Методические указания, лабораторные работы для студентов заочной формы обучения по специальности 140211

Вид материала

Методические указания

Содержание Экспериментальная часть В подают напряжение на собранную схему. Автотрансформатором ЛАТР1 В подают напряжение на собранную схему, выключателем В1 Обработка опытных данных Лабораторная работа №4 Краткие теоретические сведения Если машина работает в режиме генератора Характеристика холостого хода Регулировочная характеристика ― I Пуск при пониженном напряжении Пуск с помощью пускового реостата Регулирование частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока

Подобный материал:

• Программа и методические указания по выполнению контрольной работы для студентов заочной, 326.82kb.
• Методические указания к дисциплине и задания к контрольной работе для студентов заочной, 126.92kb.
• Методические указания к дисциплине и темы рефератов для студентов заочной формы обучения, 102.72kb.
• Методические указания для написания курсовой работы по дисциплине «Деньги, кредит,, 162.15kb.
• Методические указания к выполнению контрольной работы для студентов заочной формы обучения, 193.46kb.
• Методические указания по выполнению контрольной работы по дисциплине «Оценка недвижимости», 678.32kb.
• Методические указания к выполнению контрольной работы для студентов заочной формы обучения, 150.65kb.
• Методические указания для выполнения контрольной работы по дисциплине "Налоговое планирование", 278.39kb.
• Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Маркетинг» для специальности, 226.22kb.
• А. Н. Косыгина Учебно-методический комплекс по специальности 080502 «Экономика и управление, 905.25kb.

Программа работы

Экспериментальная часть

1. Осуществить пуск АД при пониженном напряжении.

2. Снять рабочие характеристики АД.


Обработка опытных данных

1. Определить кратность пускового тока при прямом пуске.

2. Построить рабочие характеристики АД и определить номинальные значения КПД и cosφ.


Пояснения и указания к работе

Экспериментальная часть

1. Пуск АД при пониженном напряжении проводится с целью определения кратности пускового тока и его соответствия требованиям стандарта. В соответствии с ГОСТ Р51689-2000 и ГОСТ 19523-81 кратность пускового тока для испытуемого двигателя k_i = I_п/I_ном ≤ 5.

Опыт проводится по схеме, представленной на рис. 3.1. Здесь АД – испытуемый асинхронный двигатель типа 4А56В4У3, обмотка статора которого соединена по схеме Y (соответствует номинальному напряжению 380 В); ГПТ – нагрузочный генератор постоянного тока типа ПЛ-072 с независимым возбуждением (ОВ ГПТ – его обмотка возбуждения); В – трехфазный выключатель, с помощью которого подается напряжение на собранную схему; А – амперметр переменного тока (с его помощью измеряется пусковой ток двигателя).

Перед включением стенда следует убедиться, что ручки автотрансформаторов ЛАТР1 и ЛАТР2 установлены в нулевое положение, выключатель В находится в положении «откл» (off), а выключатель В1 – в положении «стоп».



Рис.3.1. Схема пуска АД при пониженном напряжении


После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему. Автотрансформатором ЛАТР1 увеличивают линейное напряжение до 200―220 В, контролируя напряжение на его выходе тестером М2. Выключателем В1 подают напряжение на асинхронный двигатель и по амперметру А определяют бросок пускового тока. Значения напряжения и пускового тока заносят в журнал. После разгона двигателя отключают его от сети (выключатель В1 – в положение «стоп»), ручку автотрансформатора ЛАТР1 устанавливают в нулевое положение и выключателем В обесточивают схему.

2. Снятие рабочих характеристик двигателя проводится с целью подтверждения его энергетических показателей (КПД и cosφ). В соответствии с ГОСТ 19523-81 для испытуемого двигателя эти показатели равны : η = 64%, cosφ = 0,64.

Снятие рабочих характеристик проводят по схеме, представленной на рис. 3.2. Здесь АД – испытуемый асинхронный двигатель, ЛАТР2 –автотрансформатор со встроенным выпрямителем, вход которого жестко соединен с выходом выключателя В; М1 – цифровой мультиметр; М2 – тестер. Регулирование нагрузки осуществляют изменением тока возбуждения ГПТ с помощью автотрансформатора ЛАТР2. При этом изменяется ток якоря ГПТ и развиваемый им тормозной момент.

После включения стенда (на лицевой панели загорается красная лампа) выключателем В подают напряжение на собранную схему, выключателем В1 подключают АД к автотрансформатору ЛАТР1 и плавно увеличивают напряжение на его выходе, что приводит к запуску двигателя. Продолжают увеличивать напряжение до номинального значения (380 В), контролируя его значение мультиметром М1 (показания U12, U23, U13). Во время снятия рабочих характеристик поддерживают номинальное значение напряжения.



Рис.3.2. Схема для снятия рабочих характеристик АД


По окончании разгона двигателя измеряют ручным тахометром его скорость (n, об/мин). Мультиметром М1 измеряют линейные токи (А1, А2, А3) и потребляемую двигателем активную мощность (Р). Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.

Затем увеличивают напряжение на обмотке возбуждения ГПТ и заносят в журнал новые значения скорости, токов и потребляемой активной мощности. Опыт повторяют несколько раз, пока скорость двигателя не уменьшится до 1350 об/мин.

После окончания опыта двигатель отключают от сети (выключатель В1 – в положение «стоп»), выключателем В обесточивают схему и устанавливают в нулевое положение ручки автотрансформаторов ЛАТР1 и ЛАТР2.


Обработка опытных данных


1. Кратность пускового тока определяют по формуле

k_i = (I_п/I_ном) (U_ном/U_п ),

где I_п, U_п – пусковой ток и напряжение опыта, соответственно; I_ном = 0,66 А, U_ном = 380 В  номинальные ток и напряжение двигателя (см. раздел Введение).

Сравнивают полученную кратность пускового тока k_i с нормированным значением, равным 5,5.


2. Под рабочими характеристиками АД понимаются зависимости I₁, M, n, P₁, η, cosφ = f(P₂) при U₁ = U_ном = const.

По результатам опыта рассчитывают:

среднее значение тока статора I_1ср= ⅓(I₁ + I₂ + I₃),

механический момент М (кг^.см) – по известной из опыта скорости n и номограмме, приведенной на рис.3.3;

механическую мощность P₂ = 1,028 Mn^.10^-2, Вт;

коэффициент полезного действия η = 100(P₂/P₁), %;

коэффициент мощности cosφ = P₁/(U₁I_1ср), о.е.

Результаты расчетов заносят в журнал лабораторных работ и строят рабочие характеристики. Затем откладывают на оси абсцисс мощность Р₂ = 180 Вт (соответствует Р_ном) и определяют соответствующие ей значения номинального коэффициента мощности (cosφ_н) и КПД (η_н).

Сравнивают полученные энергетические показатели с их нормированными значениями, приведенными во Введении.


Рис. 3.3. Номограмма зависимости M = f(n)


Контрольные вопросы

1. Какие основные типы конструкций АД Вы знаете? Каково назначение основных элементов конструкции АД?

2. Как работает АД? Почему он называется асинхронным?

3. Что означают два значения напряжения, указанные в паспорте АД?

4. Назовите способы пуска АД с короткозамкнутой обмоткой ротора. В чем основные преимущества и недостатки этих способов?

5. В каких случаях необходимо применять пуск при пониженном напряжении? При каких условиях можно применять пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник?

6. Почему увеличивается скольжение АД при увеличении его нагрузки?

7. Объясните характер изменения энергетических показателей АД (КПД и коэффициент мощности), полученные в работе.

8. Какие потери мощности (энергии) возникают при работе АД, и в каких элементах конструкции они выделяются?

9. Как рассчитывают потери в короткозамкнутой обмотке ротора?


Лабораторная работа №4

Исследование генератора постоянного тока


Введение

Привод генератора осуществляется от двигателя постоянного тока, представляющего такую же 2 полюсную машину постоянного тока малой мощности марки ПЛ-072 с номинальной мощностью 180 Вт (номинальное напряжение 220В, номинальный ток I_н = 1,3 А, номинальная скорость n_н = 1500 об/мин. Возбуждение генератора можно сделать как независимым, так и параллельным.


Краткие теоретические сведения

В настоящее время наиболее широкое применение имеют машины постоянного тока с механическим коммутатором — коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока (МПТ) является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.

МПТ можно рассматривать как обращенную синхронную машину, т.е. как машину, на статоре которой расположена часть постоянного тока (индуктор), а на роторе - часть переменного тока (якорь). На неподвижной части машины (статоре) размещаются полюса с обмотками возбуждения. Эти обмотки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по ним постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Поток Ф, создаваемый обмотками возбуждения, неизменен во времени. Так же как в синхронных машинах индуктор имеет две оси симметрии: продольную ось d и поперечную ось q.

На вращающейся части машины располагается обмотка якоря, в которой индуктируется основная ЭДС. Принципиальным отличием якорных обмоток машин постоянного тока является то, что они замкнуты сами на себя. То есть конец последнего витка обмотки соединен с началом первого и, таким образом, обмотка не имеет ни начала, ни конца. Обмотка якоря имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора, который располагается на валу якоря и представляет собой полый цилиндр, состоящий из электрически изолированных между собой медных пластин. Число коллекторных пластин равно числу секций обмотки якоря.

Если машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС обмотки выпрямляется с помощью коллектора, т.е. коллектор является выпрямителем. Если машина работает в режиме двигателя, то к щеткам подводится постоянный ток. Коллектор в этом случае преобразует постоянный ток внешней сети в переменный ток, протекающий по обмотке якоря, т.е. является инвертором.

С коллектором соприкасаются неподвижные щетки, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви. Поэтому ЭДС между щетками разной полярности равна ЭДС параллельной ветви обмотки якоря, т.е. сумме ЭДС секций, находящихся в параллельной ветви. Поэтому для получения максимальной ЭДС на выводах машины щетки устанавливают на поперечной оси q (на геометрической нейтрали). Поскольку число нейтралей равно числу пар полюсов, то число мест установки щеток равно числу полюсов. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть.

Пусть i-й проводник обмотки якоря (всего в обмотке якоря N последовательно соединенных проводников) имеет активную длину l_ и вращается в магнитном поле с окружной скоростью v_a. Тогда наводимая в нем ЭДС будет равна

e_i = B_il_v_a,

где B_i — магнитная индукция в точке нахождения i-го проводника обмотки.

ЭДС машины можно записать в виде

E = pN/(2πa) ωФ или E = cωФ , (4.1)

где c = pN/(2πa) — коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины, ω — частота вращения якоря, рад/с; D_a — диаметр якоря, м;  = D_a/(2р) — полюсное деление, м; 2p   число полюсов машины.

При нагрузке машины по проводникам обмотки якоря протекает ток параллельной ветви I_a = I/(2a), где I — сетевой ток машины. При взаимодействии тока I_a с магнитным полем возникает электромагнитная сила. При установке щеток на поперечной оси на все N проводников обмотки якоря эти силы будут действовать в одну сторону. Тогда сила, действующая на i-й проводник, и развиваемый ей момент будут равны

f_i = B_iI_al_ , m_i = ½ f_iD_a .

Так как длина l_ всех проводников одинакова и через них протекает один и тот же ток I_a, то электромагнитный момент, развиваемый машиной, будет равен

M = (pN / 2a) I_aФ = c I_aФ = c' IФ, (4.2)

где c = pN/2a, c' = pN/   коэффициенты, определяемые конструктивными данными машины.

При нагрузке машины по обмотке якоря будет протекать ток I_a. Этот ток создает свое магнитное поле, которое, накладываясь на поле возбуждения, образует результирующий магнитный поток. Воздействие поля якоря на поле машины носит название реакции якоря. Характер реакции якоря в МПТ зависит от места установки щеток, так как оно определяет распределение тока по проводникам обмотки якоря и созданного им магнитного поля якоря. При щетках, расположенных на геометрической нейтрали, ток якоря I_а создает магнитное поле, ось которого совпадает с геометрической нейтралью (поперечной осью). В результате действия поперечного поля якоря происходит искажение магнитного поля. Под одним краем полюса поле усиливается, а под другим ослабляется. Такую реакцию якоря называют поперечной.

Влияние реакции якоря на работу МПТ состоит в следующем.

1. При нагрузке машины под влиянием поперечной реакции якоря происходит искажение магнитного поля. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим - усиливается. При работе машины в генераторном режиме ослабление поля происходит на набегающем крае полюса, а его усиление — на сбегающем. В двигательном режиме картина будет обратной.

2. Точки, в которых кривая результирующего поля проходит через ноль, смещаются с геометрической нейтрали. Эти точки определяют положение так называемой физической нейтрали. По отношению к геометрической нейтрали физическая нейтраль смещается в сторону вращения якоря (при работе в режиме генератора) и против вращения якоря (при работе в режиме двигателя). Так как индукция B_qx зависит от тока якоря, то положение физической нейтрали меняется с изменением нагрузки. При холостом ходе физическая и геометрическая нейтрали совпадают.

3. В машине с ненасыщенной магнитной цепью поток сохраняет то же значение, что и при холостом ходе, поскольку ослабление магнитного поля под одной половиной полюса компенсируется усилением магнитного поля под другой половиной полюса.

4. В машине с насыщенной магнитной цепью из-за насыщения одного края полюсного наконечника магнитный поток при нагрузке оказывается меньше потока при холостом ходе. Поэтому считается, что поперечная реакция якоря в машине с насыщенной магнитной цепью оказывает размагничивающее действие, тем большее, чем больше ток якоря. Помимо указанных факторов реакция якоря влияет и на искрение машины.

Генераторы постоянного тока (ГПТ) являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в энергию электрическую. Классификация ГПТ производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы первого типа выполняются с электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, расположенная на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания. Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, которые устанавливаются на его полюсах. У ГПТ с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от обмотки якоря. В зависимости от схемы включения этих обмоток генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

У генераторов смешанного возбуждения на полюсах размещаются две обмотки. Одна из них, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с обмоткой якоря, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения   последовательно с ней. У этих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены как согласно, так и встречно друг с другом. В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного включения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой.

У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от обмотки якоря. Поэтому при вращении ротора ЭДС в обмотке якоря наводиться не будет. Для ее появления в машине должен сохраняться остаточный магнитный поток Ф_ост, для чего она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения от постороннего источника.

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Остаточный магнитный поток наводит в обмотке вращающегося якоря остаточную ЭДС E_ост, которая составляет 1 — 3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря, то E_ост создает в ней небольшой ток возбуждения, который создает начальный поток возбуждения. В зависимости от направления этого потока возможны два варианта развития процесса самовозбуждения: если поток возбуждения направлен встречно с остаточным потоком, то результирующий поток уменьшается, и машина не возбуждается. Если поток возбуждения направлен согласно с остаточным потоком, то результирующий поток увеличивается, что приводит к увеличению ЭДС. Увеличение ЭДС вызывает увеличение тока возбуждения и результирующего потока и т.д.

При некотором “критическом” сопротивлении цепи возбуждения R_в.кр еще возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления цепи возбуждения самовозбуждения происходить не будет. Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих условий:

1. В машине должен существовать остаточный магнитный поток.

2. Поток возбуждения должен быть направлен согласно с остаточным потоком.

3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического.

Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для ГПТ основными характеристиками являются: характеристика холостого хода, нагрузочная, внешняя и регулировочная. Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря.

Характеристика холостого хода ГПТ   E = f(I_в) при ω = const.

Внешняя характеристика ― U = f(I) при ω = const и I_в = const (для генератора с независимым возбуждением) или при r_в = const (для генераторов с самовозбуждением).

Регулировочная характеристика ― I_в = f(I) при ω = const и U = U_ном.

Способы и условия пуска ДПТ. При пуске двигателя наводимая в обмотке якоря ЭДС равна нулю, а ток равен

I_aп = U/ R_a . (4.3)

Поскольку сопротивление цепи якоря R_a невелико, то при прямом пуске с номинальным напряжением (U = U_ном) ток якоря в 10 — 50 раз будет превышать свое номинальное значение. Такой ток недопустим ни для щеток (из-за чрезмерных плотностей тока и сильного искрения под ними), ни для обмоток (из-за больших электродинамических усилий, пропорциональных квадрату тока якоря), ни для сети (из-за больших падений напряжения в ней). Кроме того, поскольку пропорционально росту тока возрастает электромагнитный момент двигателя, то большой момент может привести к поломке узла, соединяющего вал двигателя и приводимого механизма. По допустимым условиям работы коллекторно-щеточного узла пусковой ток ограничен   I_aп  (2 ― 2,5) I_aном.

Поэтому прямой пуск (прямое включение в сеть) допускается только для двигателей малой мощности с относительно большим сопротивлением цепи якоря. Для более мощных двигателей необходимо уменьшать пусковой ток до указанных выше значений. Достигнуть этого можно или снижением подводимого напряжения, или включением последовательно с обмоткой якоря активного добавочного сопротивления (пускового реостата).

Пуск при пониженном напряжении можно осуществить, если двигатель подключен к отдельному регулируемому источнику постоянного тока. В этом случае напряжение источника при включении двигателя плавно увеличивают, что позволяет избежать больших толчков тока. Начальное напряжение при пуске выбирается так, чтобы в первый момент пуска ток в цепи якоря не превышал указанных выше значений.

Пуск с помощью пускового реостата. Максимальное значение сопротивления пускового реостата выбирается так, чтобы в первый момент пуска ток в цепи якоря I_aп  (2   2,5) I_aном. По мере разгона двигателя растет наводимая в его обмотке ЭДС, вследствие чего ток якоря будет уменьшаться. Поэтому по мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают, а когда частота вращения достигнет установившегося значения — выводят полностью, поскольку пусковые реостаты по условиям охлаждения рассчитаны на кратковременное протекание тока. Этот способ пуска имеет наибольшее распространение.

Частоту вращения ДПТ можно регулировать тремя способами согласно уравнению для этой величины

ω = c(U ― I_aR_a)/Ф; (4.4)

а именно: изменением напряжения якоря U, изменением сопротивления цепи якоря R_a, изменением потока Ф.

Регулирование частоты вращения путем изменения подводимого напряжения позволяет регулировать частоту вращения вниз от частоты вращения, соответствующей естественной характеристике.

Регулирование частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря позволяет уменьшать частоту вращения вплоть до нулевого значения. Однако при низких частотах вращения механические характеристики оказываются круто падающими, что приводит к нестабильной работе двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока (тока возбуждения) осуществляется путем уменьшения тока возбуждения, что приводит к увеличению частоты вращения от частоты вращения, соответствующей естественной характеристике.