close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Timofeev 00241CA1E4

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
С. С. Тимофеев
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
И ТРАНСФОРМАТОРЫ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург
2016
УДК 621.313
ББК 31.261
Т41
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент М. А. Волохов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Тимофеев, С. С.
Т41 Электрические машины и трансформаторы: учеб.-метод.
пособие / С. С. Тимофеев. – СПб.: ГУАП, 2016. – 92 с.
В учебно-методическом пособие содержатся основы электромеханического преобразования электроэнергии в электрических машинах
постоянного и переменного тока, излагаются конструктивные схемы
электрических машин постоянного тока, а также указания по выполнению лабораторных работ по электрическим машинам, описание
экспериментов, рекомендации по анализу результатов экспериментов
и выполнению отчетов о проделанной работе. Учебно-методическое
пособие предназначено для студентов очной формы обучения изучающих курс электрических машин и может быть полезна студентам
вечернего отделения соответствующих специальностей.
Учебно-методическое пособие подготовлено к публикации кафедрой технической физики, электромеханики и робототехники по рекомендации методической комиссии института № 3.
УДК 621.313
ББК 31.261
©
©
Тимофеев С. С., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
– Лабораторные работы, связанные с исследованием электрических машин, отличаются большим количеством разнообразных
измерений как электрических (ток, напряжение, мощность), так и
неэлектрических (момент, частота вращения) величин. Кроме того,
в ходе экспериментов выполняют различные регулировки и переключения, связанные с пуском машины, изменением частоты вращения, нагрузочного момента и т.п. Поэтому заданная программа
лабораторной работы может быть успешно выполнена в отведенное
для этого время только при условии тщательной подготовки и продуманных действий всей бригады студентов при выполнении работы.
При этом имеется в виду не только проведение экспериментов, но и
обработка полученных результатов и составление отчета по лабораторной работе.
– Получив разрешение преподавателя, бригада приступает к выполнению лабораторной работы. Вначале необходимо ознакомиться и записать в рабочую тетрадь номинальные данные исследуемого объекта (электрических машин, трансформаторов), а затем
выяснить расположение измерительных приборов и пускорегулирующей аппаратуры, предназначенных для выполнения эксперимента. При выборе измерительных приборов необходимо руководствоваться не только соответствием предела измерения прибора
наибольшему значению измеряемой величины, но и соответствием
системы прибора роду измеряемых токов и напряжений.
– Пусковые и регулировочные реостаты, необходимые для выполнения работы, расположены на лабораторном стенде или вблизи
него, поэтому следует лишь установить назначение каждого из них.
– При сборке схемы целесообразно придерживаться следующего
правила: сначала выполнить все соединения в последовательной (токовой) цепи, т. е. соединить все элементы схемы, предназначенные
для последовательного включения (амперметры, последовательные
катушки ваттметров, последовательные обмотки возбуждения машин
постоянного тока, фазные обмотки статоров машин переменного тока
и т.п.), а затем присоединить элементы схемы параллельного включения (вольтметры, параллельные катушки ваттметров, параллельные
обмотки возбуждения машин постоянного тока с регулировочными реостатами и т. п.). Такой прием позволяет сознательно подойти
к оценке назначения каждого элемента схемы и тем самым избежать
ряда ошибок при сборке схемы, например, элемент схемы, предназна3
ченный для последовательного включения, присоединить параллельно, и наоборот.
– Если электрическая схема включает в себя большое количество
измерительных приборов и регулировочных реостатов, то одновременно со сборкой схемы следует провести маркировку измерительных
приборов и регулировочных реостатов (на бумажных или картонных
бирках записать обозначение элементов схемы и прикрепить к ним).
Эта мера наиболее целесообразна в начальный период работы студентов в лаборатории электрических машин и электропривода. Необходимо правильно подбирать провода с учетом величины тока, который
будет протекать по ним. Токовые цепи необходимо собирать проводами
большего сечения, а параллельные цепи проводами малого сечения.
– При сборке схемы нужно по возможности избегать перекрещивания проводов и на один зажим присоединять не более трех
проводов. Все соединения проводов должны быть надежными. Следует помнить, что отыскание нарушенного контакта часто отнимает больше времени, чем тщательное присоединение проводов.
– После сборки схемы ее проверяют, при этом если сборку схемы
выполнял один член бригады, то проверять ее должен другой. При
этом необходимо рукоятки пусковых и регулировочных реостатов
поставить в положение, соответствующее пуску машины: рукоятку
пускового реостата установить на отметке «Пуск», а рукоятки регулировочных реостатов в цепи возбуждения поставить в положение, соответствующее наибольшему значению тока возбуждения у двигателей
или наименьшему значению этого тока у генераторов. Если в схеме
применен регулировочный автотрансформатор, то его рукоятку следует поставить в положение, соответствующее нулевому значению
выходного напряжения. Следует также проверить, стоят ли стрелки
измерительных приборов на нулевом делении шкалы. При необходимости их положение следует подкорректировать с помощью отвертки.
– Собранную схему нужно показать преподавателю, и преподаватель производит пробное включение лабораторной установки.
При этом необходимо обратить внимание на показания приборов.
В цепи постоянного тока при использовании измерительного прибора магнитоэлектрической системы возможно отклонение стрелки влево от нуля. В этом случае, отключив установку, следует поменять местами подходящие к прибору провода.
– При пробном включении установки необходимо также перемещением ручек регулировочных реостатов проверить, как изменяется регулируемый параметр машины (напряжение на выходе генератора или частота вращения двигателя) и не выходят ли стрелки
4
измерительных приборов за пределы шкалы. Если какой-либо параметр машины не регулируется или прибор «зашкаливает», нужно отключить установку и заменить соответствующий регулировочный реостат или прибор либо изменить условия эксперимента,
например, увеличить диапазон изменения сопротивления в цепи
обмотки возбуждения электрической машины. Если же пробное
включение показало, что все элементы схемы работают нормально,
то можно приступить к проведению эксперимента.
– Отсчеты по всем измерительным приборам следует вести по
возможности одновременно. Для этого между членами бригады
должны быть заранее распределены обязанности по снятию показаний измерительных приборов и регулировке параметров. Показания приборов снимают по команде студента, выполняющего регулировку параметров машины.
– Нельзя делать перерыва в начатой серии наблюдений. Если появились сомнения в правильности показания какого-либо прибора, то
необходимо повторить снятие показаний по всем приборам. Показания записывают в заранее заготовленные таблицы с необходимым количеством граф, в точном соответствии с единицами измерений, указанными на шкале прибора. Никаких пересчетов показаний на другие
единицы или же учет коэффициента трансформации измерительного
трансформатора тока во время опыта делать не следует. Например,
если измерение ведется многопредельным измерительным прибором,
то в таблицу записывают показания в количестве делений шкалы, отмеченных стрелкой, без умножения показания на цену деления. Если
же этого правила не придерживаться, то вероятность ошибки резко
возрастает, а при обнаружении ошибки невозможно определить, когда
она допущена – при снятии показаний прибора или при их пересчете.
– По окончании эксперимента, не разбирая схемы, выполняют все
необходимые расчеты и на заранее заготовленную координатную сетку
наносят точки будущих графиков и соединяют их плавной кривой линией. Затем каждый студент должен внимательно проанализировать
полученные результаты эксперимента, сравнив их с номинальными
данными машины или трансформатора и с основными положениями
теории исследуемого устройства, а также проверить реальность полученных результатов. Например, если получено значение коэффициента
мощности больше единицы или же значение КПД более 100 %, то это
свидетельствует о явной ошибке. Если же результаты эксперимента не
вызывают сомнения, то их следует показать преподавателю. В зависимости от достоверности этих результатов преподаватель дает указание
либо на повторение эксперимента, либо на переход к следующему. [1]
5
2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
– Каждый студент должен самостоятельно обработать результаты выполненных им опытов и составить отчет о проделанной лабораторной работе.
– Этот отчет помимо номера и названия лабораторной работы,
индекса учебной группы должен содержать следующие сведения:
– перечень электрических машин, трансформаторов, пускорегулирующей аппаратуры и измерительных приборов с указанием их
паспортных данных;
– программу лабораторной работы;
– электрические схемы соединений;
– таблицы с записью результатов проведенных опытов и выполненных вычислений;
– расчетные формулы, по которым выполнялись вычисления и
примеры расчетов;
– диаграммы и графики зависимостей;
– заключение о проделанной работе.
Все схемы, таблицы и графики, приводимые в отчете, должны
иметь наименования, например, «Схема», «Таблица результатов
снятия рабочих характеристик», «График зависимости КПД двигателя от нагрузки». Элементы электрических схем должны изображаться и обозначаться в соответствии с действующим стандартом.
– При выполнении расчетов рекомендуется пользоваться калькуляторами. Схемы соединений и таблицы следует выполнять карандашом с помощью линейки с обязательным соблюдением требований на условные изображения и обозначения элементов схем и
единиц измерения.
– Особое внимание необходимо уделить выполнению графиков
зависимостей. Рекомендуется их выполнять, используя математический пакеты (например, Mathcad). Также графики могут быть
выполнены на миллиметровке.
– Если в одних координатных осях строится несколько графиков, представляющих собой функциональные зависимости ряда
величин от одной независимой переменной (например, рабочие характеристики двигателя), то параллельно основной оси ординат,
пресечение которой с осью абсцисс принято за начало координатах
осей, проводят дополнительные оси ординат, каждую со своим масштабом и своими единицами измерения. За начало координат всех
6
величин в этом случае принимают точку пересечения основных
осей. При построении характеристик по результатам опытов на таком совмещенном графике эти точки во избежание ошибок следует
отмечать разными условными значками – крестиками, кружочками. После нанесения точек какого-либо графика их соединяют
плавной кривой с помощью лекала. При этом возможен «разброс»
точек, т. е. некоторые из этих точек не будут лежать на кривой.
Это объясняется возможными погрешностями экспериментов: неточным снятием показания измерительного прибора, случайными
колебаниями напряжения в сети, приближенностью вычислений и
т. п. Если «разброс» точек оказался значительным, то опыт следует
повторить. Для построения криволинейного графика необходимо
иметь не менее пяти точек.
– В последнем разделе отчета, в заключении о проделанной работе, студент должен дать оценку эксплуатационным свойствам объекта исследования, соответствие этих свойств паспортным данным
этого объекта, подтвердились ли экспериментально теоретические
сведения и т. п. Для составления заключения достаточно ответить
на контрольные вопросы, приводимые в конце каждой работы.
– Отчет в целом должен быть лаконичным, но так, чтобы его содержание было понятным без дополнительных устных пояснений. [1]
7
3. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Электрическая машина, действие которой основано на использовании явления электромагнитной индукции, предназначена для
преобразования механической энергии в электрическую, или электрической в механическую, или электрической энергии в электрическую энергию другого рода тока, другого напряжения, другой
частоты.
Электрическую машину, преобразующую механическую энергию в электрическую, называют генератором. Преобразование
электрической энергии в механическую осуществляется двигателями. Любая электрическая машина может быть использована как
в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Свойство электрических машин изменять направление преобразуемой энергии
называют обратимостью.
Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 3.1) N и S поместить проводник и под действием
какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникнет ЭДС.
e= Blυsinα= Blυ
где В – магнитная индукция в месте нахождения проводника; l –
активная длина проводника (его часть, находящаяся в магнитном
поле); υ– скорость перемещения проводника в магнитном поле; α –
угол между векторами максимума магнитной индукции и скорости
перемещения проводника (в рассматриваемом случае α = π/2, т. е.
sinα = 1).
Направление ЭДС, индуктируемой в проводнике, определяется
согласно правилу правой руки.
Если проводник замкнуть на
какое-либо сопротивление приN
емника энергии, то в образовавшейся цепи под действием ЭДС
F1
протекает ток I, направление ко- Fэм
+
торого совпадает с направлением
ЭДС проводника. В результате
взаимодействия тока проводника
S
с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила
Fэм = lBI направление, которой
Рис. 3.1. Принцип действия
электрической машины
определяется по правилу левой
8
руки. Эта сила направлена встречно силе F1, и при Fэм = F1 проводник перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника,
преобразуется в электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника электрической, энергии, т. е. машина будет работать в режиме генератора [1, 2, 3].
Если от постороннего источника электрической энергии через
проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока
в проводнике и магнитного поля полюсов создается электромагнитная сила Fэм, под действием которой проводник начнет перемещаться
в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии, т. е. машина будет работать как двигатель. Таким образом, в силу общности законов электромагнитной
индукции и электромагнитных сил любая электрическая машина
может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Машина постоянного тока состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора, в котором происходит процесс
преобразования механической энергии в электрическую (генератор)
или обратно – электрической энергии в механическую (электродвигатель). В машинах постоянного тока ротор является якорем. Между
неподвижной и вращающейся частями имеется зазор. Неподвижная
часть (рис. 3.2) состоит из станины 3, главных полюсов 1, предна-
2
1
3
Рис. 3.2. Неподвижная часть машины
постоянного тока
9
значенных для создания основного магнитного потока, добавочных
полюсов 2, служащих для достижения безыскровой работы щеток
на коллекторе (улучшения коммутации). К станине крепят болтами
подшипниковые щиты, главные и дополнительные полюсы.
Основной (главный) полюс (рис. 3.3, а) имеет сердечник, набранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5–1 мм,
стянутых шпильками. На сердечник насажены две катушки обмоток возбуждения.
