значения Uoo
происходит по закону, обратному закону убывания суммы со-
м ставляющих сверхпереходного и переходного режимов. Если
экстраполировать переходную составляющую напряжения на
325
•момент отключения, то, обозначив через U' значение, экстра-
полированное на этот момент, можно написать
Задача определения U" и U' может быть решена аналогично
задаче разделения начального значения симметричной состав-
ляющей тока внезапного короткого замыкания на АЛ/' и А/к',
т. е. построением в полулогарифмических координатах разно-
сти U„о—U, где иж — установившееся и U — текущее значения
напряжения якоря, и экстраполяцией прямолинейной части этой
разности на момент отключения.
Однако напряжения U" и U' малы по сравнению с устано-
вившимся напряжением [/«,, а их разность, являющаяся сверх-
переходной составляющей, подавно мала; для их графического
разделения надо принимать очень большой масштаб единицы
логарифмической шкалы, что неудобно. С другой стороны, за-
тухание переходной составляющей настолько мало по сравне-
нию со сверхпереходной, что возможно производить ее экстра-
поляцию на момент отключения по графику, построенному
в обычных координатах.
Для того чтобы обеспечить наибольшую возможную точность
построения, рекомендуется устанавливать масштаб напряжения
на осциллограмме так, чтобы напряжение U" в первый момент
после отключения короткого замыкания давало около поло-
вины предельно допустимого отклонения вибратора; так как
установившееся. напряжение Ua, превосходит U" в несколько
раз, вибратор должен быть отключен после достижения пре-
дельно допустимого отклонения, на что может потребоваться
до 0,5 с. Скорость ленты осциллографа при этом может быть'
взята 0,2—0,4 м/с, что при частоте 50 Гц дает длину периода
на осциллограмме 4—8 мм.
На рис. 9.29 дан пример такой осциллограммы, а на
рис. 9.30 произведено определение напряжений U" и U' по кри-
вой, полученной по ее обмеру, а также постоянной времени
сверхпереходной составляющей т</о, равной промежутку вре-
мени, необходимому для уменьшения сверхпереходной состав-
ляющей напряжения до 0,368 первоначального значения..
Эта постоянная времени отлична от постоянной td", полу-
чаемой из опыта внезапного короткого замыкания, так как в по-
следнем энергия магнитного поля выделяется в обмотках ин-
дуктора и якоря, а при отключении короткого замыкания об-
мотка якоря размыкается и не принимает участия в процессе;
между этими двумя постоянными времени существует соотно-
шение
„ „ U"
‘ld~Td0 %’ — Trf0 у/ ’
326
Постоянная времени т^о переходной составляющей не мо-
жет быть определена из этой осциллограммы, так как ее пре-
делы слишком ограничены и осциллографирование приходится
повторять, изменив масштаб напряжения так, чтобы его уста-
новившееся значение давало отклонения вибратора в пределах
допустимых. Одновременно следует уменьшить в 5—8 раз ско-
Рис. 9.29. Осциллограмма восстановления напряжения при
отключении короткого замыкания
рость движения ленты; снятие осциллограммы может быть пре-
кращено, когда напряжение достигнет примерно % установив-
шегося значения, на что требуется в крупных машинах до 10 с.
Окончательно установившееся напряжение наносится для мас-
штаба по окончании опыта.
Рис. 9.30. Начальная часть кри-
вой восстановления напряжения
Рис. 9.31. Кривая восстановления
напряжения
За постоянную времени т^0 принимается время, необходи-
мое для уменьшения разности £/«>—U (рис. 9.31) до 0,368 ее
первоначального значения, равного U<x>—U'.
Эта постоянная времени также отличается от постоянной,
получаемой из опыта внезапного короткого замыкания, и мо-
жет быть вычислена из равенства
т. = т
а 4
, А
“° xd
327
Здесь нельзя заменить отношение индуктивных сопротив-
лений Xd'IXd отношением напряжений так как для вычис-
ления Ха, используется фазная ЭДС Ех, определяемая по про-
должению прямолинейной части характеристики холостого хода
при том же значении тока возбуждения; если известна эта
ЭДС, то
- и'
£xV3 ’
Опыт восстановления напряжения безопасен для машины и
может быть проведен неограниченное число раз, например при
разных токах; вместо трех кривых токов снимается одна кри-
вая напряжения, что облегчает обработку осциллограммы и
не требует сложных построений.
Опыт не нуждается в специальных приспособлениях в виде-
короткозамыкающего устройства, шунтов, трансформаторов,
тока с высокими пределами измерений и т. д., что особенно-
важно для машин, испытываемых на местах установок, так каю
отключение установившегося короткого замыкания может быть-
произведено собственным выключателем машины; при отсутст-
вии выключателя в цепи якоря генератора, находящегося
в блоке с повышающим трансформатором, короткое замыкание
может быть установлено за выключателем блока на стороне
высшего напряжения трансформатора. Наличие начального I на-
пряжения на выводах якоря не снижает правильности опыта;
это напряжение вычитается из всех измеренных.
Наряду с этим опыт не лишен недостатков: он дает только»
ненасыщенные значения индуктивных сопротивлений Xd" и Xd'»
не позволяет определить постоянную времени асимметричной:
составляющей тока внезапного короткого замыкания та; точ-
ность определения постоянных времени Xd и Xd пересчетом не-
высока и никакой проверки механической прочности лобовых:
частей обмотки якоря опыт не дает.
Подводя итог, можно сказать, что опыт внезапного корот-
кого замыкания более пригоден для испытания машины на
предприятии-изготовителе, в то время как опыт восстановления
напряжения при отключении короткого замыкания — на месте?
установки, особенно когда трудно осуществить внезапное корот-
кое замыкание без переделки схемы машины; на месте уста-
новки обычно невозможно расположить достаточно близко от-
машины аппарат, производящий замыкание, а длинные соеди-
нительные проводники вносят искажение в результаты опыта,
так как к параметрам машины добавляются параметры этих;
элементов.
Отключаемый ток короткого замыкания следует выбирать-
так, чтобы установившееся напряжение Г7«> составляло не более
0,7 номинального. Этим, во-первых,'достигается чистота нена-
сыщенных значений определяемых параметров, а во-вторых»
328
это предохраняет от чрезмерного возрастания напряжения в тех
случаях, когда напряжение возбудителя, от которого произво-
дится питание индуктора при опыте, недостаточно устойчиво,
"что бывает при применении возбудителей слишком малой мощ-
ности.
Внезапное нарушение электромагнитного состояния может
быть произведено отключением невозбужденной машины от ис-
точника ее питания. Если снять возбуждение с машины, вра-
щающейся в режиме ненагруженного двигателя, то за счет ре-
активного момента она будет продолжать синхронно вращаться,
потребляя отстающий ток, обычно меньший номинального, и мо-
жет еще нести некоторую нагрузку. Никаких изменений не про-
изойдет, если при этом замк-
нуть накоротко обмотку индук-
тора. После этого можно на-
чать либо нагружать машину
постепенно возрастающей на-
грузкой, либо понижать напря-
жение источника питания.
Когда реактивного момента
окажется недостаточно для
дальнейшего синхронного вра-
щения, то машина выпадет из
синхронизма, перейдя в асин-
хронный режим. Это выпаде-
ние не сопровождается резким
Рис. 9.32. К опыту отключения не-
возбужденной машины
изменением потребляемого тока
и едва заметно; в явнополюсных машинах ток начинает пульси-
ровать с удвоенной частотой скольжения, но в неявнополюсных
пульсация может оказаться едва ощутимой.
Амперметр постоянного тока, желательно с нулем в сере-
дине шкалы, с шунтом, включенным в цепь замкнутой нако-
ротко обмотки индуктора, будет отмечать переменный ток ча-
стоты скольжения.
Если отключить машину от источника питания, осциллогра-
фируя напряжение на ее выводах, то благодаря противодей-
ствию замкнутой накоротко обмотки индуктора и его прочих
контуров это напряжение в первый момент уменьшается на
долю Д1/ своего значения U до момента отключения, а потом
затухает (рис. 9.32). В течение нескольких первых периодов
после отключения затухание протекает по экспоненциальному
закону, но затем он нарушается вследствие торможения; по-
этому лучше производить опыт понижением напряжения источ-
ника, нежели увеличением момента нагрузки.
Чем меньше доля At/, тем точнее следует ее определять;:
наиболее удобно это делать путем обмера каждой полуволны
и построения результатов на полулогарифмической бумаге. По-
скольку напряжение остаточного намагничивания, до которого
затухло бы напряжение на выводах, мало по сравнению с на-
пряжением U—XU, остающимся на выводах в первый момент
329
после отключения, вычитать его из обмеренных амплитуд нет
надобности.
Отключение в момент, когда ток в замкнутой накоротко об-
мотке индуктора достигает наибольшего значения, дает ненасы-
щенное значение сверхпереходного индуктивного сопротивле-
ния по продольной оси:
V’ &Ud
Л-d —---7=~ 1
IV3
где / — ток, потребляемый якорем до момента отключения;
если же произвести отключение в момент, когда ток в обмотке
индуктора проходит через нулевое значение, то можно полу-
чить ненасыщенное значение сверхпереходного индуктивного
сопротивления по поперечной оси:
9.13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ПРИ НЕПОДВИЖНОМ РОТОРЕ
Если условия испытания не позволяют определить сверхпе-
реходные индуктивные сопротивления одним из описанных спо-
собов, то можно применить метод питания якоря однофазным
током при неподвижном роторе и замкнутом накоротко индук-
торе.
В зависимости от относительного расположения якоря и ин-
дуктора изменяется взаимная связь их обмоток; она становится
наибольшей тогда, когда продольная ось индуктора совпадает
с результирующей осью той пары фаз обмотки якоря, на кото-
рую подается питание (рис. 9.33, а). Индуктивное сопротивле-
ние машины при этом принимает значение, равное сверхпере-
ходному индуктивному сопротивлению по продольной оси Xd".
Напротив, когда с результирующей осью обмотки якоря совпа-
дает поперечная ось индуктора (рис. 9.33,6), взаимная связь
обмоток становится наименьшей и индуктивное сопротивление
принимает значение, равное сверхпереходному индуктивному
сопротивлению по поперечной оси Xq". Чтобы найти крайние
положения ротора, на конце его вала или на ободе в зависи-
мости от конструкции укрепляется стрелка, против которой
располагается неподвижная шкала с произвольным числом де-
лений по дуге с центром на оси машины, но должно быть из-
вестно, какое их число соответствует одному полюсному де-
лению.
Последовательными поворотами ротора на небольшие углы
стрелка ставится в различные положения на шкале; в каждом
из них производится измерение напряжения U, приложенного
к обмотке Якоря, потребляемого тока / и подводимой мощно-
сти Р. Чувствительным указателем положения служит ампер-
330
метр в цепи замкнутого накоротко индуктора. При совпадении
оси^коря с продольной осью индуктора ток в цепи последнего
достигает наибольшего значения; при совпадении оси якоря
с поперечной осью индуктора он, наоборот, принимает наимень-
шее значение, которое в неявнополюсных машинах меньше наи-
большего в 5—7 раз, а в явнополюсных машинах без успокои-
телей обращается практически в нуль.
Рекомендуется строить зависимость потребляемого тока и
тока индуктора от угла поворота ротора а, по которой можно
найти положения ротора, соответствующие искомым взаимным
расположениям осей. При неизменном приложенном напряже-
нии наибольшее значение тока индуктора соответствует поло*
Рис. 9.33. Два предельных случая расположения оси якоря по
отношению к осям индуктора
жению для определения Xd", а наименьшее — положению для
определения Х9" (рис. 9.34); если же не удается поддерживать
напряжение неизменным, то следует привести измеренные токи
пропорциональным пересчетом к какому-нибудь определенному
значению напряжения.
Ротор надлежит поставить сначала в одно из найденных
положений, а затем в другое, и при каждом из них произвести
ряд отсчетов, изменяя приложенное напряжение в возможно
более широких пределах.
Индуктивные сопротивления вычисляются для каждого от-
счета по формуле
= V и*1г — Р8
- 2Z8
; В₽:явнополюсных машинах без успокоителей значения ин-
дудтЙйНых сопротивлений почти не зависят от тока; но при
сильных успокоителях, особенно в неявнополюсных машинах,
они убывают по мере его увеличения. Поэтому если в первых
возможно ограничиться малыми значениями потребляемого тока,
то в последних следует доводить его до возможно большего
значения; предел этому ставит перегревание успокоителей, и
обычно приходится ограничивать ток пределом 20—25 % номи-
нального. Ток в цепи индуктора при опыте очень мал; хотя не-
пбсредственно в определении индуктивных сопротивлений он
не участвует, но возможность устанавливать ротор в необходи-
331
мне положения нежелательно терять только из-за того, что при
слишком малых токах в якоре обиходные измерительные при-
боры не допускают измерения тока в индукторе по его ма-
лости.
Затруднением в проведении описанного опыта является не-
обходимость многократно поворачивать ротор на небольшие
углы, что при крупных размерах машины требует применения
домкратов, кранов и тому подобных приспособлений; чем
больше число полюсов машины, тем на меньшие геометриче-
ские углы нужно производить эти повороты, чтобы на протя-
жении одного . полюсного деления
получить несколько отсчетов.
На случай невозможности осуще-
ствления поворота ротора Л. Г. Ма-
миконянц предложил способ оп-
ределения индуктивных сопротив-
лений Ха" и Xq” при неподвижном
роторе, основанный на предполо-
жении, что отклонение АХ индук-
тивного сопротивления X" от сред-
него значения X в зависимости от
угла а между осями индуктора и
якоря подчиняется синусоидально-
Рис. 9.34. Зависимость индук-
тивного сопротивления X" и
тока индуктора от угла пово-
рота ротора
му закону:
Х”^Х—кХ cos2а,
что довольно хорошо согласуется с
опытом; здесь, очевидно,
х — Xd xn + xd
kX = -i—- х= 4 d-.
2 ’ 2
Способ состоит в том, что поочередно на каждую пару фаз
обмотки якоря подается питание и определяется значение ин-
дуктивного сопротивления, как описано выше.
На основании свойств синусоидальных функций
_ Х12 4" Х23 + Xgl
” 3
где Xi2, Х23 и Х31 — значения X, вычисленные для одного и того
же значения приложенного напряжения, можно показать, что
абсолютное значение приращения равно
IДХ I = А ]Лх12 (Х12-Хзд) + Х23 (Х83-Х81) + Х31(Х81-Х12).
и
После этого искомые параметры
Х"-Х —АХ; Х"-Х + АХ.
Необходимо измерять ток в цепи замкнутой накоротко об-
мотки индуктора, так как иначе можно впасть в ошибку при
332
определении знака АХ. В некоторых машинах, главным обра-
зом^ многополюсных, наблюдается аномальное соотношение
Х&"\>ХЧ", в то время как для большинства машин, особенно
быстроходных, Xd"<Xq". Однако во всех случаях по мере при-
ближения Xй к Ха" ток в обмотке индуктора возрастает до наи-
большего значения, а по мере приближения X" к Xq" — убы-
вает до наименьшего, которое в явнополюсных машинах может
быть исчезающе малым. Это дает возможность различать, при
каком из трех измерений взаимное расположение осей якоря
и индуктора ближе к тому или иному из двух предельных,
а следовательно, и судить о знаке АХ.
При выполнении опытов необходимо следить за тем, чтобы
ротор не проворачивался при подаче однофазного питания, что
особенно легко получается при испытании неявнополюсных ма-
шин, поскольку допускаемые токи достаточно велики. Такое
проворачивание происходит плавно и бесшумно; достаточно,
чтобы при одном из трех опытов ротор хотя бы ненамного по-
вернулся, чтобы результаты всего опыта были сведены на нет.
Во избежание этого рекомендуется притормаживать ротор до-
ступными средствами.
Пример. При определении сверхпереходных индуктивных сопротивлений
по продольной и поперечной осям методом поочередного однофазного пита-
ния каждой пары фаз обмотки якоря получены следующие результаты:
между выводами 1 и 2: Xi2=0,980 Ом; ток индуктора I— 1 А;
между выводами 2 и 3: Х23=0,623 Ом; ток индуктора i=19 А;
между выводами 3 и 1: X3i=0,781 Ом; ток индуктора / = 14 А.
Среднее значение индуктивного сопротивления
X - 0.98<!+ 0,623 + 0.781
3
Абсолютное значение приращения равно
| ДX I = — К0,980 (0,980—0,623)40,623 (0,623—0,781)40,781 (0,781—0,980) = 0,207 Ом.
3
Поскольку в данном опыте наибольшему из измеренных значений индук-
тивного сопротивления соответстует наименьшее значение тока индуктора и
наоборот, соотношение индуктивных сопротивлений по продольной и попе-
речной осям ненормальностей не имеет, и потому приращение АХ положи-
тельно; следовательно,
Х^ = 0,795 — 0,207 = 0,588 Ом; = 0,795 + 0,207 = 1,002 Ом.
Описанные методы определения сверхпереходных индуктив-
ных сопротивлений Ха" и Xq" при неподвижном роторе дают
возможность попутно определить индуктивное сопротивление
обратной последовательности Х2.
Индуктивное сопротивление токам обратной последователь-
ности непрерывно изменяется с частотой, двойной по отноше-
нию к частоте тока, в зависимости от того, в каком положе-
нии находится в данный момент индуктор по отношению
ззз
к якорю: когда ось обмотки якоря совпадает с продольной осью
индуктора^ это сопротивление .становится наименьшим, а когда
она совпадает с поперечной осью,— наибольшим. /
Эти. предельные значения являются не чем иным, как дверх-
переходными индуктивными сопротивлениями Xd." и Xg"j. От-
сюда следует, что если известны их значения и закон измене-
ния мгновенного значения во времени, то по ним можно опре-
делить и значение Х2 как среднее за один период. Если принять,
что разность между мгновенным и средним значениями изме-
няется синусоидально, то среднее значение равно среднему
арифметическому из крайних:
х2-(х;+х;)/2.
Для неявнополюсных машин это близко к действительности,
тем более, что различие между Xd" и Хд" в них очень неве-
лико; но для явнополюсных машин, особенно без успокоителе^
правильнее принять
^=7^
что дает несколько меньшие значения.
9.14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРИ УДАЛЕННОМ ИНДУКТОРЕ
При подаче трехфазного питания в обмотку якоря без индук-
тора индуктивное сопротивление обмотки Ха будет состоять из
двух частей: составляющей Ха, определяемой потоками рас-
сеяния поперек пазов, между головками зубцов и вокруг лобо-
вых частей, которая и является искомым индуктивным сопро-
тивлением рассеяния при удаленном индукторе, и составляю-
щей Хь, определяемой потоком на активной поверхности якоря,
создаваемым обмоткой якоря в том пространстве, которое нор-
мально занимает индуктор.
Задачей опыта является определение общего индуктивного
сопротивления Ха и отделение от него последней составля-
ющей:
Ха = Ха-Х6.
При опыте измеряются: приложенное линейное напряже-
ние U, потребляемый линейный ток I и подводимая мощность
Р. На общих основаниях вычисляются полное сопротивление
одной фазы, ее активное и индуктивное сопротивления:
Z=--L'_ ; £= —; Ха = \/х*—Р?.
/ V 3 З/2 а V
Составляющая Хь может быть определена расчетным путем,
для чего применяется ряд формул, однако правильнее опреде-
лять ее опытным путем; с этой целью на активной поверхности
334
як<\ря укладывается контрольная катушка, длина которой равна
полной длине сердечника якоря, а ширина — полюсному деле-
нию! Активные стороны этой катушки укрепляются над клинь-
ями Пазов, а лобовые части должны быть оттянуты по радиусам
к осц машины в плоскостях, ограничивающих пакет сердечника
статора (рис. 9.35), с тем чтобы устранить влияние потоков рас-
сеяния вокруг лобовых частей обмотки. К контрольной катушке
присоединяется вольтметр, по возможности с более высоким
сопротивлением.
Если обозначить через w число
ненных последовательно, через k -
обмотки якоря, через — число
витков контрольной катушки и че-
рез UK — измеренное на ней напря-
жение, то индуктивное сопротивле-
ние обмотки якоря будет равно
V UK wk
—-----------.
7 пук
Когда якорь имеет дробное чис-
ло пазов на полюс и фазу q, то по-
люсное деление некратно шагу па-
зов; тогда можно сделать ширину
витков фазы якоря, соеди-
- обмоточный коэффициент
Рис. 9.35. Расположение кон-
трольной катушки в статоре
катушки равной наибольшему це-
лому числу этих шагов Q', заклю-
чающемуся в полюсном делении, и
учесть это введением в написан-
ную выше формулу поправочного множителя:
_______ wk
/ / Q' л
wK sin (-------
\ 3q 2
где q — данное дробное число пазов на полюс и фазу.
Для машин с открытыми пазами якоря как общее индук-
тивное сопротивление Ха, так и его составляющая Хъ при всех
значениях тока в пределах номинального остаются неизмен-
ными; так как ток при опыте может быть ограничен только
нагреванием обмотки якоря, то безразлично, при каких токах
проводить опыт — они зависят от возможностей, которыми рас-
полагает место испытания.
С достаточной для большинства практических целей точ-
ностью можно считать, что между расчетным индуктивным со-
противлением Хр в диаграмме и индуктивным сопротивлением
рассеяния при удаленном индукторе Хо имеются следующие
соотношения:
для неявнополюсных машин
Хр^(0,6. . . 0,65) (Ха + Хь)-
335
для явнополюсных машин
Этими соотношениями можно пользоваться для построения
диаграммы в тех случаях, когда определение Хр одним ир спо-
собов, описанных в § 9.4, почему-либо не представляете^ воз-
можным.
9.15. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ
СО СТОРОНЫ ИНДУКТОРА
Постоянные времени зависят от того, в каком состоянии на-
ходятся обмотка якоря — замкнута накоротко или разомкнута
и обмотка индуктора — замкнута практически накоротко цепью
якоря возбудителя, или гасительным сопротивлением, или пере-
менным сопротивлением дуги в случае применения автоматов
гашения поля без гасительного сопротивления. Опытами по оп-
ределению постоянных времени со стороны индуктора явля-
ются осциллографические записи процессов гашения поля и
так называемого ударного возбуждения, под которым понима-
ется внезапное подключение обмотки индуктора к цепи якоря
предварительно возбужденного возбудителя. Те и другие могут
быть проведены как при замкнутой накоротко, так и при ра-
зомкнутой обмотке якоря машины. Возможны следующие
опыты.
Гашение поля при разомкнутой обмотке якоря замыканием
накоротко обмотки индуктора. Состояние мащины при этом
практически не отличается от соответствующего условиям опыта
восстановления напряжения при отключении установившегося
симметричного короткого замыкания, и потому он дает воз-
можность определения постоянной времени Переходного режима
при разомкнутой обмотке якоря т^о-
Гашение Хрля при разомкнутой обмотке якоря замыканием
ора на гасительное сопротивление с одновре-
Хием от источника питания. Результатом опыта
Хя времени переходного режима при разомк-
ни обмотке индуктора, замкнутой на гаси-
'ffdOr.
Тукнутой накоротко обмотке якоря за-
у^ки индуктора. Состояние машины
Хчается от соответствующего опыту
\я, и потому в результате опыта
Хмени переходного режима т</.
X накоротко обмотке якоря
г гасительное сопротивление
\ Результатом опыта яв-
|ежима при замкнутой
Хсгора, замкнутой на
обмотки
менны»'
ЯВЛЯ'
HV'
'Qi
е<р
о.
Л-
Хь hv.
Составляющая
для чего применяется ряд^ф-
лять ее опытным путем; с этой ц.
334
\Ударное возбуждение при разомкнутой обмотке якоря. Со-
стояние машины при этом не отличается от соответствующего
опыту восстановления напряжения при отключении установив-
шегося симметричного короткого замыкания, и потому резуль-
татом опыта является постоянная времени тйо.
Ударное возбуждение при замкнутой накоротко обмотке
якоря, т. е. в условиях, аналогичных опыту внезапного корот-
кого замыкания, и потому в его результате получается посто-
янная времени т/.
Из таких опытов могут быть определены постоянные вре-
мени также и сверхпереходного режима Xd" и тйо, однако прак-
тически это встречает более значительные затруднения, чем,
например, при опыте восстановления напряжения.
При выполнении опытов ударного возбуждения предвари-
тедьное напряжение его. источника должно быть таким, чтобы
по окончании процесса установилось номинальное напряжение
возбуждаемой машины при разомкнутой или номинальный ток
короткого замыкания при замкнутой накоротко обмотке якоря.
Ударное возбуждение производится прямым включением авто-
матом или контактором.
Гашение поля с замыканием обмотки индуктора на гаси-
тельное сопротивление производится автоматом гашения поля;
но если его нет, то гасительное сопротивление подключается
непосредственно перед началом опыта, после чего источник
возбуждения отключается автоматом или контактором.
Гашение поля с замыканием обмотки индуктора накоротко
может быть произведено подобно предыдущему, если в цепь
источника возбуждения последовательно включено такое за-
щитное сопротивление, чтобы ток внезапного короткого замы-
кания источника был не более его 1,5—2-кратного номиналь-
ного тока. Гашение поля . автоматами, работающими без раз-
рядного сопротивления, не может быть использовано для
определения постоянных времени.
Во всех случаях осциллографированию подлежит ток воз-
буждения индуктора; кроме того, производится запись напря-
жения якоря или тока его короткого замыкания. При доста-
точной устойчивости вращения машины во время опыта послед-
ние две записи могут быть использованы как отметки вре-
мени.
Скорость движения ленты для этих осциллограмм следует
выбирать 0,1—0,3 м/с при опытах с разомкнутой обмоткой
якоря и 0,2—0,5 м/с —с замкнутой накоротко.
При опытах ударного возбуждения подлежат записи также
установившиеся значения записываемых величин с их измере-
нием, чтобы они служили масштабами. На рис. 9.36 дан при-
мер осциллограммы ударного возбуждения.
При опытах гашения поля масштабами записываемых ве-
личин служат их записи в начале опыта, для чего должны
337
338
Рис. 9.37, Пример осциллограммы гашения поля с разомкнутым якорем
быть произведены измерения исходных значений. На рис. 9.37
дандпример осциллограммы гашения поля.
Обработка записей состоит в измерении мгновенных значе-
ний тока возбуждения индуктора и амплитудных значений тока
короткого замыкания или напряжения якоря через равные ин-
тервалы времени, выбираемые так, чтобы получить 15—20 из-
мерений на промежутке от начала процесса до момента дости-
жения примерно 0,75 установившихся значений при опытах
ударного возбуждения или 0,25 исходных значений при опытах
гашения поля.
Если напряжение от остаточного намагничивания или соот-
ветствующий ему ток короткого замыкания по отношению
к установившимся (или исходным) значениям этих величин
превышает 3%, что обычно принимается за меру точности
осциллограммы, то из всех измеренных ординат следует вы-
честь такую поправку, пересчитанную по масштабам ампли-
тудных значений в миллиметры.
Для графического определения постоянных времени при га-
шении поля все величины могут быть отложены в функции вре-
мени непосредственно в миллиметрах осциллограммы на полу-
логарифмической бумаге. При опытах ударного возбуждения
все измеренные значения следует вычесть из соответствующих
установившихся значений и откладывать в функции времени
полученные разности.
Результаты опытов ударного возбуждения и гашения поля
при замкнутой накоротко обмотке якоря хорошо укладываются
на прямые, и определение постоянных времени производится
обычным способом. Значения постоянных времени, полученные
по изменению тока возбуждения индуктора и тока короткого
замыкания якоря, обычно достаточно хорошо совпадают, по-
скольку между этими двумя величинами существует прямая
пропорциональность.
Для опытов, проведенных при разомкнутой обмотке якоря,
пропорциональность между напряжением якоря и током воз-
буждения индуктора соблюдается только при низких значениях
последнего. Поэтому если график изменения напряжения якоря,
построенный в полулогарифмических координатах, и является
обычно практически прямолинейным, то нельзя ожидать того
же от графика изменения тока возбуждения индуктора.
При опыте гашения поля, когда ток возбуждения индуктора
и напряжение якоря убывают, это не является помехой для
определения постоянной времени, так как график тока возбуж-
дения индуктора, имеющий в полулогарифмических координа-
тах вначале кривизну, обращенную книзу (кривая 1 на
рис. 9.38), в дальнейшем переходит в прямую. Экстраполяция
этой прямой на момент начала процесса дает значение состав-
ляющей тока возбуждения индуктора, которую следует умно-
жить на 0,368 для определения постоянной времени. В резуль-
тате постоянные времени, определенные по графикам тока
339
возбуждения и напряжения якоря (кривая 2), хорошо совпа-
дают.
При опыте ударного возбуждения ток возбуждения на-
пряжение якоря возрастают, и потому в полулогарифмических
Рис. 9.38. Определение постоянной времени при га-
шении поля с разомкнутым якорем
координатах следует откладывать убывающие разности между
их установившимися и текущими значениями. Если для напря-
жения якоря полученные точки такой разности хорошо уклады-
Рис. 9.39. Определение постоянной времени
при ударном возбуждении с разомкнутым
якорем
ваются на прямую, то для
тока возбуждения сле-
дует определить по ха-
р а кте р истике холостого
хода составляющую, со-
ответствующую устано-
вившемуся значению на-
пряжения якоря, и от-
кладывать в полулога-
рифмических координатах
разность между этой
составляющей и теку-
щими значениями тока
возбуждения.
Построенный таким
способом график имеет
вначале прямолинейную
часть, по которой и сле-
дует определять постоян-
ную времени, а в дальнейшем значительно отклоняется от нее
(кривая 1 на рис. 9.39). И в этом случае постоянные времени,
определенные по напряжению якоря (кривая 2) и по току воз-
буждения, хорошо совпадают. Это дает возможность во всех
340
случаях производить определение постоянных времени по току
возбуждения, что удобнее, чем по напряжению якоря или
по току его короткого замыкания.
9.16. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ
НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
И КРАТНОСТИ УСТАНОВИВШЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Применяемые в настоящее время системы возбуждения син-
хронных машин разнообразны как по своему составу, так и по
свойствам, однако независимо от этого общими предъявляе-
мыми: к ним требованиями являются устанавливаемые в стан-
дартах или в технических условиях на конкретные виды машин
значения, номинальной скорости изменения напряжения воз-
буждения при форсировке и кратность предельного установив-
шегося напряжения возбуждения (кратность форсировки).
Под скоростью нарастания напряжения возбуждения пони-
мается приращение напряжения на выводах обмотки возбуж-
дения в секунду при его форсировке, выраженное в долях но-
минального напряжения возбуждения. Опытное определение
скорости нарастания напряжения возбуждения требуется про-
водить при нагрузке возбудителя или заменяющего его уст-
ройства на, обмотку возбуждения возбуждаемой машины, ра-
ботающей на сеть, или в режиме симметричного короткого за-
мыкания. Однако в условиях испытательных станций электро-
машиностроительных предприятий первое возможно только
в пределах, ограниченных ресурсами испытательной станции,
а второе может привести к таким перегрузкам обмотки якоря
синхронной машины по току, которые представляют для нее
опасность повреждения, особенно для машин с низкими зна-
чениями синхронного индуктивного сопротивления Ха.
По этой причине, если данное испытание нежелательно от-
кладывать до времени установки машины для эксплуатации,
то нагрузка на обмотку возбуждения может быть заменена
весьма близкой к ней по своим параметрам нагрузкой на
реостат с сопротивлением, равным сопротивлению обмотки воз-
буждения при реальной рабочей температуре, включая также
ограничительное сопротивление, если оно применяется в данной
системе возбуждения. В качестве нагрузочного сопротивления
в таких случаях применяются, например, трубы из материала
с высоким удельным сопротивлением, охлаждаемые проточной
водой, что позволяет выделять значительные мощности в уме-
ренном объеме и при достаточно устойчивой температуре. Та-
кой способ нагрузки дает заниженный результат, что идет в за-
пас определяемой величины.
Форсировка производится имитированием действия регуля-
тора напряжения на систему возбуждения, в частности для воз-
будителей постоянного тока—внезапным шунтированием всех
сопротивлений в цепи возбуждения, кроме невыключаемых огра-
341
Рис. 9.40. Определение ско-
рости нарастания напряже-
ния возбуждения
ничительных сопротивлений, если они имеются. В процессе фор-
сировки записывается нарастание напряжения на выводах'' об-
мотки возбуждения возбуждаемой машины или ее эквивалента.
Если от опыта не требуется определение предельного устано-
вившегося напряжения возбуждения, то он может быть пре-
кращен снятием форсировки немедленно по достижении пре-
дельного напряжения, как только оно начнет понижаться.
Еслй же от испытания требуется определение предельного
установившегося напряжения возбуждения, то опыт должен
быть продлен до тех пор, пока напряжение не перестанет по-
нижаться, однако не более 1 мин с момента начала форсировки,
так как для электромашинного возбу-
дителя это будет служить испыта-
нием при перегрузке по току, продол-
жительность которого не должна пре-
восходить 1 мин.
Для определения номинальной ско-
рости нарастания напряжения воз-
буждения пн следует отложить на кри-
вой нарастания напряжения точку В,
ордината которой равна сумме номи-
нального напряжения возбуждения ин
и 0,632 разности между предельным
напряжением возбуждения umax и но-
минальным ив; номинальная скорость
нарастания напряжения возбуждения,
выраженная в относительных едини-
цах в секунду, определяется равенством (рис. 9.40):
., _ 0,632 («тах — WH)
UH------------ ,
Ин^
где t — абсцисса точки В в секундах. Таким образом, эта вели-
чина является угловым коэффициентом прямой, проведенной
из точки А — начальной точки процесса в точку В кривой.
В некоторых системах возбуждения, главным образом со-
держащих статические выпрямители, в первые, моменты после
начала форсировки напряжение не только не возрастает, но
даже несколько падает, что задерживает его нарастание; в этих
случаях, если площадь AS, ограниченная кривой и прямой АВ,
составляет более 20 % площади треугольника АВС, то В < оп-
ределение номинальной скорости нарастания напряжения Воз-
буждения должна быть введена поправка А/, вычисляемая как
отношение площади AS к разности ординат точек В и А:
|А^| =---------------..
0,632 (^шах — &н)
тогда f
п __ 0,632 (итах — Иц)
” #
342
Здесь знак плюс берется, когда площадь фигуры, ограни-
ченной кривой нарастания напряжения, осями координат и
перпендикуляром, опущенным на ось абсцисс из точки В,
меньше площади трапеции OABD. Если прямая АВ пересекает
кривую нарастания напряжения еще и в промежуточной точке
между точками А и В, то при определении площади AS пло-
щадки по обе стороны прямой АВ берутся с разными зна-
ками.
В случае если напряжение системы возбуждения пульсирует,
как это бывает в системах, содержащих выпрямители, то за на-
пряжение возбуждения принимается среднее значение этого
пульсирующего напряжения.
9.17. ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЯ
СИНХРОННЫХ МАШИН С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
Самовозбуждающиеся синхронные машины по способу гене-
рирования постоянного тока для питания обмотки индуктора
можно разделить на две группы: машины, в которых коллек-
торный возбудитель совмещен в общей магнитной системе с ос-
новной машиной, и машины, в которых постоянный ток полу-
чается за счет выпрямления части переменного тока стати-
ческими выпрямителями, полупроводниковыми или вакуумными.
Машины первой группы строятся в обращенном исполнении
для небольших мощностей — порядка единиц киловольт-ампер;
хотя известны попытки строить и более крупные машины этой
группы в прямом исполнении, практического применения они не
получили. Обмотка постоянного тока укладывается в те же пазы
якоря, что. и основная обмотка, и выводится к коллектору; на-
чало самовозбуждения при работе машины в режиме генера-
тора обеспечивается остаточным намагничиванием, как у гене-
ратора постоянного тока. Регулирование напряжения машины
достигается реостатом в цепи индуктора.
Так как обмотка постоянного тока на якоре незначительна
сравнительно с обмоткой переменного тока и создаваемая ею
реакция якоря является чисто поперечной и мало влияет на
магнитное поле машины, практически безразлично, как опре-
делять характеристику холостого хода — при самовозбуждении
или при независимом возбуждении; последнее целесообразно
тогда, когда вместе с характеристикой определяются также и
потери холостого хода. Напротив, характеристика короткого за-
мыкания может быть определена только при независимом воз-
буждении.
Характерным свойством таких машин является большое из-
менение напряжения, поскольку напряжение цепи возбуждения
генерируется тем же магнитным потоком, что и напряжение
главной цепи; поэтому реакция якоря, сильно влияющая на
напряжение синхронной машины, здесь еще сильнее влияет на
него.
343
Вследствие этого внешняя характеристика такого синхрон-
ного генератора по форме напоминает характеристику само-
возбуждающегося генератора постоянного тока с параллельным
возбуждением: при некотором критическом значении сопротив-
ления нагрузки ток достигает наибольшего значения, а даль-
нейшее уменьшение этого сопротивления уже не ведет к увели-
чению тока и характеристика возвращается по направлению
к началу координат.
Внешние характеристики можно определять как при само-
возбуждении, так и при независимом возбуждении для выясне-
ния степени влияния самовозбуждения на изменение напря-
жения; наоборот, регулировочные характеристики при само^
возбуждении или при независимом возбуждении почти не
различаются, как и в машинах постоянного тока.
Машины второй группы большей частью не отличаются от
синхронных машин нормального исполнения, и система воз-
буждения является по отношению к ним внешней. Как правило,
эти системы строятся так, что их неотъемлемой составной ча-
стью являются органы автоматического поддержания напряже-
ния на заданном уровне при всех режимах работы.
Варианты этих систем разнообразны, но основными эле-
ментами, содержащимися почти во всех системах, являются два
трансформатора: один — подключенный параллельно к выво-
дам генератора, а другой — включенный своей первичной обмот-
кой последовательно в линейные проводники, и группа выпря-
мителей, на которую работают оба трансформатора; выпрям-
ленный ток подается обычным порядком в обмотку индуктора.
Испытание таких машин проводится сначала по нормальной /
программе при возбуждении от независимого источника и от-
ключенной системе самовозбуждения, а затем *к нему добавля-
ется ряд опытов при самовозбуждении, определяемых техни-
ческими условиями на данный вид машин. Поскольку детали
устройства систем разнообразны, здесь можно рассмотреть
только основные, наиболее часто встречающиеся дополнитель-
ные испытания при самовозбуждении. К ним принадлежат сле-
дующие.
Определение начала самовозбуждения. Выпрямители обычно
характеризуются некоторым порогом переменного напряжения,
ниже которого они не работают; поэтому может оказаться, что
напряжения от остаточного намагничивания не хватает для
начала самовозбуждения, и приходится применять для него
особые меры и устройства.
Определение внешней характеристики генератора при само-
возбуждении не отличается от общего определения внешней
характеристики генератора в том смысле, что никакого воздей-
ствия на органы регулирования возбуждения при изменении
нагрузки не производится. Испытание выполняется в нагретом
состоянии машины и системы самовозбуждения. Как и в нор-
мальных синхронных машинах, оно может быть заменено от-
344
ключением или включением нагрузки; но если там достаточно
определить напряжение, устанавливающееся в результате про-
изведенной операции, то здесь задача осложняется тем, что зна-
чительное изменение напряжения в первый момент после
операции автоматически исправляется действием системы само-
возбуждения, которая выводит машину на напряжение, мало
отличающееся от исходного.
Поэтому такое испытание сопровождается осциллографиро-
ванием процесса, в результате которого определяется как мгно-
венное изменение напряжения и время, в течение которого ус-
танавливается с определенной точностью новое значение на-
пряжения, так и характер этого установления — апериодический
или сопровождаемый колебаниями, к которым система самовоз-
буждения может быть склонна.
Определение регулировочной характеристики, как это по-
нимается в обычных синхронных машинах, совместно с систе-
мой- самовозбуждения производиться не может, так как по-
следняя сама выполняет функции регулирования; вместо этого
может быть поставлена задача определения пределов регулиро-
вания напряжения, имеющая целью установить верхнее и ниж-
нее значения напряжения, при которых возможна работа си-
стемы в пределах от холостого хода до той или иной пере-
грузки, и требуемое для этого воздействие на систему.
Определение КПД машины совместно с системой самовоз-
буждения сводится к определению потерь в последней, потому
что в отношении остальных потерь оно никакими особенностями
не отличается. Потери в системе самовозбуждения складыва-
ются из следующих частей.
Потери холостого хода и короткого замыкания параллель-
ного трансформатора. Эти потери определяются из опытов хо-
лостого хода и короткого замыкания трансформатора, которые
в отношении техники производимых измерений не отличаются
от аналогичных опытов для асинхронных двигателей.
Потери холостого хода и короткого замыкания последова-
тельного трансформатора. Особенность последовательного транс-
форматора состоит в том, что у него нет определенного первич-
ного напряжения — оно изменяется вместе с нагрузкой, гео-
метрически вычитаясь из напряжения на выводах машины в ре-
жиме генератора или складываясь с ним в режиме двигателя.
Первичное напряжение последовательного трансформатора мало,,
и потому измерение его потерь холостого хода и короткого за-
мыкания либо требует применения специальных устройств, на-
пример повышающих трансформаторов напряжения, которые
позволили бы производить измерение обычными ваттметрами
с пределом измерения по напряжению в десятки вольт, либо
его следует производить со стороны вторичной обмотки.
Потери в выпрямителях. Это наиболее трудная для измере-
ния часть, поскольку КПД выпрямителей высок и определение
его непосредственным методом — измерением подводимой мощ-
345
ности переменного тока и отдаваемой мощности постоянного
тока — недостаточно достоверно. При водяном охлаждении
потери в выпрямителях могут быть определены калориметриче-
ским способом.
В настоящее время широкое применение получают синхрон-
ные машины с бесщеточными системами возбуждения, состоя-
щими из синхронного генератора обращенного исполнения, пи-
тающего группу вращающихся сухих выпрямителей; на время
испытания к концу вала таких машин вместо системы возбуж-
дения пристраивается насадка с контактными кольцами, и испы-
тание проводится обычным порядком.
9Л8. ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЯ МАШИН
ОДНОФАЗНОГО ТОКА
Генераторы однофазного тока выполняются для питания
индивидуальных приемников как на высокой и повышенной ча-
стоте, так и на нормальной промышленной, т. е. 50 Гц, и более
низкой. При частотах примерно до 400 Гц они строятся обычно
в прямом явнополюсном исполнении, но при более высоких
частотах большей частью принимают специальные формы. Син-
хронные двигатели однофазного тока средних и крупных мощ-
ностей не строятся, а при очень малых мощностях применя-
ются в различного рода сигнальных устройствах и схемах
автоматики.
Машины однофазного тока обычно снабжаются обмотками
трехфазного тока, в которых одна из фаз отсутствует; реже
встречаются машины со специальной однофазной обмоткой.
Определение характеристики холостого хода генератора од-
нофазного тока не отличается особенностями; единственным
видом короткого замыкания однофазной машины является за-
мыкание двух ее выводов, которое соответствует замыканию
двух фаз трехфазной машины.
Потери короткого замыкания могут быть определены изме-
рением подводимой мощности и отделением от нее механи-
ческих потерь, однако они имеют иной состав, чем при сим-
метричном коротком замыкании: в них появляются потери
в полюсных наконечниках, успокоительной обмотке и обмотке
индуктора от обратносинхронного поля, что следует иметь
в виду при сравнении потерь короткого замыкания машин одно-
фазного и трехфазного тока.
Если известны данные обмоток якоря и индуктора, то для
машин нормальной конструкции может быть вычислена состав-
ляющая 1’я тока возбуждения, уравновешивающая реакцию
якоря: для машин с однофазными обмотками — по формуле
. V Zwkciil 0,707wkaj
где w — число витков однофазной обмотки и k — ее обмоточ-
ный коэффициент; прочие обозначения те же, что и в формуле
346
для машин трехфазного тока. Для машин, имеющих две фазы
трехфазной обмотки, формула принимает вид
Уз
V2-2te»i——-k^I , ,
_____________2__________________ 1,225aiifeiaaZ _
я 2wakta!_w2kaaj.
здесь Wi и ki берутся как для одной фазы трехфазной обмотки.
По остатку от вычитания составляющей 1Я из тока возбуж-
дения короткого замыкания определяется индуктивное падение
напряжения в обмотке якоря /Хр, после чего построение диа-
граммы производится обычным порядком.
Если данные обмоток неизвестны, то построение диаграммы
производится посредством определения нагрузочной характе-
ристики при cos<p = 0 в режиме перевозбуждения или U-образ-
ной характеристики.
Опыт внезапного короткого замыкания на машине однофаз-
ного тока может быть произведен, однако его использование
для получения параметров сверхпереходного и переходного ре-
жимов осложняется тем, что форма кривой тока короткого за-
мыкания отличается от синусоиды тем больше, чем слабее ус-
покоительная система, причем в процессе затухания неустано-
вившегося режима она не сохраняется неизменной и может
вначале содержать высшие гармонические не только нечетных,
но и четных порядков; лишь в машинах с исключительно силь-
ными успокоителями, как, например, в генераторах ударной
мощности, удается получить синусоидальную форму кривой тока
на всем протяжении процесса.
Вторым обстоятельством является то, что начальное значе-
ние асимметричной составляющей зависит от относительного
расположения якоря и индуктора в момент внезапного корот-
кого замыкания: оно равно нулю, если ось обмотки якоря в этот
момент совпадает с поперечной осью индуктора, следовательно,
ЭДС в обмотке якоря достигает наибольшего значения; наобо-
рот, асимметричная составляющая получается наибольшей
в том случае, если ось обмотки якоря совпадает с продольной
осью индуктора и ЭДС в обмотке якоря равна нулю. Поэтому
анализ осциллограммы внезапного короткого замыкания
с целью получения параметров и постоянных времени, кроме
как для машин с совершенными успокоителями, представляет
большие трудности и нормально не производится.
Для получения сверхпереходных индуктивных сопротивлений
X"d и X"q может быть применен метод питания обмотки якоря
при поворачивании ротора; этот же опыт дает возможность оп-
ределения индуктивного сопротивления обратной последова-
тельности Xz. Кромё того, возможно применение метода вос-
становления напряжения при отключении установившегося ко-
роткого замыкания.
Характерной особенностью генераторов однофазного тока
является искажение формы кривой напряжения, теряющей при
347
нагрузке симметричность относительно середины полуволны
из-за третьей гармонической, сдвинутой по отношению к сере-
дине полуволны основной синусоиды, и тем более резкое, чем
слабее успокоительная система.
9.19. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УТЕЧКИ ВОДОРОДА
В электрических машинах, охлаждаемых водородом,—
крупных турбогенераторах и синхронных компенсаторах — не-
избежны утечки газа через неплотности стыков и швов,
а в турбогенераторах, кроме того, через масляные уплотнения
вала, где вспененное масло выносит газ из полости уплотне-
ния. Определение этих утечек входит в программы приемочных
и приемо-сдаточных испытаний машин этих видов, хотя не от-
носится ни к одной из основных групп испытаний — электри-
ческих, механических или тепловых.
Испытание должно производиться на машине, опрессован-
ной и испытанной на газоплотность в неподвижном состоянии
после сборки на месте испытания“по нормам, установленным на
данном предприятии.
Определение утечки водорода должно проводиться при но-
минальном давлении газа внутри машины и при вращении ее
с номинальной частотой в неизменном режиме работы, лучше
всего — на холостом ходу без возбуждения, так как при этом
легче всего обеспечить неизменность температуры газа внутри
машины. Последнее необходимо потому, что масса этого газа
во много раз превосходит возможную часовую утечку и изме-
нение его температуры только на 1 К/ч при неизменном избы-
точном давлении равноценно изменению этой массы, соизмери-
мому с определяемой утечкой. Для поддержания неизменной
температуры газа необходимо, чтобы расход и температура ох-
лаждающей воды также оставались строго неизменными.
Определение утечки водорода может проводиться как
с подпиткой — при постоянном давлении в машине, так и без
подпитки — при падающем давлении; последнее для машин
с небольшим избыточным давлением, например 0,005 МПа,
к которым относятся машины более старых выпусков, может
измеряться открытым U-образным манометром, а для более
современных машин с давлением до 0,4—0,5 МПа — пружин-
ным манометром класса точности 0,4 или 0,6.
Для первого способа в машине устанавливается требуемое
избыточное давление, после чего питание водородом перево-
дится на баллон, имеющий полное давление газа; в случае пи-
тания машины от реципиента этот баллон устанавливается
вместо одного из баллонов углекислоты. На стороне высокого
давления редукционного клапана баллона устанавливается
пружинный манометр класса точности 0,4 или 0,6 с достаточ-
ным, но не избыточным пределом измерения — обычно до
15 МПа (или 150 кгс/см2); при непрерывном поддержании дав-
348
ления внутри фашины точно на заданном уровне давление
в баллоне измеряется не реже, чем через 30 мин. При соблю-
дении условий опыта зависимость давления в баллоне от вре-
мени должна иметь вид прямой с отрицательным угловым ко-
эффициентом, исчисляемым в мегапаскалях в час:
|tga[=—Р-^-,
?2 — h
где pi — первоначальноое давление в баллоне в момент вре-
мени и — окончательное давление в момент времени t2.
Опыт может быть доведен до установления минимального до-
пустимого давления газа в баллоне (баллоны не опоражнива-
ются до конца для устранения необходимости их промывки
перед новым заполнением газом), но может быть прекращен и
раньше. Если Уб — объем баллона, то утечка водорода Уу, при-
веденная к давлению 0,1013 МПа (760 мм рт. ст) и темпера-
туре 0 °C, равна
у 9 86—V6tga,
У 273+ » °
где О' — температура газа во время опыта.
Пример. Давление в баллоне в начале опыта определения утечки водо-
рода было pi = 13,5 МПа. Опыт был прекращен, когда давление упало до
р2—6,5 МПа. Требуется определить утечку, если температура газа в течение
всего опыта была 0=24 °C, объем баллона равен 0,045 м3 и опыт был пре-
кращен по истечении 57г ч.
Скорость падения давления в баллоне
|tga|_-у-----13 g6 5 — 1,27МПа/ч.
*2 — *i 5,5
Утечка водорода, приведенная к давлению 0,1013 МПа и температуре
С °C, равна
273 273
Уу = 9186 070 _। ч Уб tga = 9,86 - —- 0,045.1,27 = 0,518 м«/ч.
Z/O'j'V
Если избыточное давление газа внутри машины невелико
и измеряется открытым манометром, то изменение атмосфер-
ного давления за время опыта может исказить результат по-
следнего, и потому это изменение нужно учитывать. Для на-
дежности рекомендуется повторить опыт при заданном избы-
точном давлении не менее двух-трех раз.
Определение утечки водорода без подпитки возможно, если
известен газовый объем системы охлаждения машины Уг. При
отключенной подпитке производятся два измерения давления
водорода в машине pf и р2 и его температуры при входе в ма-
шину Oi и О2, следующие одно за другим через промежуток
времени t2— t^T\ утечка определяется по формуле
Vy = 2690-^-
у т
/ Р1
\ 273 +
Р2 \
273 + /
349
Рис. 9.41. К определению
утечки водорода
Этот способ отличается меньшей точностью, потому что при
небольшом промежутке времени Т не обеспечивается доста-
точно большая разность давлений pt и р2, чтобы на нее мало
влияла погрешность их отсчетов, а при более значительном про-
межутке Т в случае малого номинального давления газа сама
утечка не остается неизменной. Тогда может быть применено
видоизменение этого способа, особенно пригодное для больших
номинальных давлений.
К полости машины присоединяется резервуар точно изме-
ренного объема (рис. 9.41), хорошо теплоизолированный,
с двумя манометрами: дифференциаль-
ным U-образным и пружинным М, с пре-
делом измерения, достаточным для из-
мерения давления в полости машины,
класса точности 0,4 или 0,6. При закры-
том вентиле 2 и открытых вентилях 1 и
3 производится продувка резервуара во-
дородом, после чего вентиль 3 закрыва-
ется на все время испытания, а вентиль
2 открывается для выравнивания уров-
ней жидкости в ветвях U-образного ма-
нометра. Если теперь закрыть вентиль 1,
то полость резервуара будет отделена от
полости машины и пружинный манометр
отметит давление в ней в этот момент
pi; во всем дальнейшем опыте он больше
не участвует. В этот момент жидкость в
обеих ветвях U-образного манометра на-
ходится на одном уровне, но по мере
работы машины, когда давление в ее
полости упадет вследствие утечки газа, уровень в ветви, соеди-
ненной с резервуаром, будет падать, а в ветви, соединенной с по-
лостью машины,— подниматься. Опыт может быть прекращен
незадолго до того, когда предел измерения U-образного мано-
метра будет исчерпан; давление в полости машины будет при
этом равно
ра = Р1—Др,
где Др — разность уровней жидкости в ветвях U-образного ма-
нометра, пересчитанная в те единицы, в которых отградуирован
пружинный манометр М. Для того чтобы понижение уровня
жидкости в U-образном манометре не отражалось заметным об-
разом на давлении в резервуаре, объем последнего должен
быть не менее чем в 1000 раз больше объема половины столба
жидкости в U-образном манометре.
Определение утечки водорода входит в программу приемо-
сдаточного испытания всех машин с водородным охлаждением,
но при таком испытании не каждая из них заполняется водоро-
дом. Поэтому допускается проведение аналогичного опыта при
350
заполнении машины воздухом с пересчетом измеренной утечки
воздуха пропорционально квадратному корню из отношения
плотностей воздуха и водорода, принимаемому равным 3,2, если
давление воздуха равно номинальному давлению водорода;
если же оно понижено, то — еще и пропорционально отношению
избыточных давлений.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ИСПЫТАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
10.1. ПРОГРАММЫ ПРИЕМОЧНЫХ
И ПРИЕМО-СДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ
В программу приемочного испытания асинхронного двига-
теля входит:
* измерение сопротивления изоляции обмоток по отношению
к корпусу машины и между обмотками;
* измерение сопротивлений обмоток при постоянном токе
в практически холодном состоянии;
* определение коэффициента трансформации (для двига-
телей с фазным ротором);
* испытание изоляции обмоток относительно корпуса ма-
шины и между обмотками на электрическую прочность;
* испытание междувитковой изоляции обмотки статора и
фазного ротора на электрическую прочность;
* определение тока и потерь холостого хода;
* определение тока и потерь короткого замыкания;
испытание при повышенной частоте вращения;
испытание на нагревание;
определение коэффициента полезного действия, коэффици-
ента мощности и скольжения;
испытание при кратковременной перегрузке по току;
определение максимального вращающего момента;
определение минимального вращающего момента в процессе
пуска (для двигателей с короткозамкнутым ротором);
определение начального пускового вращающего момента и
начального пускового тока (для двигателей с короткозамкну-
тым ротором);
измерение вибрации;
измерение уровня шума.
Программу приемо-сдаточного испытания составляют пер-
вые семь пунктов, отмеченные звездочкой; но при массовом про-
изводстве двигателей обязательным для каждой выпускаемой
машины являются только определение тока и потерь холос-
того хода и испытание изоляции обмоток относительно корпуса
машины и между обмотками на электрическую прочность,
а остальные испытания допускается проводить выборочно, при-
чем объем выборки в таких случаях должен устанавливаться
351
в стандартах или технических условиях на конкретные виды
двигателей. Кроме того, этими документами может устанавли-
ваться обязательность для каждого выпускаемого двигателя из-
мерений вибрации и уровня шума, если они существенны для
данного вида.
Специфическими для асинхронных двигателей являются:
определение коэффициента трансформации, определение тока
и потерь холостого хода и короткого замыкания, определение
КПД, коэффициента мощности и скольжения (в процессе оп-
ределения рабочей характеристики и без него) и определение
максимального, минимального и начального вращающего мо-
мента и начального пускового тока для двигателей с коротко-
замкнутым ротором; прочие испытания являются общими для
машин всех видов и в дополнительном рассмотрении не нужда-
ются.
Хотя программа построена применительно к испытанию
двигателей трехфазного тока, она может быть в значительной
степени распространена и на двигатели с другим числом фаз,
в частности на двигатели однофазного тока, а также на асин-
хронные генераторы. Попутно рассматриваются испытания, не-
обходимые для синхронных двигателей с асинхронным пуском.
10.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРАНСФОРМАЦИИ
В трансформаторах под коэффициентом трансформации по-
нимается отношение числа витков одной фазы обмотки выс-
шего напряжения к числу витков одной фазы обмотки низшего
напряжения; поэтому в них коэффициент трансформации всегда
больше единицы. Но в асинхронных двигателях с фазными ро-
торами соотношение чисел витков обмоток статора и ротора
или их номинальных фазных напряжений может быть различ-
ным; коэффициент трансформации всегда определяется от об-
мотки статора к обмотке ротора и может быть как больше,
так и меньше единицы.
В асинхронных двигателях часто каждая фаза обмотки ста-
тора, а иногда и ротора имеет две или более параллельные
ветви; при определении коэффициента трансформации следует
принимать в расчет только числа витков, находящихся в по-
следовательном соединении. Кроме того, обмотки статора и ро-
тора различаются не только числами последовательно соединен-
ных витков, но и обмоточными коэффициентами, а иногда и
числом фаз (например, трехфазные двигатели с двухфазными
роторами).
Для опытного определения коэффициента трансформации
к обмотке статора при разомкнутой обмотке ротора подводится
напряжение и производится измерение линейных напряжений
обеих обмоток. Для двигателей с номинальным напряжением
до 660 В включительно к обмотке статора следует подводить
номинальное напряжение, а для двигателей с номинальным на-
пряжением выше 660 В допускается и пониженное напряжение.
352
Правильнее было бы измерять фазные напряжения; но ней-
тральная точка обмотки ротора обычно недоступна, а в обмотке
статора доступна не всегда, и приходится измерять линейные
напряжения обеих обмоток.
За действительное значение коэффициента трансформации
принимается Отношение средних арифметических из измерен-
ных значений напряжения статора и ротора, пересчитанных на
фазные значения; разности между отдельными измеренными
значениями не должны превосходить 1 %. Таким образом, опыт
определения коэффициента трансформации одновременно яв-
ляется проверкой симметричности фаз обмоток статора й ро-
тора.
Проведение каких-либо измерений в этом опыте не обяза-
тельно; ток, потребляемый двигателем от источника, мало от-
личается от тока холостого хода, а подводимая мощность не
представляет интереса по той причине, что состав потерь не
характерен ни для одного из возможных рабочих режимов дви-
гателя.
Измеренное значение коэффициента трансформаций нес-
колько отличается от вычисленного по соотношению чисел вит-
ков и обмоточных коэффициентов, потому что напряжение, из-
меряемое на контактных кольцах ротора, равно ЭДС в Нем,
но напряжение на выводах обмотки статора отличается от со-
ответствующей ЭДС вследствие падения напряжения в обмотке,
создаваемого питающим ее током. Это же имеет место и
в трансформаторах, но там потребляемый ток обычно значи-
тельно меньше, поскольку отсутствует явно выраженный зазор
в магнитной цепи; если в трансформаторах ток холостого хода
при номинальном напряжении нормально составляет 6—10 %
номинального, то в крупных асинхронных двигателях он до-
стигает 20—30 %, а в более мелких повышается до 40—60 % и
выше. По этой причине измеренное значение коэффициента
трансформации К'т оказывается преувеличенным против рас-
четного, и тем больше, чем относительно выше приложенное на-
пряжение.
Если требуется более точно проверить расчетное значение,
то можно повторить опыт при питаний обмотки ротора с ра-
зомкнутой обмоткой статора напряжением, составляющим при-
мерно такую же долю ее номинального напряжения, как и при
питании обмотки статора; это дает преуменьшенное значение
коэффициента трансформации К"т. Среднее арифметическое
или среднее геометрическое из измеренных значений близко
к расчетному:
Когда числа фаз обмоток статора и ротора неодинаковы, то
вычисление коэффициента трансформации следует производить
по отношению фазных напряжений обмоток.
1 1/2 12 Заказ № 512 353
Пример. Двигатель с фазным ротором имеет номинальное напряжение
статора при сопряжении фаз в звезду t/si=6000 В и номинальное напряже-
ние ротора также при сопряжении в звезду 4/Н2=850 В. Для определения
коэффициента трансформации обмотка статора пересоединена в треугольник
и к ней приложено напряжение £//—400 В; между кольцами ротора изме-
рено напряжение f72z=96 В. Расчетное значение коэффициента трансформа-
ции
Кт = 6W^h2 =- 6000/850 = 7,06;
между тем по измерению
< U\/U2 = 400 }Лз/96 — 7,22.
Для проверки произведено измерение со стороны ротора, к которому
было приложено напряжение £/2''== 120 В, а на статоре измерено напряжение
4Л "=485 В. Это дает
к"т = u\iu"2 = 485 /3/120 = 7,00.
Отсюда действительное значение коэффициента трансформации
Кт = (к'т+ к;)/2 = (7,22+ 7,00)72 = 7,11
или же
= =/7,22-7,00 = 7,11.
Таким образом, действительный коэффициент трансформации несколько
выше расчетного.
10.3. ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА
В отличие от машин, возбуждаемых постоянным током,
в асинхронных машинах не может быть в чистом виде опреде-
лена зависимость между током, намагничивающим машину при
холостом ходе, и индуктируемой ЭДС, потому что ее нельзя
получить в режиме генератора, когда намагничивание созда-
ется посторонним источником, а все потери покрываются меха-
ническим путем — приводным двигателем. Измерению подвер-
гаются напряжение на выводах, приложенное от источника
питания и большее, чем ЭДС в обмотке, и потребляемый обмот-
кой ток холостого хода, содержащий как чисто реактивную
составляющую, создающую магнитный поток и называемую
намагничивающим током, так и активную составляющую, необ-
ходимую для покрытия всех потерь в машине — механических,
электрических и магнитных. Тем не менее, поскольку ток хо-
лостого хода относительно невелик (за исключением очень не-
больших двигателей) и создаваемое им падение напряжения
в обмотке мало, разность между напряжением на выводах и
ЭДС незначительна и ею обычно можно пренебречь, а актив-
ная составляющая этого тока даже в мелких двигателях на-
столько меньше реактивной, что мало влияет на ток, и этим
влиянием тоже можно пренебречь.
Как и опыт холостого хода для машин других видов, про-
водимый в режиме двигателя, опыт холостого хода асинхрон-
354
ного двигателя следует начинать с наибольшего приложенного
напряжения, желательно с соответствующего испытанию элек-
трической прочности междувитковой изоляции, если оно может
быть выполнено при номинальной частоте, и во всяком случае
не менее чем с равного 110% номинального, понижая напря-
жение, например, по таблице в § 5.2, и заканчивать возможно
более низким, одновременно производя измерение подводимой
мощности.
Правильность результатов опыта холостого хода зависит от
качества напряжения, приложенного к обмотке статора; необ-
ходимо соблюдать три требования: симметричность линейных
напряжений, чистоту формы кривой напряжения и устойчивость
частоты.
Наиболее трудно соблюдение первого требования — сим-
метричность напряжений легко нарушается по различным при-
чинам. Стержневые трансформаторы нарушают симметричность
тем, что обмотка на среднем стержне находится в условиях,
отличных от условий для обмоток на крайних стержнях; луч-
шие результаты дает применение броневых трансформаторов,
а также стержневых с сопряжением обмоток в зигзаг, несмотря
на другие недостатки этого сопряжения. Всякая несимметрич-
ность нагрузки, подключенная параллельно с данным приемни-
ком, также нарушает симметричность напряжения; но даже
в тех случаях, когда генератор с вполне симметричными на-
пряжениями непосредственно питает только испытуемый двига-
тель, симметричность напряжений на его выводах зависит от
того, насколько одинаковы сопротивления соединительных про-
водников. При испытании малых двигателей симметричность
напряжений нарушается неодинаковым числом измерительных
приборов (амперметры и обмотки тока ваттметров) в фазах.
Чем меньше испытуемый двигатель, тем меньше измеряемый
ток холостого хода, тем выше сопротивление каждого из при-
боров, подходящих по пределу измерения, и тем строже над-
лежит соблюдать симметричность схемы (см. § 4.1).
•Несимметричность напряжений приводит к неравенству ли-
нейных токов и к увеличению потерь холостого хода; нера-
венство линейных токов возрастает быстрее, чем вызывающее
его неравенство напряжений, и является чувствительным приз-
наком несимметричности; однако оно может происходить и по
причинам, заключенным внутри испытуемого двигателя, таким,
как неодинаковость чисел витков в фазах, неравномерность за-
зора между статором- и ротором и т. д. Неравенство токов пе-
реходит из фазы в фазу вместе с линейными проводниками при
круговой перестановке фаз испытуемого двигателя, когда оно
обусловлено внешними причинами, и не переходит из фазы
в фазу, когда причина его — внутренняя. При испытаниях ма-
лых двигателей, когда пределы измерения приборов ниже 5А,
обязательно включение трех одинаковых ваттметров и трех ам-
перметров.
1*/2 12* 355
Наличие высших гармонических в кривой напряжения ис-
точника мало отражается на токе холостого хода, но ведет
к заметному увеличению потерь; поэтому важно, чтобы их со-
держание было как можно меньшим.
Неустойчивость частоты, если только она не выходит из пре-
делов, допускаемых крупными энергетическими системами,
мало отражается на токе и потерях холостого хода, но затруд-
няет отсчеты, когда кинетическая энергия ротора значительна
и не может достаточно быстро изменяться, вследствие чего
возникают качания стрелок приборов, особенно ваттметров.
Измерение подводимой мощности при холостом ходе проис-
ходит при очень низких значениях коэффициента мощности и
потому не отличается точностью. Средством контроля правиль-
ности измерений служит сравнение значений коэффициента мощ-
ности, полученных как отношение активной мощности, измерен-
ной ваттметрами, к полной, вычисленной по показаниям вольт-
метров и амперметров, со значениями, полученными по
соотношению показаний ваттметров. Чем лучше совпадают эти
значения на протяжении всех отсчетов опыта, тем более на-
дежными можно их считать.
Результаты опыта холостого хода подвергаются следующей
обработке.
За действительное линейное напряжение холостого хода UQ
принимается среднее арифметическое из трех измеренных зна-
чений; лишь когда симметричность напряжений обеспечена
с точностью не выше 1 % среднего, можно ограничиваться од-
ним измерением. Если частота f в момент отсчета отличается
от номинальной fa, то напряжение должно быть приведено
к номинальной частоте (см. § 6.4).
За действительный линейный ток холостого хода /о прини-
мается среднее арифметическое из трех измеренных значений.
За подводимую мощность или потери холостого хода Ро
принимается измеренная мощность Р, полученная как алгебра-
ическая сумма показаний ваттметров и уменьшенная на сумму
потерь во всех приборах, если эти потери требуется учитывать.
Коэффициент мощности определяется по формуле
Р
cos ф0 =-----—.
Если измерение мощности производится способом двух
ваттметров, то вычисленное значение проверяется по соотноше-
нию их показаний. Будучи очень низким при повышенных зна-
чениях напряжения, коэффициент мощности возрастает при его
понижении.
Потери в обмотке статора от тока холостого хода вычисля-
ются при сопряжении фаз в звезду по формуле
356
а при сопряжении их в треугольник — по формуле
PM = W,
где Rv — сопротивление одной фазы при температуре опыта О,
измеренное непосредственно по его окончании, а если ток хо-
лостого хода при номинальном напряжении превосходит 70 %
номинального тока, то — также после отсчета при этом напря-
жении.
Сумма потерь в стали РСт и механических потерь Рыж полу-
чается вычитанием потерь в обмотке статора из подводимой
мощности Ро. Отделение механических потерь, если оно тре-
буется, производится так же, как и для двигателей других ви-
дов, экстраполяцией зависимости этой суммы от квадрата на-
пряжения на нулевое значение последнего.
Если предъявляется требование выделения намагничиваю-
щей составляющей из тока холостого хода 1о, то оно произ-
водится по формуле
1 о sin ф0;
значения sinq>0 могут быть получены либо вычислением по из-
меренным данным, либо по показаниям третьего ваттметра при
измерении мощности способом двух ваттметров, учитывающего
реактивную мощность.
Пример. Опыт холостого хода асинхронного двигателя мощностью
125 кВт, произведенный при частоте питания f=49,2 Гц, дал следующие ре-
зультаты: при напряжении 14=360 В ваттметры имели отклонения at=
—42,0 дел. и «2=61,4 дел. при цене деления сВт=168 Вт/дел. Средний изме-
ренный ток был равен 4=48,2 А; сопротивление фазы обмотки статора, из-
меренное сразу после опыта, R& =0,0229 Ом. При испытании применялись
вольтметр с сопротивлением 2?в=8800 Ом и два ваттметра с сопротивлениями
/?вт = 14 000 Ом.
Измеренная мощность
Р = (a, -f- а,)свт = (— 42,0 + 61,4)-168 = 3259 Вт.
Потери в приборах
360s , 2360s
Pm =-------Ч----------= 33,2 Вт.
₽ 8800 ~ 14 000
Отсюда потери холостого хода
Р9 = Р — РПр = 3259 — 33,2 = 3226 Вт.
Поскольку потери в приборах учитываются при измерении, коэффициент
мощности следует вычислять по Мощности Р, а не по Ро; для сравнения со
значением, определенным по отношению показаний ваттметров, он вычислен
с точностью до четвертого знака:
3259
cos ф0 — = 0,1084 « 0,108.
360-48,2-1,732
Отношение показаний ваттметров
«1/а2 = —42,0/61,4 = —0,684.
По таблице приложения 4 этому отношению соответствует значение
cos фв=0,1077 ^0,108. Таким образом, при округлении до третьего знака оба
значения cos фо совпадают.
12 Заказ № 512
357
Потери в обмотке статора
Рм =3*48,22-0,0229 = 159,6 « 160 Вт.
Сумма потерь в стали и механических потерь
Рст + Рмех = р — Рм = 3226 — 160 = 3066 Вт.
Разделение потерь дает механические потери РМех—1370 Вт; отсюда по-
тери в стали '
Рст = 3066 — 1370 = 1696 Вт.
Поправка для приведения напряжения к частоте 50 Гц равна Ч~1>63 %;
таким образом, исправленное напряжение
и'°= и°(1 + Пог) = 360(1 + "мо") = 365,9 в‘
Поправка для приведения потерь в стали к частоте 50 Гц раЬЙа +2,45 %„
откуда исправленные потери в стали
- />„ (1 + “) - (1 + -^) = 1738 Вт.
Наконец, поправка для приведения механических потерь к частоте 50 Га
равна +3,28 %, следовательно,
, / АРмех \ / 3,28 \
Рмех = Рмех I 1 + ~ = 1370 ( 1 + = 1415 Вт.
мех мех » 100 / \ 100 /
Коэффициент реактивной мощности
sin Фо
'/з-3608-48,28—32598
360-48,2-1,732
0,994;
отсюда намагничивающий ток
/ц= 48,2-0,994 = 47,9 А.
Для графического изображения результатов опыта холостого
хода следует отложить в функции напряжения Uo (или Uo') сле-
дующие величины: ток холостого хода /о. потери холостого хода
Ро (или Р'о) и коэффициент мощности cos фо (рис. 10.1).
При приемо-сдаточных испытаниях разрешается ограничи-
вать опыт измерением тока и потерь холостого хода при номи-
нальном напряжении; предполагается, что отклонения частоты
от номинального значения не выходят из пределов, установлен-
ных для энергетических систем.
Затрата времени на определение целой характеристики хо-
лостого хода настолько ничтожна по сравнению с временем на
установку, подключение и обкатку для прогрева подшипников,
что и при приемо-сдаточных испытаниях двигателей значитель-
ных мощностей целесообразно производить его, хотя бы и
с уменьшенным числом отсчетов (5—6). Тем более это целесо-
образно в случае отклонения потерь или тока холостого хода
от ожидаемых значений, так как помогает выяснить его при-
чину.
При испытании двигателей с переключением числа пар по-
люсов опыт холостого хода должен быть проведен для каж-
дой из частот вращения; рекомендуется начинать его с наи-
358
большей частоты вращения, что позволит при переходе к мень-
шим не производить дополнительный прогрев подшипнков.
Опыт холостого хода сопровождается проверкой обозначе-
ний выводов обмотки статора при известном следовании фаз
в испытательной установке. Обозначения выводов должны со-
ответствовать порядку следования фаз при том направлении
вращения, которое для данного двигателя является нормаль-
ным; еслй ж| fero конструкция не определяет направления вра-
щения, rd йВЙначепия должны соответствовать порядку сле-
дования фЙ гфи правом вращении, т. е. по часовой стрелке,
Рис. 10.1. Пример характеристики холостого
хода
если смотреть со стороны приводного конца вала. Для двига-
теля с двумя приводными концами вала правым нужно считать
направление вращения по часовой стрелке со стороны конца
вала большего диаметра, а если диаметры обоих концов вала
одинаковы, то при фазном роторе — со стороны, противополож-
ной контактным кольцам, а при короткозамкнутом — по согла-
шению между изготовителем и потребителем.
10.4. ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Под коротким замыканием асинхронного двигателя подра-
зумевается питание обмотки статора при замкнутом накоротко
и заторможенном роторе' которое воспроизводит пусковые усло-
вия и позволяет определить начальный пусковой ток и началь-
ный пусковой вращающий момент.
При прикладывании к выводам двигателя номинального на-
пряжения он потребляет ток, в несколько раз превосходящий
12* 359
номинальный; вся подводимая энергия выделяется в нем в виде
теплоты. Неизбежная потеря времени на успокоение колебаний
стрелок приборов вслед за включением, в течение которого
заметно повышается температура, а вместе с ней и сопротивле-
ние обмоток, приводит к тому, что установившиеся показания
приборов быстро начинают падать. Поэтому проведение опыта
короткого замыкания при приемочных испытаниях до напряже-
ния, отличающегося от номинального не более чем на ±10 % г
обязательно только для двигателей мощностью до 100 кВт;
для двигателей от 100 до 1000 кВт допускается проводить опь.;
при напряжении 40 % номинального; при мощности свыше
1000 кВт наибольшее значение тока короткого замыкания
должно быть не меньше двукратного номинального, а для дви-
гателей с фазным ротором всех мощностей — не менее 2,5-крат-
ного.
При опыте короткого замыкания двигателя трехфазного
тока производится измерение приложенного напряжения жела-
тельно тремя вольтметрами, потребляемого тока — тремя ам-
перметрами и подводимой мощности — способами двух или
трех ваттметров, предпочтительнее первым из них, а для дви-
гателей мощностью до 100 кВт включительно — также враща-
ющего момента динамометром или тормозом. Число отсчетов
должно быть не меньше 5—7, продолжительность каждого от-
счета не должна превосходить 10 с; уже за такой промежуток
времени температура обмотки статора достигает значительного
предела, который можно оценить, если известны расчетные дан-
ные двигателя.
Пример. Двигатель мощностью 4,5 кВт имеет расчетную кратность на-
чального пускового тока /к.н//н—7. При номинальном напряжении 380 В его
номинальный ток составляет /н=9,1 А. Обмотка статора с изоляцией класса
А изготовлена из проводника круглого сечения диаметром d=l,35 мм; пло-
щадь поперечного сечения проводника составляет
q — 3,14-1,352/4 = 1,431 мм2,
а плотность тока при номинальном режиме работы
J =]^lq= 9,1/1,431 = 6,36 Л/мм2.
Если предположить, что нагревание обмотки статора во время опыта
короткого замыкания происходит адиабатно, что близко к действительности,
то средняя скорость повышения температуры во время опыта при номиналь-
ном напряжении может быть определена по формуле
d* = J2 / /к.н \2
dt 175 \ /н /
6,362
—------72 = 11,33
175
К/с.
Если опыт начат при температуре обмотки +20 °C, то расчетная рабо-
чая температура +75 °C будет достигнута через (75—20)/11,33=4,85 с, а пре-
дельная температура, допускаемая для изоляционных материалов класса А,
+ 105 °C —через (105—20)/11,33=7,50 с.
Рекомендуется следующий порядок проведения опыта: вклю-
чение испытуемого двигателя производится при напряжении ис-
точника 15—20 % номинального, затем напряжение быстро под-
360
нимается до требуемого значения; это позволяет устранить ка-
чания стрелок приборов. Немедленно после выполнения отсчета
двигатель отключается, производится измерение сопротивления
обмотки статора и, если это требуется, двигатель пускается
в режиме холостого хода для охлаждения.
Число наблюдателей при опыте короткого замыкания должно
быть достаточным для одновременного отсчета по команде;
в наиболее ответственных случаях следует иметь по наблюда-
телю на каждый прибор, в менее важных их должно быть не
менее трех — по одному на каждый ваттметр и один для вольт-
метра; кроме того, на каждого наблюдателя возлагается наблю-
дение за одним из амперметров, отсчеты по которым должны
следовать как можно скорее за отсчетами по ваттметрам.
Двигатели с фазными роторами при токе короткого замыка-
ния, равном номинальному, обычно не трогаются с места и не
требуют специального затормаживания; но короткозамкнутые
двигатели, особенно с улучшенными пусковыми характеристи-
ками, необходимо затормаживать хомутиком, надеваемым на
вал, брусом, просовываемым в отверстия между спицами шкива,
и т. п.
Вращающий момент асинхронного двигателя при коротком
замыкании зависит от положения ротора по отношению к ста-
тору; при проворачивании ротора на одно зубцовое деление он
изменяется между некоторыми наибольшим и наименьшим зна-
чениями. Следует придавать ротору положение, соответствую-
щее наименьшему значению момента; это, однако, требует оп-
ределенного навыка для его нахождения, производимого при
сильно пониженном приложенном напряжении.
Правильное значение начального вращающего момента мо-
жет быть получено таким способом только в случае примене-
ния в испытуемом двигателе подшипников качения, но если он
имеет подшипники скольжения, то выполнение этого требова-
ния затруднительно, так как такие подшипники имеют значи-
тельный момент трения в покое.
Для двигателей с фазным ротором измерение начального
вращающего момента не требуется.
Перед затормаживанием следует проверить направление
вращения ДЙигателя, так как в случае ошибки он может в мо-
мент включения сорвать затормаживающее приспособление и
нанести повреждения оборудованию и травмы окружающему
персоналу.
При условии полной симметричности фаз обмотки распре-
деление тойов в фазах в меньшей степени зависит от несим-
метричности приложенного напряжения, чем в опыте холостого
хода; тем йе менее и для опыта короткого замыкания несим-
метричность нежелательна. Однако опасность ее внесения за
счет неодинаковости сопротивлений последовательно включен-
ных приборОй здесь не столь велика, так как измеряемые токи
значительно больше, а падения напряжения на приборах
з
361
с подходящими для опыта пределами измерения соответственно
ниже.
Быстрота, с которой должны производиться отсчеты при
опыте короткого замыкания, не позволяет проверять симметрич-
ность приложенного напряжения переключением вольтметра;
поэтому приходится либо ставить три вольтметра, либо ограни-
чиваться проверкой симметричности источника при его холос-
том ходе.
Результаты опыта подвергаются следующей обработке;
За действительное линейное напряжение короткого замыка-
ния UK принимается показание вольтметра в момент отсчета
по всем приборам, а если применяются три вольтметра, то —
среднее арифметическое из их показаний.
За действительный линейный ток короткого замыкания /к
принимается среднее арифметическое из трех измеренных зна-
чений.
За подводимую мощность Рк принимается алгебраическая
сумма показаний ваттметров; поправка на потери в приборах,
обычно не делается, так как, кроме как для самых малых дви-
гателей, она лежит ниже уровня погрешности измерения.
Коэффициент мощности определяется по формуле
cos<pK =---------------------Рк
Y t/KzKV3
и в случае измерения мощности способом двух ваттметров про-
веряется по соотношению их показаний.
Потери в обмотке статора PMi вычисляются так же, как и
при холостом ходе: в случае сопряжения фаз в звезду
рМ13/2Л>-
а в случае сопряжения их в треугольник
где /?»— сопротивление одной фазы статора при температуре
ft в момент отсчета.
Потери в обмотке ротора РМ2 получаются вычитанием из
подводимой мощности потерь в обмотке статора РМ1 и потерь
в стали Рст, взятых из опыта холостого хода в соответствии
с напряжением UK:
Рм2=Рк Р м1 — Р ст
. 1 ’' м'
При одном и том же напряжении на выводах статора поток
при коротком замыкании и потери в стали статора меньше, чем
при холостом ходе, но зато возникают потери в стали ротора,
отсутствующие при холостом ходе. ]'
Потери в обмотке ротора пропорциональны развиваемому
вращающему моменту, что дает возможность вырвать послед-
ний в единицах мощности. Для перевода вращающего- момента
362
в ньютон-метры следует воспользоваться формулой
Мк = 0,9 • 9550 = 8595 ,
«с «с
где «с — синхронная частота вращения. Коэффициент 0,9 введен
для учета действия высших гармонических без глубокого теоре-
тического обоснования, однако идет в запас определяемой ве-
личины и потому может быть допущен, как дающий известную
страховку.
Построение результатов опыта короткого замыкания обычно
производится в функции приложенного напряжения t/к/ при
этом достаточно построить
кривые тока 1К, потерь ко-
роткого замыкания Рк, ко-
Рис. 10.2. Пример характеристики
короткого замыкания
Рнс. 10.3. Определение условных
токов короткого замыкания
эффициента мощности cos<pK и вращающего момента Мк или
потерь в обмотке ротора РМ2 (рис. 10.2).
Искривление зависимости тока короткого замыкания от
приложенного напряжения происходит от насыщения путей рас-
сеяния обмоток статора и ротора, понижающего индуктивное
сопротивление машины, и тем заметнее, чем сильнее это насы-
щение.
Опыт короткого замыкания, произведенный при напряжении,
пониженном против номинального, требует для определения
тока короткого замыкания при номинальном напряжении вве-
дения поправки на насыщение. Эта поправка состоит в том,
что выше наибольшего значения при опыте ток короткого за-
мыкания предполагается возрастающим по касательной к кри-
вой, изображающей его зависимость от напряжения (рис. 10.3).
Если эта касательная пересекает ось абсцисс в точке At/к, то
для- определения тока короткого замыкания /к.н при номиналь-
ном напряжении t/a называемого начальным пусковым током,
следует; воспользоваться формулой
т t/н — At/к t
1 К. и = — — i к»
1/к —АС/К
где t/K ' и /к —наибольшие . напряжение и ток при опыте.
363
На рис. 10.3 нанесены также некоторые построения, используе-
мые далее при рассмотрении круговых диаграмм.
Отношение тока короткого замыкания при номинальном на-
пряжении к номинальному току носит название кратности на-
чального пускового тока. Наибольшие допускаемые значения
этого отношения для двигателей с короткозамкнутым ротором
должны устанавливаться в стандартах или технических усло-
виях на конкретные виды двигателей, как имеющие большое
значение для выбора двигателя, особенно при тяжелых усло-
виях пуска.
Коэффициент мощности при коротком замыкании мало за-
висит от напряжения, кроме начальной части характеристики,
в которой он возрастает с повышением напряжения вследствие
отмеченного выше убывания индуктивного сопротивления ма-
шины. В дальнейшем он продолжает немного возрастать под
действием как понижения индуктивного сопротивления, так и
повышения активных сопротивлений обмоток статора и ротора
вследствие нагревания, которого трудно избежать при отсчетах
с более высокими значениями тока короткого замыкания.
Отношение вращающего момента при коротком замыкании
с номинальным напряжением к номинальному моменту носит
название кратности начального пускового вращающего мо-
мента. Она может быть непосредственно определена из опыта
короткого замыкания, лишь когда этот последний доведен до
номинального напряжения; в противном случае начальный пу-
сковой момент определяется пересчетом: если в опыте момент
Мк определен при токе !к, то для начального пускового мо-
мента Мк.н можно написать
Мк.н-(Л.„//к)2Мк.
При приемо-сдаточных испытаниях допускается измерять
ток и потери короткого замыкания только при одном значе-
нии напряжения, указанном ниже, составляющем 26—26,7 %
номинального:
Номинальное
напряжение . . . 127 220 380 440 500 660 3000 6000 10 000
Напряжение
короткого
замыкания . . . 33 58 100 115 130 173 800 1600 2600
При приемочном испытании один из отсчетов в опыте ко-
роткого замыкания должен быть произведен при таком значе-
нии напряжения для того, чтобы в дальнейшем с ним можно
было сравнивать измерения при приемо-сдаточных испытаниях.
Как и в опыте холостого хода, целесообразно определение
целой характеристики короткого замыкания при приемо-сдаточ-
ных испытаниях более крупных двигателей, если это позволяют
энергетические возможности, так как затрата времейи на про-
ведение дополнительных трех-четырех отсчетов невелика по
364
сравнению с временем на установку и подключение двигателя,
но зато повышается достоверность опыта.
Для двигателей с переключением числа пар полюсов опыт
короткого замыкания должен быть проведен при всех числах
пар полюсов. Следует иметь в виду, что для некоторых схем
обмоток при изменении числа пар полюсов с сохранением чере-
дования фаз приложенного напряжения направление вращения
изменяется на обратное, так что затормаживающее приспособ-
ление должно быть обоюдосторонним.
Пример. Проводится опыт короткого замыкания восьмиполюсного асин-
хронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью Рн=400 кВт,
с номинальным напряжением Z7H = 6000 В и номинальным током 7Н = 48 А.
Опыт доведен до тока /к=125 А, при котором напряжение короткого замы-
кания t/K—3560 В, а потери короткого замыкания Рк=208 кВт. Сопротивле-
ние одной фазы обмотки статора при 75 °C #75=2,0 Ом, потери в стали при
номинальном напряжении РСт=8 кВт. Требуется определить кратность на-
чального пускового тока и начального пускового вращающего момента, если
касательная к зависимости тока короткого замыкания от напряжения в ее
наивысшей измеренной точке пересекает ось абсцисс при At/K=780 В.
Ток короткого замыкания при номинальном напряжении
/к. н
t/H — At/K 6000 — 780
UK — MJK к~ 3560 — 780
125 =235 А
и его кратность
/к. н//н = 235/48 = 4,9.
Потери короткого замыкания при номинальном напряжении
/ /к в V / 235 \«
Рк.н = (-г^) Рк= 208= 735 кВт.
\ * н / \ 12b /
Потери в обмотке статора при этом
п п/2 « 3.2352.2,0
Рм1-3/K.H^7S- 1000
= 331 кВт.
Потери в обмотке ротора
/^м2 — Рк. н — -^м! — ст ~ 735 —’ 331 — 8 = 396 кВт.
Начальный пусковой вращающий момент
8595 — 8595 = 4538 Н • м.
пс 750;
Если бы была определена только одна наивысшая точка характеристики,
то пересчет короткого замыкания пропорционально напряжению дал бы всего
лишь
^к. н
6000
3560
• 125 = 210,7
А,
т. е. 89,7 % действительного значения, и потому начальный пусковой вра-
щающий момент был бы определен преуменьшенным:
<н = 0,8972Л4к н = °>801-4538 = 3635 Нм.
Еще худшие результаты дал бы пересчет в том случае, если бы единст-
венный отсчет был произведен при токе, близком к номинальному.
365
В отдельных случаях в программу приемочного испытания
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором вводится
испытание на нагревание при заторможенном роторе, которое
для двигателей мощностью до 100 кВт следует проводить при
номинальном напряжении на выводах. Температура обмоток
при этом нарастает практически адиабатно и для обмотки ста-
тора может быть предопределена вычислением, если известны
данные последней; для обмотки ротора следует применять
термопары, обеспечивая их тепловой контакт со стержнями и
короткозамыкающими кольцами сообразно особенностям конст-
рукции. Запись их показаний рекомендуется производить осцил-
лографом или другими равноценными средствами.
Испытание синхронных двигателей, предназначенных для
асинхронного пуска — прямого, когда обмотка якоря подклю-
чается под напряжение источника питания полностью или
с подразделением на параллельные ветви, или непрямого, когда
в процессе пуска с целью уменьшения пусковых токов приме-
няются автотрансформатор, реактор и т. п., по технике выпол-
нения не отличается от опыта короткого замыкания асинхрон-
ного двигателя.
Вследствие неодинакового расположения полюсов индуктора
по отношению к фазам обмотки якоря токи в последних
•сильно различаются даже при неявновыраженных полюсах; их
измерение надо обязательно производить во всех фазах. Нера-
венство токов влечет за собой неравенство напряжений на вы-
водах, и потому следует измерять все три линейных напряже-
ния. Для измерения мощности предпочтителен способ трех ват-
метров, особенно если нейтраль обмотки якоря доступна. Для
двигателей до 100 кВт опыт должен начинаться с напряжения,
отличающегося от номинального не более чем на ±10 %, а для
более крупных может проводиться при пониженном напряжении,
но не менее 0,5 номинального; полученные значения пускового
тока пересчитываются пропорционально напряжению с поправ-
кой на насыщение, а значения пускового вращающего мо-
мента— пропорционально квадрату тока.
Обмотка индуктора во время этого опыта не должна оста-
ваться разомкнутой, так как иначе на ней возникнут опасные
перенапряжения. При любом способе асинхронного пуска она
замыкается накоротко или на пусковой резистор, сопротивле-
ние которого обычно в 5—10 раз больше сопротивления об-
мотки индуктора. Если двигатель комплектуется таким резис-
тором, то желательно, чтобы он и был включен во время
опыта; последовательно с ним следует включить трансформа-
тор тока для измерения тока в цепи индуктора. Уменьшение
сопротивления резистора ведет к увеличению пускового тока,
тем более заметному, чем слабее пусковые клетки в полюсных
наконечниках.
Для построения круговых диаграмм короткозамкнутых дви-
гателей с улучшенными пусковыми характеристиками —с двой-
366
ной клеткой, глубоким пазом или пазом фигурного профиля —
требуется выполнение опыта короткого замыкания при на-
столько пониженной частоте, что при ней вытеснение тока
в проводниках ротора незначительно. За такую частоту прини-
мается 5 Гц; при ней стрелки обычно применяемых измери-
тельных приборов еще не реагируют на каждый отдельный по-
лупериод измеряемой величины.
В отношении производимых измерений этот опыт не отли-
чается от нормального опыта короткого замыкания, а так как
коэффициент мощности при нем довольно высок вследствие
сильного уменьшения индуктивного сопротивления машины, то
точность измерений вполне удовлетворительна. Затруднение
представляет только получение низкой частоты и поддержание
ее на устойчивом уровне. Применение для этой цели нормаль-
ных машинных агрегатов с синхронными генераторами и дви-
гателями постоянного тока, питаемыми сильно пониженным на-
пряжением, дает обычно неудовлетворительные результаты,
так как частота вращения получается недостаточно устойчивой.
В этом отношении гораздо рациональнее вращение син-
хронного генератора двигателем постоянного тока или асинхрон-
ным двигателем через редуктор или, в крайнем случае, ремен-
ную передачу с большим передаточным числом. Так как
частотомеры на такие низкие частоты не строится, то измерение
частоты приходится заменять измерением частоты вращения
генератора (или двигателя, если последний сопряжен с гене-
ратором через редуктор).
Ток короткого замыкания достаточно довести до 1—1,5-крат-
ного по отношению к номинальному; при столь умеренных его
значениях влияние насыщения путей рассеяния еще невелико
и зависимость тока короткого замыкания от напряжения прак-
тически прямолинейна, а фазное напряжение короткого замы-
кания приближенно может быть принято равным удвоенному
произведению тока короткого замыкания на сопротивление
фазы обмотки статора:
UK, ф ~ 2IKR$.
Частота 5 Гц не должна рассматриваться как 10 % номи-
нальной частоты 50 Гц двигателей общепромышленного приме-
нения; она является пределом низких частот, при котором явле-
ние вытеснения тока в проводниках обмотки ротора еще на-
столько незначительно, что им можно пренебречь. Поэтому,
если асинхронный двигатель имеет номинальную частоту, от-
личную от 50 Гц, например 400 Гц, опыт короткого замыкания
при пониженной частоте все равно должен проводиться при ча-
стоте 5 Гц, однако для двигателей такой повышенной частоты
нередко проводится определение серии характеристик корот-
кого замыкания при пониженных частотах, например 5, 10, 20,
40 Гц.
367
Среди электроизмерительных приборов, выпускаемых при-
боростроительными предприятиями, отсутствуют такие, класс
точности которых сохранялся бы при частотах 3—5 Гц; однако
достаточная для практических целей точность обеспечивается1
применением приборов, предназначенных для нормальной про-
мышленной частоты.
Если в короткозамкнутом роторе имеется какая-либо несим-
метричность, то это обнаруживается следующим опытом. К об-
мотке статора прикладывается трехфазное напряжение, на-
столько пониженное, чтобы ротор можно было медленно-
проворачивать вручную. При исправном роторе такое провора-
чивание не влияет на показания амперметров, включенных
в цепь статора; но если в нем имеется какая-либо неисправ-
ность, например разрыв стержня или короткозамыкающего
кольца, то показания амперметров дают поочередные отклоне-
ния, тем более заметные, чем больше неисправность. Особенно-
полезен этот опыт при проверке роторов с литыми алюминие-
выми клетками, в которых при несоблюдении технологии за-
ливки образуются газовые пузыри, частично или полностью-
нарушающие целостность стержней, что не может быть обнару-
жено внешним осмотром.
В двигателях с двойными клетками индуктивное сопротивле-
ние нижней (рабочей) клетки при коротком замыкании на-
столько велико, что токи в ней ничтожны, и нарушение сим-
метричности их системы вследствие разрывов стержней или
колец мало отражается на симметричности токов в обмотке ста-
тора; все нарушения симметричности, отмечаемые при испыта-
нии таких двигатедей, должны быть отнесены за счет неисправ-
ностей верхней (пусковой) клетки.
Так как индуктивные сопротивления клеток пропорцио-
нальны частоте, то при ее сильном понижении;нижняя клетка
начинает принимать большее участие в процессе короткого за-
мыкания, что и позволяет выявить ее неисправности. Пониже-
ние частоты можно производить до тех пор, пока подвижные
системы применяемых измерительных приборов не начнут реаги-
ровать на каждый отдельный полупериод измеряемой вели-
чины; в зависимости от степени успокоения приборов, это со-
ответствует частотам 3—5 Гц.
Однако создание столь низких частот не всегда осуществимо
по условиям оборудования испытательной станции; поэтому
может быть применен способ проверки целости нижней клетки
под нагрузкой, при которой обнаруживается аналогичное яв-
ление — поочередное колебание стрелок амперметров в такт
с удвоенным скольжением, зачастую сопровождаемое периоди-
ческим изменением гудения; последнее особенно отчетливо про-
является в крупных быстроходных машинах.
Существуют приборы для проверки целости роторных кле-
ток отдельно от статора; однако это относится к пооперацион-
ному контролю и здесь не рассматривается.
368
i0.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Под механической (рабочей) характеристикой асинхронного
двигателя в узком смысле понимается зависимость частоты вра-
щения или скольжения от отдаваемой мощности, а в более ши-
роком— также и ряда других величин, важных для эксплуата-
ции: подводимой мощности, тока, КПД и коэффициента мощ-
ности при неизменных значениях приложенного напряжения и
частоты.
Определение характеристики по возможности следует начи-
нать с опыта перегрузки по току или по вращающему моменту,
входящего в программу приемочного испытания; двигатели
мощностью до 0,6 кВт должны выдерживать перегрузку по току
:в течение 1 мин, а большей мощности — 2 мин, т е. в течение
времени, достаточного для выполнения измерений, в том числе
л измерения скольжения. Так как перегрузка по току не всегда
может быть осуществлена при номинальном значении напряже-
ния, последнее допускается на это время понизить; однако чрез-
мерное понижение может привести двигатель к опрокидыванию.
Во всяком случае определение характеристики должно быть
начато с нагрузки не менее ПО % номинальной и в нагретом со-
стоянии машины, желательно после испытания на нагревание;
если же этого сделать нельзя, то перед началом опыта нужно
прогреть двигатель при нагрузке, близкой к номинальной, так,
чтобы температура обмоток установилась. Опыт проводится по-
степенной разгрузкой двигателя от наибольшей нагрузки до
холостого хода с тем, чтобы получить всего 8—10 отсчетов. Не-
медленно по окончании опыта следует измерить сопротивление
обмотки статора неДвиси|1Ь от того, было ли оно измерено по-
сле предшествовавшего испытания.
Помимо напряжения, тока и мощности, при опыте измеря-
ется скольжение, а для двигателей с нормированным значением
КПД до 85 % — все величины, служащие для определения отда-
ваемой мощности сообразно применяемому способу нагрузки.
Поскольку большинство методов измерения скольжения требует
известного времени на выполнение отсчета, режим работы дви-
гателя в течение этого времени должен оставаться неизмен-
ным.
Результаты измерений подвергаются следующей обработке.
За действительное приложенное линейное-напряжение U при-
нимается среднее арифметическое из трех измеренных значений.
За действительный потребляемый линейный ток I — среднее
арифметическое из трех измеренных значений.
За подводимую мощность Р\ принимается алгебраическая
сумма Р показаний ваттметров, уменьшенная на сумму потерь
во всех приборах, если в этом есть необходимость.
Коэффициент мощности определяется по формуле
cosq> = P/(t//j/~3)
369
и в случае измерения мощности способом двух ваттметров про-
веряется по соотношению их показаний.
Коэффициент полезного действия для двигателей с его нор-
мированным значением до 85 % определяется по формуле
п = 100Р2/Рх,
где Р2— отдаваемая мощность, определяемая сообразно приме-
няемому способу нагрузки; если же нормированное значение-
КПД превышает 85%, то он определяется методом отдельных
потерь.
Потери в обмотке статора в зависимости от сопряжения
ее фаз определяются, как и в опытах холостого хода и корот-
кого замыкания, по формулам:
Рм1==3/27?0 или Рм1 = /2/?о,
но в отличие от этих опытов сопротивление фазы обмотки R&
должно быть приведено не к температуре обмотки во время
опыта, а к расчетной рабочей температуре в соответствии
с классом ее изоляции.
Потери в стали предполагаются не зависящими от на-
грузки и определяются по данным опыта холостого хода в соот-
ветствии с приложенным напряжением.
Электромагнитная мощность РЭм, передаваемая вращаю-
щимся полем со статора на ротор, определяется как разность
между подводимой мощностью и потерями в статоре:
РэМ~Р1 Рм1~ Рст*
Потери в обмотке ротора Рм2 определяются как произведе-
ние скольжения, выраженного в относительных единицах, на
электромагнитную мощность:
Р мъ — РэмЗ/100;
однако измеренное значение скольжения должно быть приве-
дено к такому тепловому состоянию двигателя, при котором
температура обмотки статора равна расчетной рабочей темпе-
ратуре, для чего его следует умножить на отношение сопротив-
ления, приведенного к этой температуре, к измеренному по
окончании опыта: R&/R&.
Механические потери РМех предполагаются не зависящими от
скольжения и определяются по данным опыта холостого хода.
Добавочные потери РД при номинальной нагрузке принима-
ются равными 0,5 % подводимой мощности, а при других на-
грузках пересчитываются пропорционально квадрату тока; они
покрываются механическим путем за счет электромагнитной
мощности.
Отдаваемая мощность Р2 определяется как разность между
подводимой мощностью и суммой всех перечисленных потерь:
Pi~ Pl S Р ~ Pl РMl РРм2 Рмех РД •
370
Коэффициент полезного действия т] вычисляется как умно-
женная на 100 разность между единицей и отношением суммы
потерь к подводимой мощности:
П = 100(1-£Р/Р1).
Потребляемый ток, подводимая мощность, скольжение, КПД
и коэффициент мощности откладываются на графике в зависи-
мости от отдаваемой мощности (рис. 10.4); допускается откла-
дывать эти величины в зависимости от подводимой мощности,
которая на графике заменяется тогда отдаваемой мощностью.
Из всех измеряемых величин наименее точной является
скольжение главным образом потому, что его измерение требует
обычно некоторого промежутка времени; поэтому рекомендуется
проверять правильность из'мерения скольжения построением за-
висимости его измеренных значений от потребляемого тока, ко-
торая в довольно широких пределах имеет вид прямой
(рис. 10.5). Отклоняющиеся от нее значения могут быть исправ-
лены на основании этого построения.
Если определение всей рабочей характеристики или ее части
при номинальном напряжении невозможно, то допускается про-
ведение его при пониженном напряжении. Полученные резуль-
таты приводятся к номинальному напряжению путем пересчета
следующим образом: подводимая мощность — пропорционально-
квадрату отношения номинального напряжения UH к понижен-
ному U't
потребляемый ток — пропорционально первой степени этого от-
37t
ношения с введением поправки на различие намагничивающего
тока при этих двух значениях напряжения по формуле
(рис. 10.6)
Д/о = /„ sin Фо”7о (777 )2 sin Фо>
где /о' и <ро' — ток холостого хода и его сдвиг по фазе при по-,
ниженном напряжении U'; тогда ток при номинальном напря-
жении будет
/ = у/1* +(Д/о)2-2Г Д/оsinФ',
где Г и ф' — ток нагрузки и его
нии U'.
сдвиг по фазе при напряже-
Рис. 10.5. Зависимость
скольжения от потребляе-
мого тока
Рис. 10.6. Поправка
к определению рабо-
чей характеристики
при пониженном на-
пряжении
В отдельных случаях напряжение U' может быть не ниже
номинального, а выше его, но не более чем на 15%; таким об-
разом, отсчеты при определении рабочей характеристики могут
производиться при различных значениях напряжения, что по-
зволяет выполнять опыт при питании от источника с нерегули-
руемым напряжением. Что касается нижнего предела напряже-
ния, то он может быть, по крайней мере, вдвое ниже номиналь-
ного.
Для двигателя однофазного тока токи в рабочей и вспомо-
гательной обмотках подлежат отдельному измерению. В зависи-
мости от состава цепи вспомогательной обмотки здесь могли бы
возникать затруднения с вычислением электромагнитной мощно-
сти, однако такие двигатели обычно малы и их КПД лежит
ниже уровня, с которого обязательно его определение методом
отдельных потерь.
372
Пример. Двигатель трехфазного тока имеет номинальную мощность Ра =
= 17 кВт, номинальное напряжение £/н=380 В и номинальный ток /н = 33,3 А;
сопротивление одной фазы обмотки статора, приведенное к 75 °C, =
=0,372 Ом; потери в стали по опыту холостого хода РСт—258 Вт, а меха-
нические потери Рмех = 151 Вт; гарантированные значения КПД —89% и
cos ф=0,87.
Один из отсчетов при определении рабочей характеристики дал потреб-
ляемый ток /=24,8 А, подводимую мощность /\=14 303 Вт и скольжение
s=4,08 %. Сопротивление фазы обмотки статора, измеренное по окончании
опыта, оказалось близко к указанному, и пересчитывать скольжение нет на-
добности.
Потери в обмотке статора
РМ1 = 3/2/?е = 3-24,8а-0,372 = 686 Вт.
Электромагнитная мощность
рэм = Pi — РМ1 — Р-т = 14 303 — 686 — 258 -= 13 359 Вт.
Потери в обмотке ротора
п Рэм5 13 359*4,08 о
Pms — =“" — 545 Вт.
2 100 100
Добавочные потери при номинальной нагрузке могут быть определены
как 0,5 % номинальной мощности, разделенной на указанное значение КПД
в относительных единицах:
Рн 17 000
Рд. н = 0,005—-==0,005-у^-« 95,5 Вт.
Добавочные потери при данной мощности
/ / V / 24,8 \2
Рд = Рд.н Н-) =95,5 ——) «53 Вт.
\ i н / \ оо, 0 j
Сумма потерь
S Р — РМ1 4“ Рст Н- ^ма + Рмех “|“ Рд =
- 686 + 258 + 545 + 151 + 53 = 1693 Вт.
Отдаваемая мощность
Р2 - Pt — SP = 14 303 — 1693 - 12 610 Вт.
КПД
/ SP \ / 1693 \
п = 100 ( 1 —----) = 100 f 1 —------ = 88,18 %.
1 \ Pi / Д 14 303 /
Коэффициент мощности
Рг 14 303
cos Ф ------—т=~ =--------------= 0,875.
УН/УЗ 380-24,8-1,732
10.6. ПОСТРОЕНИЕ КРУГОВЫХ ДИАГРАММ
При построении круговой диаграммы асинхронная машина
рассматривается как трансформатор, параметры которого по-
стоянны, кроме активного сопротивленйя вторичной цепи (в дан-
ном случае ротора), изменением которого определяется режим
работы при неизменном напряжении, приложенном к первичной
цепи; при таком допущении геометрическим местом концов век-
торов тока, потребляемого двигателем, является окружность.
373
Однако в действительности ни один из параметров асинхрон-
ного двигателя не является постоянным; вследствие насыщения
путей потоков рассеяния обмоток статора и ротора изменяются
их индуктивные сопротивления и зависимость тока короткого
замыкания от напряжения отклоняется от прямолинейной. Ак-
тивное сопротивление обмотки ротора при увеличении скольже-
ния возрастает вследствие вытеснения тока, активные сопротив-
ления обмоток статора и ротора зависят от их температуры,
причем вне прямой связи с режимом работы машины. Поэтому
действительная диаграмма работы асинхронного двигателя на
протяжении от холостого хода до короткого замыкания отлича-
ется от окружности тем в большей степени, чем больше измене-
ние его параметров в этом промежутке. Особенно значительно
это отличие в таких двигателях, в которых с целью улучшения
пусковых характеристик — увеличения начального пускового
вращающего момента и уменьшения начального пускового
тока — используется явление вытеснения тока в проводниках
обмотки ротора, как двигатели с двойной клеткой и с глубоким
пазом.
Каждая точка действительной диаграммы принадлежит, по
существу, окружности, построенной для значений параметров,
соответствующих этой точке: индуктивные сопротивления обмо-
ток статора и ротора определяются насыщением путей рассея-
ния, зависящим от токов в этих обмотках, а активное сопротив-
ление обмотки ротора — вытеснением тока, зависящим от его
частоты в этой обмотке:
Л —s/=H/100,
где /н — номинальная частота. ч
При промышленных испытаниях достаточно, если диаграмма
дает возможность проверки значений КПД, коэффициента мощ-
ности и скольжения при номинальном режиме работы, а также
максимального (опрокидывающего) вращающего момента при
номинальном напряжении.
Испытание должно обеспечить необходимыми исходными
данными построение двух кругов тока для указанных режимов
работы. Эта задача разрешима при предположении, что насы-
щение путей рассеяния не зависит ни от основного (рабочего)
потока машины, ни от частоты и что вытеснение тока незави-
симо от насыщения.
Такое предположение дает удовлетворительные результаты
в большинстве случаев; но когда рассеяние обмотки ротора свя-
зано с вытеснением тока, построение диаграммы встречает за-
труднения, например при бандажах из магнитных сталей на ко-
роткозамыкающих кольцах ротора в крупных двухполюсных
двигателях.
Различают три случая построения круговой диаграммы: для
двигателей с простой клеткой, под которой при промышленной
частоте 50 Гц понимается клетка из одинаковых медных стерж-
374
ней высотой не более 10 мм или алюминиевых стержней высо-
той не более 16 мм; для двигателей с фазным ротором и для
двигателей с улучшенными пусковыми характеристиками, к ко-
торым относятся двигатели с короткозамкнутым ротором с двой-
ной клеткой, с глубоким пазом и с пазами бутылочного или тра-
пециевидного профиля, если они не имеют магнитных бандажей
на короткозамыкающих кольцах. Для первых двух случаев до-
статочные исходные данные для построения диаграммы даются
опытом холостого хода и опытом короткого замыкания при но-
минальной частоте, доведенным до 2,5—4-кратного номиналь-
ного тока.
Чтобы построить окружность, к которой принадлежит точка
номинального режима работы, нужно найти такой условный ток
короткого замыкания, который был бы при номинальном напря-
жении, если бы все параметры сохраняли значения, соответ-
ствующие номинальному режиму работы. При сделанных выше
допущениях параметры при коротком замыкании с номиналь-
ным значением тока должны быть такими же, как и при но-
минальном режиме работы. Поэтому искомый условный ток
короткого замыкания /к может быть определен пропорциональ-
ным пересчетом с напряжения L7K, соответствующего номиналь-
ному значению тока короткого замыкания /н, на номинальное
напряжение Un (см. рис. 10.3):
Если нижняя часть зависимости тока короткого замыкания
от напряжения прямолинейна, то окружность, построенная для
номинального режима работы, пригодна и для нагрузок как
ниже номинальной, так и выше ее; таким образом, по данным
диаграммы может быть построена механическая характери-
стика. Однако эта окружность непригодна для определения
максимального вращающего момента, при котором значение
потребляемого тока в 2,5—4 раза больше номинального.
Рассуждая по предыдущему, окружность тока для этой цели
следует построить по условному току короткого замыкания, ко-
торый мог бы быть при номинальном напряжении, если бы па-
раметры машины сохранили значения, соответствующие ука-
занному значению потребляемого тока.
Такой условный ток короткого замыкания /К1 получается
пропорциональным пересчетом с напряжения соответст-
вующего 2,5—4-кратному значению тока короткого замыкания
на номинальное напряжение t7H, как это показано на том
же рисунке:
1 __ j"
K1 ” к и* *
В обоих случаях измеренные потери короткого замыкания
должны быть пересчитаны пропорционально квадратам токов.
375
Для третьего случая построения диаграммы — для двигате-
лей, в которых используется явление вытеснения тока в об-
мотке ротора, при определении зависимости тока короткого
замыкания от напряжения параметры машины отличаются от
соответствующих как номинальному режиму работы, так и
точке максимального вращающего момента.
Зависимость вытеснения тока от частоты сложна; однако
можно утверждать, что при частоте питания 5 Гц увеличение
активного сопротивления обмотки ротора еще незначительно;
поэтому по идее Б. И. Кузнецова окружность тока для номи-
нального режима работы может быть построена по условному
току, полученному на основании зависимости тока короткого
замыкания от напряжения при такой частоте.
Этот ток должен быть пересчитан с напряжения при опыте
на номинальное напряжение, а потери короткого замыкания —
пропорционально квадрату тока; масштаб мощности при пони-
женной частоте равен ее масштабу при номинальной частоте,
умноженному на отношение пониженной частоты к номи-
нальной.
В предположении, что ^вытеснение тока и насыщение путей
рассеяния обмоток независимы, построение окружности тока
для определения максимального вращающего момента может
быть сделано в два этапа, один из которых учитывает только
насыщение при неизменном вытеснении, а другой — только вы-
теснение при неизменном насыщении.
На первом этапе, учитывающем насыщение, производится
построение двух окружностей, для одной из которых использу-
ется условный ток короткого замыкания, полученный из зави-
симости тока короткого замыкания от напряжения при номи-
нальной частоте пересчетом с напряжения, соответствующего
номинальному значению тока, на номинальное напряжение.
Для второй окружности используется условный ток короткого
замыкания, полученный пересчетом со значения, равного 2,5—
4-кратному номинальному. Эти две окружности построены при
индуктивных сопротивлениях, соответствующих номинальному
режиму работы и режиму максимального вращающего мо-
мента, но при активном сопротивлении ротора, соответствую-
щем номинальной, а не пониженной частоте, в пределах кото-
рой заключены оба указанных режима работы.
Вторым этапом является учет разницы в частотах. При пред-
положении о независимости влияний насыщения и вытеснения
тока на работу двигателя диаметр окружности для номиналь-
ного режима работы должен находиться в таком же соотноше-
нии с диаметром окружности для максимального момента, как
и диаметры окружностей, построенных на первом этапе.
Две точки — холостого хода и короткого замыкания — еще
не определяют положение окружности тока; нужно либо доба-
вить еще одну точку, либо определить положение центра круга.
При построении диаграмм применяется способ определения по-
376
ложения центра окружности тока, предложенный М. П. Ко-
стенко.
Согласно этому способу диаметр окружности тока состав-
ляет с осью мнимых чисел некоторый угол а, зависящий при
неизменном приложенном напряжении только от тока холо-
стого хода /о и от активного сопротивления обмотки статора
Pi. Точка холостого хода является общей для всех окружно-
стей, входящих в состав диаграммы, и их центры лежат на од-
ной и той же прямой.
Для крупных асинхронных двигателей ввиду малости тока
холостого хода /о и активного сопротивления обмотки статора
Pi угол а незначителен; таким образом, именно для тех двига-
телей, для которых допускается проверка значений посредством
круговой диаграммы, влияние угла а на точность построения
невелико.
Построение круговой диаграммы для двигателей с банда-
жами из магнитных сталей на короткозамыкающих кольцах
ротора или с массивным ротором, отличающееся большой
сложностью, здесь не рассматривается — такие двигатели отно-
сятся к редко встречающимся специальным исполнениям.
Исходными данными для построения наименее сложной кру-
говой диаграммы двигателя с короткозамкнутым ротором с про-
стой клеткой являются:
фазный ток холостого хода /о при номинальном значении
линейного напряжения UB и номинальной частоте fB;
разность между потерями холостого хода Ро при номиналь-
ном напряжении UB и механическими потерями РМех, а именно
Ро Рмет,
линейное напряжение короткого замыкания UK, соответ-
ствующее номинальному значению тока короткого замыка-
ния 1В;
потери короткого замыкания Рк.н, соответствующие току /и;
фазный ток короткого замыкания 1К", равный 2,5—4-крат-
ному значению номинального тока /н;
линейное напряжение UK", соответствующее току 1В";
потери короткого замыкания Рв", соответствующие току 1В";
сопротивление фазы обмотки статора Pi, приведенное к рас-
четной рабочей температуре;
сопротивление фазы обмотки статора Р/, измеренное непо-
средственно после определения напряжения UK и потерь Рк.н;
сопротивление фазы обмотки статора Р/', измеренное непо-
средственно после определения напряжения UK" и потерь Рв".
По этим данным следует вычислить:
условный фазный ток короткого замыкания 1К при номи-
нальном напряжении UB:
13 Заказ № 512 377
условные потери короткого замыкания Рк при токе /к:
2 /?1 .
л; ’
РК--- Рк. н
условный фазный ток короткого замыкания ZKi при номи-
нальном напряжении Ua:
условные потери короткого замыкания PKi при токе 1ЯГ.
Р = Р' ( 1x1 У
K1 к I О <
После этого надлежит выбрать масштаб тока так, чтобы
диаграмма поместилась на листе желаемого формата; напри-
мер, если принимается нормальный формат А4,т. е.210x297мм,
то масштаб следует выбирать так, чтобы длина вектора тока
/н была в пределах (50± 15) мм, причем при малых числах пар
полюсов — ближе к нижнему из этих пределов, а при боль-
ших^— к верхнему: 1 мм = А ампер.
После этого масштаб мощности будет равен
1 мм = -3—-Ф_ А киловатт,
1000
Построение начинается с нанесения точки О — конца век-
тора тока холостого хода 7о — по значению этого тока и поте-
рям Ро—-Рмех, откладываемым от горизонтальной оси (оси мни-
мых чисел), проведенной через полюс диаграммы Oi, в мас-
штабах тока и мощности. Через точку О проводится прямая
OG, параллельная горизонтальной оси, и под углом а к ней —
прямая OD, линия центров окружностей тока (рис. 10.7), при-
чем
sina = 2/o7?1/t/H. ф.
Затем следует нанести точку К условного короткого замы-
кания без учета насыщения по условным току короткого замы-
кания /к и потерям Рк и через точки О и К провести окруж-
ность с центром С на прямой OD; она является окружностью
рабочих токов двигателя, а прямая ОК, проходящая через
точки О и А,— линией отдаваемой мощности Рг=0.
Подобным же образом следует нанести точку условного
короткого замыкания Ki по условным току короткого замыка-
ния /к! и потерям Pki и провести через точки О и Ki окруж-
ность с центром Ci на прямой OD, являющуюся окружностью
токов перегрузки двигателя, близкой к его опрокидыванию (см.
рис. 10.9).
378
Прямая ОВ (рис. Г0.8), проведенная под углом у к прямой
OD, причем
tg Т — DaR^/U ф)
где £>а — диаметр окружности О RD рабочих токов двигателя
в амперах, является линией вращающего момента Л4=0, а точ-
Рис. 10.7. Построение окружности рабочего тока
двигателя с короткозамкнутым ротором с про-
стой клеткой
ка В ее пересечения с окружностью ORD — теоретической точ-
кой бесконечно большого скольжения s~oo. Затем от линии
Л4 = 0 нужно отложить в масштабе мощности перпендикулярна
£
N
Рис. 10.8. Построение шкалы скольжения
прямой OG номинальный момент 7ИН, выраженный в киловат-
тах и вычисленный по формуле
Л4нИ^+^мех + Рд)--
где Р2— номинальная отдаваемая мощность двигателя; Рд—
добавочные потери, принимаемые равными 0,5 % подводимой
мощности при номинальной нагрузке; пп —частота вращения
при номинальной нагрузке и пс — частота вращения магнитного?
поля. На этой стадии построения диаграммы еще не известны
ни подводимая мощность, ни частота вращения при номиналь-
13*
379
ной нагрузке, и их нужно принять по номинальным данным Дви-
гателя. Засечка отрезка длиной Мя на окружность рабочих' то-
ков' OK.D даст точку L — конец вектора номинального тока А,
а длина перпендикуляра LN, опущенного из этой точки на го-
ризонтальную ось, в масштабе мощности изобразит подводи-
мую мощность Р1.
Следующей операцией- является построение шкалы скольже-
ния, для чего от точки В следует отложить на линии М=0 от-
резок BJ, длина которого I в миллиметрах определяется ра-
венством
/ = Л£- 1000,
OF
через точку J провести перпендикуляр к прямой ВС, соединяю-
щей центр С окружности рабочих токов OK.D с теоретической
точкой бесконечно большого скольжения В, и отложить на нем
от точки J миллиметровую шкалу. Прямая, соединяющая точку
В с концом вектора тока А— точкой L, отсекает на этой шкале
скольжение s в масштабе 10 мм = 1 %•
Вектор номинального тока 1п образует с вертикальной осью
(осью вещественных чисел) угол <р, равный сдвигу фазы тока
по отношению к напряжению; определение коэффициента мощ-
ности costp может быть произведено графически двумя спосо-
бами: либо как проекции на вертикальную ось отрезка* Oi|P,
образованного пересечением продолжения вектора тока с дугой,
описанной из полюса О\ радиусом 100 мм, либо как длины от-
резка, отсекаемого на этом же направлении дугой полуокруж-
ности диаметром 100 мм, построенной на вертикальной оси (на
рисунке не показанной). В обоих случаях масштаб для coscp
равен 100 мм = 1,0.
Последней операцией является определение максимального
вращающего момента ЛАах, для которого следует из центра Ci
(рис. 10.9) окружности OKtDi восстановить перпендикуляр к ли-
нии вращающего момента М=0 до пересечения с этой окруж-
ностью в точке S,. радиусом OS из точки О сд£л&п> засечку на
окружности OK.D в точке ЛГ, опустить из этой точки перпенди-
куляр на горизонтальную ось и через точку Q его пересечения
с линией вращающего момента Л1=0 провести прямую, парал-
лельную линии OD. Длина ST перпендикуляра к горизонталь-
ной оси, опущенного из точки S на эту прямую, является
в масштабе мощности искомым максимальным моментом ЛАах,
а прямая ОТ — линией момента Ali = 0 для окружности OK\D\
токов перегрузки двигателя, близкой к его опрокидыванию.
Для построения диаграммы двигателя с фазным роторвм,
помимо перечисленных выше исходных данных, дополнительно
требуются:
коэффициеит трансформации /Ст‘,
сопротивление фазы обмотки ротора Ri, приведенное к рас-
380
четной рабочей температуре и к числу витков обмотки статора
по формуле
R2=Rzl&
По этим данным следует выполнить все описанные операции,
кроме построения шкалы скольжения, которое производится при
длине отрезка / в миллиметрах, получаемой из равенства
/=4Х юоо,
OF
Рис, 10.9. Построение окружности для опре-
деления максимального момента
условного короткого замыкания К на горизонтальную ось
(рис. 10.10):
FA'=FH-^~
Я1
Рис. 10.10. Построение окружности рабочего
тока двигателя с фазным ротором
Точка А пересечения окружности рабочих токов OKD с про-
должением прямой ОА' является точкой теоретического корот-
381
кого замыкания, а прямая ОА — линией отдаваемой мощности
Р2 = 0.
Дополнительными исходными данными для построения кру-
говой диаграммы двигателя с короткозамкнутым ротором с глу-
боким пазом или с двойной клеткой являются:
линейное напряжение короткого замыкания UK' при пони-
женной частоте /' и номинальном значении тока короткого за-
мыкания 7Н;
потери короткого замыкания Р'к. н при пониженной частоте
f', соответствующие току /н-
На основании всех данных следует вычислить:
условный фазный ток короткого замыкания // при напря-
жении, во столько раз меньшем номинального UB, во сколько
пониженная частота f' меньше номинальной fH:
Г = /
К ” fn
условные потери короткого замыкания Рк' при токе 1В:
РК = РК ;
* К. * К» « 1 j I ,
X 'Н /
условный фазный ток короткого замыкания /к3 при номи-
нальном напряжении UB.
I —I •
'КЗ— 'Я .. .
условные потери короткого замыкания Рк3, соответствующие
току /кз:
р ___р / \1 2 Р1 .
\ ун /
условный фазный ток короткого замыкания при номи-
нальном напряжении UH:
j U н .
'к4— 2 к ’
условные потери короткого замыкания РК4, соответствующие
току /к4;
р — р" (i** V
84 Ч <) ’
На основании этих данных следует нанести точку условного
короткого замыкания К' при пониженной частоте f' по току //
и потерям Рк' в масштабе мощности, умноженном на отношение
пониженной частоты f к номинальной fB:
1 мм = 3^-нфА — киловатт.
юоо fn
382
После этого надлежит провести луч ОК' и повернуть его по
часовой стрелке на угол а'—а в положение ОКъ (рис. 10.11),
где
tg а' = tg а ж -h- -g^1 .
Г * Г ии.ф
Через точки О и К2 следует провести окружность OK.2D2
с центром Сг на прямой OD и восстановить к последней два
перпендикуляра: один — из центра С2 окружности OK2D2 до
пересечения с продолжением прямой ОК2 в точке К2 и вто-
Рис. 10.11. Построение окружности рабочего тока двига-
теля с короткозамкнутым ротором с глубоким пазом или
с двойной клеткой
рой — из точки D2. Если на этом последнем отложить отрезок
Ж = 2^4-’
/и
то прямая ОА' будет являться линией отдаваемой мощности
Р2=0, а точка А пересечения ее с окружностью OK2D2— теоре-
тической точкой короткого замыкания при значениях парамет-
ров, соответствующих номинальному режиму работы. Далее под
углом у к прямой OD следует провести линию ОВ, являющуюся
линией вращающего момента М==0, и продолжить ее до пере-
сечения с перпендикуляром D2A' в точке В'; тогда точка В пе-
ресечения этой прямой с окружностью рабочих токов OK.2D2
будет являться теоретической точкой бесконечно большого
скольжения s=oo.
Построение шкалы скольжения производится при длине от-
резка I в миллиметрах, полученной из формулы
/=4Х1ооо.
ОВ'
Для определения максимального вращающего момента Afmax
следует построить вспомогательные окружности OK.2D2 и
383
OKiDi с центрами С3 и С4 на прямой OD по токам 7к3 и 1к1 и
потерям Ркз и РК4, пользуясь масштабами тока и мощности,
указанными для диаграммы двигателя с простой клеткой, после
чего построить окружность OSDs с центром С5 на прямой OD,
являющуюся окружностью токов перегрузки двигателя, близ-
кой к его опрокидыванию; диаметр этой окружности находится
в таком же отношении с диаметром окружности рабочих токов
OKzDi, как диаметр окружности ОЛЛ с диаметром окружно-
сти OK^Ds'.
ОЬъ1бЬ^ОО,1бОг.
Построение заканчивается определением максимального
вращающего момента Afmax подобно тому, как на рис. 10.9, но
с заменой окружности OKaD^ окружностью OSDs и окружности
OKD — окружностью OKsD2.
10.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА
ОТ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Для двигателей с короткозамкнутым ротором, помимо на-
чального пускового вращающего момента, определяемого-
в опыте короткого замыкания, существенны максимальный (оп-
рокидывающий) и минимальный вращающий моменты в про-
цессе пуска; они могут быть определены из зависимости вра-
щающего момента от частоты вращения, получаемой при
всех видах нагрузочных устройств, но преимущественно при на-
грузке на генератор постоянного тока.
Нагрузочный генератор при этом работает с сильно изме-
няющейся частотой вращения; поэтому его номинальная мощ-
ность должна быть значительно большей, чем испытуемого дви-
гателя. Опыт может производиться как с поглощением энергии
нагрузочного генератора, так и с ее возвратом; в последнем слу-
чае необходимо, чтобы номинальное напряжение генератора
было как можно больше напряжения приемника, на который он
работает.
Тормозящий момент, развиваемый генератором постоянного
тока, пропорционален произведению тока в якоре ! на поток Фг.
МГ = ЫФ.
Поток в первом приближении Можно считать зависящим:
только от тока возбуждения; при работе генератора с неизмен-
ным возбуждением на неизменное нагрузочное сопротивление-
ток 1 пропорционален ЭДС в якоре, а последняя, в свою оче-
редь, пропорциональна потоку Ф и частоте вращения п, и по-
тому
Мг = й'лФ8.
Таким образом, для каждого значения потока зависимость
момента от частоты. вращения выражается прямой, исходящей:
384
генератора, и дальнедшая
как момент двигателя пре.
Рис. 10.12. Линии момента на
грузочного генератора цри ра.
боте на сопротивление
из начала координат, с угловым коэффициентом, пропорцио-
нальным квадрату потока (рис. 10.12). Если на этом графике
отложить кривую зависимости вращающего момента исгщтуе-
мого двигателя Мя от частоты вращения, то его совместная ра.
бота с нагрузочным генератором будет определяться
пересечения кривой с этими прямыми. При переходе двнгателя
от неподвижного состояния (n=0, s=100%) к вращению с воз.
растающей частотой совместная работа сначала Ус^ойчива
(точки /, 2). Но в точке 3 касательная к кривой моментд ДВИ.
гателя совпадает с прямой момента
устойчивая работа невозможна, так
вышает момент генератора; по-
этому двигатель перейдет на устой-
чивую работу в точке 5 второго
пересечения кривой с этой же пря-
мой, и все дальнейшие точки (6,
7, ...) снова устойчивы. Если же
нагрузка начинается от холостого
хода ($«0, л«100%), то, дойдя
до последней устойчивой точки 4,
где касательная совпадает с одной
из прямых, двигатель перейдет на
работу в точке 2, в которой кривая
пересекается с этой же прямой. Та-
ким образом, промежуток между точками 3 и 4 при данном
способе нагрузки не может быть исследован.
В случае возвратной работы нагрузочного генератоРа ток
якоря равен разности между его ЭДС Е и напряжением и при.
емника, на который работает генератор, разделенной на сумму
сопротивлений последовательной цепи генератора: “ у
j E — U
2Я
При неизменном возбуждении каждая из этих величин соот.
ветствует некоторой определенной частоте вращения генера-
тора:
Е=кпЕФ; U=1тиФ
и можно написать
MF — k' (nE—nv) Ф2,
т. е. момент генератора изобразится наклонной прямой, пере-
секающей ось абсцисс в точке пЕ=пи с угловым коэффициен-
том, пропорциональным квадрату потока.
При нагрузке генератора с поглощением энергии регулиро-
вание его момента может производиться либо изменение^ Bq3_
буждения при неизменном сопротивлении нагрузки, либо изме-
нением последнего при неизменном возбуждении, и оба этц сп0-
соба или их сочетание приводят к тому, что все линии Момента
385
исходят из начала координат, но при возвратной работе на
приемник с произвольно изменяемым напряжением возбужде-
ние генератора при всех режимах работы может оставаться не-
изменным и все линии момента будут примерно параллельны
(рис. 10.13).
При работе на приемник с нерегулируемым напряжением,
как, например, на общую сеть постоянного тока, переход с од-
ной линии момента на другую может производиться только из-
менением возбуждения генератора; при более высоком возбуж-
дении, т. е. при пониженных частотах вращения, линии момента
становятся более отвесными, как на рис. 10.14.
Рис. 10.13. Линии момента на-
грузочного генератора при ра-
боте с неизменным возбужде-
нием на приемник с изменяю-
щимся напряжением
Рис. 10.14. Линии момента на-
грузочного генератора при
работе с изменяющимся воз-
буждением на приемник с не-
изменным напряжением
В обоих случаях все точки пересечения линий момента на-
грузочного генератора с кривой момента испытуемого двигателя
устойчивы. В первом из них возможно получение точек не
только при малых частотах вращения, но и при обратном вра-
щении, т. е. в режиме тормоза; во втором нижний предел ча-
стоты вращения определяется пределом возбуждения генера-
тора: когда последнее поднято до наибольшего допустимого, то
дальнейшее понижение частоты вращения становится невоз-
можным.
Таким образом, возвратная работа на приемник с регулируе-
мым напряжением дает больше возможностей для проведения
опыта и в целом более удобна, однако для нее требуется иметь
отдельный агрегат с генератором постоянного тока достаточной
мощности для принятия нагрузки при сильно пониженном на-
пряжении.
Если требуется измерение абсолютного значения вращаю-
щего момента двигателя, то для нагрузки удобно применить
динамометрический генератор постоянного тока с измерением
тормозного усилия; однако может быть применен и обычный ге-
нератор, что особенно удобно, когда его возбуждение остается
неизменным. Вычисление вращающего момента испытуемого
386
двигателя может производиться при этом по упрощенной фор-
муле: .
М =9,55 (7я + /о),
п
где и — частота вращения двигателя; Ео — ЭДС холостого хода
нагрузочного генератора при данном токе возбуждения и дан-
ной частоте вращения; /я — ток его якоря и /о — ток, потребляе-
мый цепью якоря при холостом ходе в режиме двигателя с дан-
ным током возбуждения и данной частотой вращения.
На испытуемом двигателе достаточно измерения приложен-
ного напряжения и потребляемого тока; измерение подводимой
мощности необязательно, так как при больших скольжениях
отдаваемая мощность не может быть вычислена из нее спосо-
бом, применяемым при определении механической характери-
стики.
Описанным путем могут быть определены не только значе-
ния максимального (опрокидывающего) и минимального вра-
щающего момента в процессе пуска, но и форма кривой зависи-
мости вращающего момента от частоты вращения, в частности
наличие в ней паразитных моментов от высших гармонических
вращающегося поля. В качестве примера на рис. 10.15 пред-
ставлена опытная кривая момента асинхронного двигателя, на
которой видно присутствие паразитного момента от седьмой
гармонической; ее частота вращения равна 1/7 частоты враще-
ния основного поля.
Если мощность испытуемого двигателя настолько велика,
что его торможение при номинальном напряжении не может
быть осуществлено средствами испытательной станции, то при
мощности свыше 100 кВт допускается производить опыт при
пониженном напряжении. В этом случае все измеренные значе-
ния моментов должны быть пересчитаны по квадрату отноше-
ния номинального напряжения к приложенному; однако пол-
ное подобие кривой момента не сохраняется, потому что пара-
метры двигателя зависят от тока, а следовательно, косвенным
образом и от напряжения. Более точные результаты могут быть
получены определением ряда зависимостей вращающего мо-
мента от частоты вращения при различных значениях прило-
женного напряжения, по которым может быть выяснен харак-
тер влияния напряжения на работу двигателя или показатель
степени для пересчета, однако такой способ громоздок и может
дать удовлетворительный результат только тогда, когда наи-
высшее из значений напряжения ненамного ниже номинального.
Вращение испытуемого двигателя с сильно пониженной ча-
стотой ведет к быстрому перегреванию обмоток статора и ро-
тора, и опыт необходимо прерывать для их охлаждения, лучше
всего после каждого отсчета. Если нагрузочный генератор ра-
ботает с поглощением энергии, то охлаждение производится
387
отключением нагрузки и двигатель разгоняется до частоты вра-
щения, близкой к синхронной. Перед очередным отсчетом но*
вая нагрузка предварительно устанавливается изменением либо
нагрузочного сопротивления, либо возбуждения генератора; на-
грузка включается, двигатель быстро затормаживается, и про-
изводится отсчет.
Если же нагрузочный генератор работает на приемник с ре-
гулируемым или нерегулируемым напряжением, то разрывать
цепь нельзя, так как подключение с последующим доведением
нагрузки до требуемого значения недопустимо задерживает опыт.
В этом случае снятие нагрузки производится отключением пи-
Рис. 10.15. Пример кривой
момента асинхронного дви-
гателя
Рис. 10.16. К определе-
нию минимального мо-
мента
тания испытуемого двигателя; перед новым отсчетом устанав-
ливается новая нагрузка изменением возбуждения генератора
или напряжения приемника. Охлаждение двигателя при этом не
столь интенсивно; его частота вращения еще более понижается,
так как нагрузочный генератор переходит в режим двига-
теля.
Минимальный вращающий момент в процессе пуска может
быть отдельно определен при сопряжении испытуемого двига-
теля с другим асинхронным двигателем в 1,5—2 раза большей
мощности с произвольным числом пар полюсов; направления
вращения магнитных полей обеих машин должны быть проти-
воположны, так что второй двигатель работает в режиме тор-
моза, при котором тормозной момент практически не зависит
от частоты вращения. Для его регулирования может быть при-
менен любой источник достаточной мощности с устойчивой ча-
стотой и быстро регулируемым напряжением.
Предварительно для нагрузочной машины должна быть оп-
ределена зависимость развиваемого ею тормозного момента от
приложенного напряжения в интервале примерно 5—15 % но-'
минальной частоты вращения испытуемого двигателя.
388
Испытуемый двигатель и нагрузочная машина включаются
одновременно; напряжение, приложенное к последней, должно
быть подобрано так, чтобы ее тормозной момент был несколько
меньше начального пускового момента испытуемого двигателя,
определенного из опыта короткого замыкания.
На рис. 10.16 тормозной момент нагрузочной машины при
неизменном напряжении условно изображен прямой, параллель-
ной оси абсцисс и лежащей тем ниже, чем меньше это напря-
жение. Разворачивание испытуемого двигателя будет происхо-
дить до тех пор, пока зависимость его вращающего момента от
частоты вращения не пересечется с такой прямой в точке 1.
Если несколько понизить напряжение, приложенное к нагру-
зочной машине, то ее работа перейдет на другую прямую, ле-
жащую ниже первой, а испытуемый двигатель развернется до
большей частоты вращения, соответствующей точке пересече-
ния 2. При дальнейшем понижении напряжения, приложенного
к нагрузочной машине, точка пересечения дойдет до положения
3, в котором прямая момента машины касательна к кривой мо-
мента испытуемого двигателя, и удержаться в этом режиме дви-
гатель не сможет; он развернется до точки 4, которая принад-
лежит' уже рабочему режиму двигателя, т. е. имеет частоту
вращения, близкую к номинальной. Тормозной момент, разви-
ваемый машиной в точке 3, равен искомому минимальному вра-
щающему моменту испытуемого двигателя в процессе пуска.
Опыт требует быстроты устанавливания требуемого напряже-
ния на нагрузочной машине, так как обе машины быстро пере-
греваются.
Опыт можно вести в обратном порядке — постепенным по-
вышением напряжения, приложенного к нагрузочной машине,
определять тормозной момент, при котором испытуемый двига-
тель перестает разворачиваться до полной частоты вращения;
это требует нескольких пусков, пока будет найдено нужное на-
пряжение. Обе машины после каждого пуска следует охлаж-
дать, сняв с нагрузочной машины напряжение и предоставив
двигателю возможность вращаться некоторое время без на-
грузки.
10.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ
В ПРОЦЕССЕ ПУСКА
Когда мощность испытуемого двигателя настолько велика,
что определение зависимости вращающего момента от частоты
вращения описанными способами не может быть выполнено
из-за недостаточной мощности оборудования испытательной
станции, то приходится прибегать к определению начального
пускового, максимального и минимального вращающих момен-
тов из опыта прямого пуска двигателя вхолостую.
Основным затруднением при этом опыте является кратковре-
менность периода пуска большинства двигателей (кроме круп-
38»
них быстроходных машин), отчего осложняется регистрация
процесса и искажаются ее результаты. Пусковой период мо-
жет быть увеличен двумя способами: либо повышением мо-
мента инерции двигателя посредством насадки тяжелого махо-
вика или сопряжения с другой машиной, либо понижением при-
ложенного напряжения.
Предел первому способу ставит то, что в роторе асинхрон-
ного двигателя при пуске выделяется количество энергии, не
меньшее количества кинетической энергии, приобретенной всей
вращающейся массой в результате пуска:
У<*>2 J / 2nf \2
2 2 Д р / ’
где / — момент инерции вращающейся массы; со — угловая ча-
стота вращения; f — частота питания и р — число пар полюсов
двигателя. Эта энергия выделяется не во всей массе ротора,
й главным образом в обмотке и слое зубцов, и вследствие от-
носительной малости их массы адиабатное повышение темпе-
ратуры может представлять опасность повреждения ротора,
а расчетное предопределение его сложно; поэтому, прежде чем
прибегать к такому способу, следует определить превышение
температуры ротора в результате пуска без дополнительной ма-
ховой массы.
Второй способ не приводит к повышению нагревания ро-
тора, но изменяет значения параметров машины, что отража-
ется на ее моменте. Развиваемый двигателем вращающий мо-
мент М почти полностью идет на увеличение кинетической энер-
гии его вращения при ускорении; а так как момент инерции /
остается неизменным, то можно написать
j du 2nJ dn = м _м М
dt 60 dt ”
где п — частота вращения; Л4Мех и Л1Д— составляющие вращаю-
щего . момента, идущие на покрытие механических и добавоч-
ных потерь. Эти составляющие момента нормально невелики,
но при сильно пониженном напряжении тоже отражаются на
нем; по обеим этим причинам напряжение при пуске не следует
понижать более чем до 0,5 номинального значения.
Выбор способа записи процесса пуска зависит от его про-
должительности; наиболее быстро протекающие процессы дол-
жны регистрироваться осциллографом, при длительности их не
менее 0,5—1 мин могут быть применены регистрирующие при-
боры (самописцы), а при еще большей продолжительности —
кинематографическая запись или даже запись по команде. При
пользовании светолучевым осциллографом или регистрирую-
щими приборами скорость движения лент всех приборов, если
юна поддается регулированию, должна выбираться так, чтобы
весь процесс занимал примерно 20—50 см; более короткие
390
СП
записи трудно разбирать,
более длинные неудобны
в обработке. При пользо-
вании регистрирующими
приборами важна коор-
динация отдельных запи-
сей отметками, одновре-
менно наносимыми на
все записи, например до
начала пуска и по его
окончании.
Состав записей зави-
сит от наличия измери-
тельной аппаратуры; обя-
зательным минимумом
является регистр ация
приложенного напряже-
ния, потребляемого тока
и частоты вращения, на-
пример, в виде напряже-
ния тахометрического ге-
нератора постоянного
тока. Пример такой запи-
си осциллографом дан на
рис. 10.17. На записи ча-
стоты вращения видна
задержка при 1/7 ее син-
хронного значения, соот-
ветствующая паразит-
ному моменту от седьмой
гармонической пол я.
Дополнительно может
быть записана подводи-
мая мощность: в случае
применения осциллогра-
фа — вибраторами сред-
ней мощности, а при
применении регистри-
рующих приборов, кине-
матографического спосо-
ба или записи по коман-
де — преимущественно
ваттметром трехфазного
тока. При наличии соот-
ветствующей а пп ар атур ы
записывается вращаю-
щий момент или угловое
ускорение, которому он
пропорционален.
Рис, 10,17, Осциллограмма прямого пуска асинхронного двигателя
391
Напряжение в процессе пуска не остается неизменным, так
как значительные пусковые токи вызывают глубокое падение
напряжения источника питания; по мере разворачивания двига-
теля оно сначала медленно возрастает вследствие небольшого
понижения пускового тока, а при подходе к концу процесса
быстро восстанавливается примерно его исходное значение. Та-
ким образом, процесс пуска искажен и потому все зарегистри-
рованные величины должны быть приведены к номинальному
(или иному заданному) напряжению пересчетом: ток — пропор-
ционально первой степени напряжения, а мощность, ускорение
вращения и вращающий момент — пропорционально его квад-
рату.
Кроме того, искажающее влияние на начальную часть про-
цесса оказывают переходные процессы при включении, а при
подшипниках скольжения — также высокое значение началь-
ного момента трения в них. Для устранения влияния этих фак-
торов применяется предварительное разворачивание двигателя
в противоположном направлении примерно до 20—30 % номи-
нальной частоты вращения своим ходом при измененном чере-
довании фаз или при помощи присоединенного двигателя; тогда
испытуемый двигатель проходит положение покоя без за-
держки, а электрические переходные явления к этому моменту
затухают.
Запись вращающего момента или углового ускорения тре-
бует определения ее масштаба, что может быть сделано раз-
личными способами. Так, при переходе от обратного вращения
к прямому таким масштабом может служить значение началь-
ного вращающего момента, определяемого в опыте короткого
замыкания; в меньшей степени для этого пригодно значение ми-
нимального -момента в процессе пуска, определенное способом
нагрузочной асинхронной машины или при нагрузке генерато-
ром постоянного тока.
Если момент инерции известен, то следует построить пере-
считанные ординаты кривой момента или углового ускорения и
соответствующие им ординаты кривой частоты вращения в за-
висимости от времени и на этой кривой выбрать участок, как
можно более близкий к прямолинейному, на протяжении кото-
рого приращение частоты вращения составляет не меньше 20 %
ее синхронного значения (рис. 10.18). На этом участке вычис-
ляется среднее значение вращающего момента по формуле
__ 2л/ Ап __ 2л/ п2 — П1
Ср— 60 At = 60 At ’
где At — продолжительность выбранного участка, a ni и п2--
соответственно меньшее и большее значения частоты вращения
в начале и в конце участка. После этого по равенству площа-
дей фигур, образованных кривой момента, ординатами в начале
и в конце участка и некоторой прямой, параллельной оси абс-
392
цисс, заштрихованных на рис. 10.18, определяется ордината h,
соответствующая среднему значению момента; по ней и вычис-
ляется масштаб кривой момента:
1 MM = Afcp//i ньютон-метров.
Масштаб кривой момента может быть получен и другим спо-
собом— по мощности, подводимой при опыте короткого замы-
кания. Для этого из нее вычитаются потери в обмотке статора,
соответствующие току короткого замыкания, и потери в стали,
соответствующие напряжению в опыте короткого замыкания:
Мк = 0,9 • 9550 Рк~~Рмг- PgT , „,м
Пс
откуда
1 mm=A1k//ik ньютон-метров.
Однако это возможно только
при переходе машины через поло-
жение покоя с обратного вращения
t
или в случае применения подшип-
ников качения. Рис. 10.18. Определение мас-
При наличии записи подводимой штаба момента для осцилло-
г . граммы пуска
мощности возможно такое графи- н J
ческое изображение результатов
опыта пуска: по пересчитанным значениям тока и мощности
определяются их значения, соответствующие различным значе-
ниям частоты вращения или скольжения, например 5, 10, 15,
и
Рис. 10.19. Представление результатов пря-
мого пуска в виде диаграммы
90, 95 % и по масштабам тока и мощности, выбранным так, как
было указано для построения круговых диаграмм, производится
построение соответствующих точек. Если соединить полученные
таким образом точки плавной кривой, то получится участок КМ
реальной диаграммы работы двигателя в пределах от корот-
кого замыкания (точка К) до максимального момента (точка
М), как на рис. 10.19, где также нанесены точки холостого
393
хода (точка О) и номинальной на-
грузки (точка L) и построены две ок-
ружности: OLD с центром С, соответ-
ствующая параметрам номинальной
нагрузки, и OKjy с центром С', со-
ответствующая параметрам реального
короткого замыкания. Как видно из
графика, реальная диаграмма явля-
ется переходом с одной из этих ок-
ружностей на другую..
Если имеется только запись ча-
к стоты вращения, то значения ускоре-
5 ния могут быть получены из нее гра-
g фическим дифференцированием, что,
| однако, представляет трудоемкую и
недостаточно точную операцию.
£ При испытании синхронных двига-
« телей может быть записан ток в об-
o' мотке индуктора, замкнутой на пус-
§ ковой резистор, что дает зависимость
° от времени углового пути, пройден-
S кого ротором во вращающемся поле
Ё? якоря (рис. 10.20); дифференцирова-
о ние разности между непрерывно воз-
§ растающим углом, пройденным полем,
® и этой зависимостью даст искомое ус-
13 корение; однако такая операция при
s значительной трудоемкости тоже не
« отличается точностью.
&
g 10.9. ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЯ
| ДВИГАТЕЛЕЙ ОДНОФАЗНОГО ТОКА
о Всякий асинхронный двигатель
о трехфазного тока при размыкании од-
2 кого из питающих проводов может
” быть превращен в двигатель однофаз-
s ного тока; однако при однофазном
°* питании он не может самостоятельно
начать вращаться. Поэтому двигатели
однофазного тока снабжаются приспо-
соблениями, позволяющими им иметь
в неподвижном состоянии начальный
пусковой вращающий момент, доста-
точный для трогания с места не толь-
ко вхолостую, но и при некоторой на-
грузке. Таким приспособлением обыч-
но является пусковая обмотка, сдви-
нутая по отношению к рабочей на
половину полюсного деления и вклю-
394
чаемая последовательно с активным сопротивлением или ем-
костью; в качестве ее может применяться третья фаза нормаль-
ной трехфазной обмотки. Пусковая обмотка по окончании пуска
либо отключается, либо продолжает оставаться включенной во
все время работы двигателя.
Испытание двигателей с отключаемой пусковой обмоткой
проводится с минимальным числом измерительных приборов.
Опыт холостого хода, определение рабочей характеристики и
испытание на нагревание проводятся так же, как и для двига-
теля трехфазного тока; потери в обмотке статора вычисляются
как произведение квадрата потребляемого тока на сопротивле-
ние всей рабочей обмотки при соответствующей температуре,
а потери в обмотке ротора принимаются как удвоенное произ-
ведение скольжения в долях единицы
на электромагнитную мощность:
Р - 2P™S _ 2 (pi - /2ре - рст) s
“2 100 100
Последнее, однако, не имеет суще-
ственного значения потому, что двига-
тели однофазного тока сколько-нибудь
крупной мощности, нуждающиеся в оп-
ределении КПД методом отдельных
потерь, обычно не встречаются, и оп-
ределение КПД должно проводиться
Рис. 10.21. Кривая момента
однофазного двигателя
непосредственными методами.
Опыт короткого замыкания может быть выполнен так же,
как для двигателя трехфазного тока, но обработка его резуль-
татов ограничивается определением тока рабочей обмотки при
отключенной пусковой обмотке, а начальный пусковой момент
в этих условиях равен нулю. Зависимость вращающего момента
от. частоты вращения (рис. 10.21) может быть определена
способом торможения. При всех способах нагрузки опыт лучше
вести, переходя от наибольшей частоты вращения к меньшим;
предпочтение следует отдать работе нагрузочного генератора на
приемник с регулируемым напряжением, так как при работе
с поглощением энергии двигатель можно довести увеличением
нагрузки только до опрокидывания (точка 4), после которого
он останавливается, поскольку точки /, 2, 3 пересечения линий
момента нагрузочного генератора с кривой момента двигателя
неустойчивы.
При включенной пусковой обмотке определение начального
пускового момента должно производиться непосредственным из-
мерением; общий ток, потребляемый рабочей и пусковой об-
мотками, является начальным пусковым током.
Определение зависимости вращающего момента от частоты
вращения при включенной пусковой обмотке проводится любым
из методов, применяемых для двигателей трехфазного тока;
395
минимальный вращающий момент в процессе пуска может быть
определен при помощи нагрузочной асинхронной машины.
Испытание двигателей с включенной пусковой обмоткой
должно проводиться при рабочем соединении обмоток и пуско-
вых приспособлений. Токи в цепях рабочей и пусковой обмоток
должны измеряться порознь, но, кроме того, нужно измерение
общего тока и общей подводимой мощности. Потери в цепи
пусковой обмотки могут отдельно не учитываться.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СТАНДАРТОВ
НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ,
МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЙ
И НЕКОТОРУЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ АППАРАТУРУ
{По состоянию на 1 января 1984 г.)
Общие стандарты на электрические машины и методы испытания
ГОСТ 183—74. Машины электрические вращающиеся. Общие техниче-
ские требования
ГОСТ 184—71. Двигатели постоянного тока металлургические и кра-
новые. Технические условия
ГОСТ 185—70. Двигатели трехфазные асинхронные крановые. Техни-
ческие условия *
ГОСТ 533—76. Генераторы электрические паротурбинные (турбогене-
раторы). Общие технические условия
ГОСТ 609—75. Компенсаторы синхронные. Общие технические требо-
вания
ГОСТ 5616—81 Е. Генераторы электрические гидротурбинные (гидрогене-
раторы) . Общие технические условия
ГОСТ 7217—79. Электродвигатели трехфазные асинхронные. Методы
испытаний
ГОСТ 10159—79. Машины электрические постоянного тока. Методы ис-
пытаний
ГОСТ 10169—77. Машины электрические трехфазные синхронные. Ме-
тоды испытаний
ГОСТ 11828—75. Машины электрические вращающиеся. Общие методы
испытаний
ГОСТ 16264—78 Е. Электродвигатели малой мощности. Общие технические
условия
. ГОСТ 17691—80. Преобразователи частоты электромашинные мощностью
250 кВт и выше. Методы испытаний
^"Д1558—76. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенера-
торов. Общие технические условия
методы испытаний отдельных видов
/л. ^^электрические вращающиеся. Методы опреде-
^<<шума
^*^кие. Методы определения расхода
394
ГОСТ 12379—75. Машины электрические вращающиеся. Методы оценки
вибрации
ГОСТ 20815—75. Мащины электрические вращающиеся массой свыше
2000 кг. Вибрации. Допустимые значения и методы ис-
пытаний
ГОСТ 25000—81. Машины электрические вращающиеся. Методы испыта-
ний на нагревание
ГОСТ 25941—83. Машины электрические вращающиеся. Методы опреде-
ления потерь и коэффициента полезного действия
Стандарты в области общих норм, терминологии и обозначений
ГОСТ 13109—67. Электрическая энергия. Нормы качества электрической
энергии у ее приемников, присоединенных к электриче-
ским сетям общего назначения
ГОСТ 17154—71. Машины электрические вращающиеся. Характеристики^
расчетные параметры и режимы работы. Термины и
определения
ГОСТ 18311 —80. Изделия электротехнические. Термины и определения
основных понятий
ГОСТ 19880—74. Электротехника. Основные понятия. Термины и опреде-
ления
Стандарты на некоторые средства измерений и материалы
ГОСТ 2045—71.
ГОСТ 3022—80.
ГОСТ 3044—77.
ГОСТ 6616—74.
ГОСТ 6651—78.
ГОСТ 9177—74.
ГОСТ 11161—71.
ГОСТ 13646—68 Е.
Термометры ртутные стеклянные. Технические требова-
ния
Водород технический. Технические условия.
Преобразователи термоэлектрические. Номинальные
статические характеристики преобразования
Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие тех-
нические условия
Термопреобразователи сопротивления ГСП. Общие тех-
нические условия
Термометры стеклянные жидкостные (нертутные). Об-
щие технические требования
Микроманометры жидкостные. Типы и основные па-
раметры
Термометры стеклянные ртутные для точных измере-
ний. Технические условия
Стандарты СЭВ, не имеющие аналогии среди стандартов’ СССР
СТ СЭВ 295—76. Машины электрические вращающиеся. Методы опреде-
ления момента инерции вращающейся части
СТ СЭВ 296—76. Машины электрические вращающиеся. Двигатели син- хронные и асинхронные. Определение зависимости от времени превышения температуры при заторможенном роторе. Методы испытаний
СТ СЭВ 1107—78. Машины электрические вращающиеся. Метод определе- ния сопротивления обмоток без отключения машины от сети
СТ СЭВ 3170—81. Машины электрические вращающиеся. Обозначение вы- водов и направление вращения.
397
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЫВОДОВ ОБМОТОК
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Машины постоянного тока
Наименование обмотки ГОСТ 183—74 СТ СЭВ 3170—81
Начало | Конец Начало Конец
Обмотка якоря Я1 Я2 А1 А2
Обмотка добавочных полюсов Д1 Д2 В1 В2
Компенсационная обмотка К1 К2 С1 С2
Последовательная обмотка возбуж- С1 С2 D1 D2
дения
Параллельная обмотка возбуждения III1 Ш2 Е1 Е2
Обмотка независимого возбуждения Hl Н2 F1 F2
Уравнительная обмотка и уравни- У1 У2 — —
тельный провод
Обмотка особого назначения 01, 03 02, 04 —- —
Вспомогательная обмотка по про- — —— Н1 Н2
дольной оси
Вспомогательная обмотка по попе- — — Л J2
речной оси
Примечание. Если катушка каждого добавочного полюса соединена
последовательно с охватывающей этот полюс катушкой компенсационной об*
мотки, то выводы обозначаются как для обмотки добавочных полюсов.
Машины переменного тока
Наименование и схема сопряжения обмотки Название выводов ГОСТ 183—74 СТ СЭВ 3170—81
Начало Конец Начало Конец
Первичная обмотка
(обычно статора): Открытая схема Первая фаза С1 С4 U1 U2
Вторая » С2 С5 VI V2
Третья » СЗ С6 W1 W2
Дополнительные Первая фаза — —• U3,U4 —
отводы в фазах от- Вторая » — — > V3,V4 r* №
крытой схемы Т ретья » — — W3?W4 r —
Открытая схема с Первая фаза 1С1, 2С1 1С4,2С4 U1,U5 U2,U6
подразделением Вторая » 1С2, 2С2 1С5,2С5 VI, V5 V2,V6
каждой фазы на две части для по- следовательного или параллельного соединения Третья » 1СЗ, 2СЗ 1G6,2С6 W1,W5 1 W2.W6
Глухое сопряжение Первая фаза С1 — u —
в звезду с выводом Вторая » С2 — V 1. '
нейтрали Третья > СЗ — : w ——
Нейтраль 0 I - : N
398
Продолжение
Наименование и схема сопряжения обмотки Название выводов ГОСТ 183—74 СТ СЭВ 3170—81
Начало Конец Начало Конец
Глухое сопряжение Первый вывод С1 . и
в треугольник Второй » С2 — V —
Третий » СЗ — W —
Обмотка возбужде- ниягиндуктора син- хронной машины И1 И2 F1 F2
Вспомогательная об- мотка двигателя однофазного тока В1 В2 Z1 Z2
Вторичная обмотка Первая фаза Р1 — К —-
(обычно ротора) Вторая »' Р2 — L —
Третья » РЗ — М —
Нейтраль — 0 — Q
Примечания:!. При наличии на какой-либо части машины двух
или более одинаковых обмоток, не предназначенных для последовательно-
го или параллельного соединения между собой, применяется такая же
система обозначений, но с добавлением впереди цифр 1, 2 и т. д. 2. Вы-
воды обмоток асинхронных двигателей с несколькими частотами вращения
по СТ СЭВ 3170 — 81 также обозначаются с добавлением впереди цифр 1,
2 и т. д., причем цифре 1 соответствует наименьшая частота вращения,
а по ГОСТ 183 — 74 — с добавлением впереди соответствующих чисел по-
люсов: 2, 4, 6 и т. д.
400
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ЗНАЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
Физическая величина Температура, °C
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Плотность воды у, кг/м3 Теплоемкость воды по массе 4,220 1000 4,200 4,191 999 4,185 998 4,181 997 4,179 996 994 4,178 992 990 4,179 988 4,180
с, кДж/(кг-К) Объемная теплоемкость воды су, кДж/(м3-К) Кинематическая вязкость во- 4,22 1,79 4,20 1,53 1,32 4,18 1,15 1,01 4,17 0,90 4,16 0,82 4 0,75 ,15 0,69 4,14 0,63 4,13 0,58
ды v, м2/с (умножать на К)”6) Давление насыщенного водя- 6,13 8,67 12,27 16,93 23,20 31,46 42,00 55,73 73,19 95,19 122,66
ного пара р, гПа То же, мм рт. ст 4,6 6,5 9,2 12,7 17,4 23,6 31,5 41,8 54,9 71,4 93,0
Коэффициент для приведения плотности газа к 1013 гПа или 760 мм рт. ст. и 20 °C при давлении, гПа/мм рт. ст.: 973/730 0,985 0,994 1,003 1,012 1,020 1,029 1,038 1,046 1,055 1,063 1,071
987/740 0,978 0,987 0,996 1,005 1,013 1,022 1,031 1,039 1,047 1,056 1,064
1000/750 0,972 0,981 0,989 0,998 1,007 1,015 1,024 1,032 1,040 1,049 1,057
1013/760 0,965 0,974 0,983 0,991 1,000 1,008 1,017 1,025 1,034 1,042 1,050
1027/770 0,959 0,968 0,976 0,985 0,993 1,002 1,010 1,019 1.027 1,035 1,043
1040/780 0,953 0,961 0,970 0,979 0,987 0,995 1,004 1,012 1,020 1,028 1,036
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 <
ЗНАЧЕНИЯ cos <р В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОТНОШЕНИЯ ПОКАЗАНИЙ ДВУХ ВАТТМЕТРОВ оц/а2
СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА ПРИ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ ФАЗ
, ai/a2r>0 ’
G^/Ota 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 ai/a3
0,0 0,5000 0,5075 0,5151 0,5227 0,5303 0,5379 0,5456 0,5533 0,5610 0,5688 0,0
0,1 0,5766 0,5843 0,5921 0,5999 0,6078 0,6156 0,6234 0,6312 0,6390 0,6469 0,1
0,2 0,6547 0,6624 0,6702 0,6780 0,6857 0,6934 0,7010 0,7087 0,7163 0,7238 0,2
0,3 0,7313 0,7388 0,7462 0,7535 0,7608 0,7680 0,7751 0,7822 0,7892 > 0,7961 0,3
0,4 0,8030 0,8097 0,8164 0,8229 0,8294 0,8358 0,8420 0,8482 0,8543 0,8602 0,4
0,5 0,8660 0,8717 0,8773 0,8828 0,8882 0,8934 0,8985 0,9035 0,9083 0,9131 0,5
0,6 0,9177 0,9221 0,9265 0,9307 0,9347 0,9387 0,9425 0,9461 0,9497 0,9531 0,6
0,7 0,9563 0,9595 0,9625 0,9654 0,9681 0,9707 0,9732 0,9756 0,9778 0,9800 0,7
0,8 ; 0,9820 0,9839 0,9856 0,9873 0,9888 0,9903 0,9916 0,9928 0,9939 0,9950 0,8
0,9 0,9959 0,9967 0,9974 0,9980 0,9986 0,9990 0,9994 0,9997 0,9998 1,0000 0,9
о^/а, < 0
«1/«2 —0,00 -0,01 —0,02 —0,03 —0,04 —0,05 —0,06 —0,07 —0,08 —0,09 <Х1/0С3
—0,0 -0,1 0,5000 0,4925 0,4851 0,4777 0,4703 0,4630 0,4557 0,4485 0,4413 0,4342 —0,0
0,4271 0,4201 0,4131 0,4062 0,3993 0,3925 0,3857 0,3790 0,3724 0,3658 —0,1
—0,2 0,3592 0,3527 0,3463 0,3399 0,3336 0,3273 0,3211 0,3150 0,3089 0,3028 —0,2
—0,3 0,2969 0,2909 0,2851 0,2793 0,2735 0,2678 0,2622 0,2566 0,2511 0,2456 —0,3
—0,4 0,2402 0,2348 0,2295 0,2243 0,2191 0,2139 0,2088 0,2038 0,1988 0,1939 —0,4
—0,5 0,1890 0,1841 ' 0,1794 0,1746 0,1699 0,1653 0,1607 0,1562 0,1517 0,1473 —0,5
—0,6 0,1429 0,1385 0,1342 0,1299 0,1257 0,1216 0,1174 0,1134 0,1093 0,1053 —0,6
—0,7 0,1014 0,0974 0,0936 0,0897 0,0860 0,0822 0,0785 • 0,0748 0,0712 0,0676 —0,7
—0,8 0,0640 0,0605 0,0570 0,0536 0,0501 0,0468 0,0434 0,0401 0,0368 0,0336 —0,8
—0,9 0,0304 0,0272 0,0240 0,0209 0,0179 0,0148 0,0118 0,0088 0,0058 0,0029 —0,9
8 o~—со м* m cd ь- oo о oo*oooooooo
0,09 IOCDO’“<00000’“'CON (NCWinONOlOOOO CNcDOO — OOOOO (Ю t^O CO ID тГ co —' О o*oooooooo*o
0,08 co СЧОО —1 о CO co co О Ю Ь-ОЬ-^ГОООСОООГ- OOb-CDOin^COCO^O о* о* о о* о* о* о* о* о* о*
0,07 OCDlDOb-CDOOCDiOM* COiniDCOOQOCOOOCD СОГ-ОСЧСЧСЧСЧ—<СЧ ООГ-Ь-сОЮ'^СОСО’-чО О О* о о о* о* о о* о* о*
90*0 ОО-^ООтНСПСООСОСО 00 СО —• О 00 М< О О Ш СООО^СОСОСОСОСЧСОСО 00 N- t4* CD ID СО С9 —• О о* о* о* о* о* о* о* о* о* о*
0,05 О’-' СО 1П —« СО О СО М4 COOOOOOO’tOCW 00 Ь* Ь- СО Ш 00000 0*0*000
о a ОО-^ООЬ-Ш^СООШ Ь^тРЬ-ООООЮОООСО Т^О>01'ЧНШ1П1П1П'Ф1П 00 ь- ь~ С© Ш -ф со сч-^о^ 000 0*00000 0*
g о iOO-*LO^NOOON (МОЛЬ-ОООЛ —ОО СЧ inOCOincDCOOCDincO 00 00 N- со in tF ’ 000000*0000
0,02 -ioowooloo^^ooo Г-1ПС<1ЮЬ*ОС0^0001 lOO^CDNNNNCDN 00 00 b-CD in —^O 0 0*00 0*00000
о о eDin—'OOOOOOOOOO ^-О^СООЮ^ОО’-ч cD^^N-OOOOOOOb-OO °ч. °4 oooooooooo
00*0 о—«ОООО'ФСОООО CDN-inC4CDOb*0400 CD-^moOOOOOOOO OOOOb*COinincO(N^O 0000 0*0*0000
8* 8 о сч °0- 0 0*00 0*00000
£ 8 О со M^tn CD Г- 00 О о* о о о о* о о о о* о 1 1 1 1 11 1 1 1 1
g о 1 00 N. О rf* О —<^NrHO OOCOO^D^NOO ОООШсОООООСЛООЗО oooooooooo ооооооооо*—*
CO о о 1 CO^-^OOrttOincOO 1^00—«ооооо^г^оо OOlincDOOQOOOOO ООООООООООО 0*0 о о о о о о о —<*
о о 1 оо^^юо^соечечо CQinOCDON-COb-OO 0<N^CDt>000000 ооооооооооо о* о* о* о* о* о* о* о о*
s о 1 —<СООООО—' о ~ о OC4N-inoON-OOCDOO OXNxt4COb*QOOOOO 0QOOOOOOOOO о* о* о* о о* о* о о* о* о"
V
402
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ПРИМЕНЯЕМЫЕ ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Электрические величины
Величина Единица
Наименование Обозначение
Напряжение, ЭДС Ток Плотность тока Активная мощность, потери Полная мощность Сопротивление Удельное сопротивление Частота вольт ампер ампер на квадратный метр ватт вольт-ампер ом ом-метр герц В А А/м2 Вт В-А Ом Ом-м Гц
Линейные и угловые величины
Величина Единица
Наименование Обозначение
Длина метр м
Площадь, поперечное сечение квадратный метр м2
Объем, расход газа или жидкости кубический метр м3
Плоский угол градус о
минута • • •
секунда
Скорость, виброскорость метр в секунду м/с
Ускорение метр на секунду в квадрате м/с2
Момент сопротивления кубический метр м8
Угловая частота единица в секунду 1/с
Частота вращения оборот в минуту об/мин
Скольжение процент %
Различные физические величины
Величина Единица
Наименование | Обозначение!
Время Температура Превышение температуры Теплоемкость Механическое напряжение, давле- ние, модуль Юнга Вращающий момент Момент ицерции секунда градус Цельсия кельвин джоуль на килограмм-кель- вин паскаль килограмм-метр килограмм-метр в квадрате С °C К Дж/(кг- К) Па кг-м кг-м2
403
Продолжение приложения 6
Величина Единица
Наименование Обозначение
Плотность килограмм на кубический метр кг/м3
Кинематическая вязкость квадратный метр на секунду м2/с
Коэффициент полезного действия процент %
Примечание. Применение кратных или дольных единиц, а также
внесистемных единиц оговаривается в тексте.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.............................................. ....... 3
ГЛАВА ПЕРВАЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН............................................................. 5
1.1. Документы, определяющие состав и методы испытаний ... —
1.2. Виды промышленных испытаний. 7
' 1.3. Требования, проверяемые испытаниями . . ....... 10
1.4. Классификация испытаний по способам выполнения .... 12
1.5. Документация испытаний . . . . 14
1.6. Техника безопасности при испытаниях ......... 17
глава вторая. ИСПЫТАНИЯ, ОБЩИЕ ДЛЯ МАШИН ВСЕХ ВИДОВ ... 21
2.1. Подготовка машины к испытанию ..........................—
£2. Техника измерений при испытаниях .......................23
2.3. Измерение сопротивления изоляции.......................27
2.4. Измерение сопротивлений обмоток при постоянном токе . . 30
2.5. Испытание при повышенной частоте вращения..............40
2.6. Испытание изоляции обмоток относительно корпуса .... 44
2.7. Испытание междувитковой изоляции обмоток...............53
2.8. Испытание при кратковременной перегрузке по току . . . . 56
2.9. Измерение электрического напряжения между концами вала 58
2.10. Измерение биения вращающихся частей...................61
2.11. Измерение вибрации и уровня шума......................64
глава третья. ПИТАНИЕ, ПРИВОД И НАГРУЗКА ИСПЫТУЕМЫХ МАШИН 68
3.1. Источники питания и возбуждения испытуемых и вспомога-
тельных машин...........................'....................—
3.2. Привод в режиме генератора ... . . . . . . 71
3.3. Питание и пуск двигателей..............................75
3.4. Нагрузка без возврата энергии......................... 80
3.5. Возвратная работа электрических машин..................84
3.6. Взаимная нагрузка электрических машин..................92
3,7. Устойчивость машин постоянного тока при совместной работе 101
3.8. Кратковременная нагрузка..............................104
3.9. Торможение при остановке . . . ...................105
глава четвертая ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МА-
ШИН ............................................ ... 107
4.1. Измерение мощности......................................—
4.2. Измерение частоты вращения и скольжения...............117
4.3. Измерение вращающего момента......................... 122
4.4. Измерение расхода газов ..............................126
4.5. Измерение расхода жидкостей..........................133
405
4.6. Определение момента инерции вращающейся части . . . . 136
4.7. Запись изменяющихся величин................................140
глава пятая. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 14$
5.1. Характеристики и параметры...................................—
5.2. Определение характеристики холостого хода..................146
5.3. Определение характеристик при нагрузке.....................152
5.4. Определение вибрационных характеристик.....................157
глава шестая. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО
ДЕЙСТВИЯ , ................................................... .160
6.1. Коэффициент полезного действия ..............................—
6.2. Тарирование электрических машин............................169
6.3. Определение потерь холостого хода и короткого замыкания
в режиме генератора........................................173
6.4. Определение потерь холостого хода в режиме двигателя . . 174
6.5. Определение потерь методом самоторможения..................179
6.6. Выполнение опытов самоторможения......................... 184
6.7. Запись кривой самоторможения . ............................187
6.8. Определение потерь калориметрическим методом...............192
ГЛАВА седьмая.ИСПЫТАНИЕ НА НАГРЕВАНИЕ.................................196
7.1. Режимы испытания на нагревание ..............................—
7.2. Пределы допускаемых превышений температуры . . . . : 202
7.3. Методы измерения температуры . : : . ......................206
7.4. Измерение температуры частей машины при испытании на на- 212
гревание ...................................................
7.5. Испытание на нагревание при непосредственной нагрузке . . 222
7.6. Испытание на нагревание косвенным методом.226
7.7. Испытание на нагревание при искусственной нагрузке . . . 229
ГЛАВА восьмая. ИСПЫТАНИЕ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ..... 231
8.1. Программы приемочных и приемо-сдаточных испытаний . . —
8.2. Проверка правильности соединений частей обмоток .... 232
8.3. Проверка правильности соединений целых обмоток .... 237
8.4. Осмотр поверхности коллектора . . . ..................... 243
8.5. Установка щеток в нейтральное положение................ . 246
8.6, Измерение сопротивления обмотки якоря......................248
8.7. Короткое замыкание в режиме генератора.....................269
8.8. Оценка степени искрения . . . ........... 263
8.9. Определение области безыскровой работы ........ 265
8.10. Определение изменения данных для добавочных полюсов . . 272
ГЛАВА девятая. ИСПЫТАНИЕ СИНХРОННЫХ МАШИН ............................276
9.1. Программы приемочных и приемо-сдаточных испытаний . . —
9.2. Определение характеристик короткого замыкания.........278
9.3. Определение нагрузочной и U-образной характеристик . . . 283
9.4. Определение номинального тока возбуждения.............287
9.5. Определение коэффициента искажения синусоидальности кри-
вой напряжения..........................................291
9.6. Параметры синхронной машины...........................296
9.7. Определение синхронных индуктивных сопротивлений . . . 299
9.8. Определение активного и индуктивного сопротивлений обрат-
ной последовательности.....................................305
9.9. Определение индуктивного сопротивления нулевой последо-
вательности ...............................................308
9.10. Опыт внезапного короткого замыкания .................. . 310
9.11. Определение параметров из опыта внезапного короткого за-
мыкания ...................................................314
406
9.12. Определение параметров при других видах нарушения элек-
тромагнитного состояния машины............................325
9.13. Определение индуктивных сопротивлений при неподвижном
роторе....................................................330
9.14. Определение индуктивного сопротивления при удаленном ин-
дукторе ................................................. 334
9.15. Определение постоянных времени со стороны индуктора . . 336
9.16. Определение скорости нарастания напряжения возбуждения
и кратности установившегося напряжения....................341
9.17. Особенности испытания синхронных машин с самовозбужде-
нием ............................................... . . . 343
9.18. Особенности испытания машин однофазного тока .... 346
9,19. Определение утечки водорода.........................348
ГЛАВА десятая. ИСПЫТАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ...... 351
10.1. Программы приемочных и приемо-сдаточных испытаний . . —
10.2, Определение коэффициента трансформации..............352
10.3. Опыт холостого хода ................................354
10.4. Опыт короткого замыкания............................359
10.5. Определение механической характеристики.............369
10.6. Построение круговых диаграмм........................373
10.7. Определение зависимости вращающего момента от частоты
вращения............................................... . 384
10.8. Определение вращающих моментов в процессе пуска . . . 389
10.9. Особенности испытания двигателей однофазного тока . . . 394
приложение 1. ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СТАНДАРТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ, МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЙ И НЕКОТОРУЮ
ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ АППАРАТУРУ . . ...................................396
приложение 2. ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЫВОДОВ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН............................................................39
приложение з.ЗНАЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ
ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ . ..................400
приложение 4.ЗНАЧЕНИЯ cos ср В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОТНОШЕНИЯ ПО-
КАЗАНИЙ ДВУХ ВАТТМЕТРОВ щ/а2 СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА ПРИ СИММЕТРИЧНОЙ
НАГРУЗКЕ ФАЗ.................................................. 401
приложение 5. ЗНАЧЕНИЯ sin<p В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОТНОШЕНИЯ ПО-
КАЗАНИЙ ДВУХ ВАТТМЕТРОВ ai/a2 СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА ПРИ СИММЕТРИЧНОЙ
НАГРУЗКЕ ФАЗ.................................................. 402
приложение 6. ПРИМЕНЯЕМЫЕ ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН . .403