Электрические машины специального назначения. Электрические машины систем автоматики: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра электротехники и электромеханики

Электрические машины специального назначения Электрические машины систем автоматики Учебно-методический комплекс Методические указания к выполнению лабораторных работ

Институт энергетический Специальность 140601.65 – электромеханика Направление подготовки бакалавра 140600.62 – электротехника, электромеханика и электротехнологии

Санкт–Петербург Издательство СЗТУ 2007

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.313(07) Электрические машины специального назначения. Электрические машины систем автоматики: учебно-методический комплекс (методические указания к выполнению лабораторных работ) / сост. Е. П. Брандина, В. Е. Воробьев.СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007.- 62 с. Учебно-методический комплекс соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования. Методические указания к выполнению лабораторных работ содержат программы выполнения пяти лабораторных работ, теоретические сведения и расчетные формулы по каждой работе. Издание предназначено для студентов четвертого курса специальности 140601.65 и направлению подготовки бакалавров 140600.62, изучающих дисциплины «Электрические машины специального назначения» и «Электрические машины систем автоматики» (дисциплины по выбору студента). Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и электромеханики 19 марта 2007 г., одобрено методической комиссией энергетического института 26 марта 2007г. Рецензенты: кафедра электротехники и электромеханики СЗТУ (А. А. Томов, доц.); Г. А. Борисов, канд. техн. наук, доц. кафедры робототехники и автоматизации производственных систем СПбЭУ. Составители: Е.П.Брандина, канд. техн. наук. доц.; В.В.Воробьев, канд. техн. наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2007

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только после прохождения соответствующего инструктажа по технике безопасности и регистрации об этом в специальном журнале. Темы выполняемых лабораторных работ указывает преподаватель. Прежде чем приступить к работе с электрической машиной, необходимо ознакомиться с ее паспортными данными, которые обычно помещаются на заводском щитке на корпусе машины. В паспортных данных указывается тип машины и ее эксплуатационные свойства, называемые номинальными данными. К ним относятся значения мощности, напряжения, тока, частоты вращения, КПД машины и т.д. Величины, относящиеся к номинальному режиму работы, обычно обозначаются соответствующими символами с индексом ″н″ (мощность PН, напряжение UН и т.д.).

Выполнение отчета по лабораторной работе Каждый студент должен иметь отчет по лабораторной работе.

Оформление текста отчета - Отчёт выполняется либо в ученической тетради, либо на листах формата А4(210 х 297 мм). - Опыты нумеруются и указываются их названия. Приводятся значения постоянных режима и другие необходимые пояснения. - Данные опыта и результаты их обработки заносятся в соответствующие таблицы. После таблицы приводятся расчетные формулы, помещение этих формул в графы таблиц не допускается. - Наиболее существенные зависимости согласно программе наносятся на график. График снабжается порядковым номером, и на него дается ссылка в тексте отчета. - Отчёт заканчивается выводами, представляющими результаты проведенной работы.

Оформление графиков - В начале осей координат дается отметка "0". - Масштабы шкал должны быть только стандартными: в единице длины шкалы может быть 1; 2; 2,5; 4; 5; 10 и т.д. единиц откладываемых величин. - На графике для каждой величины наносится своя ось. Все параллельные оси должны быть одинаковой длины, должны иметь равномерные шкалы по всей длине, кроме шкал сosϕ и КПД, заканчивающихся отметками 1 и 100 %. - Если на графике имеется несколько осей ординат или абсцисс, то начало координат следует размещать в ближайшей к используемому квадранту точке

пересечения координатных осей. - Построение характеристики следует вести таким образом, чтобы были видны все опытные точки. - Если на графике имеется несколько кривых, необходимо обеспечить различие между опытными точками этих кривых, пометив точки на одной кривой кружками, на второй - крестиками и т.д., чтобы было ясно, какие именно точки определяют данную кривую. Возле каждой кривой необходимо дать обозначение. - Не следует стремиться проводить кривую через все точки, так как в опыте всегда имеет место разброс точек - точки должны равномерно концентрироваться около проводимой кривой.

Содержание отчета По каждой лабораторной работе в отчете должны быть представлены следующие материалы. 1. Электрические схемы, по которым ведется снятие характеристик. Схемы выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД. 2. Паспортные (номинальные) данные электрической машины. 3. Список измерительных приборов с указанием пределов измерения. 4. Таблицы измеренных и вычисленных величин. 5. Краткие выводы по работе относительно результатов испытаний. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Брандина, Е. П. Электрические машины: письменные лекции, примеры решения задач / Е. П. Брандина. - СПб., 2004. 2. Волков, Н. И. Электромашинные устройства автоматики: учеб. для вузов / Н. И. Волков, В. П. Миловзоров. – СПб.: Высш.школа, 1986. 3. Косулин, В. Д. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов / В. Д. Косулин, Г. Б. Михайлов, В. В. Омельченко, В. В. Путников. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

РАБОТА 1

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ 1. Цель работы Исследование рабочих свойств электромашинного усилителя (ЭМУ). Оценка факторов, влияющих на его рабочие характеристики и коэффициенты усиления. 2. Основные теоретические положения Усилителем называют такое устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом усиление происходит за счет энергии внешнего источника. Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой генератор постоянного тока, выходная электрическая мощность которого создается за счет механической мощности приводного двигателя. Важнейшей характеристикой любого усилителя является его коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности КР, току КI и напряжению KU. В любом случае это отношение выходного сигнала к сигналу управления:

K P = P / Py ; K I = I / I y ; KU = U / U y ,

(1.1)

причем K P = K I ⋅ KU . (1.2) Важным показателем ЭМУ является быстродействие, характеризуемое постоянной времени τ = L/ R , (1.3) где L - индуктивность цепи, R - активное сопротивление. ЭМУ должен обеспечивать большой коэффициент усиления по мощности и высокое быстродействие. В современных ЭМУ коэффициент усиления может достигать сотен тысяч. В маломощных ЭМУ (до 1 кВт) постоянная времени составляет сотые доли секунды, для ЭМУ мощностью свыше 10 кВт - десятые доли секунды. Для удобства сравнения различных усилителей вводят понятие коэффициента добротности, равного отношению коэффициента усиления по мощности к сумме постоянных времени ступеней усиления K Д = K P / Στ .

(1.4)

ЭМУ предназначен для работы в переходных режимах. Перегрузочная способность ЭМУ характеризуется возможностью форсировки по току и напряжению, т.е. отношением максимальных значений этих величин к

номинальным, что составляет обычно 1,5...2. Простейшим электромашинным усилителем постоянного тока независимого возбуждения (рис.1.1).

является

генератор

I RH

OB(OÓ)

U

Iy Uy n Рис.1.1

Несмотря на относительно низкий коэффициент усиления по мощности (KP = 50...100), генератор находит применение в системах генератор-двигатель (Г-Д) в качестве усилителя для управления двигателем постоянного тока. ЭМУ часто используют в качестве регулятора для поддержания неизменным какого-либо параметра (напряжения, частоты вращения и пр.). Простейшим электромашинным регулятором является генератор постоянного тока смешанного возбуждения, имеющий параллельную (ОВ1) и последовательную (ОВ2) обмотки возбуждения (рис.1.2). Напряжение на его зажимах поддерживается автоматически за счет наличия последовательной обмотки возбуждения. OB2

OB1

RH

U

n Рис.1.2 Иногда применяются многокаскадные ЭМУ, при этом выходная обмотка (обмотка якоря) первого генератора питает обмотку возбуждения второго и т.д. Коэффициент усиления такого ЭМУ равен произведению коэффициентов усиления отдельных генераторов. Для двухступенчатого усилителя обе машины выполняются в одном корпусе, коэффициент усиления по мощности может составлять КP = 10000. Наибольшее распространение получили ЭМУ поперечного поля (рис.1.3), представляющие собой совмещение в одном якоре и общей магнитной системе двух генераторов постоянного тока независимого возбуждения. Это позволяет получить двухступенчатое усиление мощности с незначительными потерями её и высоким коэффициентом усиления.

ÔÊ

ÊÎ

RH

ÎÄË

d

Ud

Ôq q

q

Ôd d

Iy1 ÎÓ1

îò ðåãóëèðóåìîé ìàøèíû

Iy2

ÎÓ2

Ôó1

Ôó2

Рис.1.3 Конструктивно ЭМУ выполняется в виде неявнополюсной машины с двумя полюсами. Обмотки управления создают магнитный поток, действующий по продольной оси d-d, Фy = λd i y wy , (1.5) где λd - магнитная проводимость по продольной оси; i y и wy - ток и число витков обмотки управления. В обмотке якоря на щетках q-q наводится ЭДС Eq = ce Фy n , где ce – конструктивный коэффициент машины; n – частота вращения.

(1.6)

Щетки q-q замкнуты накоротко и по обмотке якоря протекает ток короткого замыкания I q = Eq / R . (1.7) Поскольку внутреннее сопротивление R якорной цепи мало, то даже малая ЭДС Еq вызывает значительный ток в цепи q-q. При протекании по обмотке якоря тока Iq создается магнитное поле якоря, ось которого направлена вдоль поперечной оси q-q (поперечная реакция якоря). В обычных машинах поток

поперечной реакции якоря невелик, так как магнитная проводимость λq вдоль поперечной оси в междуполюсном промежутке мала. В рассматриваемой неявнополюсной конструкции воздушный зазор по всей окружности практически одинаков и магнитная проводимость λq велика, поэтому возникает значительный магнитный поток по продольной оси Ф =λ I w , q q q a

(1.8)

где wa- число последовательно соединенных витков обмотки якоря. Магнитный поток Фq наводит в обмотке якоря ЭДС

E = ce Фq n , d снимаемую с продольных щеток d-d .

(1.9)

При протекании тока нагрузки Id по обмотке якоря создается магнитный поток Фd, ось которого направлена по продольной оси d-d (продольная реакция якоря). Необходимо отметить, что направление потока Фd противоположно направлению потока управления Фу, что может привести к резкому уменьшению последнего. Чтобы скомпенсировать влияние продольной реакции якоря, в пазах статора размещают компенсационную обмотку. Она включается последовательно в рабочую цепь обмотки якоря и имеет встречное направление тока. Магнитный поток компенсационной обмотки Фk направлен встречно потоку Фd и согласно с потоком управления Фy . Степень компенсации K K = ФK / Фd . (1.10) Компенсацию необходимо проводить с большой точностью, поскольку при КK>1 происходит самовозбуждение ЭМУ как генератора последовательного возбуждения и возможна потеря управляемости. Компенсационная обмотка выполняется с числом витков несколько большим необходимого, а точная подстройка осуществляется с помощью сопротивления rШ, включенного параллельно ей (рис.1.3). Обычно устанавливают КК = 0,95, но не выше единицы, чтобы избежать самовозбуждения ЭМУ. ЭМУ поперечного поля аналогичен каскадному соединению двух генераторов. Первому каскаду соответствует сочетание обмотка управления короткозамкнутая цепь якоря q-q; второму каскаду соответствует: короткозамкнутая цепь якоря q-q - рабочая цепь якоря d-d. Соответственно коэффициент усиления ЭМУ равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов (ступеней усиления). Вышеприведенные соотношения позволяют получить коэффициент усиления по напряжению в виде

2 2 Ed Eq Ed ce n wy wa λd λq , ⋅ = = KU = Eq U y U y R ⋅ Ry

(1.11)

где ce - конструктивный коэффициент машины; n – частота вращения, об/мин; wy и Ry – число витков и сопротивление обмотки управления;

λd и λq - магнитная проводимость по продольной и поперечной оси. Коэффициент усиления по мощности Kp =

KU2 Rнг Ry

, (1.12) ( Rнг + R ) 2 где RНГ – сопротивление нагрузки. Коэффициент усиления пропорционален квадрату скорости, поэтому ЭМУ выполняются на повышенную частоту вращения: 3000...8000 об/мин. Коэффициент усиления такого ЭМУ составляет десятки тысяч. Быстродействие ЭМУ поперечного поля характеризуется двумя постоянными времени, соответствующими первой и второй ступеням усиления: τy и τq . Передаточная функция ЭМУ KP . (1.13) W ( p) = (1 + τ y )(1 + τ q ) ЭМУ поперечного поля получили широкое распространение в системах регулирования и управления как усилители мощности и в качестве управляемых генераторов, возбудителей и подвозбудителей крупных электрических машин, а также в качестве сумматоров сигналов. В этом случае ЭМУ может иметь до четырех обмоток управления.

3. Описание лабораторной установки Схема для испытания ЭМУ с поперечным полем показана на рис.1.4. На обмотку управления (ОУ) подается напряжение от источника питания постоянного тока через потенциометр П. Ток управления iy измеряется амперметром А1, напряжение на обмотке OУ - вольтметром V1. Поперечная цепь q-q с помощью выключателя S2 может быть замкнута на амперметр А2, измеряющий ток Iq , или разомкнута. В последнем случае вольтметр V2 измеряет ЭДС на ее зажимах. Продольная цепь d-d (выход ЭМУ) с помощью выключателя SЗ подключается на нагрузку, в качестве которой используется регулируемый реостат rНГ. Ток и напряжение нагрузки измеряются амперметром A3 и вольтметром V3.

À3

À4 q S2

V2

êî d q

n

S3 V3

n

d A2

S1

Id

Iq

A1 UÓ V1

IÓ

ÎÓ

Рис. 1.4 Компенсационная обмотка (КO) шунтируется регулируемым сопротивлением rШ и амперметром А4. ЭМУ конструктивно выполнен в одном корпусе с приводным двигателем, который на схеме не показан. Частоту вращения ЭМУ во всех опытах можно принять постоянной величиной (n = const). Пуск ЭМУ производится при отключенных выключателях S2 и SЗ. При включении S1 движок потенциометра П следует установить в положение, соответствующее Uy= 0.

4. Порядок выполнения работы 4.1. Характеристики холостого хода - Проводить опыты при разомкнутом выключателе S3 (Id =0). 4.1.1. Характеристики холостого хода по продольной оси Ed = f (i y ) ; Eqo = f (i y ) при Id = 0 - Проводить опыт при замкнутом выключателе S2. - Измерить ЭДС Edo от остаточного потока при выключенном S1. - Включить S1. - Изменять монотонно (в одну сторону) величину тока обмотки управления iy до iy max так, чтобы получить 7...10 точек отсчета. Максимальная величина тока iy max должна соответствовать ЭДС Ed =1,3Udн . Величина номинального напряжения Udн указана на щитке, укрепленном на корпусе ЭМУ, и составляет Udн = 115 В. - Измерять ток в обмотке управления iy , ЭДC на продольных щетках Ed, ток в

поперечной цепи Iqo и заносить данные в таблицу по форме 1. - Построить на графике 1 зависимости Еd, I qo = f (i y ) .Вид характеристик показан на рис.1.5. Форма 1 Характеристики холостого хода по продольной оси Id = 0

iy, мA

0

Iqo, A Ed, B

4.1.2. Характеристика холостого хода по поперечной оси Eq = f (i y ) при Iq = 0, Id = 0 - Проводить опыт при разомкнутом выключателе S2 (Iq = 0). - Измерить ЭДС Еqo от остаточного потока при выключенном S1. - Включить S1. - Изменять монотонно ток обмотки управления iy до iy max так, чтобы получить 5...7 точек отсчета. . Значение iy не должно превышать iy max, установленной в опыте п.4.1.1. - Измерять ток iy и ЭДС Еq на поперечных щетках и заносить данные в таблицу по форме 2. - Построить на графике 1 зависимость Eq = f (i y ) . Вид характеристики показан на рис.1.5. Форма 2 Характеристика холостого хода по поперечной оси Id = 0 , I q = 0 i y, мA Eq, B

0

4.2. Внешние характеристики Ud = f(id) при iy = const - Разомкнуть SЗ. - Измерить ток управления iy, соответствующий напряжению Udн. - Измерить iy , Uy , Ud и занести в таблицу по форме 3. - Измерить ток Iqo . - Включить SЗ. - Измерить ток Iq. - Регулировать rШ так, чтобы добиться постоянства тока Iq = Iqo при включении и выключении SЗ. Этот случай будет соответствовать единичной степени компенсации КК=1. - Изменять ток нагрузки Id реостатом R2 так, чтобы получить 3...4 точки отсчета. - Измерять напряжение Ud, ток нагрузки Id, ток поперечной цепи Iq , ток шунта IШ, ток iy и напряжение управления Uy . - Заносить данные в таблицу по форме 3. Форма 3 Внешние характеристики iy = A; Uy = B; КК =

Ud, B

Id, A

115

0

Iq , A

IШ , A

- Повторить опыт для КК < 1 и КК >1. Заносить данные в таблицу по форме 3. - Построить на графике 2 внешние характеристики Ud = f(Id) для трех степеней компенсации. Вид кривых показан на рис.1.6.

Eq0 Ed0 Iq0

Ed0 Iqo

Ud Kk >1 Kk =1

UdH

Kk <1

Eq0 0

Iy Рис. 1.5

0

Id Рис. 1.6

5. Краткие выводы 5.1. Оценить влияние коэффициента компенсации КК на изменение напряжения ΔUd при переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки, используя график 2. 5.2. Вычислить коэффициенты усиления ЭМУ по мощности при номинальном режиме работы для КК = 1: - первой ступени K1 =

Eq I q I yU y

,

где ЭДС Eq определяется из графика 1по кривой Eq = f (i y ) ; - второй ступени K2 =

Ed I d ; I qU q

- результирующий коэффициент усиления U I K P = K1 ⋅ K 2 = d d . I yU y

6. Литература: [1], c. 85…93.

РАБОТА 2 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ (УПРАВЛЯЕМЫЙ) ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Цель работы Исследование рабочих и регулировочных свойств исполнительного двигателя постоянного тока (ИДПТ) при различных способах управления.

2. Основные теоретические положения В схемах автоматики наряду с исполнительными двигателями переменного тока широкое распространение получили исполнительные двигатели постоянного тока. К положительным качествам, способствующим их широкому применению, относятся следующие: - возможность просто, плавно и экономично регулировать частоту вращения в широком диапазоне; - устойчивость работы при любых частотах вращения; - линейность механических и, в большинстве случаев, регулировочных характеристик; - высокий пусковой момент; уменьшенные габариты и масса (в 2...3 раза по сравнению с асинхронными двигателями). Основным недостатком двигателей постоянного тока является наличие коллектора и щеток, что может вызвать искрение под щётками, ненадежность работы и т.д. Исполнительные двигатели постоянного тока выполняются только с независимым возбуждением - электромагнитным или от постоянных магнитов. При электромагнитном возбуждении двигатели могут иметь якорное и

полюсное управление.

Якорное управление При якорном управлении обмоткой возбуждения является обмотка полюсов, а на обмотку якоря, служащую обмоткой управления, подается входной сигнал лишь тогда, когда требуется вращение якоря. Путем изменения напряжения на обмотке управления добиваются нужного момента или частоты вращения якоря. Поскольку UB =U1 = const, ФB= Ф1 = cФU1 = const, ЭДС, наводимая в обмотке якоря (обмотке управления), равна E y = E2 = cE cфU1n . (2.1)

Отсюда ток якоря I y = I2 =

U 2 − E2 . R2

Вращающий момент, развиваемый двигателем, взаимодействия потока возбуждения с током якоря

(2.2) образуется

за

M = cM ФI 2 .

счет (2.3)

Для того, чтобы характеристикам двигателя придать универсальный характер, независящий от мощности и конструктивных особенностей двигателя, пользуются системой относительных единиц. В частности, напряжение управления измеряется в долях напряжения возбуждения, и их отношение называется коэффициентом сигнала a = U y / U B = U1 / U 2 . (2.4) За единицу момента принимают момент, развиваемый двигателем в режиме пуска (n = 0) при а = 1 M ko = cM cфU12 / R2 . (2.5) Тогда, выполнив необходимые подстановки в уравнение (2.3), получим m = M / M ko = a − cE cф n .

(2.6)

При m = 0 имеем режим холостого хода, в котором, как следует из уравнения (2.6) при а = 1, частота вращения равна no = 1/ cE cф .

(2.7)

С учетом этого уравнения механическая характеристика в относительных единицах m = а - ν, (2.8) где v = n/n0 . Уравнение (2.8) показывает, что вращающий момент исполнительного

двигателя с якорным управлением является линейной функцией скорости (ν) и сигнала управления (а). Семейство механических характеристик представлено на рис.2.1.

M2 = 0

M 2H

α2 Рис. 2.1

Рис. 2.2

Если уравнение (2.8) переписать в виде v = а - т, (2.9) то при m = const получим уравнение регулировочной характеристики. Как видно из (2.9), частота вращения v пропорциональна сигналу управления а. Семейство регулировочных характеристик представлено на рис.2.2. Механическая мощность на валу PMEX = mv = av − v 2

(2.10)

является нелинейной функцией частоты вращения v. При пуске (v=0) и холостом ходе (m=0) механическая мощность равна нулю и достигает максимума при частоте вращения v = a /2, (2.11) в чем нетрудно убедиться, продифференцировав (2.10) по v. Максимум мощности Pмех m = a 2 / 4

(2.12)

в значительной степени зависит от коэффициента сигнала. Мощность, потребляемая двигателем, складывается из двух слагаемых: мощности возбуждения P1 = U12 / r1 = const, составляющей в зависимости от мощности двигателя от 5 до 30 % от полной потребляемой мощности, и мощности управления

P2 = U 2 I 2 = U 2 (U 2 − E2 ) / R2 , представляющей основную мощность, потребляемую двигателем. Полюсное управление

При полюсном управлении обмоткой возбуждения является обмотка якоря, постоянно подключенная к сети с напряжением UВ = U2 = const, а обмотка полюсов является обмоткой управления. В таком случае основной магнитный поток, создаваемый полюсами, не остается постоянным и при отсутствии насыщения пропорционален сигналу управления Фy = Ф1 = cфU1 = cф aU1H .

(2.13)

Рассуждая аналогично случаю якорного управления, можно получить уравнение механической характеристики двигателя с полюсным управлением в виде m = a − a 2v .

(2.14)

Отсюда видно, что механические характеристики линейны, но в отличие от якорного управления их жесткость не остается постоянной, а падает с уменьшением коэффициента сигнала (рис.2.3).

M2 M2 = 0

α2 = 1

M 2 > 0,5M КО

α 2 = 0,5 n

Рис.2.3

Рис. 2.4

Из (2.14) при m = const может быть получено уравнение регулировочной характеристики v = ( a − m) / a 2 .

(2.15)

Из этого уравнения, а также из кривых рис.2.4, где построено семейство регулировочных характеристик, следует, что в отличие от якорного

управления, регулировочные характеристики нелинейны. Это является большим недостатком полюсного способа управления. Еще большим недостатком этого способа управления является неоднозначность регулировочных характеристик при малых моментах нагрузки. Полная механическая мощность на валу в относительных единицах при полюсном управлении Pмех = mv = av − a 2v 2 .

(2.16)

При частоте вращения v=1/(2a)

(2.17)

механическая мощность максимальна, не зависит от коэффициента управления и составляет Рмех = 1/4 .

(2.18)

Мощность возбуждения является мощностью якоря. Это – основная часть потребляемой мощности, равная сумме полной механической мощности двигателя и потерям в якоре. Мощность управления идет лишь на покрытие электрических потерь в обмотке полюсов. Ее величина незначительна, особенно при малых сигналах управления, и равна Py = P1 = a 2U12 / R1 .

(2.19)

3. Описание лабораторной установки Схема для испытания исполнительного двигателя постоянного тока представлена на рис.2.5. Напряжения на обмотки полюсов U1 и якоря U2 подаются делителями напряжения R1 и R2. Величина этих напряжений, а также токи I1 и I2, потребляемые обмотками, измеряются соответственно вольтметрами VI и V2 и амперметрами Аl, А2. Частота вращения двигателя измеряется с помощью тахогенератора постоянного тока. Момент нагрузки на валу (равный полезному моменту двигателя) создается электромагнитным тормозом и регулируется изменением его тока возбуждения

с помощью реостата R3. Отсчет величины момента нагрузки M2 производится по верхней шкале тормоза.

S1

A1

S3

S2

R1

R2

V1

V2 A2 R3 ÝÒ

Рис. 2.5

При работе с исполнительным двигателем постоянного тока, имеющим электромагнитное возбуждение, необходимо помнить, что снятие или значительное уменьшение напряжения питания полюсов может привести к резкому, а порой и недопустимому, увеличению частоты вращения двигателя. Чем больше мощность двигателя, тем опаснее это обстоятельство, поэтому промышленные двигатели снабжаются специальной автоматикой, недопускающей этого явления. В связи с этим необходимо соблюдать определенный порядок пуска в ход двигателя: в первую очередь напряжение подается на обмотку полюсов (выключатель S1) и увеличивается до номинального значения; затем включается обмотка якоря (выключатель S2), напряжение на которой плавно повышается от нуля до необходимого значения. Выключение двигателя производится в обратном порядке: сначала выключают обмотку якоря (выключатель S2), а затем обмотку полюсов

(выключатель S1).

4. Порядок выполнения работы 4.1. Якорное управление: Uy =U2, U1= U1H = const 4.1.1. Рабочие и механические характеристики - Включить S1. - Установить номинальное напряжение UH на обмотке возбуждения и поддерживать его постоянным во время опыта. - Установить движок делителя напряжения R2 в нулевое положение. - Включить S2. - Установить номинальное напряжение UН на обмотке управления (обмотке якоря), что соответствует коэффициенту сигнала a2 = U2/U2H= 1. - Измерить напряжения и токи обмотки возбуждения U1, I1, обмотки якоря U2, I2; частоту вращения n в режиме холостого хода (момент M2=0) и занести данные в таблицу по форме 1. - Включить питание электромагнитного тормоза с помощью SЗ. - Изменять величину тормозного момента M2 так, чтобы снять 3...4 точки отсчета. - Заносить данные измерений в таблицу по форме 1. Форма 1 Рабочие и механические характеристики , U1=U1H= B, I1 = A а2 = U2/U2H = Измерено U2, В

M2, Hм 0

n,

I2, об/мин A

Вычислено a2

P1, Вт

Р2, Вт

Р, Вт

η

- Повторить опыт, установив напряжение на обмотке управления U2= 0,5U2H, что соответствует a2= 0,5. - Заносить данные в таблицу по форме 1. - Вычислить следующие значения: электрические мощности, потребляемые обмотками Р1 = U1I1, Р2= U2 I2; механическую (полезную) мощность двигателя Р = 0,105 M2n ; коэффициент полезного действия (КПД)

η = Р/(Р1 + P2). - Нанести на график 1 механические характеристики n = f(М2) для a2 = 1 и a2 = 0,5. Вид характеристик показан на рис. 2.1. 4.1.2. Регулировочная характеристика n = f(Uy) при М = const - Снимать регулировочную характеристику в режиме холостого хода (М=0), отключив S3. - Установить номинальное напряжение U1H на обмотке полюсов. - Установить движок делителя напряжения R2 в нулевое положение. - Включить S2. - Увеличивая напряжение U2 на якоре (напряжение управления), отметить тот момент, когда якорь двигателя тронется с места и начнет устойчиво вращаться. Это напряжение якоря называется напряжением трогания UTP. Измерить и записать его величину. - Увеличивать напряжение на якоре до номинального значения U2H так, чтобы снять 4...6 точек отсчета. - Измерять напряжения U1, U2 , частоту вращения n в режиме холостого хода (момент М2=0) и заносить данные в таблицу по форме 2. Вид характеристик показан на рис. 2.2. Форма 2 Регулировочная характеристика n = f(Uy) M = 0 , U1=U1H = B

Uу, В

а2

n, об/мин

4.2. Полюсное управление: Uy= U1, U2= U2H = const 4.2.1. Рабочие и механические характеристики Характеристики для единичного сигнала управления a1=U1/U1H =1 при U2 = U2H были сняты в п.4.1.1, поэтому в данном опыте эти характеристики опускаются и снимаются характеристики только для а1= 0,7. - Запустить в ход двигатель. - Установить номинальное напряжение U2Н на обмотке возбуждения (обмотке якоря) и поддерживать его постоянным во время опыта. - Установить напряжение на обмотке управления (обмотке полюсов) U1= 0,7U1H , что соответствует коэффициенту сигнала а1= 0,7. - Измерить напряжения и токи обмотки управления U1, I1, обмотки якоря U2, I2; частоту вращения n в режиме холостого хода (момент M2=0) и занести данные в таблицу по форме 3. - Включить питание электромагнитного тормоза с помощью SЗ. - Изменять величину тормозного момента М2 так, чтобы снять 3...4 точки отсчета. - Заносить данные измерений в таблицу по форме 3. Форма 3 Рабочие и механические характеристики В, U1 = В, а1= , I1 = ... A U2= U2H = Измерено М2, Нм n,об/мин I2, A 0

Вычислено Р1, Вт Р2, Вт

Р, Вт

- Вычислить следующие значения: электрические мощности, потребляемые обмотками Р1 =U1I1, P2 = U2I2; механическую (полезную) мощность двигателя

η, %

Р = 0,105 M2n; коэффициент полезного действия (КПД) η = P/(P1 + P2). - Нанести на график 1 механическую характеристику n = f(М2). Вид характеристики показан на рис. 2.3. 4.2.2. Регулировочная характеристика n = f(Uy) при М = const - Снимать регулировочную характеристику в режиме холостого хода (М=0), отключив S3. - Запустить в ход двигатель. - Установить номинальное напряжение U2H на обмотке якоря. - Уменьшать напряжение U1 на обмотке управления от максимально возможного значения до 0,7U1Н так, чтобы снять 3...4 точки отсчета. - Измерять напряжения U1, U2; частоту вращения n и заносить данные в таблицу по форме 4. Вид характеристик показан на рис. 2.4. Форма 4 Регулировочная характеристика n =f(Uy ) М = 0, U2=U2H= Uу, В

а1

B n, об/мин

5. Краткие выводы 5.1. Сравните якорное и полюсное управление двигателем. Укажите их отличия, достоинства и недостатки. 5.2. Укажите значение напряжения трогания в режиме холостого хода при якорном управлении.

6. Литература: [1], c. 111…123.

РАБОТА 6 СЕЛЬСИНЫ

1. Цель работы Практическое ознакомление с характеристиками сельсинов в индикаторном и трансформаторном режимах работа.

2. Основные теоретические положения На практике часто возникает необходимость синхронизации вращения или поворота различных механизмов, находящихся на расстоянии. Эта задача обычно решается с помощью электрических систем синхронной связи. Применяется два вида систем синхронной связи: система синхронного вращения (электрический вал) и система синхронного поворота (передача угла). Система электрического вала чаще всего выполняется с помощью трехфазных асинхронных двигателей с фазным ротором. Система синхронной передачи угла используется для дистанционного управления, регулирования, контроля и выполняется с помощью небольших индукционных машин, называемых сельсинами (selfsyn самосинхронизирующийся). В зависимости от числа фаз первичной обмотки - обмотки возбуждения сельсины делятся на трехфазные и однофазные. В большинстве систем синхронной передачи угла используются однофазные сельсины, имеющие однофазную обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации. Получили распространение две принципиально отличные системы синхронной передачи угла: индикаторная и трансформаторная. Индикаторная система применяется при небольших величинах нагрузочного момента например, нагрузкой является шкала, стрелка прибора - индикатора и т.п. При этом сельсин - приемник может самостоятельно отрабатывать угол, заданный сельсином - датчиком. Индикаторный режим

При работе сельсинов в индикаторном режиме обмотки возбуждения обоих сельсинов подключаются к одной и той же однофазной сети переменного тока. Фазы обмоток синхронизации приемника и датчика соединяются друг с другом линией связи. Переменный ток, проходящий по

однофазным обмоткам возбуждения, создает в каждом из сельсинов пульсирующее магнитное поле, которое наводит в фазах обмоток синхронизации ЭДС. Величина ЭДС зависит от геометрического положения фаз по отношению к обмотке возбуждения. Если роторы приемника и датчика расположены одинаково по отношению к соответствующим обмоткам возбуждения, то в фазах обмоток синхронизации приемника и датчика наводятся одинаковые ЭДС, которые уравновешивают друг друга - ток в обмотках синхронизации и линии связи отсутствуют. Такое положение сельсинов называется согласованным. При повороте ротора датчика на некоторый угол равенство ЭДС нарушается: в обмотках синхронизации и линии связи возникает ток. В результате взаимодействия этого тока с магнитными потоками обмоток возбуждения возникают вращающие моменты, которые будут стремиться повернуть роторы приемника и датчика в согласованное положение. Обычно ротор датчика заторможен, а ротор приемника свободен, поэтому под действием вращающего момента он поворачивается до тех пор, пока не придет в согласованное положение с ротором датчика. Точность работы сельсинов в индикаторном режиме зависит от ряда факторов. Важнейшими из них являются: удельный синхронизирующий момент (момент, развиваемый приемником при угле рассогласования в 1°); момент трения и момент сопротивления на валу приемника; сопротивление линии связи; магнитная и электрическая асимметрия; число приемников, работающих от одного датчика и т.п. Трансформаторный режим

Трансформаторный режим работы сельсинов применяется в тех случаях, когда на ведомой оси имеется значительный момент сопротивления и поэтому сельсин-приемник не в состоянии повернуть ведомую ось. Заданный угол поворота отрабатывается с помощью исполнительного двигателя, связанного с приемником механически и электрически. В трансформаторном режиме однофазная обмотка сельсина-приемника не получает питание от сети, а напротив, является выходной обмоткой, с нее снимается напряжение, пропорциональное заданному углу поворота и через усилитель подается на исполнительный двигатель. Обмотка возбуждения сельсина-датчика, работающего в трансформаторной схеме, подключается к однофазной сети переменного тока. Ток в этой обмотке создает пульсирующее магнитное поле, которое в обмотке синхронизации датчика наводит ЭДС. Так как эта обмотка соединена линией

связи с обмоткой синхронизации приемника, то по обмоткам течет ток. Этот ток, проходя по обмотке синхронизации приемника, создает пульсирующее магнитное поле, которое в выходной обмотке приемника наводит ЭДС выходное напряжение приемника. При повороте ротора датчика синхронно с ротором датчика будет поворачиваться и ось магнитного поля, вследствие чего будет изменяться величина потокосцепления и напряжение выходной обмотки приемника. Величина потокосцепления будет изменяться и при повороте ротора самого приемника. Таким образом, величина потокосцепления и, следовательно, выходное напряжение приемника зависят от угла поворота как датчика θД, так и приемника θП, и определяются углом рассогласования θ = θД - θП. Чтобы получить синусоидальную зависимость выходного напряжения от угла рассогласования (u=Usinθ) принимают за начало углов отсчета угол θ = 90°. Согласованным положением сельсинов в трансформаторной схеме называется положение, при котором выходное напряжение сельсинаприемника равно нулю. При этом соединенные между собой фазы обмоток синхронизации датчика и приемника (в отличие от индикаторного режима работы) не занимают одинакового положения по отношению к соответствующим обмоткам возбуждения: положение обмотки синхронизации приемника отличается от положения обмотки синхронизации датчика на 90°. Качество работы сельсинов в трансформаторной схеме зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются: остаточное напряжение на выходной обмотке приемника; напряжение при угле рассогласования в 1°; удельная мощность выходной обмотки приемника при угле рассогласования в 1°; электрическая и магнитная асимметрия; сопротивление линии связи; количество сельсинов-приемников, соединенных электрически с датчиком.

3. Описание лабораторной установки Установка для испытания однофазных сельсинов (рис.6.1) состоит из сельсина-датчика (Д) и сельсина-приемника (П). Однофазная обмотка датчика (обмотка возбуждения) подключена к источнику питания, величину напряжения которого можно регулировать с помощью автотрансформатора. Это напряжение измеряется вольтметром V1. Для измерения тока возбуждения датчика и потребляемой им мощности служат амперметр А1 и ваттметр Wl. Фазы трехфазной обмотки, синхронизации сельсина-датчика линиями связи соединены с соответствующей фазами трехфазной обмотки сельсина-

приемника. Для измерения токов, протекающих по линиям связи и в обмотках синхронизации, служат амперметры A3, А4 и А5. В индикаторном режиме работы однофазная обмотка сельсина-приемника является обмоткой возбуждения и выключателем S2 подключается к сети. Для измерения тока и мощности обмотки служат амперметр А2 и ваттметр W2. В трансформаторном режиме работы однофазная обмотка сельсинаприемника является выходной обмоткой. Выключатель S2 в данном случае должен быть разомкнут. Выходное напряжение измеряется вольтметром V2.

S1

V1 S2 RÍÃ V2 A1

A2

W1

W2

A3 Ä

Ï A4 A5 Рис. 6.1

Для измерения углов поворота роторов сельсины установлены в специальных редукторных головках, позволяющих производить замеры этих углов. Кроме того, сельсин-приемник снабжен устройством в виде шкива, насаженного на вал ротора, по шкиву проходит шнур с крючком для подвешивания гирь при измерении момента.

4. Порядок выполнения работы 4.1. Индикаторный режим (синхронная передача угла) - Проводить опыты при замкнутом выключателе S2. - Устанавливать сельсины перед началом каждого опыта в согласованное нулевое положение. Для этого шкалу датчика выставить на нуль. Стрелку на приемнике путем вращения шкалы установить против нулевого отсчета. 4.1.1. Статическая ошибка (погрешность) сельсина-приемника - Установить и поддерживать постоянным напряжение питания обмоток возбуждения датчика и приемника U1 = U1H. - Изменять положение ротора датчика θД от 0 до 360° через 10° по часовой стрелке (правое вращение); - Измерять положение ротора приемника θП. - Вносить данные в таблицу по форме 1. - Повторить опыт для поворота ротора датчика против часовой стрелки (левое вращение). Форма 1 Статическая ошибка сельсина-приемника B U1=U1H = θД, град

Правое вращение θП, град ΔθПР, град

Левое вращение θП, град ΔθЛЕВ, град

- Вычислить статическую ошибку приемника Δθ = θД - θП для правого и левого направлений вращения (ΔθПР и ΔθЛЕВ). - Нанести на график 1 зависимость Δθ=f(θД) для правого и левого направлений вращения. Вид кривых показан на рис.6.2. - Определить погрешность следования сельсина-приемника в индикаторном полусумму абсолютных значений максимальных режиме Δθm как положительного и отрицательного отклонений, измеренных при повороте ротора по часовой и против часовой стрелки. Погрешность следования выражается в угловых минутах.

4.1.2. Основные характеристики Основные характеристики представляют собой зависимость первичных токов I1Д и I1П, мощностей Р1Д и Р1П , коэффициентов мощности соsϕД и сosϕП , вторичных токов Ia , Ib, Ic и момента М от угла рассогласования θ. Угол θ задается с помощью груза m, подвешиваемого к шкиву приемника. - Проводить опыт при пониженном напряжении питания U1. Во избежание чрезмерного перегрева сельсинов, которые рассчитаны на работу при углах рассогласования не более 30...40°, в этом опыте необходимо уменьшить приложенное напряжение примерно на 20% по сравнению с номинальным U1H. - Поддерживать постоянным напряжение питания обмоток возбуждения датчика и приемника U1= const. - Закрепить ротор датчика в нулевом положении. - Изменять величину груза от нуля до такой величины, пока один из вторичных токов в обмотках синхронизация не достигнет максимального значения. При этом необходимо получить не менее 5 точек отсчета. - Измерять величину груза m, угол рассогласования θ, первичные токи I1Д и I1П, потребляемые мощности Р1Д и Р1П, вторичные токи Ia, Ib, Ic и заносить данные в таблицу по форме 2. Форма 2 Основные характеристики сельсинов в индикаторном режиме B U1 = Измерено θ, град

m, г

I1Д, А

Р1Д, Вт

I1П, А

Р1П, Вт

Вычислено Ia, А

Ib, А

Ic, А

М, Нм

- Вычислить величину синхронизирующего момента M = 9,8⋅m⋅R⋅10-5, где R=2,6 см - радиус шкива, а также величину удельного синхронизирующего момента, разделив сиихронизирующий момент, соответствующий малому углу рассогласования (θ=5-10°), на величину этого угла

МУД= М/θ. - Построить на графике 2 зависимости: Ia, Ib, Ic, М=f(θ). Примерный вид характеристик показан на рис.6.3.

4.2. Трансформаторный режим - Разомкнуть выключатель S2. - Поддерживать постоянным напряжение питания обмотки возбуждения датчика U1. - Измерять напряжение выходной обмотки приемника с помощью высокоомного вольтметра V2. 4.2.1. Величина остаточного напряжения - Закрепить ротор датчика в нулевом положении. - Изменять положение ротора приемника, вращая рукой его шкивок, до тех нор пока выходное напряжение не будет минимальным (UОСТ). - Измерить и записать величину остаточного напряжения UОСТ. - Принять это положение ротора за нулевое (согласованное); отличие нулевого положения приемника в трансформаторном режиме θ' по сравнению с индикаторным θ составляет примерно 90°: θ' =θ ± 90°. 4.2.2. Статическая ошибка сельсина-приемника - Установить сельсины в согласованное нулевое положение, как описано в п. 4.2.1. - Повернуть ротор сельсина-датчика на 10° по часовой стрелке (правое вращение). - Поворачивая ротор сельсина-приемника, добиться минимального напряжения на выходной обмотке. - Измерить угол поворота сельсина-приемника θ'П. - Занести данные в таблицу по форме 3. - Вычислить величину погрешности Δθ=θД- θ'П, - Продолжить опыт, поворачивая ротор сельсина-датчика через 10°до 360°. - Повторить опыт для левого вращения (против часовой стрелки)

Форма 3 Статическая ошибка сельсина-приемника в трансформаторном режиме B U1 = θД, град

Правое вращение θ′П, град ΔθПР, град

Левое вращение θ′П, град ΔθЛЕВ, град

- Вычислить погрешность Δθm как среднее арифметическое значение максимальных положительной и отрицательной ошибок.

4.2.3. Основные характеристики - Закрепить ротор датчика в нулевое положение. - Изменять положение ротора приемника от нулевого синфазного ′ θ П = 0 до 180° через 10°, записав точку θ′ = 90°. -Измерять выходное напряжение приемника UВЫХ, угол рассогласования θ′, потребляемые датчиком ток I1Д и мощность Р1Д и заносить данные в таблицу по форме 4. Форма 4 Основные характеристики сельсинов в трансформаторном режиме В U1Д = θ′, град

UВЫХ, В

I1Д, А

Р1Д, Вт

- Построить зависимость UВЫХ = f(θ′) на графике 3. Вид функции UВЫХ = f(θ′) показан на рис.6.4. - Определить удельное выходное напряжение и удельную выходную мощность при угле рассогласования 10° по формулам : UВЫХ УД= UВЫХ 10°/10; РВЫХ УД= РВЫХ 10°/10.

5. Краткие выводы 5.1. Индикаторный режим - Определить класс точности сельсина-приемника в индикаторном режиме работы по величине погрешности Δθm , учитывая следующую градацию по точности: Класс точности 30 45 60 90 Погрешность cледования, угл.мин. ± 30 ± 45 ± 60 ± 90 - Привести значение удельного синхронизирующего момента. 5.2. Трансформаторный режим - Определить класс точности сельсина-приемника в трансформаторном режиме работы по величине погрешности Δθm в соответствии с приводимой ниже шкалой: Класс точности

0,1 0,2 0,3 0,5 1

2

3 5 10 20 30

Погрешность следования, ±0,1 ±0,2 ±0,3 ±0,5 ±1 ±2 ±3 ±5 ±10 ±20 ±30 угл.мин : ' - Указать величину удельных выходных напряжения.

6. Литература: [2], c. 266…275.

Δθ

IА

IB IС

U ВЫХ

R=∞ R = RНГ

РАБОТА 3

ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1. Цель работы Целью работы является экспериментальное изучение рабочих свойств вентильного двигателя постоянного тока малой мощности и анализ его технико-экономических показателей.

2. Основные теоретические положения Вентильный электродвигатель (ВД) представляет собой электромеханическую систему, состоящую из трёх функционально связанных узлов: собственно электрической машины (ЭМ), датчика положения ротора (ДПР) и полупроводникового коммутатора (ПК). Конструктивно ЭМ выполняется по типу синхронной машины: секции якорной обмотки размещаются на статоре, индуктор – постоянный магнит – является частью её ротора и создает в воздушном зазоре поток возбуждения. ДПР состоит из сигнального элемента (СЭ), жестко связанного с ротором ЭМ, и чувствительных элементов (ЧЭ), установленных на статоре. СЭ размещается в зоне установки ЧЭ и при вращении ротора ВД периодически бесконтактно воздействует на них энергией своего физического поля (магнитного, светового, электрического и т.п.) в зависимости от их типа. ПК по сигналам, поступающим с СЭ на управляющие входы его полупроводниковых ключей (в ВД малой мощности – транзисторных), периодически подключает секции якорной обмотки к источнику питания – коммутирует секции. Из-за жесткой связи СЭ с ротором, а ЧЭ – со статором коммутация секций происходит в такой последовательности и в такие моменты времени, при которых направление магнитного поля индуктора, сохраняется неизменным при любом положении ротора относительно статора. Именно поэтому при взаимодействии магнитодвижущей силы (МДС) якорной обмотки с магнитным полем индуктора создается постоянный по знаку момент. Таким образом, ДПР совместно с ПК выполняют функции коллекторнощеточного аппарата двигателя постоянного тока. Следствием этого является практическая идентичность характеристик ВД и коллекторных двигателей постоянного тока. Электрическая энергия источника питания по пути преобразования в механическую проходит последовательно через два устройства: полупроводниковые ключи коммутатора и электрическую машину. Следовательно, повышение энергетических показателей ВД возможно только

при комплексном подходе, учитывающим особенности электрической машины и полупроводникового коммутатора. Исследования показывают, что для достижения наилучших энергетических показателей необходимо, чтобы ⎡ ⎤ ∂ ⎢u (α ) − ∑ ei (α ) ⎥ ⎣ ⎦ = 0, ∂α

(3.1)

где u(α) – напряжение питания ВД, ei(α) – ЭДС i-го источника, α - текущее значение угла поворота ротора. Выполнение этого условия ведет к снижению уровня гармонических составляющих в кривой ЭДС вращения на интервале коммутации, что уменьшает пульсации тока, а, следовательно, и потери мощности в секциях якорной обмотки. С другой стороны, это благоприятно сказывается на энергетике коммутатора, поскольку снижаются пульсации тока полупроводниковых ключей и рассеиваемая на них мощность оказывается минимальной. Согласно написанному выше условию для постоянного напряжения питания ВД оптимальной является прямоугольная форма кривой суммарной ЭДС на интервале коммутации. Одним из возможных путей получения такой формы ЭДС является введение в цепь якорной обмотки источников вольтодобавки сфазированных с ЭДС вращения двигателя. Принципиальная схема такого ВД с двухполупериодным (мостовым) коммутатором показана на рис.3.1. В качестве источника вольтодобавки здесь используется двухобмоточный дроссель L.

+ VT1

VT3

A

0 L

VT5

i1 VT2

VT7

Á i2

VT4

VT6

VT8

B + Рис. 3.1

Уравнения для электромагнитного КПД и механической характеристики такого ВД могут быть представлены в виде:

ηЭМ

M CP =

4

π

kπ PЭМ − PЭЛ 1 − k E 4 = = ; π PЭМ −1 2k E

(3.2)

U CE2 ⋅ Ω − k, RЯ RЯ

CE

(3.3)

где коэффициент k учитывает влияние на указанные характеристики индуктивного сопротивления (индуктивности) дросселя и активного сопротивления обмотки якоря. Его величина равна k=

2 +π 2 2 1 ⋅α ⋅ Ω + 2 2 + 1 , α ⋅Ω 2π

(3.4)

где Ω - угловая частота вращения ротора; L – индуктивность дросселя; RЯ – активное сопротивление обмотки якоря. Коэффициенты CE =

E ; Ω

kE =

E 2 pL ; α= . U RЯ

Для идеального ВД (L>>RЯ) α →

2 +π

π

и согласно уравнению (3.3)

механическая характеристика является линейной. В реальном ВД малой мощности величина RЯ значительна, а индуктивность дросселя имеет конечное значение. Поэтому, как видно из написанных уравнений, указанные параметры схемы ВД (L и RЯ) отрицательно влияют на величину КПД и искажают линейность механической характеристики. В табл.3.1 представлены основные технико-эксплуатационные показатели ВД и аналогичных по мощности и частоте вращения коллекторных двигателей постоянного тока.

Т а б л и ц а 3.1

Параметры

Единица измерения

Тип электродвигателя ДПР-723ДБ 50-16-4

СЛ-240С

М1 коллекторный с с параллельным возбуждением возбуждением от постоянного магнита Габариты диаметр, длина Вес, G Напряжение Частота вращения n Момент Ток , IH η Ток, IП Время, T Объем VK G/VK P2H/Vk Р2Н/G

мм кг В об/мин

70 х 149 1,4 24 3400 4000

–

бесконтактный

40 х 89

76 х 50 х 40

0,6 27

0,73 27

4500

4000

Н⋅м А

4,9⋅10 1,9

3,92⋅ 1,3

3,9

%

0,38

0,53

0,55

А час см3 г/см3 Вт/см3 Вт/кг

2000 573 2,44 0,031 12,5

17,5 1000 112 5,55 0,165 30,8

3,0 30000 260 3,0 0,06 20,5

1,3

3. Описание схемы лабораторной установки Схема лабораторной установки показана на рис.3.2. Вентильный двигатель имеет автономный блок питания, состоящий из индукционного регулятора (ИР) и двухтактного выпрямителя. Это позволяет регулировать напряжение питания ВД как со стороны сети переменного тока, так и со стороны постоянного тока.

Контроль указанных напряжений осуществляется соответственно посредством вольтметров V1 и V2. Потребляемый двигателем ток измеряется амперметром А. Нагрузка на валу ВД создается посредством индукционного тормоза (ИТ), ток возбуждения которого регулируется потенциометром R2.

S S3

ÈÐ

R2

S1

ÈÒ

V1

S2 R1

V2

A

ÏÊ

Áëîê ïèòàíèÿ

ÂÄ Рис.3.2 Поскольку мощность исследуемого двигателя невелика, диск индукционного тормоза в рабочем диапазоне частот вращения создает значительную вентиляторную нагрузку. Поэтому при расчете характеристик ВД этот тормозной момент должен быть учтен как соответствующая добавка МВб к величине момента М2, измеряемого по шкале индукционного тормоза, т.е. М = М2 + МВб. Момент, обусловленный вращением диска, является функцией частоты вращения и его геометрических размеров. Его значения в зависимости от указанных параметров представлены в табл.3.2. Частота вращения вала двигателя измеряется милливольтметром (на схеме не показан), включенным на выход тахогенератора постоянного тока, встроенного в ВД.

Т а б л и ц а 3.2 Зависимость момента М от частоты вращения n n, об/мин 0 1000 2000 3000 4000 5000

0 0 0,2 0,71 1,46 2,55 4,1

200

400

600

850

0,03 0,27 0,77 1,6 2,7 -

М× 10-3 Н⋅м 0,07 0,36 0,92 1,8 3,1 -

0,1 0,48 1,05 2,1 3,45 -

0,15 0,56 1,21 2,3 3,7 -

4. Порядок выполнения работы 4.1. Пуск двигателя - Включить выключатель S1. - Установить с помощью индукционного регулятора (ИР) номинальное напряжение со стороны сети переменного тока. При этом движок потенциометра R2 должен находиться в положении, соответствующему минимуму напряжения со стороны постоянного тока. - Включить выключатель S2. - Установить с помощью потенциометра R1 номинальное напряжение питания двигателя. 4.2. Экспериментальное определение основных характеристик двигателя - Измерить и записать в таблицу по форме 1 значения напряжения питания, потребляемого тока и частоты вращения при работе двигателя в режиме холостого хода. Форма 1 Расчет Опыт U, B

I, A

M2+MВб, Нм

n, об/мин

P1=U⋅I, P2=Mω, Вт Вт

η

- Включить выключатель S3 и подать питание на электромагнитный тормоз (ИТ). При этом движок потенциометра R2 должен стоять в положении, соответствующему минимальному напряжению, подаваемому на обмотку возбуждения ИТ. - Регулировать ток возбуждения ИТ и изменять тормозной момент на валу двигателя до величины М ≈ 1,2МН, сняв таким образом 4…6 точек. Значения I и n, соответствующие различным нагрузкам, заносить в таблицу по форме 1. - Повторить опыт для напряжений U = 0,8UH, 0,6UH, 0,5UH , изменяя с помощью потенциометра R1 напряжение питания электродвигателя.

5. Обработка экспериментальных данных 5.1. Для каждого из значений напряжения потребляемую и полезную мощности, а также КПД.

питания

рассчитайте

5.2. На графике 1 постройте рабочие характеристики: P, I, M, n и η = f(P2) при U =UH= const. На основании этих данных определите основные параметры двигателя при номинальной мощности равной 16 Вт. 5.3. На графике 2 постройте семейство скоростных характеристик, т.е. зависимостей n=f(I) при U=const. 5.4. На графике 3 постройте семейство механических характеристик – зависимостей n=f(M) при U = const. 5.5. На графике 4 постройте зависимость η=f(U) при М = МН.

6. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: - схему лабораторной установки; - таблицу измеренных и вычисленных величин; - необходимые графики; - краткие выводы по работе, в том числе сравнительный анализ техникоэксплуатационных показателей электродвигателей представленных в табл. 3.1.

7. Литература : [3].

РАБОТА 4 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ (УПРАВЛЯЕМЫЙ) АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

1. Цель работы Исследование пусковых, исполнительного асинхронного характеристик.

рабочих двигателя

и регулировочных свойств путем снятия его опытных

2. Основные теоретические положения В качестве исполнительных асинхронных двигателей (ИАД) применяются двухфазные асинхронные машины. Ротор ИАД чаще всего имеет конструкцию с короткозамкнутой обмоткой или полый ротор в виде алюминиевого стаканчика (без обмотки). На статоре расположены две обмотки, взаимно смещенные в пространстве на угол 90 эл. градусов. Одна обмотка – возбуждения (ОВ) – постоянно включена на напряжение сети UB. Другая обмотка – управления (ОУ) – включена на регулируемое по величине или по фазе напряжение Uy, от которого зависит скорость и мощность, развиваемые двигателем при заданном нагрузочном моменте на валу. Принципиальные схемы включения двигателя представлены на рис. 4.1. B

Регулирование скорости двигателя осуществляется путем создания той или иной системы асимметрии напряжений, определяющей различную степень эллиптичности вращающегося магнитного поля, начиная с кругового поля (равенство приведенных напряжений по величине и сдвиг по фазе на 90 эл. градусов), кончая пульсирующим полем (напряжение на обмотке управления отсутствует). Используя метод симметричных составляющих, асимметричную систему напряжений и магнитодвижущих сил (МДС) можно разложить на систему прямой и обратной последовательностей. Тогда очевидно, что регулирование скорости двигателя осуществляется путем создания собственного тормозного электромагнитного момента полем обратной последовательности, величина которого зависит от степени асимметрии напряжений. Известны три способа управления для регулирования скорости: а) Амплитудное, когда изменяется величина напряжения на обмотке управления при постоянном сдвиге напряжений по фазе (рис.4.1,а).

á)

à)

â)

ÔÑÓ

ÔÂ

Ñ ÎÂ

ÎÂ

ÎÂ ÎÓ

ÎÓ

ÎÓ

U B

U B

b

U У = var

b=var

b

b U У = var

U У

U B

b=var

Рис. 4.1 б) Фазовое, при котором регулируется фаза напряжения управления относительно напряжения сети при неизменной его величине (рис.4.1,б). в) Амплитудно-фазовое, когда величина напряжения управления регулируется по заданному закону, а фаза (угол β) между напряжениями изменяется произвольно с изменением скорости двигателя. Такой случай имеет место при питании двигателя от однофазной сети с фазосдвигающим элементом (обычно конденсатор) в обмотке возбуждения (рис.4.1,в). Величину, определяющую отношение модулей напряжений управления и возбуждения a=Uy /UB , (4.1) называют коэффициентом сигнала. Эффективным коэффициентом сигнала называют отношение напряжений, приведенных к числу витков обмотки управления аe = k⋅a = k⋅Uy/UB =

Uy

, (4.2) UB / K где k = wB kоб в / wy kоб у представляет собой коэффициент трансформации; wB, wy – число витков обмоток; коб в, коб у – обмоточные коэффициенты. Условия получения симметричного режима, т.е. кругового вращающегося магнитного поля, определяются отсутствием обратного поля. Отсюда имеем в

случае: - амплитудного регулирования

βo = π / 2 , α o = 1/ k , α eo = 1 , т.е. U yo = U B / k ;

(4.3)

- амплитудно-фазового регулирования (конденсаторное управление) xeo = k 2 z 2y / x y ,

αo =

xy k ⋅ ry

, α eo =

xy ry

, т.е. U yo =

xy U B , ⋅ ry k

(4.4)

где ry, xy , zy - активное, индуктивное и полное сопротивления двигателя со стороны обмотки управления для рассматриваемого режима. В последнем случае, т.е. для конденсаторной схемы управления симметричный режим обычно выбирается при заторможенном роторе. Это делается для того, чтобы, с одной стороны, обеспечить наибольший пусковой момент, а с другой, как это будет видно из дальнейшего, для увеличения быстродействия. Тогда условия кругового поля перепишутся в таком виде 2 xeo = k 2 z yk / x yk ; α o =

x yk k ⋅ ryk

; α eo =

x yk ryk

, т.е. U yo =

x yk U B , ⋅ ryk k

(4.5)

где входящие параметры цепи управления определяются для скольжения s=1. Точность и устойчивость работы автоматических и следящих систем в значительной степени определяются свойствами исполнительного двигателя. В этой связи к таким двигателям предъявляются следующие требования: а) Устойчивость механической характеристики. Получение устойчивой характеристики для асинхронных двигателей зависит от величины критического скольжения sКР, которое должно быть больше единицы в симметричном режиме, и от способа управления, определяющего величину и характер обратного (тормозного) момента. Как известно из общей теории электрических машин, получение sКР >1 требует большой величины активного сопротивления ротора. Для исполнительных асинхронных двигателей в целях обеспечения хорошей линейности механических характеристик sКР >2,5. б) Линейность механической и регулировочной характеристик определяется степенью их нелинейности. Из рис.4.2 имеем:

ξM =

ΔM max Δn ; ξ n = max , Mk n1

(4.6)

где ΔM max и Δnmax - максимальные отклонения механической и регулировочной характеристик от линейных зависимостей. в) Отсутствие самохода при снятии сигнала управления, т.е. самоторможение двигателя в чисто однофазном режиме при пульсирующем поле. Математически пульсирующий поток можно представить в виде двух потоков равной амплитуды, вращающихся в разные стороны: прямой и обратный. Можно считать, что один поток (прямой) создает вращающий момент, а другой (обратный) - тормозной. При этом величина этих моментов должна быть такой, чтобы результирующий момент был тормозным, т.е. МПР –МОБР < 0, что достигается при величине скольжения sKP > 1. г) Быстродействие или малоинерционность. Исполнительные двигатели должны иметь малое время разгона и остановки, а следовательно малую электромеханическую постоянную времени TM =

cD 2 Ωo ⋅ , 4g M K

2π f (1 − s0 ) - скорость холостого хода, МК -пусковой момент. p д) Напряжение трогания UТР определяет зону нечувствительности двигателя и должно быть минимально возможным. где Ωo =

а)

n n1

б)

MK ΔM max Δnmax

n1 Рис.4.2

α =1

α

3. Описание лабораторной установки Схема установки испытания двигателя представлена на рис.4.3. При выполнении данной лабораторной работы исследуется конденсаторный способ управления. Сдвиг напряжений по фазе достигается включением конденсатора в обмотку возбуждения. Напряжения, подаваемые на эти обмотки, регулируются потенциометрами R1 и R2. В качестве нагрузки двигателя используется электромагнитный тормоз ЭТ, ток возбуждения которого регулируется реостатом R3. Частота вращения двигателя n измеряется с помощью тахогенератора постоянного тока (на схеме не показан).

S1 R1

R2

V1

V2 W2

W1 A1

S3

S2

ÎÓ

ÎÂ A2

R3 ÝÒ

Рис. 4.3

4. Порядок выполнения работы 4.1. Параметры обмоток двигателя - Проводить опыты при отключенном тормозе (SЗ отключен). 4.1.1. Определение параметров обмотки управления - Отключить от питания обмотку возбуждения. - Изменять напряжение на обмотке управления в пределах (0,4…1,0) UyH так, чтобы произвести три точки отсчета. - Измерять напряжение Uyk , ток Uyk , мощность Рyk обмотки управления и заносить данные в таблицу по форме 1.

Форма 1

Определение параметров обмотки управления UB = 0, n = 0 Uyk, В

Измерено Uyk , А

Рyk, Вт

zyk, Ом

Вычислено ryk, Ом

xyk,Ом

- Вычислить параметры обмотки управления по формулам: zyk= Uyk/Iyk;

ryk= Pyk/I2yk;

2 x yk = z yk − ryk2 .

- Определить среднее значение хyk. 4.1.2. Определение параметров обмотки возбуждения - Отключить от питания обмотку управления. - Изменять напряжение на обмотке возбуждения в пределах (0,4...1,0)UBH так, чтобы произвести три точки отсчета. - Измерять напряжение UBK, ток IBK, мощность РBK обмотки возбуждения и заносить данные в таблицу по форме 2. Форма 2 Определение параметров обмотки возбуждения Uy = 0, n = 0 UBK, В

Измерено UBK, А

РBK,Вт

zBK,Ом

Вычислено rBK,Ом

xBK,Ом

- Вычислить параметры обмотки возбуждения zBK, rBK, xBK по формулам, аналогичным формулам для обмотки управления (п.4.1.1.). - Определить среднее значение xBK. 4.1.3. Проверка условия получения кругового поля - Вычислить коэффициент трансформации, используя средние значения xyK,BK: k = xBK / x yk . - Проверить условия получения кругового поля при номинальном напряжении возбуждения UBK. Вычислить величину напряжения управления, обеспечивающего круговое поле при пуске по формуле U yo = U BH / k .

- Затормозить ротор. - Установить номинальное напряжение UBH на обмотке возбуждения. - Установить напряжение Uyo на обмотке управления. - Измерить напряжения UBH и Uyo, токи IB и Iy, мощности PB и Py и занести данные в таблицу по форме 3. - Сделать вывод о характере магнитного поля. Форма 3 Данные двигателя, соответствующие круговому магнитному полю n=0 UBH, B

Uyo, B

IB, A

Iy, A

B

PB, Вт

Py, Вт

4.2. Paбочие и механические характеристики - Запустить двигатель и установить на обмотках номинальные напряжения UBH и Uyн (а=1). - Измерить напряжения UBH и UyН , токи IB и Iy, мощности РB и Рy, частоту вращения в режиме холостого хода (M2=0) и занести данные в таблицу по форме 4. Форма 4 Рабочие характеристики B, Uy = B UB = UBH= Измерено М2,Нм n, Iy, A об/мин

Вычислено Py, Вт IB, A B

PB,Вт

а

Р2, Вт η, %

0

- Включить питание тормоза выключателем SЗ. - Изменять момент нагрузки M2 с помощью реостата RЗ так, чтобы снять 4...5 точек отсчета. - Измерять UB, Uy, n, IB, Iy, PB, Py, M2 и записывать данные в таблицу по форме 4. - Установить на обмотке управления напряжение 0,5Uyo(а = 0,5). - Повторить опыт, начиная с режима холостого хода (М2=0) при выключенном SЗ и далее . - Вычислить коэффициент сигнала а, полезную мощность двигателя P2 и КПД η