Нижнюю часть сердечника – полюсный наконечник– выполняют так, чтобы воздушный зазор увеличивался от центра полюса к его концам. Это делается для того, чтобы уменьшить искажение поля под действием реакции якоря и рассеяние главного поля
в зоне коммутации. У компенсированных машин постоянного тока
в полюсных наконечниках выштамповывают пазы для размещения компенсационной обмотки. Число главных полюсов всегда
четное, причем северные и южные полюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек обмотки возбуждения полюсов. Катушки всех полюсов соединяют последовательно.
Полюсы крепятся к станине болтами или шпильками.
Добавочный полюс (рис. 3.3, б) состоит из сердечника, изготовляемого из стали, и обмотки, изготовляемой из медных шин прямоугольного сечения. Обмотки добавочных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря, а полюсы устанавливают между
главными полюсами и крепят к станине болтами. Воздушный зазор
под добавочными полюсами значительно больше, чем под главными. Поперечное сечение добавочных полюсов расширяется в сторону корпуса. Это увеличивает поверхность прилегания добавочного
полюса к корпусу, что дает большую устойчивость и предупреждает насыщение от большого потока рассеяния добавочных полюсов.
а)
б)
Рис. 3.3. Основной (а) и добавочный (б) полюсы
10
1
2
3
4
5
Рис. 3.4. Щеткодержатель
Для создания электрического контакта с поверхностью коллектора в машине устанавливают щетки, которые прикрепляют к щеткодержателю. Щеткодержатель (рис. 3.4) состоит из нажимных
пластин 1; пружины 2, передающей давление на щетку 3 и обоймы 4. Для присоединения элементов электрической цепи машины
к щетке последняя снабжается гибким медным тросиком. Все щеткодержатели одной полярности соединяют между собой сборными
шинами, присоединенными к выводам машины. Щеткодержатели
крепят на траверсе 5.
Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника якоря
с обмоткой, коллектора, вентилятора и вала с шарикоподшипником или роликоподшипником. Сердечник якоря (рис. 3.5) машины
представляет собой пакет из листов электротехнической стали 3
толщиной 0,5 мм, которые для уменьшения потерь от вихревых токов изолируют друг от друга лаком. Пакет запрессован на валу 1
якоря и удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами.
Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря утраивают
вентиляционные каналы.
Каждый лист пакета имеет зубцы, пазы и вентиляционные отверстия. В пазы сердечника укладывают проводники обмотки яко11
1
2
3
4
5
Рис. 3.5. Сердечник якоря
6
5
4
3
2
1
Рис. 3.6. Устройство коллектора
ря 2, которая удерживается в пазу с помощью клиньев 4. Обмотку
якоря присоединяют к пластинам коллектора 5. На рис. 3.6 показан коллектор, собранный из пластин 6 твердотянутой меди, изолированных друг от друга и от вала якоря миканитовыми прокладками и манжетами.
Коллектор состоит из остова 1, нажимного кольца 4, корпуса 3.
Для удобства монтажа и обеспечения прочности крепления коллекторные пластины 6 выполняют в т-образной форме или в форме
«ласточкина хвоста» 5. Соединяют коллекторные пластины с про12
5
6
4
7
3
2
8
1
9
Рис. 3.7. Устройство машины постоянного тока
водами обмотки якоря с помощью «петушков» 2, которые имеют
прорези для укладки и запайки в них концов секций обмотки якоря
На рис. 3.7 показано устройство машины постоянного тока.
К станине 6 болтами 4 крепят главные полюсы 5 и добавочные полюса 9, состоящие из сердечника и катушки обмотки возбуждения.
С торцовых сторон к станине крепят боковые щиты 7 с подшипниками, удерживающими вал машины. Якорь машины состоит из
сердечника 3, обмотки 8 и коллектора 1. На валу якоря укреплен
вентилятор, неподвижные щетки 2 закрепленные в щеткодержателях, скользят по поверхности коллектора 1 при его вращении [1, 2].
13
4. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНЫХ ИСПЫТАНИЙ
АСИНХРОННЫХ МАШИН
Испытание асинхронных машин в учебной лаборатории преследует следующие цели:
а) возможно полнее осветить физические процессы, происходящие в асинхронных машинах, рассматриваемые в соответствующих разделах курса электрических машин;
б) помочь овладеть методами испытаний и научить обрабатывать данные опытов;
в) научить оценивать эксплуатационные свойства испытуемой
машины по результатам, полученным при испытании.
Программа испытаний асинхронных машин может быть весьма
обширной в связи с тем, что асинхронные машины выполняются
однофазными, двухфазными и трехфазными, с фазным и короткозамкнутым ротором для общего и специального применения, кроме того, асинхронные машины могут работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза и в общем случае могут возбуждаться как со стороны статора, так и со стороны ротора,
либо одновременно с обеих сторон (в машине двойного питания).
В разработке рассматриваются вопросы учебных испытаний
асинхронных трехфазных машин малой мощности энергетического назначения.
Содержанием учебных испытаний обычно является:
а) испытание асинхронной машины в режимах холостого хода и
короткого замыкания;
б) испытание асинхронной машины непосредственно под нагрузкой в режимах двигателя, генератора;
в) определение пусковых характеристик – начального пускового момента и пускового тока.
В зависимости от имеющегося времени и возможностей лаборатории часть перечисленных испытаний может не выполняться,
либо, наоборот, испытания могут дополняться, например, снятием
полной механической характеристики или характеристик при несимметричных режимах работы асинхронного двигателя;
Перед началом испытаний необходимо ознакомиться с данными заводского щитка испытуемой машины, на котором согласно
ГОСТ 183-74 могут быть указаны:
– род (двигатель, генератор и т. д.) и тип машины;
– заводской номер машины;
– род тока;
14
– частота и число фаз;
– соединение фаз;
– номинальный режим работы;
– номинальная мощность;
– номинальное напряжение;
– номинальный ток;
– номинальная частота вращения;
– коэффициент полезного действия;
– напряжение и ток ротора – для асинхронных двигателей с фазным ротором;
– год выпуска;
– масса машины;
– номер стандарта;
– класс изоляции или допустимое превышение температуры.
Эти данные допускается объединять и располагать в целесообразной последовательности.
Ознакомление со щитком перед началом испытаний является
обязательным [1, 4, 5, 6].
15
5. КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННОЙ
ТРЕХФАЗНОЙ МАШИНЫ
Машина переменного тока состоит из двух основных частей –
неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части,
называемой ротором. Между статором и ротором имеется воздушный промежуток, или зазор, величина которого оказывает существенное влияние на рабочие свойства машины [1, 3].
Сердечник статора собирают из стальных листов в виде колец,
на внутренней окружности которых штампуют впадины или пазы
для укладки обмотки статора. Стальные листы изолируют друг от
друга лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые
токи. Сердечник статора с обмоткой помещают в станину, посредством которой машина крепится на фундаменте и транспортируется. На рисунке 5.1 представлен статор асинхронной машины.
В зависимости от типа обмотки ротора асинхронные машины
подразделяются на машины с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором. В настоящее время асинхронные двигатели изготавливают преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь
при больших мощностях и в специальных случаях используют фазную обмотку. Обмотку короткозамкнутого ротора изготавливают
из стержней 1, уложенных в пазы сердечника и замкнутых между
собой на торцевых сторонах накоротко кольцами 2 (рис. 5.2). Та-
1
2
3
Рис. 5.1. Статор асинхронной трехфазной машины: 1 – станина,
2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора)
16
Рис. 5.2. Короткозамкнутая обмотка ротора
1
3
5
4
2
Рис. 5.3. Конструкция асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором
17
3
2
1
5
4
Рис. 5.4. Конструкция асинхронного двигателя
с фазным ротором: 1 – станина, 2 – сердечник статора,
3 – ротор обмотанный, 4 – контактные кольца, 5 – щетки)
кую обмотку еще называют «беличья клетка» вследствие внешнего
сходства.
На рисунке 5.3 показано устройство асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором в станине машины 1 укреплен сердечник статора 2 с обмоткой 3. Сердечник ротора 4 с обмоткой жестко
закреплен на валу 5 машины.
У двигателей с фазным ротором (с контактными кольцами)
(рис. 5.4) в пазах ротора 3 размещают трехфазную изолированную
обмотку, подобную обмотке статора 2. Фазы обмотки соединяют
звездой, их начала подключают к трем контактным кольцам 4, помещенным на валу машины и изолированным как от вала, так и
между собой. Эти кольца жестко укреплены на валу и вращаются
вместе с ним.
К кольцам через щетки 5 при пуске двигателя или для регулирования частоты вращения присоединяют сопротивление (реостат),
что позволяет увеличить полное сопротивление цепи обмотки ротора и уменьшить пусковые токи, увеличивая пусковой момент.
18
6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН
В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать
только при частоте вращения ротора n2, не равной частоте вращения магнитного поля n1. Частота вращения ротора может очень
мало отличаться от частоты поля, но при работе двигателя она будет всегда меньше n2 < n1 (в случае генератора – больше n2 > n1).
В этом заключается основное принципиальное отличие асинхронных машин от синхронных, у которых частота вращения ротора
всегда равна частоте вращения магнитного поля статора. Работа
асинхронного двигателя основа на принципе электромагнитной
индукции. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами
в обмотке статора, пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в этой обмотке ЭДС. Если обмотка ротора замкнута на
какое-либо сопротивление или накоротко, то в ней под действием
индуктируемых ЭДС возникнут переменные токи, взаимодействие
которых в обмотке ротора с магнитным полем обмотки статора создает вращающий момент, приводящий ротор во вращение. Направление всякого индуктированного тока таково, что оно противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому токи в проводниках обмотки ротора стремятся задержать вращающееся магнитное поле,
но, не имея возможности сделать это, приводят ротор во вращение
так, что он следует за полем статора [1, 3, 5].
На рис. 6.1 выделена часть окружности ротора, на которой находится один проводник его обмотки. Поле статора условно представлено северным полюсом N, который перемещается в пространстве и вокруг ротора по часовой
стрелке с частотой n1. СледоN
вательно, полюс N перемещается относительно проводника
n1
обмотки ротора слева направо,
в результате чего в этом проводнике индуктируется ЭДС, направление которой может быть
определено по правилу правой
руки и показано на рисунке знаF
ком точки. Если обмотка ротора
замкнута, то под действием ЭДС
по этой обмотке возникнет ток,
направленный в выбранном
Рис. 6.1. Принцип работы
нами проводнике так же, как
асинхронного двигателя
19
и ЭДС. В результате взаимодейM
ствия тока в проводнике обмотки
ротора с магнитным полем возникает сила F, которая перемещает
Mmax
Генератор
проводник в направлении, опреMпуск
деляемом по правилу левой руки.
Smax
Smax
Вместе с проводником начинает
0
1
перемещаться и ротор. Если силу
Двигатель Тормоз
F умножить на расстояние этого
Mmax
проводника от оси ротора (плечо
приложения силы), то мы получим вращающий момент, развиваемый током данного проводника.
Так как на роторе помещено большое количество проводников, то Рис. 6.2. Зависимость электромагнитного момента асинхронной
сумма произведений сил, действумашины от скольжения
ющих на каждый из проводников,
на расстоянии этих проводников от оси ротора определяет вращающий момент, развиваемый двигателем. Под действием вращающего
момента ротор вращается в том же направлении, что и поле статора.
Для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения ротора, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается в трехфазных двигателях изменением чередования фаз обмоток
статора, для чего следует поменять местами включение двух любых
из трех проводов, подключающих машину к сети. Реверсивные двигатели снабжены переключателями, при помощи которых можно
менять чередование фаз обмоток статора, а, следовательно, и направление вращения ротора. Вне зависимости от направления вращения ротора его частота n2 как уже упоминалось, всегда меньше
частоты магнитного поля статора. Если бы эти частоты почему-либо
оказались одинаковыми, то магнитное поле статора не пересекало бы проводников обмотки ротора и, следовательно, в них не возникли бы токи, т. е. не было бы и вращающего момента. На рис. 6.2
представлена механическая характеристика асинхронной машины
M = f(s) для трех режимов работы: двигатель, генератор, электромагнитный тормоз. Скольжение s определяется как отношение скорости скольжения Δns = n1–n2 к синхронной скорости n1, т. е.
Δns n1 − n2
=
s =
n1
n1
20
7. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Лабораторный стенд «Электрические машины», исполнение настольное компьютерное (в дальнейшем изложении стенд) предназначен для обучения студентов различных специальностей средних
специальных и высших учебных заведений, изучающих дисциплины «Электрические машины», «Электрические машины и основы
электропривода». Стенд может быть использован также для обучения учащихся профессионально-технических училищ и слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации инженерно-технических работников [6].
В состав стенда входят (рис. 7.1):
– модуль питания стенда;
– модуль питания;
– модуль измерителя мощности;
– модуль добавочных сопротивлений № 1;
– модуль добавочных сопротивлений № 2;
– модуль ввода/вывода;
– модуль силовой;
– модуль преобразователя частоты;
– модуль тиристорного преобразователя;
– модуль автотрансформатора;
– модуль однофазных трансформаторов;
– модуль измерительный;
– стойка 2 × 6;
– электромашинный агрегат;
– персональный компьютер;
– методические указания;
– техническое описание;
– компакт-диск с программным обеспечением.
Рис. 7.1. Общий вид лабораторного стенда
21
8. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Описание сборки схемы
Для облегчения проведения лабораторных работ студентами
в данном пункте в качестве примера рассматривается схема пуска
асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
Рекомендуется ознакомиться с данным пунктом методических
указаний перед проведением лабораторных работ.
Для пуска асинхронного электродвигателя необходимо подать
на статор трехфазное напряжение 3 × 380 В. Для уменьшения пускового тока в обмотку статора вводится трехфазное регулируемое
сопротивление, которое выводится последовательно из положения
«∞» в положение «0».
