Электрические станции и подстанции. Часть I

В. А. Ярош, А. В. Ефанов,  
Е. Е. Привалов, С. С. Ястребов 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ 
И ПОДСТАНЦИИ 

Часть I 

Лабораторный практикум 

Москва 
Берлин 
2019 

УДК 621.311(076) 
ББК 31.277я73 
Я77 

Рецензенты: 
Г. В. Никитенко, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
«Применение электроэнергии в сельском хозяйстве»  
Ставропольского государственного аграрного университета; 
В. Я. Хорольский, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжения 
и эксплуатации электрооборудования» Ставропольского государственного  
аграрного университета 

Ярош, В. А.

Я77 
Электрические станции и подстанции. Часть I : лабораторный практикум / 
В. А. Ярош [и др.]. — Москва ; Берлин :  Директ-Медиа, 2019. — 78 с. 

ISBN 978-5-4475-5319-7 

В лабораторном практикуме приводятся теоретические сведения и методики проведения лабораторных работ первого семестра изучения дисциплины «Электрические 
станции и подстанции» по темам: способы пуска, самозапуска синхронных и асинхронных электродвигателей, автономная работа синхронного генератора.  
Лабораторный практикум предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 
профиль подготовки «Электроснабжение», квалификация «Бакалавр техники и технологии». 
Текст печатается в авторской редакции. 

УДК 621.311(076) 
ББК 31.277я73 

ISBN 978-5-4475-5319-7  
© Ярош В. А., Ефанов А. В., Привалов Е. Е., Ястребов С. С., текст, 2019 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2019 

ВВЕДЕНИЕ 

Лабораторный практикум способствует усвоению, закреплению пройденного материала, проверке знаний и содержит основные рекомендации, необходимые для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электрические 
станции и подстанции» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки «Электроснабжение», квалификация «Бакалавр техники и 
технологии». 

Дисциплина «Электрические станции и подстанции» изучается в течении 
двух семестров. Лабораторный практикум по дисциплине разбит на два части: 
часть I — способы пуска, самозапуска синхронных и асинхронных электродвигателей, автономная работа синхронного генератора; часть II — способы 
включения на параллельную работу и управление режимами синхронных генераторов. Работы выполняются последовательно друг за другом (1, 2, 3, 4, 
5 — первый цикл (в первом семестре изучения дисциплины); 6, 7, 8, 9 — второй цикл (во втором семестре изучения дисциплины). 
В настоящем лабораторном практикуме описан практический материал, 
выполняемый с помощью учебного программно-методического комплекса 
«Производство электрической энергии» на базе комплекта типового лабораторного оборудования «Модель одномашинной электрической системы с узлом комплексной нагрузки». В ходе лабораторных работ воспроизводится работа электрических машин переменного тока в различных режимах с 
одновременной регистрацией параметров машины и электрической сети. 
Аппаратная часть комплекта выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит: 
— спроектированные с учебными целями натурные аналоги элементов 
электрической системы; 
— источники питания; 
— измерительные преобразователи и приборы; 
— IBM-совместимый персональный компьютер с встроенной платой ввода/вывода информации фирмы National Instruments; 
— составной лабораторный стол с встроенными контейнерами для хранения проводников и методических материалов, рамами для установки необходимых в эксперименте функциональных блоков, выкатной полкой для клавиатуры компьютера и подставкой для системного блока последнего. 
Питание модели осуществляется от трехфазной электрической сети 
напряжением 380 В с нейтральным и защитным проводниками. 
Программная часть комплекса включает: 
— программную среду персонального компьютера (Windows XP); 
— комплект специальных программ на языке Delphi 6. 
Выполнение лабораторной работы позволяет экспериментально проверить основные положения теории, приобрести навыки по чтению и сборке 
электрических схем, содержащих электрические машины, трансформаторы, 
пускорегулирующую аппаратуру, измерительные устройства.  

Прежде чем приступать к выполнению лабораторной работы, необходимо 
тщательно изучить содержание работы и порядок ее выполнения; повторить 
теоретический материал. Студент должен иметь отдельную рабочую тетрадь 
для записей, необходимых для составления отчета о проделанной работе.  

Лабораторные работы выполняются бригадами, обычно из 3–5 человек. 
При завершении работы студенты составляют отчет.  
В содержании отчета должны быть отображены: название лабораторной 
работы, цель, программа исследований, паспортные данные оборудования и 
приборов, схемы проведенных экспериментов, выводы по работе, содержащие 
практическую оценку экспериментов. Схемы и графики следует выполнять 
аккуратно с применением чертежных инструментов, все обозначения схем 
должны соответствовать ЕСКД. 
Каждый студент после оформления отчета осуществляет его защиту. Преподаватель проводит индивидуальный, бригадный или в форме технической 
игры опрос студентов по вопросам теории, методике выполнения работы, по 
анализу графиков и использованию результатов исследования на практике.  
Лабораторная работа засчитывается, если отчет соответствует предъявляемым требованиям и если студент ответил на вопросы преподавателя. При 
этом студент должен знать устройство и принцип работы объекта исследования, назначение всех элементов схемы и понимать физические процессы, объясняющие полученные результаты, а также уметь объяснить порядок действий при выполнении любого эксперимента в лабораторной работе. 
Отчет с ошибками подлежит переработке и защищается в дополнительное, 
назначенное преподавателем, время. 
Студенты, которые по каким-либо причинам отсутствовали на лабораторном занятии, выполняют пропущенные лабораторные работы в другое, назначенное преподавателем время. 
Невыполнение и/или незащита студентом отчёта хотя-бы по одной из лабораторных работ является основанием для принятия решения о неполучении 
зачета или недопуске его к экзамену по дисциплине. 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1  
САМОЗАПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 

1. Цель работы

Анализ процесса самозапуска одного асинхронного двигателя и определение мощности и состава нагрузки, при которой обеспечивается самозапуск 
двигателя. 

2. Теоретическая часть

В электрических сетях в результате коротких замыканий случаются кратковременные, длительностью до нескольких секунд, большие понижения 
напряжения или перерывы питания. За это время частота вращения двигателей 
уменьшается. Если, перерыв продолжителен, то двигатели останавливаются полностью. При восстановлении напряжения по резервной линии двигатели снова запускаются и разворачиваются до рабочей частоты вращения. 
Этот процесс называют самозапуском двигателей. 
Самозапуском называется восстановление нормальной работы электродвигателя с механизмом на валу без вмешательства эксплуатационного персонала 
после кратковременного перерыва электроснабжения или глубокого снижения 
напряжения. 
Самозапуск считается обеспеченным, если после восстановления напряжения 
агрегат разогнался до нормальной частоты вращения и продолжает длительно 
работать с нормальной (до аварийной) нагрузкой двигателя. 
Основные отличия самозапуска от пуска заключаются в следующем: 
— при быстром подключении обесточенной секции к резервному источнику питания на ней в момент подключения всегда имеется некоторое остаточное напряжение; 
— в момент восстановления напряжения все двигатели или их большая 
часть вращаются, при пуске — стоят; 
— самозапуск происходит при нагруженных двигателях, что увеличивает 
длительность разгона и нагрев двигателей; 
— если в самозапуске участвует одновременно группа двигателей, то снижение напряжения в узле промышленной нагрузки при самозапуске больше, чем 
при пуске одного АД. Соответственно уменьшается вращающий момент, что 
приводит к увеличению времени их разгона. 
В момент пуска из сети потребляется ток в 4–7 выше номинального значения 
тока двигателя. Пусковой ток создает дополнительное падение напряжения, 
например в трансформаторе, от которого питается двигатель. Мощность двигателя, 
как правило, меньше мощности трансформатора, поэтому дополнительное падение 
напряжения в трансформаторе составляет незначительную величину. Можно считать, что пуск одного двигателя происходит при номинальном напряжении.  
В таком случае асинхронный момент двигателя (кривая 1) в 1,5–2,0 раза 
превосходит момент нагрузки (кривая 4) и под действием значительного избыточного момента происходит быстрый разворот двигателя (рисунок 1.1). 
При одновременном запуске всех двигателей дополнительное падение 
напряжения в трансформаторе может быть значительным. Действительно, если предположить, что вся нагрузка на трансформаторе состоит только из двигателей, пусковой ток может в 4–7 раз превосходить номинальный ток 

трансформатора. Реактивный характер периодической составляющей пускового тока приводит к значительному уменьшению модуля напряжения. 

 

 

Рисунок 1.1. Характеристики асинхронного двигателя при номинальном напряжении  
и при снижении напряжения 

 
Резкое и значительное снижение напряжения на шинах электроустановки 
влияет на нормальную и устойчивую работу остальных потребителей электроэнергии. 
Вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален 
квадрату напряжения U2 на зажимах двигателя. При пониженном напряжении 
асинхронный момент двигателя уменьшается (кривая 2). Пуск двигателя затягивается, а в особо тяжелых случаях максимальный вращающий момент электродвигателя (кривая 3) может оказаться меньше момента сопротивления 
нагрузки (кривая 4) и электродвигатель остановится. 
В таких случаях часть двигателей должна быть отключена для запуска 
оставшихся двигателей наиболее ответственных потребителей. Их число должно 
быть рассчитано. Расчет самозапуска следует проводить с учетом характеристик 
двигателей, моментов сопротивления и мощности источника питания. 
Процесс самозапуска состоит из двух этапов: выбега и разгона. 
Этап выбега 
Как только нарушается электроснабжение, электромагнитный момент 
двигателя исчезает и начинается процесс остановки двигателя под действием 
момента сопротивления нагрузки. 
По количеству двигателей выбег может быть одиночным или групповым. 
Одиночный выбег имеет место, когда один электродвигатель оказывается отсоединённым от сети. Выбег такого двигателя называется «свободным». Если 
отключаются двигатели, подключённые к одной системе шин, то начинается 
групповой выбег. 
У любого двигателя, отключённого от источника питания, при выбеге в 
обмотке статора наводится ЭДС. У асинхронных двигателей она невелика, у 
синхронных — значительна.  
При групповом выбеге двигатели оказываются связанными между собой 
через общие шины. Запасённая ими кинетическая энергия по величине разная 

у разных двигателей. Имеющие больший запас энергии двигатели переходят в 
генераторный режим, и у них на валу появляется дополнительный тормозной 
момент. Двигатели с меньшим запасом кинетической энергии получают дополнительный вращающий момент за счёт подпитки от первых.  
Этап разгона 
Происходит разгон от частоты вращения, примерно соответствующей моменту восстановления питания, до частоты вращения, соответствующей исходному рабочему режиму. 
Бросок тока в момент подачи напряжения определяется по выражению: 

 

C
Д
ПО
U
E
I
ZΣ

−
=
, 
(1.1) 

где 
C
U  — напряжение сети; 
Д
E  — ЭДС двигателя, ZΣ  — суммарное сопро
тивление от точки приложения ЭДС до источника питания. 
Видно, что в самом худшем случае, когда вектор напряжения сети 
C
U  и 

ЭДС двигателя 
Д
E
 находятся в противофазе, ток самозапуска может значи
тельно превышать пусковой:  
C
Д
ПО
U
E
I
ZΣ

+
=
. 

Однако ЭДС асинхронного двигателя затухает быстро, и к моменту восстановления напряжения она невелика. Поэтому ток включения при самозапуске 
асинхронного двигателя ненамного превышает пусковой. 
У синхронного двигателя ЭДС в момент восстановления электроснабжения 
может быть равна напряжению сети или даже превышать его. Соответственно 
и ток включения может почти в два раза превышать пусковой и вызывать повреждения в двигателе. Однако, если в момент нарушения электроснабжения 
начинать гасить магнитное поле ротора, бросок тока при самозапуске будет 
практически равен пусковому току. 
Асинхронный двигатель при наличии напряжения на его зажимах будет 
разгоняться только в том случае, если развиваемый им вращающий момент 
будет больше момента сопротивления механизма. 
Таким образом, для обеспечения разгона двигателя достаточно выполнить 
условие 
C
M
M
>
. 
Двигатель при самозапуске разгоняется медленнее, чем при пуске. Более 
длительный разгон вызывает нагрев двигателя. Поэтому успешным считается 
такой самозапуск, когда двигатель разгонится до рабочей скорости и при этом 
температура обмоток не превысит допустимого значения. 
Практически все асинхронные двигатели, выпускаемые промышленностью, допускают возможность, как минимум, одного самозапуска без превышения температуры обмоток сверх допустимой.  
Данная работа позволяет смоделировать процесс самозапуска одного асинхронного двигателя в предположении того, что от этой же секции шин питается еще некоторая реактивная нагрузка. 
 
 
 

3. Оборудование 

Таблица 1.1 

Перечень аппаратуры, используемой в лабораторной работе № 1 

Обозначение 
Наименование 
Тип 
Параметры 

А1 
Трёхфазная трансформаторная 

группа 
347.3 

3×80 В⋅А  (звезда) / 220, 
225, 230 В / 133, 220, 230, 

235, 240, 245  В 

А2 
Модель линии электропередачи 
313.2 
400 В ~; 3 × 0,5 А 

А3 
Индуктивная нагрузка 
324.2 
220/380 В; 50 Гц; 

3х40 Вар 

G1 
Трехфазный источник питания 
201.2 
~ 400 В/16 А 

G2 
Преобразователь угловых перемещений 
104 
2500 импульсов  

за оборот 

Р1 
Указатель частоты вращения 
506.2 
-2000…0…2000 мин−1 

Р2 
Блок мультиметров 
509.2 
Три мультиметра 

 

4. Указания по технике безопасности 

1. К работе на стендах допускаются студенты, прошедшие инструктаж по 
технике безопасности при выполнении работ в лабораториях кафедры «Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования» и ознакомившиеся с 
настоящими методическими указаниями. Прохождение инструктажа по технике безопасности фиксируется преподавателем в специальном журнале. 
2. Лабораторная работа должна выполняться не менее чем двумя студентами. 
3. Сборку схемы осуществлять исправными соединительными проводами, 
используя при этом приведенные в лабораторной работе принципиальные 
схемы экспериментов. 
4. Собранная цепь проверяется преподавателем и может включаться только по его разрешению и при его наблюдении. О включении напряжения предупреждают всех членов бригады, выполняющих работу. 
5. Изменения схемы производят только при выключенном напряжении на 
стенде, а вновь собранная схема перед подачей на неё напряжения проверяется преподавателем. 
6. По окончании испытания или при перерыве в работе схему отключают от 
напряжения питания. Разборку схемы осуществляют по разрешению преподавателя. 
7. При возникновении неисправностей, а также в случае появления запаха, 
свидетельствующего о возгорании электрических проводов или оборудования, следует незамедлительно прекратить работу с лабораторным стендом, 
выключив его из сети, и обратиться к преподавателю или обслуживающему 
персоналу. 
 
5. Методика и порядок выполнения работы 

1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от 
сети электропитания.