Схема, собираемая на стенде, приведена на рис. 8.1.
Подача напряжения на лабораторный стенд осуществляется
включением автоматического выключателя QF1 модуля питания
стенда.
Подача напряжения 3 × 380 В осуществляется автоматическим
выключателем модуля питания (клеммы А, В, С).
Рис. 8.1. Модульная схема
22
CM
МП
ADC1
ДН
ADC 2
МДС1
А
B
C
N
ДТ
M1
ПЧН
ADC 3
Рис. 8.2. Принципиальная схема включения
асинхронного двигателя
Асинхронный электродвигатель реально подключен к силовому
модулю. На силовом модуле размещаются мнемосхемы двигателей, а также клеммы для подачи силовых напряжений к статору
АД, якорю и обмотке возбуждения ДПТ. Кроме этого, на мнемосхеме АД изображены клеммы фазного ротора, которые используются
только в случае применения в стенде соответствующего двигателя.
Для контроля тока и напряжения статорную цепь АД включены
датчики тока и напряжения силового модуля. Датчик тока (клеммы XS7, XS8) включается последовательно, датчик напряжения
(клеммы XS5, XS6) – параллельно-контролируемой цепи. Выходы датчиков подключаются на входы ADC1, ADC2, ADC3 модуля
ввода/вывода. В целях улучшения наглядности набора схем в лабораторных работах представлены не помодульные электрические
схемы, а упрощенные электрические схемы. Вариант такой схемы
рассматривается на рис. 8.1. На данной схеме модуль питания стенда не показывается, так как с лицевой панели МПС не выполняется
никаких соединений. Хотя выводы обмоток статора и ротора асинхронного двигателя, а также вывода обмоток якоря и возбуждения
двигателя постоянного тока входят в состав силового модуля, однако на схеме (рис. 8.2) двигатель показан отдельным элементом. Это
сделано для того, чтобы не загромождать рисунок [6].
Модуль ввода/вывода на рисунке также не показывается, однако на выходах датчиков и ПЧН силового модуля показываются соответствующие входы модуля ввода/вывода.
23
9. РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО
ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: проведение опытов холостого хода и короткого
замыкания и расчет по данным этих опытов параметров схемы замещения и некоторых других зависимостей, характеризующих работу трансформатора при нагрузке, а также поведение трансформатора при внезапном коротком замыкании вторичной обмотки.
Тип исследуемого трансформатора – ОСМ1-0,160 220/5-42 У3.
ТУ 3413-011-02831277-99
Программа работы
1. Исследовать трансформатор в режиме опыта короткого замыкания;
– определить параметры схемы замещения трансформатора;
– рассчитать напряжение короткого замыкания в процентном
отношении, активную и реактивную составляющие.
2. Исследовать трансформатор в режиме холостого хода;
– измерить коэффициент трансформации;
– определить значение тока и мощности холостого хода при номинальном первичном напряжении;
– рассчитать параметры намагничивающего контура схемы замещения трансформатора.
3. Снять внешнюю характеристику трансформатора при активной нагрузке и сравнить ее с расчетной.
4. Рассчитать КПД трансформатора и построить зависимость
КПД от коэффициента нагрузки.
5. Рассчитать ток внезапного короткого замыкания.
Пояснение к работе
В лабораторной работе используются следующие модули:
– модуль питания стенда (МПС);
– модуль питания (МП);
– модуль измерителя мощности (МИМ);
– модуль автотрансформатора (ЛАТР);
– модуль однофазных трансформаторов (МОТ);
– силовой модуль (СМ);
– модуль ввода/вывода (МВВ).
Перед проведением работы необходимо привести модули в исходное состояние. Для этого при выключенных автоматических
выключателях QF1 и QF2 модулей питания стенда:
24
Таблица 9.1
Параметры трансформатора
Параметр
Единицы
измерения
Значение
Номинальная мощность
Номинальное напряжение первичной обмотки
Номинальное напряжение вторичной обмотки
Сопротивление первичной обмотки при 20°C
Сопротивление вторичной обмотки при 20°C
Частота питающей сети
В∙А
В
В
Ом
Ом
Гц
160
220
42
6,3
1,235
50
– установить переключатель SA1 модуля однофазных трансформаторов в положение «∞»;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР установить в нижнее положение, ручку автотрансформатора установить в крайнее положение против часовой стрелки.
В работе используется однофазный двухобмоточный трансформатор, параметры трансформатора указаны в табл. 9.1.
Для проведения данной работы на персональном компьютере
должно быть загружено ПО DeltaProfi и выбрана соответствующая
лабораторная работа.
1. Опыт короткого замыкания
Опыт короткого замыкания проводят при пониженном напряжении U1K, при котором ток в первичной обмотке трансформатора
I1k ≈ I1H. Схема для проведения опыта короткого замыкания трансформатора представлена на рис. 9.1.
Первичная обмотка трансформатора подключена через МИМ и
датчики тока и напряжения к регулируемому выходу переменного
тока модуля автотрансформатора (ЛАТР).
Автотрансформатор записывается напряжением ~220В от модуля МП. Выходы датчиков тока и напряжения соединяются с входами ADC1 и ADC2 МВВ.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить последовательно автоматические выключатели QF1
модуля питания стенда и QF2 модуля питания;
– включить кнопку «Сеть» МИМ;
– включить переключатель SA1 модуля ЛАТР. Установить такое напряжение, при котором ток первичной обмотки трансфор25
CM
ЛАТР
МП
ADC1
дт
ADC 2
дн
~220 В
МИМ
MOT
A
A1
A
A1
B
B1
W1
W2
C
C1
N
N
N
N1
Рис. 9.1. Схема короткого замыкания трансформатора
матора примерно равен номинальному току первичной обмотки
трансформатора:
S
I1H = H ,
U1H
где SH – полная номинальная мощность трансформатора, ВА.
Данные опыта занести в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Данные опыта
Расчетные данные
U1K
I1K
Pk
cos(ϕ1K)
zK
rK
xK
UK
UKA
UKR
В
А
Вт
о.е.
Ом
Ом
Ом
%
%
%
После проведения опыта ручку автотрансформатора установить
в крайнее левое положение, тумблер SA1 перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF1, QF2.
Из-за погрешности измерения активной мощности при опыте
короткого замыкания PK, значения индуктивного сопротивления
=
xK
2
2
zK
− rK
,
могут получиться отрицательными. Графики зависимостей опыта
короткого замыкания показаны на рис. 9.2.
26
P1K ., I1k ,cos ( ϕk ) =
f ( U1k ).
Характеристика короткого замыкания
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
30
1
25
20
15
10
5
2
3
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Напряжение короткого замыкания Uk
1
2
3
0
Ik=f(Uk)
cos(fi)=f(Uk)
Pk=f(Uk)
Рис. 9.2. График опыта короткого замыкания
трансформатора
В этом случае потери короткого замыкания могут быть получены через сопротивления обмоток трансформатора:
2
PK=
I1H
rK .200 ;rK=
r1,200 + r2,200 k2 ,
.200
.200
где k – коэффициент трансформации трансформатора.
Коэффициент мощности при опыте короткого замыкания
P
cos ( ϕ1K ) = K ,
I1K U1K
Полное, активное и индуктивное сопротивления трансформатора при опыте короткого замыкания (приводят к расчетной рабочей
температуре 75° С).
U
ZK = 1K ,
I1K
rK =
PK
I12K
,
27
=
xK
rK750 = rK
2
2
zK
− rK
,
310
0
235 + tÎÊÐ
. ÑÐ.
=
zK750 r 2
K750
,
+ xk2 .
Напряжение короткого замыкания в процентах, активная и реактивная составляющие, %
IH zK750
I1H rK750
=
UK % =
100,UKA % 100,
U1H
U1H
I x
UKR %= 1H K 100%.
U1H
2. Опыт холостого хода
Опыт холостого хода проводится при номинальном напряжении
первичной обмотки и разомкнутой вторичной обмотке трансформатора.
Схема для проведения опыта холостого хода представлена на
рис. 9.3.
МП
~220 В
ЛАТР
СМ
МИМ
A
B
C
N
дт
A1
B1
C1
N
A
MOT
A1
W1
W2
N
N1
Рис. 9.3. Схема для проведения опыта
холостого хода
28
ADC1
дн
ADC2
Первичная обмотка трансформатора подключена через модуль
МИМ и датчик тока к выходам ~U модуля автотрансформатора, который запитывается от модуля питания.
К выходам вторичной обмотки трансформатора подключен датчик напряжения.
Выходы датчиков тока и напряжения соединяются с входами
ADC1 и ADC2 модуля МВВ.
Опыт проводится в следующем порядке:
– включить последовательно автоматические выключатели QF1
модуля питания стенда и QF2 модуля питания;
– включить кнопку «Сеть» МИМ.
– перевести переключатель SA1 модуля автотрансформатора переводится в верхнее положение и рукояткой устанавливается выходное напряжения 220 В.
Данные опыта занести в табл. 9.3.
Таблица 9.3
Данные опыта
Расчетные данные
U1
I0
P0
U20
В
А
Вт
В
K
cosϕ0
zm
rm
xm
Ом
Ом
Ом
*
I0
По результатам полученных и расчетных данных опыта холостого хода строятся характеристики холостого хода зависимость тока
холостого хода первичной обмотки от напряжения первичной обмотки, коэффициента мощности холостого хода от напряжения первичной обмотки, напряжения холостого хода вторичной обмотки от
напряжения первичной обмотки (рис. 9.4). Зависимость мощности
холостого хода от напряжения первичной обмотки и коэффициента
трансформации от напряжения первичной обмотки (рис. 9.5).
P10 , I10 , cos ( ϕ )10 , k, U20 =
f ( U10 ).
После проведения опыта ручку автотрансформатора установить
в крайнее левое положение, тумблер SA1 перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF1, QF2.
Коэффициент трансформации трансформатора
k=
U1
.
U20
29
Характеристика холостого хода
0,4
50
3
2
45
0,35
40
0,3
35
1
0,25
30
0,2
25
0,15
20
15
0,1
10
0,05
0
5
0
20
40
60
80
0
100 120 140 160 180 200 220 240
Первичное напряжение U1
1
2
3
I10=f(U10)
cos(fi)=f(U10)
U20=f(U10)
Рис. 9.4. Графики холостого хода
трансформатора
Характеристика холостого хода
10
1
9
8
7
6
2
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240
Напряжение первичной обмотки U1
1
2
Рис. 9.5. Графики холостого хода
трансформатора
30
P10=f(U10)
k=f(U10)
Полное, активное и индуктивное сопротивления намагничивающего контура «Т» – образной схемы замещения трансформатора, Ом
U
zm ≈ z0 =1 ,
I0
P0
rm ≈ r0 =
,
I02
xm ≈ x0 =
2
2
zm
− rm
.
Коэффициент мощности при опыте холостого хода трансформатора
P
cos(ϕ0 ) = 0 .
I0U1
Ток холостого хода трансформатора в долях номинального тока
первичной обмотки трансформатора
I0* =
I0
,
I1H
где I1H– номинальный ток первичной обмотки трансформатора, А
I1H =
SH
.
U1H
3. Внешние характеристики трансформатора
Внешние характеристики представляют собой зависимости вторичного напряжения трансформатора от тока нагрузки
U2 = f(I2) при U1 = U1H = const; cosϕ2 = const.
Cхема для снятия внешних характеристик представлена на
рис. 9.6.
Однофазный трансформатор подключается к выходам ~ 220 В
модуля питания. Для создания нагрузки во вторичную цепь трансформатора включается регулируемое сопротивление модуля МОТ.
Контроль параметров в первичной обмотке осуществляется с помощью датчиков тока и напряжения модуля СМ.
Выходы датчиков тока и напряжения соединяются с входами
ADC1 и ADC2 модуля МВВ.
31
CM
МП
~220В
дт
ADC1
дн
ADC 2
A
MOT
A1
W1
W2
N
N1
X1
МИМ
A
A1
B
B1
C
C1
N
N
X2
Рис. 9.6. Схема для снятия внешней характеристики
трансформатора
Параметры вторичной цепи контролируются с помощью МИМ.
Опыт проводится в следующем порядке:
– переключатель SA1 модуля МОТ установить в положение «∞»,
что соответствует режиму холостого хода трансформатора.
– включить автоматические выключатели QF1 и QF2 модулей
питания;
– изменением положения переключателя SA1 модуля МОТ увеличивать нагрузку до тех пор, пока ток вторичной обмотки приблизительно не будет равен номинальному току,
S
I2H = H .
U2H
Данные опыта занести в табл. 9.4.
Таблица 9.4
Данные опыта
Расчетные данные
U1
U2
I2
В
В
А
kтр
kнг
I1
А
После проведения опыта переключатель SA1 модуля МОТ установить в положение «∞», отключить автоматические выключатели
QF2, QF1.
32
По расчетным данным построить внешнюю характеристику
трансформатора и зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки
I
kÍÃ = 2 .
I2H
Опытную и расчетную внешние характеристики трансформатора следует представить на одном графике и проанализировать их.
Расчетное значение вторичного напряжения U2 при нагрузке
в зависимости от коэффициента нагрузки находят из выражения
ΔU%

U2 U20  1 −
=
,
100 

где U20– напряжение вторичной обмотки трансформатора на холостом ходу (принимается из опытных данных), В.
Процентное изменение вторичного напряжения трансформатора
=
ΔU% KÍÃ ( UKA % × cos ϕ2 + UKR % × sin ϕ2 ),
где cos(ϕ2) = 1 для чисто активной нагрузки.
4. Коэффициент полезного действия трансформатора
Коэффициент полезного действия трансформатора определяют
только расчетным путем
2

P0H + KÍÃ
× PÊ.Í.750
η= 1 −
2
 KÍÃ × SH cosϕ2 + P0H + KÍÃ
× PÊ.Í.750


 100%,


где P0Н– потери холостого хода при номинальном напряжении первичной обмотки трансформатора, Вт;
PК.Н.750– потери короткого замыкания при номинальном токе,
приведенные к температуре 750 С, Вт
2
PÊ.Í.750 = I1H
rK 750 .
5. Ток внезапного короткого замыкания
По данным опыта короткого замыкания и найденным параметрам расчетным способом могут быть определены установившийся
и ударный ток внезапного короткого замыкания, А
33
IKH = I1H
100%
,
UK %
−πUKA % 

U % 
U1H 2 
=
iÊÓ
 1 + e KR .
zK 



По этим же данным можно построить кривую тока внезапного короткого замыкания в пределах 4–6 периодов для начальной
фазы включения αК ≈ 0, приняв ϕК ≈ 900 [1, 5, 6].
Уравнение кривой тока:
iK =
i'K
+ i''
K
−rK ωt
U
2
U
2 xK
e
=
− 1H
cos ( ωt ) + 1H
.
zK
zK
Контрольные вопросы
1. Почему ток холостого хода трансформатора очень мал и составляет несколько процентов от номинального тока?
2. Как объяснить, что при опыте короткого замыкания I1K ≈ I’2K?
3. Чем объяснить, что КПД трансформатора, как правило, определяют расчетным способом?
34
10. РАБОТА № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы: исследовать рабочие свойства генераторов постоянного тока с независимым возбуждением.
Программа работы
1. Изучить схему для экспериментального исследования генератора постоянного тока (ГПТТ), состав и назначение модулей, используемых в работе.
2. В лаборатории собрать схему для проведения каждого опыта
и провести пробное включение.
3. Снять характеристику холостого хода ГПТ независимого
возбужденияUя = f(iв) при Iя = 0 и n = const.
4. Снять характеристику короткого замыкания ГПТ независимого возбуждения Iя = f(iя) при Uя = 0 и n = const.
5. Снять внешнюю характеристику ГПТ независимого возбуждения Uя = f(Iя) при iя = const
6. Снять регулировочную характеристику ГПТ независимого
возбуждения Iя = f(Iя) при Uя = const.
7. Обработать результаты экспериментов и составить отчет по
работе.
Пояснение к работе
В лабораторной работе используются следующие модули:
– Модуль питания стенда (МПС);
– Модуль питания (МП);
– Модуль измерителя мощности (МИМ);
– Модуль ввода/вывода (МВВ);
– Модуль добавочных сопротивлений № 2 (МДС2);
– Силовой модуль (СМ);
– Модуль автотрансформатора (ЛАТР).
Генератор постоянного тока (М2) входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя асинхронную машину переменного тока (М1), а также импульсный датчик частоты вращения (М3). Загрузите программное обеспечение DeltaProfi и выберите соответствующую работу. Описание программного обеспечения
DeltaProfi приведено в приложении Б.
Параметры генератора постоянного тока ТИП – ПЛ-072 указаны в таблице 10.1.
35
Таблица 10.1
Параметры генератора
Параметр
Единицы
измерения
Значение
Номинальная мощность
Вт
180
Номинальное выходное напряжение
В
220
Номинальное напряжение возбуждения
В
200
Номинальная скорость вращения
об/мин
1500
Сопротивление обмотки возбуждения при 20о С
Ом
786,5
Сопротивление обмотки якоря при 20о С
Ом
26,2
1. Характеристика холостого хода ГПТ
независимого возбуждения.
Эта характеристика представляет собой зависимость Eя = f(iв)
Iя = 0, n = const и снимается для ГПТ независимого возбуждения согласно схеме, представленной на рис. 10.1.
В качестве приводного двигателя выступает асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором M1, запитываемый
трехфазным напряжением 3×380 В.Регулируемое напряжение постоянного тока подается в обмотку возбуждения LM машины постоянного тока от модуля автотрансформатора. В якорную цепь двига-
МП
А
B
C
~220 B N
МИМ
A
A1
B
B1
C
C1
N
CM
ADC3
ПЧН
M1
МДС2
RP1
N
ЛАТР
M2
LM
ДТ
ДН
Рис. 10.1. Схема для снятия характеристик ГПТ
независимого возбуждения
36
ADC1
ADC2
теля постоянного тока вводится сопротивление модуля МДС2.Ток
возбуждения рассчитывается по показаниям вольтметра модуля
автотрансформатора.
Выходы ДТ, ДН и ПЧН модуля СМ подключаются к входам А1,
А2 и А3 соответственно модуля МВВ. Установить все модули в начальное состояние, для чего при выключенных автоматах QF1,
QF2:
– Рукоятку регулировки выходного напряжения автотрансформатора установить в крайнее положение против часовой стрелки;
– Переключатель SA1 модуля автотрансформатора установить
в нижнее положение;
– Переключатель SA1 модуля МДС2 установить в положение
«∞».
Опыт проводится в следующей последовательности:
– Включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП. Генератор
постоянного тока приводится во вращение и при iв = 0 измеряют напряжение от потока остаточной индукции. Данные занести в табл. 4;
– Включить переключатель SA1 модуля автотрансформатора,
ручкой автотрансформатора установить номинальное напряжение
возбуждения 220В, при этом необходимо учитывать, что напряжение после диодного выпрямителя отличается от входного напряжения на kф = 1,11:
U
Uîâ = âõ .
1,11
– Изменять ток возбуждения поворотом ручки автотрансформатора (изменение напряжения возбуждения) рис. 10.2.
Данные опыта занести в табл. 10.2.
Таблица 10.2
Uâõ В
Uîâ В
Iîâ А
Uÿ В
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное положение. Ручку автотрансформатора вывести
37
250
200
Напряжение якоря, В
150
100
50
0
–0,3
–0,2
–0,1
–50
0
0,1
0,2
0,3
–100
–150
–200
–250
Ток возбуждения, А
U0=f(I в)
Рис. 10.2. График холостого хода генератора с независимым
возбуждением
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
Ток возбуждения рассчитывается по известным напряжению
обмотки возбуждения и сопротивлению обмотки возбуждения (таблица параметров генератора),
U
Iâ = â .
Râ
По данным опыта построить характеристику холостого хода и
определить степень насыщения магнитной цепи ГПТ при номинальной ЭДС,
Eÿí
= Uí + Iÿí Rÿ ,
где Uí – номинальное напряжение; Rя – сопротивление цепи якоря
(табл. 10.1).
Коэффициент насыщения kµ определяется отношением отрезков
AC к АВ:
AC
kµ =
,
AB
где AC – МДС всей магнитной цепи, AB – МДС воздушного зазора.
38
При kµ < 1,2 –магнитная цепь слабо насыщена, при kµ = 1,2…1,35 –
умеренно насыщена и при kµ > 1,35 – сильно насыщена.
2. Характеристика короткого замыкания ГПТ
независимого возбуждения
Ток короткого замыкания, А
Эта характеристика представляет собой зависимость Iя = f(id)
при Uÿ = 0 и n = const и снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко рис. 10.3.
Установить модули в исходное состояние:
– Переключатель SA1 модуля автотрансформатора установить
в нижнее положение;
– Ручку автотрансформатора установить в крайнее положение
против часовой стрелки;
– Переключатель SA1 модуля МДС2 установить в положение «0».
Опыт проводится в следующей последовательности:
– Включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно, запустится приводной двигатель;
– При iв = 0 снять значение Iя (из-за наличия остаточного магнитного потока ток якоря может быть отличен от нуля), данную
точку занести в табл. 5;
– Переключатель SA1 модуля автотрансформатора перевести
в верхнее положение;
– Ручкой автотрансформатора увеличивать ток возбуждения до
тех пор, пока Iя = 1,25Iн. Данные занести в табл. 10.3.
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,005 0,01
0,015 0,02
Ток возбуждения, А
0,025 0,03
0,035 0,04
0,045
Iк=f(Iв)
Рис. 10.3. График короткого замыкания
39
Таблица 10.3
Iâ A
Iÿ A
– После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное положение. Ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР провести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
3. Внешняя характеристика ГПТ независимого
возбуждения
Эта характеристика снимается на понижение напряжения при
постоянном токе возбуждения.
Характеристика снимается по схеме, изображенное на рис. 10.4.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– Переключатель SA1 модуля МДС2 перевести в положение «∞»;
– Включить автоматические выключатели QF1 и QF2 модулей
МПС и МП соответственно;
– Переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
200
Напряжения якоря, В
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0,2
0,4
Ток нагрузки, А
0,6
0,8
1
1,2
U=f(Iя)
Рис. 10.4. График внешней характеристики генератора
с независимым возбуждением
40
1,4
– Ручкой модуля автотрансформатора изменять выходное напряжение автотрансформатора и установить такой ток возбуждения, при котором Uя было бы равно напряжению генератора с независимым возбуждением при Iя = 0 (табл. 4) и этот ток возбуждения
поддерживать постоянным.
– Изменяя переключателем SA1 модуля МДС2 сопротивление
в сторону уменьшения, увеличивают ток нагрузки или ток генератора от Iя до Iя = 1,25Iян.
Внимание! SA1 не выводить в положение «0».
Данные опыта занести в табл. 10.4.
Таблица 10.4
Iя, А
Iв = Uя, В
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние. Ручку автотрансформатора вывести против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести
в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
5. Регулировочная характеристика ГПТ
независимого возбуждения
Эта характеристика представляет зависимость Iв = f(Iя) при
Uя = const и n = const (рис. 10.5).
Опыт проводится по схеме, представленной на рис.23.Привести
модули в исходное состояние:
– Переключатель SA1 модуля автотрансформатора установить
в нижнее положение;
– Ручку автотрансформатора установить в крайнее положение
против часовой стрелки;
– Переключатель SA1 модуля МДС2 установить в положение
«∞», что обеспечивает холостой ход генератора.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– Включить автоматические выключатели QF1 и QF2 модулей
МПС и МП соответственно;
– Переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– Плавно вращая ручку автотрансформатора, установить Uя которое было при номинальном токе Iя при снятии внешней характеристики (табл. 6). Эту точку заносят в табл. 7;
41
Ток возбуждения, А
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,2
0,4
0,6
Ток нагрузки, А
0,8
1
1,2
1,4
Iв=f(Iя)
Рис. 10.5. График регулеровочной характеристики
Изменяя положение переключателя SA1 модуля МДС2 от положения «∞» в сторону уменьшения, увеличивают ток якоря, сохраняя при этом напряжение генератора. Это достигается увеличением тока возбуждения вращением ручки автотрансформатора по часовой стрелке. Внимание! SA1 модуля добавочных сопротивлений
№ 2 не выводить в положение «0». Напряжение обмотки возбуждения не устанавливать выше 220В!
Данные опыта заносятся в табл. 10.5.
Таблица 10.5
Iя, А
Uвх, В
Uов, В
Uя = Iв, А
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное положение. Ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1 [1, 4,
5, 6].
42
Контрольные вопросы
1. При каких условиях происходит самовозбуждение ГПТ параллельного возбуждения?
2. Почему внешняя характеристика генератора параллельного
возбуждения более мягкая, т. е. напряжение на зажимах генератора значительно уменьшается с нагрузкой по сравнению с генератором независимого возбуждения?
3. Определить коэффициент насыщения магнитной системы
ГПТ при напряжении, которое соответствует номинальному току
генератора независимого возбуждения.
43
11. РАБОТА № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы: Ознакомиться со способами пуска двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, исследовать механические, рабочие и регулировочные свойства двигателя.
Программа работы
1. Изучить схему экспериментального исследования электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения (в дальнейшем изложении ДПТПВ), состав и назначение модулей, используемых в работе.
2. Собрать схему для экспериментального исследования ДПТПВ.
Провести пробное включение.
3. Снять естественную механическую характеристику.
4. Снять искусственную механическую характеристику при введении сопротивления в цепь якоря.
5. Снять искусственную механическую характеристику при ослаблении магнитного потока.
6. Снять рабочие характеристики ДПТПВ.
7. Снять регулировочные характеристики двигателя при изменении напряжения, подводимого к зажимам двигателя.
8. Снять регулировочные характеристики двигателя посредством ослабления магнитного потока.
9. Провести обработку экспериментальных данных, составить
отчет и сделать заключение по работе.
Пояснения к работе
В лабораторной работе используются следующие модули:
– модуль питания стенда (МПС);
– модуль питания (МП);
– модуль автотрансформатора (ЛАТР);
– силовой модуль (СМ);
– модуль добавочных сопротивлений № 1 (МДС 1);
– модуль добавочных сопротивлений № 2(МДС 2);
– модуль измерительный(МИ);
– (модуль ввода/вывода(МВВ).
В табл. 5 указаны параметры двигателя постоянного тока.
44
Перед проведением лабораторной работы необходимо привести
модули в исходное состояние:
– переключатель SA1 модуля ЛАТР установить в нижнее положение, ручку автотрансформатора установить в крайнее положение против часовой стрелки;
– переключатель SA1 МДС1 установить в положение «∞»;
– переключатель SA1 МДС2 установить в положение «0»;
– переключатель SA2 МДС2 установить в положение «0»;
Исследуемая машина постоянного тока входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя собственно исследуемую
машину постоянного тока М2, нагрузочную машину – машину переменного тока – М1 и импульсный датчик скорости М3.
Для проведения работы на персональном компьютере должно
быть загружено по DeltaProfi и выбрана соответствующая лабораторная работа.
Описание программного обеспечения DeltaProfi приведено
в приложении Б.
1. Естественная механическая характеристика двигателя
параллельного возбуждения
Естественная механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой зависимость скорости
от момента нагрузки при постоянном значении напряжения на зажимах двигателя и отсутствии дополнительного сопротивления
в цепи якоря:
n = f ( Mí ) при Uÿ = const , is = const и Räÿ = 0 .
Схема для снятия естественной механической характеристики
двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, представлена на рис. 11.1.
Якорная цепь через добавочное сопротивление RP1 модуля
МДС2 и обмотка возбуждения через добавочное сопротивление RP2
модуля МДС2 двигателя постоянного тока подключается к регулируемому источнику постоянного тока модуля ЛАТР.
Две обмотки асинхронного двигателя подключаются через добавочные сопротивления (МДС1) к сети постоянного тока «220 В» модуля МП (асинхронная машина работает в режиме динамического
торможения). Сопротивления модуля МДС1 включаются в параллель.
45
CM ПЧН ADC3
ДН
ДТ
ADC2
ADC1
ЛАТР
МП
~220B
RP2
МДС2
RP1
M2
LM
= 220B
МДС 1
M1
A
Рис. 11.1. Схема для снятия естественной механической
характеристики
Значения тока якоря Iя, напряжения Uя, частоту вращения наблюдать на экране персонального компьютера. Для этого выходы
датчиков тока и напряжения, а также выход ПЧН силового модуля
соединяются с входами ADC1, ADC2, ADC3 модуля ввода/вывода.
Значение частоты вращения можно наблюдать на индикаторе
силового модуля.
Значение тока динамического торможения наблюдать по амперметру модуля МИ.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– переключатель SA1 модуля автотрансформатора перевести
в верхнее положение;
– ручкой автотрансформатора установить номинальное напряжение Uя = Uн = 220 В, произвести первое измерение;
– изменяя положение переключателя SA1 модуля МДС1 задавать ток динамического торможения, тем самым нагружая ДПТ до
тех пор, пока ток якоря не достигнет значения 1,5 А.
Ток динамического торможения не должен превышать 1,3 А.
Внимание! SA1 не выводить в положение «0»;
Данные опыта занести в табл.11.1.
46
Таблица 11.1
n, об/мин
Iя, А
Uя, В
ω, рад/с
kФ, В∙с/рад
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
Ток, протекающий по обмотке возбуждения, А
U
Iâ = â ,
Râ
где Uв– напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, В; RB –
сопротивление обмотки возбуждения (табл. 5), Ом.
Момент, развиваемый электродвигателем, Нм.
M
= kô ΦIÿ ,
kô =
Uÿ − Iÿ rÿ
,
ω
где ω – частота вращения электродвигателя, рад/с.
2. Искусственная механическая характеристика двигателя
параллельного возбуждения
Искусственная механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой зависимость скорости
от момента нагрузки при постоянном значении напряжения на зажимах двигателя при введении дополнительного сопротивления
в цепи якоря: n = f(M) при U = const, iя = const.
Схема для снятия искусственной механической характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, представлена на рис. 11.1.
Опыт проводится следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– переключатель SAI модуля ЛАТР перенести в верхнее положение;
47
– ручкой автотрансформатора установить номинальное напряжение Uя = Uн = 220 В;
– переключатель SA1 модуля МДС2 установить в положение
отличное от нуля (значение сопротивления задается преподавателем), произвести первое измерение;
– изменяя положение переключателя SA1 модуля МДС1 задавать ток динамического торможения, тем самым нагружая ДПТ до
тех пор, пока ток якоря не достигнет значения 1.5 А.
Ток динамического торможения не должен превышать 1.3 А.
Внимание! SA1 не выводить в положение «0»;
Данные опыта занести в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Rя, Ом
n, об/мин
Iя, А
Uя, В
ω, рад/c
kф, В∙с/рад
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
3. Искусственная механическая характеристика ДПТПВ
при ослаблении магнитного потока
Искусственная механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой зависимость скорости
от момента нагрузки при постоянном значении напряжения на зажимах двигателя при введении дополнительного сопротивления
в цепь обмотки возбуждения: n = f(M) при U = const.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– ручкой автотрансформатора установить номинальное напряжение Uя = Uн = 220 В;
48
– переключатель SA2 модуля МДС2 установить в положение
отличное от нуля (значение сопротивления задается преподавателем), произвести первое измерение;
– изменяя положение переключателя SA1 модуля МДС1 задавать ток динамического торможения, тем самым нагружая ДПТ до
тех пор, пока ток якоря не достигнет 1,5 А.
Ток динамического торможения не должен превышать 1,3 А.
Внимание! SA1 не выводить в положение «0».
Данные опыта занести в табл. 11.3.
Таблица 11.3
Rв, Ом
n, об/мин
Iя, А
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
4. Рабочие характеристики ДПТПВ
Рабочие характеристики двигателя представляют собой зависимости частоты вращения, электромагнитного момента, тока
якоря и КПД от полезной мощности навалу двигателя при постоянном значении напряжения на зажимах двигателя n или ω, М, Iя,
η = f(P2) при Uя = const, is = const.
Схема для снятия рабочих характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения представлена на рис. 11.1.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1, QF2;
– включить SA1 модуля автотрансформатора и установить напряжение Uя = 0,75Uян и произвести первое измерение;
– изменяя положение переключателя SA1 модуля МДС1 задавать ток динамического торможения, тем самым нагружая ДПТ до
тех пор, пока ток якоря не достигнет 1,5 А.
Ток динамического торможения не должен превышать 1,3 А.
Внимание! SA1 не выводить в положение «0»;
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
49
Мощность, подводимая к якорю двигателя, Вт
Pÿ = Uÿ Iÿ .
Электрические потери в цепи якоря, Вт
ΔPýë.ÿ. =
Iÿ2rÿ20 ,
где rя – сопротивление якорной цепи (табл. 10.1), Ом.
Данные опыта занести в табл.11.4.
Электрические потери в цепи возбуждения, Вт
ΔPýë.â. =
Iâ2râ20 ,
где Iв – ток возбуждения ДПТ, А.
iâ =
Uâ
râ
,
где râ – сопротивление обмотки возбуждения (табл. 10.1).
Мощность, подводимая к ДПТ, Вт
P=
1 Pÿ + ΔPýë.â .
Таблица 11.4
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
ω, рад/c
Iв, А
Pя, Вт
ΔPэл.я., Вт
ΔPэл.в., Вт
P1, Вт
Ся
М, Нм
I, А
М1, Нм
М2, Нм
P2, Вт
η, %
50
Электромагнитный момент, Нм
Ì = Ñì Iÿ ,
где См принимается в зависимости от угловой частоты вращения
(Приложение А).
Момент холостого хода двигателя, пропорциональный механическим потерям и потерям в стали, Нм
M0 = Ñì Iÿ 0 ,
где Iя0 принимается в зависимости от угловой частоты вращения
(Приложение А).
Полезный момент на валу ДПТ, Нм
M=
2 M − M0 .
Полезная мощность на валу двигателя, Вт
Ð2 = ωM2 .
Коэффициент полезного действия, %
P
η = 2 100%.
P1
По данным табл.11.4 построить рабочие характеристики.
5. Регулировочные характеристики двигателя при изменении
напряжения, подводимого к зажимам двигателя
Схема для снятия регулировочных характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, представлена на рис. 11.1.
Частота вращения двигателей постоянного тока определяется
выражением
U −I R
n= ÿ ÿ ÿ,
Cÿ Φ
Снятие регулировочных характеристик при изменении напряжения, подводимого к зажимам двигателя, проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2;
– включить SA1 модуля автотрансформатора и установить ручкой напряжение Uя = Uян;
– изменением положения переключателя SA1 МДС1 нагружают
ДПТ до тех пор, пока ток якsоря ДПТ не достигнет примерно зна51
Таблица 11.5
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
ω, рад/c
Iв, А
Pя,Вт
ΔPэл.я., Вт
ΔPэл.в., Вт
P1,Вт
Ся
М, Нм
I, А
М1, Нм
М2, Нм
P2, Вт
η, %
чений Iя = 0,5Iян и это положение переключателя оставляют неизменным, что соответствует М2 = const;
– изменять положение переключатся SA1 модуля МДС2 таким
образом, чтобы напряжение на зажимах цепи якоря Uяуменьшалось
примерно до 0,5Uян.
Полученные данные занести в табл. 12.
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
Расчетные данные вычисляются так же, как при снятии рабочих характеристик.
По данным табл. 11.5 построить зависимости n = f(Uя) и η = f(Uя).
6. Регулировочные характеристики двигателя посредством
ослабления магнитного потока
Снятие регулировочной характеристики посредством ослабления магнитного потока осуществляется при отсутствии добавочно52
го сопротивления в цепи якоря и постоянном напряжении на зажимах двигателя: Uя = const и Rя = 0.
Схема для снятия регулировочных характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, представлена на рис. 28.
Частота вращения двигателей постоянного тока определяется
выражением
U −I R
n= ÿ ÿ ÿ.
ÑÅ Φ
Снятие регулировочных характеристик посредством ослабления магнитного потока проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2;
– включить SA1 модуля автотрансформатора и установить ручкой напряжение Uя = Uян;
– изменением положения переключателяSA1 МДС1 нагружают
ДПТ до тех пор, пока ток якоря ДПТ не достигнет примерно значений Iя = 0,5Iян и это положение переключателя оставляют неизменным, что соответствуют М2 = const;
Таблица 11.6
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
ω, рад/c
iв, А
Pя, Вт
ΔPэл.я., Вт
ΔPэл.в., Вт
P1, Вт
Ся
М, Нм
I, А
М1, Нм
М2, Нм
P2, Вт
η, %
53
– переключателем SA2 модуля МДС2 вводить сопротивление
в цепь обмотки возбуждения, тем самым ослабляя магнитный поток. Частота вращения не должна превышать 2000 об/мин.
Полученные данные занести в табл. 11.6.
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
Мощность, подводимая к двигателю, Вт
P1 = Uÿ Iÿ + iâ2 ( râ + Râä ),
где Rвд – добавочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.
Остальные расчетные данные вычисляются так же, как при снятии рабочих характеристик [1, 4, 5, 6].
По данным табл. 11.6 построить зависимости n = f(iв) и η = f(iв).
Контрольные вопросы
1. Как изменить направление вращения ДПТ?
2. Почему у ДПТ возрастает ток якоря при увеличении нагрузки
на его валу?
3. Почему при уменьшении тока возбуждения частота вращения
ДПТ возрастает?
4. Как должен изменяться ток якоря при уменьшении тока возбуждения и постоянном моменте сопротивления на валу двигателя?
5. Как изменится вид механической характеристики двигателя,
если ввести в цепь якоря регулировочное сопротивление Rpг?
54
12. РАБОТА № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы: Ознакомиться со способами пуска двигателя независимого возбуждения, исследовать механические, рабочие и регулировочные свойства двигателя.
Программа работы
1. Изучить схему для экспериментального о исследования электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения (в дальнейшем изложении ДПТНВ). состав и назначение модулей, используемых в работе.
2. Собрать схему для экспериментального исследования ДПТНВ.
Провести пробное включение.
3. Снять естественную механическую характеристику.
4. Снять искусственную механическую характеристику при введении сопротивления в цепь якоря.
5. Снять искусственную механическую характеристику при ослаблении магнитного потока.
6. Снять искусственную механическую характеристику при пониженном напряжении якорной цепи.
7. Снять рабочие характеристики ДПТНВ.
8. Снять регулировочные характеристики двигателя при изменении напряжения, подводимого к зажимам двигателя.
9. Снять регулировочные характеристики двигателя посредством ослабления магнитного потока.
10. Провести обработку экспериментальных данных, составить
отчет и сделать заключение по работе.
Пояснения к работе
В лабораторной работе используются следующие модули:
– модуль питания стенда (МПС);
– модуль питания (МП);
– модуль тиристорного преобразователя (ТП);
– силовой модуль (СМ);
– модуль автотрансформатора (ЛАТР);
– модуль добавочных сопротивлений (МДС2);
– модуль ввода/вывода (МВВ).
Перед проведением лабораторной работы необходимо привести
модули в исходное состояние:
55
– кнопку «Сеть» модуля ТП перевести в нижнее положение, переключатель SA6 в нижнее положение. ТП должен быть переведен
в режим регулирования скорости (Приложение Д):
– переключатель SA1 модуля ЛАТР установить в нижнее положение, ручку автотрансформатора установить в крайнее левое положение;
– переключатели SA1, SA2 МДС2 установить в положение «0».
Исследуемая машина постоянного тока входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя собственно исследуемую
машину постоянного тока М2, нагрузочную машину – машину переменного тока – M1 и импульсный датчик скорости М3.
Для проведения работы на персональном компьютере должно
быть загружено ПО DeltaProfi и выбрана соответствующая лабораторная работа.
Описание программного обеспечения DeltaProfi приведено
в приложении Б.
Схема для исследования двигателя постоянного тока независимого возбуждения, представлена на рис. 12.1.
Якорная цепь ДПТ через добавочное сопротивление RP1 модуля
МДС2 и датчики тока и напряжения подключается к выходу Um тиристорного преобразователя Обмотка возбуждения через добавочCM ПЧН ADC 3
ADC2
ДН
ADC1
ДТ
тп
Uтп
M2
Uов
МП
~220 B
ЛАТР
M1
= 220 B
Рис. 12.1. Схема для исследования двигателя
независимого возбуждения
56
МДС2
RP1 RP2
LM
ное сопротивление RP2 модуля МДС2 подключается к нерегулируемому источнику постоянного тока Uob модуля ТП.
Выходы ДТ, ДН и ПЧН модуля СМ подключаются к входам
ADC1, ADC2 и ADC3 соответственно модуля ввода/вывода.
Асинхронный двигатель подключается к регулируемому источнику постоянного тока модуля ЛАТР. Асинхронный двигатель работает в режиме динамического торможения.
1. Естественная механическая характеристика ДПТНВ
Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения представляет собой зависимость скорости от момента нагрузки при постоянном значении
напряжения на зажимах двигателя и отсутствии дополнительного
сопротивления в цепи якоря:
n = f(MH) при Uя = const, iB = const и Rдя = 0.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление
вращения, потенциометром RP1 установить напряжение 200 В;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн – ток динамического торможения контролируется приборами
модуля ЛАТР.
Данные опыта занести в табл. 12.1.
Таблица 12.1
n, об/мин
Iя, А
М, Н м
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние.
Момент на валу двигателя, Н м
M = CM ÔIß ,
57
ÑM Ô =
UÍ
.
ω0
где Uh – номинальное напряжение ДПТ (Приложение Б); ω0 – синхронная частота вращения ДПТ (Приложение Б).
По данным табл. 12.1 построить характеристики n = f(MH),
n = f(Iя).
2. Искусственная механическая характеристика ДПТНВ
при введении сопротивления в цепь якоря
Искусственная механическая характеристика двигателя независимого возбуждения представляет собой зависимость скорости
от момента нагрузки при постоянном значении напряжения на
зажимах двигателя и введении дополнительного сопротивления
в цепь якоря:
n = f(Мн) при Uя = const, iB = const.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– переключатель SA1 модуля МДС2 установить в положение отличное от нуля, произвести первое измерение;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление
вращения, потенциометром RP1 установить напряжение 200 В;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн – ток динамического торможения контролируется приборами
модуля ЛАТР.
Данные опыта занести в табл. 12.2.
Таблица 12.2
Rя
n, об/мин
Iя, А
М, Н м
58
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние.
По данным табл. 12.2 построить характеристики n = f(MH),
n = f(Iя).
3. Искусственная механическая характеристика ДПТНВ
при ослаблении магнитного потока
Искусственная механическая характеристика двигателя независимого возбуждения представляет собой зависимость скорости
от момента нагрузки при постоянном значении напряжения на
зажимах двигателя и введении дополнительного сопротивления
в цепь обмотки возбуждения: n = f(Мн) при Uя = const, iB = const.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление
вращения, потенциометром RP1 установить напряжение 200 В;
– переключатель SA2 модуля МДС2 установить в положение отличное от нуля. Частота вращения не должна превышать 2000 об/
мин, произвести первое измерение;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее измерение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн – ток динамического торможения контролируется приборами модуля ЛАТР.
Данные опыта занести в табл. 12.3.
Таблица 12.3
Rв
n, об/мин
Iя, А
М, Н м
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние.
По данным табл. 12.3 построить характеристики n = f(MH),
n = f(Iя).
59
4. Искусственная характеристика при пониженном
напряжении якорной цепи
Искусственная механическая характеристика двигателя независимого возбуждения при пониженном напряжении снимается
при пониженном напряжении якорной цепи и номинальном потоке возбуждения машины: n = f(MH) при Uя = const, iB = const.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление
вращения, потенциометром RP1 установить напряжение по указанию преподавателя;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн – ток динамического торможения контролируется приборами модуля ЛАТР.
Данные опыта занести в табл. 12.4.
Таблица 12.4
Uя
n, об/мин
Iя. А
М, Н м
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние [4, 5, 6].
По данным табл. 12.4 построить характеристики n = f(Мн),
n = f(Iя).
5. Рабочие характеристики ДПТНВ
Рабочие характеристики двигателя представляют собой зависимости частоты вращения, электромагнитного момента, тока якоря и КПД от полезной мощности на валу двигателя при постоянном значении напряжения на зажимах двигателя n или ω; М, Iя,
η = f(P2) при Uя = Uян = const, iв = const.
60
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1, QF2;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление
вращения, потенциометром RP1 установить напряжение Uя = 0,75Uян;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн – ток динамического торможения контролируется приборами
модуля ЛАТР;
– по мере увеличения нагрузки потенциометром RP1 модуля ТП
поддерживать выходное напряжение преобразователя на уровне
заданного.
Данные опыта занести в табл. 12.5
После проведения опыта установить все переключатели модулей
в исходное состояние.
Таблица 12.5
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
ω, рад/c
iв, А
Pя, Вт
ΔPэл.я., Вт
ΔPэл.в., Вт
P1, Вт
Ся
М, Нм
I, А
М1, Нм
М2, Нм
P2, Вт
η, %
61
Мощность, подводимая к якорю двигателя, Вт
Ðß = Uß Iß .
Электрические потери в цепи возбуждения, Вт
PÝË.Â. = iâ2râ20° ,
где rв – сопротивление обмотки возбуждения (табл. 10.1);
Мощность, подводимая к ДПТ, Вт
P=
1 Pÿ + Pýë.â .
Электромагнитный момент, Нм
M = CM Iß ,
где См – принимается в зависимости от угловой частоты вращения
(Приложение А).
Момент холостого хода двигателя, пропорциональный механическим потерям и потерям в стали, Н м
M0 = CM I A 0 ,
где Iд0 – принимается в зависимости от угловой частоты вращения
(Приложение А).
Полезный момент на валу ДПТ, Нм
M=
2 M − M0 .
Полезная мощность на валу двигателя, Вт
P2 = ωM2 .
КПД, %
P
η = 2 100%.
P1
По данным табл. 12.5 построить рабочие характеристики.
6. Регулировочные характеристики двигателя
при изменении напряжения, подводимого
к зажимам двигателя
Частота вращения двигателей постоянного тока определяется
выражением:
U −I R
n= ß ß ß.
CE Ô
62
Снятие регулировочных характеристик при изменении напряжения, подводимого к зажимам двигателя, проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление
вращения,
– потенциометром RP1 установить напряжение Uя = 200 В;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн – ток динамического торможения контролируется приборами модуля ЛАТР;
– изменять положение RP1 модуля ТП таким образом, чтобы
напряжение на зажимах цепи якоря Uя уменьшалось примерно до
0,5Uян.
Полученные данные занести в табл. 12.6.
Таблица 12.6
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
ω, рад/c
iв, А
Pя, Вт
ΔPэл.я., Вт
ΔPэл.в., Вт
P1, Вт
Ся
М, Нм
I, А
М1, Нм
М2, Нм
P2, Вт
η, %
63
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние.
Расчетные данные вычисляются так же, как при снятии рабочих характеристик.
По данным табл. 12.6 построить зависимости n = f(Uя) и η = f(Iя).
7. Регулировочные характеристики двигателя
посредством ослабления магнитного потока
Снятие регулировочной характеристики посредством ослабления магнитного потока осуществляется при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря и постоянном напряжении на зажимах двигателя: Uя = const и Rкд = 0.
Частота вращения двигателей постоянного тока определяется
выражением:
U −I R
n= ß ß ß.
CE Ô
Снятие регулировочных характеристик посредством ослабления магнитного потока проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно;
– подать разрешение на работу ТП (SA6) и, задав направление вращения, потенциометром RP1 установить напряжение Uя = 200 В;
– переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– изменяя положение ручки автотрансформатора задавать ток
динамического торможения, тем самым, нагружая ДПТ до тех пор,
пока ток якоря не достигнет 1,5 А или ток статора не достигнет
Iс = Iн. Ток динамического торможения контролируется приборами
модуля ЛАТР;
– переключателем SA2 модуля МДС2 вводить сопротивление
в цепь обмотки возбуждения, тем самым ослабляя магнитный поток, частота вращения не должна превышать 2000 об/мин.
– если при проведении опыта ток возбуждения уменьшится
ниже минимально допустимого, тиристорный преобразователь выключится и сработает светодиод «Защита». В этом случае следует
выключить питание ТП, увеличить ток возбуждения.
После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние [4, 5, 6].
64
Таблица 12.7
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
ω, рад/c
iв, А
Pя, Вт
ΔPэл.я., Вт
ΔPэл.в., Вт
P1, Вт
Ся
М, Нм
I, А
М1, Нм
М2, Нм
P2, Вт
η, %
Мощность, подводимая к двигателю, Вт
2
P1 =
Uß Iß + iÂ
( râ 20 + Râä ).
Остальные расчетные данные вычисляются так же, как при снятии рабочих характеристик.
По данным табл. 12.7 построить зависимости n = f(iв) и η = f(iв).
Полученные данные занести в табл. 12.7.
Контрольные вопросы
1. Как изменить направление вращения ДПТ?
2. Почему у ДПТ возрастает ток якоря при увеличении нагрузки
на его валу?
3. Почему при уменьшении тока возбуждения частота вращения
ДПТ возрастает?
4. Как должен изменяться ток якоря при уменьшении тока возбуждения и постоянном моменте сопротивления на валу двигателя?
5. Как изменится вид механической характеристики двигателя,
если ввести в цепь якоря добавочное сопротивление Rдя?
65
13. РАБОТА № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ
РОТОРОМ
Цель работы: Исследование рабочих свойств асинхронного двигателя путем снятия соответствующих опытных характеристик.
Программа работы
1. Изучить схемы для исследования асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
2. Исследовать двигатель в режиме короткого замыкания.
3. Исследовать двигатель в режиме холостого хода.
4. Снять рабочие характеристики двигателя по методу непосредственной нагрузки.
5. Снять рабочие характеристики при изменении частоты.
6. По опытам холостого хода и короткого замыкания рассчитать
параметры двигателя, построить схему замещения.
7. Провести обработку экспериментальных данных, составить
отчет и сделать заключение по работе.
Пояснения к работе
В лабораторной работе используются следующие модули:
– модуль питания стенда (МПС);
– модуль питания (МП);
– модуль автотрансформатора (ЛАТР);
– силовой модуль (СМ);
– преобразователь частоты (ПЧ);
– модуль измерителя мощности (МИМ);
– модуль добавочных сопротивлений № 1 (МДС1);
– модуль добавочных сопротивлений № 2 (МДС2);
– модуль ввода/вывода (МВВ).
Перед проведением лабораторной работы необходимо привести
модули в исходное состояние:
– переключатель SA1 МДС1 установить в положение «∞»;
– переключатель SA1 МДС2 установить в положение «∞».
– переключатель SA1 модуля ЛАТР установить в нижнее положение, ручку автотрансформатора установить в крайнее левое положение.
Исследуемый асинхронный двигатель входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя собственно исследуе66
Таблица 13.1
Параметр
Тип
Единицы
измерения
Значение
-
АИС-71В4У3/АИР-63В4У3
Мощность
Вт
370
Номинальное линейное напряжение обмотки статора
В
380
Номинальная частота вращения
об/мин
1370/1320
Номинальный ток фазы статора
при соединении фаз в звезду
А
1,37/1,18
Номинальный ток ротора
А
1
Коэффициент мощности
о.е.
0,7
Число пар полюсов
шт.
2
Номинальный момент
Нм
1,4
Активное сопротивление статора
при 200С
Ом
22,28
Активное сопротивление ротора
при 200С
Ом
25
Механические потери
Вт
11
КПД
%
68
МП
А
B
C
N
~ 220B
МДС1
A
МИМ
A1
B
C
B1
C1
N
N
CM
M1
ПЧН
ЛАТР
+
ADC3
МДС2
RP1
LM
M2
ДТ
ADC1
−
ДН ADC2
Рис. 13.1. Схема для исследования асинхронного
электродвигателя
67
мый двигатель M1, нагрузочный генератор – машину постоянного
тока – М2. Параметры двигателя приведены в таблице 13.1.
Для проведения работы на персональном компьютере должно
быть загружено ПО Labdrive и выбрана соответствующая работа.
Описание программного обеспечения DeltaProfiприведено в приложении Б.
Схема для исследования асинхронного электродвигателя представлена на рис. 13.1.
1. Опыт короткого замыкания асинхронного двигателя
Опыт короткого замыкания проводится при неподвижном (заторможенном роторе) s = 1 и пониженном напряжении, при котором
ток статора примерно равен номинальному току статора I1К = I1Н.
Торможение двигателя осуществляется путем установки металлического стержня в отверстие полумуфты.
Понижение напряжения достигается включением добавочного
сопротивления в цепь статора.
Ток статора, напряжение статора и мощность двигателя измеряются модулем МИМ.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматические выключатели QF1 и QF2 соответственно модулей МПС и МП;
– переключателем SA1 МДС1 вводить сопротивление в цепь статора до тех пор, пока ток статора примерно будет равен номинальному току статора. Это точку необходимо зафиксировать в табл. 13.2.
Данные занести в табл. 13.2.
Таблица 13.2
Данные опыта
U1фк
В
Расчетные данные
I1фк P1фк cos(ϕ1к) P1к ΔPЭЛ.1 ΔPСТ PЭМ.К MЭМ.К. MП*
А
Вт
о.е.
Вт
Вт
Вт
Вт
Нм
о.е.
IK*
о.е.
После проведения опита установить все переключатели модулей
в исходноесостояние.
Удалить металлический стержень из электромагнитного агрегата.
По данным опыта короткого замыкания определить пусковой
ток, пусковой момент при s = 1.
68
Электромагнитный момент при опыте короткого замыкания, Нм
ÌÝÌ Ê =
PÝÌ Ê
,
ω1
или
Ð
ÌÝÌ Ê = ÝÌ Ê .
2πn1
60
где PЭМ.К – электромагнитная мощность при опыте короткого замыкания, Вт
PÝÌ Ê
= P1k − ΔPýë.1 − ΔPñò .
где P1к трехфазная активная мощность при опыте короткого замыкания, Вт
P1k = m1 P1ôê ,
где m1 – чисто фаз асинхронного электродвигателя.
Электрические потери в обмотке статора асинхронного двигателя, Вт
ΔPÝË.1 =
m1 I 2K r1.
где r1 – активное сопротивление фазы статора при температуре
окружающей среды (Приложение Б).
Потери в стали при напряжении U1K, Вт
2
U 
ΔPñò ≈ ΔPcò1  1k  ,
 U1í 
где ΔPñò1 – потери в стали при номинальном напряжении, Вт
2
ΔPñò
= P10 − m1 I10
r1 − ΔPÌÅÕ ÀÄ − ΔPÌÅÕ ÌÏÒ ,
где ΔPМЕХ.АД – механические потери асинхронного двигателя (Приложение Б) ΔPМЕХ.МПТ – механические потери машины постоянною
тока (Приложение Б).
Электромагнитный момент мри номинальном напряжении, Нм
U
Ìýì.ï = ÌÝÌ Ê ( 1í )2 .
U1ê
69
Кратность пускового момента
=
MÏ*
MÝÌ.Í.
P2Í
=
; MÍ
,
MÍ
ωÍ
где РДН и ωн – номинальная мощность на валу и угловая номинальная частота вращения (Приложение Б).
Кратность пускового тока
I U
In* = 1K 1Í .
I1Í U1Ê
2. Опыт холостого хода асинхронного двигателя
Исследование двигателя в режиме холостого хода проводится
для одного значения напряжения, равного номинальному, и позволяет оценить величину тока холостого хода, а также потери в стали
при номинальном напряжении.
Ток статора, напряжение статора и мощность двигателя измеряется модулем МИМ.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматические выключатели QF1 и QF2 соответственно модулей МПС и МП;
– переключатель SA1 МДС1 установить из положения «∞» в положение «0», напряжение принимает значение, равное номинальному, запускается асинхронный двигатель.
Данные опыта занести в табл. 13.3.
Посте проведения опыта установить все переключатели модулей
в исходное состояние.
Таблица 13.3
Данные опыта
Расчетные данные
U1ФН
I10
P1Ф
ω
P10
cos(ϕ1ф)
ΔPСТ
ΔPСТ1
I1ф*
В
А
Вт
Рад/с
Вт
о.е.
Вт
Вт
о.е.
Коэффициент мощности cos ( ϕ10 )
P10
cos ϕ10 =
,
m1U1ÔÍ I1Í
где Р10 – активная мощность трех фаз, Вт.
70
P10 = m1 P1Ô,
M1– число фаз асинхронного электродвигателя.
Потери в стати сердечника статора при напряжении U1Ф, Вт.
Значение тока холостого хода в относительных единицах
I
I10* = 10 .
I1Í
2
 U 
ΔPÑÒ = ΔPÑÒ.1  1  ,
 U1Í 
где ΔPСТ.1 – потери в стали сердечника статора при номинальном
напряжении
2
ΔPÑÒ=
.1 P10 − m1 I10 r1 − ΔPÌÅÕ.ÀÄ. − ΔPÌÅÕ.ÌÏÒ ,
где r1 – активное сопротивление фазы статора при температуре
окружающей среды (табл. 13.1); ΔPМЕХ.АД – механические потери
асинхронного двигателя (табл. 13.1); ΔPМЕХ.МПТ – механические
потери машины постоянного тока (табл. 10.1).
3. Снятие рабочих характеристик
Рабочие характеристики представляют собой графически и изображенные зависимости тока статора, потребляемой из сети активной мощности, частоты вращения, скольжении, электромагнитного момента, КПД и коэффициента мощности от полезной мощности
на валу двигателя:
I1, P1, n, s, MЭМ, η, cosϕ = f(P2).
Нагрузкой ГПТ служат сопротивления модуля МДС2.
Питание обмотки возбуждения двигателя постоянного тока
(ДПТ) осуществляется от регулируемого источника постоянного
тока модуля ЛАТР.
Якорная цепь машины постоянного тока подключается на сопротивление.
Для измерения тока, напряжения статора, мощности двигателя
используется модуль МИМ.
Для измерения тока якоря Iя, напряжения якоря Uя и частоты
вращения n используется компьютер. Для этого выходы ДТ, ДН и
ПЧН модуля СМ подключаются к входам A1, А2 и АЗ соответственно
модуля МВВ.
71
Значение частоты вращения n агрегата также можно наблюдать
на индикаторе СМ.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП – переключатель SA 1 МДС1 установить из положения «∞» в положение «0»,
напряжение принимает значение, равное номинальному, запускается асинхронный двигатель;
– переключатель SA 1 модуля ЛАТР перевести в верхнее положение;
– ручкой автотрансформатора установить номинальное напряжение обмотки возбуждения U0m = UН = 200 В, произвести первое
измерение;
– переключателем SA 1 МДС2 уменьшать сопротивление, пока
ток якоря ГПТ не достигнет номинального значения IНАГР = IЯ = IЯН
(IЯН = 1,3 А).
Выше этого значения двигатель не нагружать! SA 1 в « 0 » не
выводить!
Опытные данные, как со стороны асинхронного двигателя, так и
со стороны генератора, занести в табл. 13.4.
После проведения опыта ручку автотрансформатора вывести
против часовой стрелки, переключатель SA1 модуля ЛАТР перевести в нижнее положение, отключить автоматы QF2, QF1.
Электрические потери в обмотке статора асинхронного двигателя:
2
ΔPýë.ñò =
m1 I10
r1,
где r1 – активное сопротивление фазы статора (табл. 13.1).
Потери в стали при напряжении U1Ф,
2
ΔPÑÒ
U 
=
ΔPÑÒ1  10  ,
 U1í 
где ΔP СТ1 – потери в стали сердечника статора при номинальном
напряжении, Вт
2
ΔPÑÒ1
= P10 − m1 I10
r1 − ΔPÌÅÕ ÀÄ − ΔPÌÅÕ ÌÏÒ .
где r1 – активное сопротивление фазы статора при температуре
окружающей среды (табл. 13.1); ΔPМЕХ АД – механические потери
асинхронного двигателя (табл. 13.1).
ΔPМЕХ АД – механические потери машины постоянного тока
(табл. 10.1).
72
Таблица 13.4
U0ф, В
I1Ф, А
P1, Вт
n, об/мин
cos(ϕ1)
ΔPЭД СТ, Вт
ΔPСТ, Вт
PЭМ, Вт
s
ΔPЭД Р, Вт
ΔPМЕХ АД, Вт
ΣΔP, Вт
P2, Вт
MЭМ, Вт
η, %
Iя, А
UСВ, В
CМ
MЭМ, Нм
IЯ0, А
M0, Нм
MДПТ, Нм
PДПТ, Вт
Электромагнитная мощность, Вт
PÝÌ= P1 − ΔPÝË.1 − ΔPÑÒ .
Скольжение
ω −ω
s= 1
,
ω1
или
73
n1 − n
,
n1
где ω – синхронная угловая частота вращения, рад/с; n1 – синхронная частота вращения, об/мин; ω – текущая угловая частота вращения, рад/с; n – текущее значение частоты вращения, об/мин.
Электрические потери в обмотке ротора, Вт
ΔPÝË.ÑÒ =
PÝÌ s.
Суммарные потери в двигателе, Вт
∑P = ΔPÝË.ÑÒ + ΔPÑÒ + ΔPÝË.Ð .
Электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм
=
M2 MÝÌ − M0 ,
M0 =
P10
,
n
Полезный момент на валу двигателя, Нм
=
M2 MÝÌ − Ì0 ,
M0 =
P10
,
n
где М0 – момент холостого хода АД, Нм; Р1Ф – мощность холостого
хода (берется из опыта холостого хода); n – частота вращения холостого хода (берется из опыта холостого хода).
Полезная мощность на валу двигателя, Вт
P=
2 P1 − ∑P.
Коэффициент полезного действия, %
P
n = 2 100%.
P1
Коэффициент мощности (расчетный)
P
cos(ϕ1 ) = 1
.
m1U10 I10
Электромагнитный момент ГПТ, Нм
MÝÌ.ÃÏÒ = CM Iÿ ,
74
где См – принимается из тарировочной кривой. См = f(ω) (Приложение А).
Момент холостого хода ГПТ, Нм
Ì0 = ÑÌ Iß0 ,
где Iя0 – ток холостого хода, принимается из тарировочной кривой
машины постоянного тока (Приложение А).
Полный момент на валу ГПТ, Нм
=
M2ÃÏÒ MÝÌ.ÃÏÒ + M0 .
Полезная мощность на валу ГПТ, Вт
P2ÃÏÒ
= MÃÏÒ ω.
4. Рабочие характеристики при изменении частоты
Схема для снятия рабочих характеристик, представлена на
рис. 13.2.
Асинхронный двигатель подключается непосредственно к преобразователю частоты.
Питание обмотки возбуждения двигателя постоянного тока
(ДПТ) осуществляется от клемм « = 220 В» модуля питания.
Якорная цепь машины постоянного тока подключается на сопротивление RP1 МДС2.
МП
А
B
C
N
~220 В
A
ПЧ
A1
B
C
B1
C1
M1
=A
LM
M2
=v
МДС2
RP1
Рис. 13.2. Схема для снятия рабочих характеристик
асинхронного двигателя
75
Для измерения тока, частоты выходного напряжения статора,
мощности двигателя и момента асинхронного двигателя используется преобразователь частоты.
Измерение тока якоря и напряжения на якоре осуществляется
с помощью приборов МИ.
Текущее значение частоты вращения n агрегата наблюдать на
индикаторе СМ.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП;
– настроить преобразователь частоты (Приложение Е);
– установкой SA1 модуля ПЧ в крайнее положение запустить
асинхронный двигатель. Установить выходную частоту напряжения (RP1) (указывается преподавателем);
– переключателем SA1 МДС2, уменьшая сопротивление, увеличивать нагрузку ГПТ пока ток якоря ГПТ не достигнет номинального значения (1,3 А). Выше этого значения двигатель не нагружать! (SA1 в «0» не выводить!).
Опытные данные со стороны, как асинхронного двигателя, так и
со стороны генератора, занести в табл. 13.5.
После проведения опыта отключить автоматические выключатели QF1, QF2, установить модули в исходное состояние.
Uл – линейное напряжение на статоре, определяется из соотношения:
U
= const,
f
Uë= f= const.
где U – берется из параметра Unsменю drC; f – берется из параметра
Frsменю drC.
Электрические потери в обмотке статора асинхронного двигателя, Вт
2
ΔPÝË.ÑÒ =
m1 I10
r1,
где r1– активное сопротивление фазы статора (табл. 13.1), Ом.
Потери в стали при напряжении UФ, Вт
2
U 
ΔPCT = ΔPCT.1  0  .
 U1 
76
Таблица 13.5
f, Гц
I1Ф, А
P1, Вт
n, об/мин
cos(ϕ1)
ΔPЭД СТ, Вт
ΔPСТ, Вт
PЭМ, Вт
s
ΔPЭЛ Р, Вт
ΔPМЕХ АД, Вт
ΣΔP, Вт
P2, Вт
МЭМ, Нм
η, %
IЯ, А
UСФ, Вт
СМ
МЭМ, Нм
IЯ0, А
М0, Нм
М2ГПТ, Нм
P2ГПТ, Вт
где ΔP
– потери в стали сердечника статора при номинальном
СТ1
напряжении, Вт; Uδ – номинальное фазное напряжение, В; UФ –
фазное напряжение электродвигателя, В.
Электромагнитная мощность, Вт
PÝÌ= P1 − ΔPÑÒ − ΔPÝË.1.
Скольжение
ω −ω
s = 0
ω0
77
или
n0 − n
,
n0
где ω – текущая угловая частота ращения, рад/с; n – текущее значение частоты вращения, об/мин; ω0 – синхронная угловая частота
вращения, рад/с; n0– синхронная частота вращения, об/мин.
Электрические потери в обмотке ротора, Вт
ΔPýë.ð =
Pýì s,
ΣΔP – суммарные потери в двигателе, Вт
ΣΔP = ΔPÝË 1 + ΔPÑÒ + ΔPÝË 2 + ΔPÌÅÕ ÀÄ ,
где ΔPМЕХ АД – механические потери асинхронного двигателя, Нм
ΣΔP
Ìýì = .
2πn0
60
Полезный момент на валу двигателя, Н∙м
Ì2 = Ìýì – Ì0 ,
Полезная мощность на валу двигателя, Вт
P=
2 P1 − ΣΔP.
Коэффициент полезного действия, %
η = P2
.
P1
Коэффициент мощности
P1
cos ( ϕ1 ) =
.
m1U1ô I1ô
МЭМ ГПТ – электромагнитный момент ГПТ, Нм
Ìýì ãïò = Ñì Iÿ ,
где См – принимается из тарировочной кривой, См = f(ω) (Приложение А).
Момент холостого хода ГПТ, Н∙м
Ì0 = Ñì Iÿ0 ,
78
Iя0 – ток холостого хода принимается из тарировочной кривой машины постоянного тока (Приложение А) и пропорционален механическим потерям и потерям в стали ГПТ,
=
Ì2ãïò ÌÝÌ ÃÏÒ + Ì0 ,
Полезная мощность на валу ГПТ, Вт
P2 = Ì2ÃÏÒ ω .
Рабочие характеристики представляют собой графически изображенные зависимости тока статора, потребляемой из сети активной мощности, частоты вращения, скольжения, электромагнитного момента на валу двигателя:
I1, P1, n, s, МЭМ, η, cos(ϕ1) = f(P) при f1 = const и U1 = const.
5. Расчет параметров асинхронного двигателя
Опыт холостого хода можно определить:
– активное сопротивление намагничивающей цепи
ΔP
rm = SO21 ,
m1 I10
– полное сопротивление намагничивающей цепи
U
zm ≈ IO1 ,
I10
– индуктивное сопротивление намагничивающей цепи
2
2
xm ≈ zm
− rm
.
Из опыта короткого замыкания можно определить:
– полное сопротивление
zK =
U10ε
,
I1ε
– активное сопротивление
P1ε
r=
,r=
2 rk − r1,
K m1 I12ε
79
r1
X2'
X1
Xm
i1ф
U1ф
ioo
r2'/s
− I’2
rm
Рис. 13.3. Т-образная схема замещения
– индуктивное сопротивление
xk
xk =
zk2 − rk2 ; x1 =
x2′ =
.
2
Т – образная схема замещения асинхронного двигателя представлена на рис. 13.3 [4, 5, 6].
Контрольные вопросы
1. Как изменять направление вращения асинхронного двигателя?
2. Как изменится момент асинхронного двигателя при понижении напряжения питающей сети?
3. Может ли асинхронный двигатель создавать момент при синхронной частоте вращения, т. е. может ли он вращаться с синхронной частотой вращения?
4. Как изменяется ток статора двигателя при повышении напряжения и неизменной нагрузке на валу двигателя?
5. Объяснить физический смысл зависимости cosϕ2 = f(P2).
80
14. РАБОТА № 6. ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОЙ
МАШИНЫ В РЕЖИМЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Цель работы: изучение способа включения асинхронной машины для работы в режиме генератора. Исследование рабочих свойств
асинхронного генератора.
Программа работы
Изучить схему для экспериментального исследования асинхронного генератора.
Произвести пробный пуск асинхронного двигателя и двигателя
постоянного тока.
Исследовать асинхронный двигатель в режиме асинхронного генератора.
Провести обработку экспериментальных данных, составить отчет и сделать заключение по работе.
Пояснения к работе
В лабораторной работе используются следующие модули:
– модуль питания стенда (МПС);
– модуль питания (МП);
– модуль автотрансформатора (ЛАТР);
– силовой модуль (СМ);
– модуль добавочных сопротивлений № 2 (МДС2);
– модуль измерителя мощности (МИМ);
– модуль ввода/вывода (МВВ).
Перед проведением лабораторной работы необходимо привести
модули в исходное состояние:
– переключатель SA1 модуля ЛАТР установить в нижнее положение, ручку автотрансформатора установить в крайнее левое положение;
– переключатель SA1 МДС2 установить в положение «∞»;
– переключатель SA2 МДС2 установить в положение «0».
Исследуемая асинхронная машина входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя собственно исследуемый
генератор M1, приводной двигатель – машину постоянного тока –
М2 и импульсный датчик скорости М3.
Для проведения работы на персональном компьютере должно
быть загружено ПО DeltaProfiи выбрана соответствующая лабораторная работа.
81
Описание программного обеспечения DeltaProfi приведено
в приложении Б.
1. Пробный пуск
Для подключения асинхронной машины к сети переменного
тока путем непосредственного включения асинхронного генератора на сеть собирается схема, представленная на рис. 14.1.
Питание обмотки возбуждения двигателя постоянного тока
(ДПТ) осуществляется от клемм « = 220 В» модуля питания. Последовательно с обмоткой возбуждения вводится добавочное сопротивление RP2 модуля МДС2.
Для питания якорной цепи ДПТ используется модуль ЛАТР.
Последовательно с якорной цепью вводится добавочное сопротивление RP1 модуля МДС2.
Для измерения тока якоря IЯ, напряжения якоря U % и частоты вращения п используется компьютер. Для этого выходы ДТ, ДН
и ПЧН силового модуля подключаются к входам ADC1, ADC2 и
ADC3 соответственно модуля МВВ.
Ток статора, напряжение статора и мощность двигателя измеряется модулем МИМ. Значение частоты вращения п агрегата также
можно наблюдать на индикаторе СМ.
CM ПЧН ADC3
ДН
ДТ
ЛАТР
МП
~220B
ADC2
ADC1
МДС2
RP1 RP2
=220B
M2
A B C N
A
МИМ
A1
B
C
B1
C1
N
N
M1
Рис. 14.1. Схема для исследования асинхронного
генератора
82
LM
Последовательным включением автоматов QF1 и QF2 произвести пробный пуск асинхронного двигателя.
Запустить ДПТ. Для этого переключатель SA1 МДС2 переключить в положение «160», при этом следить за током якоря. Если
ток якоря возрастает, выключить QF2 модуля питания, поменять
местами фазы А и В асинхронной машины.
Переключатель SA1 МДС2 перевести в положение «0».
Тумблер SA1 модуля автотрансформатора перевести в верхнее
положение, поворачивая ручку автотрансформатора по часовой
стрелке подать напряжение в якорную цепь ДПТ. Двигатель постоянного тока запустится.
После пробного пуска вернуть модули в исходное состояние.
2. Снятие рабочих характеристик
Рабочие характеристики представляют собой зависимость мощности, подводимой к асинхронному генератору Р1, фазного тока IФ,
КПД ηген, скольжения от полной активной мощности, отдаваемой
асинхронным генератором в сеть P2.
IФ, P1, n, s, cosϕ = f(P2) при UФ = const и f = const.
Опыт проводится в следующей последовательности:
– включить автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно, запустится асинхронный двигатель, зафиксировать показания холостого хода;
– переключатель SA1 МДС2 перевести в положение «0»;
– произвести запуск ДТП так как было описано в пункте 1;
– увеличивая напряжение на якоре, изменять скорость ДПТ до
достижения асинхронной машиной точки перехода в генераторный
режим (активная мощность, потребляемая из сети, равна нулю).
Если этого достигнуть не удалось, то следует переключением SA2
модуля МДС2 ослаблять поток обмотки возбуждения.
Дальнейшее увеличение напряжения на якоре или ослабление
обмотки возбуждения приводит к переходу асинхронной машины
в режим асинхронного генератора и отдачи в сеть активной мощности. Опыт проводить до тех пор, пока ток якоря ДПТ не будет равен
1,5 А.
Данные опыта заносят в табл. 14.1 и табл. 14.2.
После окончания опыта установить все переключатели модулей
в исходное состояние Расчетные данные со стороны асинхронного
генератора.
83
Таблица 14.1
Со стороны асинхронного генератора
Данные опыта
Расчетные данные
Uф
Iф
P
n
P2
cos(ϕ)
s
ηген
В
А
Вт
об/мин
Вт
о.е.
о.е
%
Таблица 14.2
Со стороны двигателя постоянного тока
Данные опыта
Расчетные данные
Uя
Iя
Mэм
IЯ0
M0
M1
P1
В
А
Нм
А
Нм
Нм
Вт
Потери в обмотке статора, Вт
2
ΔPÝË =
3Iô
rc ,
где rc – сопротивление обмотки статора (табл. 13.1).
Коэффициент мощности асинхронного генератора
cos ϕ =
P2
,
m1Uô Iô
Скольжение асинхронного генератора (отрицательное, т. к.
n > n1)
n −n
s= 1
.
n1
КПД асинхронного генератора, %
P2
η A ÃÏÒ =
,
P1
где P1 − мощность, подводимая к асинхронному генератору от двигателя постоянного тока, Вт.
=
P1 M1
2πn
− Ì2ω,
60
где Ì2 − полезный момент на валу двигателя постоянного тока,
Н∙м.
84
=
Ì1 ÌÝÌ − Ì0 ,
где ÌÝÌ − электромагнитный момент, создаваемый двигателем
постоянного тока, Н∙м.
Ì0 = Ñì ΦIÿ0 ,
где Ñì – принимается по тарировочным кривым (Приложение А)
в зависимости от угловой частоты вращения с учетом тока возбуждения; Iя0 – принимается по тарировочным кривым (Приложение А)
в зависимости от угловой частоты вращения с учетом тока возбуждения.
Полная активная мощность, отдаваемая асинхронным генератором в сеть переменного тока, Вт
P=
2 P1 − P − ΔPÝÄ .
По расчетным данным построить рабочие характеристики асинхронного генератора: P1; Iф; cos(ϕ); η; s = f(P2) [4, 5, 6].
Контрольные вопросы
1. В чем состоят достоинства и преимущества асинхронного генератора по отношению к синхронному генератору?
2. Указать недостатки асинхронного генератора.
3. Может ли асинхронный генератор работать без сети переменного тока?
4. Каким образом создается магнитное поле в асинхронном генераторе?
5. Назовите области применения асинхронных генераторов.
85
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Тарировочные кривые
Зависимость См = f(ω) и Iя0 = f(ω) машины постоянного тока
ПЛ-072У3 [6].
1,6
1,2
С
м
, В·с
1,4
1
0
50
100
ω, 1/с
150
200
при
Iв=0,22 А
при
Iв=0,17 А
0,25
I я0 , А
0,2
0,15
0,1
50
ω, 1/с
86
100
150
200
при
Iв=0,22 А
при
Iв=0,17 А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Описание работы программного обеспечения
«DeltaProfi»
Для измерения и осциллографирования переходных процессов в лабораторном стенде используется персональный компьютер
с установленным программным обеспечением. Для связи компьютера со стендом используется модуль ввода/вывода.
Подготовка и снятие осциллограм с помощью
пакета «DeltaProfi»
1. Включить персональный компьютер и дождаться загрузки
«Windows».
2. Запустить программу. При этом на экране компьютера загрузится окно (рис. Б1).
3. В главном меню выбрать группу «Работы» (рис. Б2).
Группа команд «Работы» представляет собой структурированное меню выбора лабораторной работы с максимальной глубиной до
трех уровней. Первый уровень – это раздел или дисциплина. Второй – лабораторные работы в данном разделе. Третий – это экспе-
Рис. Б1. Окно программы «DeltaProfi»
87
Рис. Б.2. Окно группы «Работы»
Рис.Б.3. Окно группы «Работы» из одного эксперимента
Рис. Б.4. Окно группы «Работы» по исследованию двигателя
постоянного тока параллельного возбуждения
88
рименты в выбранной лабораторной работе. Если работа состоит из
одного эксперимента, третий уровень меню отсутствует (рис. Б.3).
Для примера выберем лабораторную работу по исследованию
двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Загрузится окно, представленное на рисунке Б.4.
На рисунке Б.4. показана мнемосхема, исследования двигателя
постоянного тока параллельного возбуждения.
На мнемосхеме показаны измерительные приборы.
4. Нажать кнопку «Пуск», начнется измерение параметров.
5. При нажатие кнопки «Стоп» измерение приостанавливается.
Нельзя завершать работу программы без нажатия кнопки
«Стоп». Более подробное описание работы с программным обеспечением «DeltaProfi» приведено в подгруппе «Справка» [6].
89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мартынов А. А., Тимофеев С. С., Житкова С. В. Электрические машины постоянного тока: учеб.-метод. пособие. Спб.: ГУАП,
2009. 52 с.
2. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение
в электромеханику. Машины постоянного тока трансформаторы:
учебник для вузов. СПб: Питер, 2007. 320 с.
3. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины
переменного тока: учебник для вузов. СПб: Питер, 2007. 320 с.
4. Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин. Л.: Энерго-атомиздат, 1984.
5. Кацман М. М. Лабораторные работы по электрическим машинам и электрическому приводу: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 256 с.
6. Электрические машины: методические указания к проведению лабораторных работ. Челябинск: Учтех-профи, 2012. 78 с.
90
СОДЕРЖАНИЕ
1. Общие указания по выполнению лабораторных работ................. 3
2. Обработка результатов эксперимента и оформление отчета
по лабораторной работе.............................................................. 7
3. Конструкция и принципы действия электрической машины....... 9
4. Цель и содержание учебных испытаний асинхронных машин...... 15
5. Конструкция асинхронной трехфазной машины........................ 17
6. Принцип действия асинхронных машин................................... 20
7. Описание лабораторного стенда............................................... 22
8. Методические указания к проведению лабораторных работ......... 23
9. Работа № 1. Исследование однофазного двухобмоточного
трансформатора........................................................................ 25
10. Работа № 2. Исследование генератора постоянного тока
независимого возбуждения......................................................... 36
11. Работа № 3. Исследование двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения....................................................... 45
12. Работа № 4. Исследование двигателя постоянного тока
независимого возбуждения......................................................... 56
13. Работа № 5. Исследование асинхронного электродвигателя
с короткозамкнутым ротором..................................................... 67
14. Работа № 6. Исследование асинхронной машины
в режиме асинхронного генератора.............................................. 82
Приложение А.......................................................................... 87
Приложение Б.......................................................................... 88
Список литературы................................................................... 91
Учебное издание
Тимофеев Сергей Сергеевич
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
И ТРАНСФОРМАТОРЫ
Учебно-методическое пособие
Публикуется в авторской редакции
Компьютерная верстка Ю. В. Умницына
Сдано в набор 22.06.16. Подписано к печати 13.09.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 5,34. Тираж 50 экз. Заказ № 335.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
14 964 Кб
Теги
timofeeva, 00241ca1e4
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа