Однокопылов И.Г., Семенов С.М. Электрический привод. Статика. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

1.5. Методические указания по снятию механических

характеристик электрических двигателей

1. Методика экспериментального определения и расчета меха-

нических характеристик электрических двигателей

Значительное количество работ в лаборатории электропривода по-

священо получению опытным путем механических характеристик элек-

тродвигателей постоянного и переменного токов, представляющих со-

бой зависимость угловой скорости двигателя от его электромагнитного

момента.

Характеристика

 = (М) испытуемого двигателя (ИД) легко может

быть снята экспериментально, если в качестве нагрузочного устройства

использовать двигателя постоянного тока независимого возбуждения

(ДПТ НВ), скорость, которой регулируется в широких пределах. В ла-

боратории электропривода используются два способа регулирования

скорости нагрузочной машины (НМ):

 путем регулирования сопротивления реостата в якорной цепи

и величины магнитного потока при работе НМ в режиме динамического

торможения с независимым возбуждением;

 путем регулирования сопротивления реостата в якорной цепи,

величин магнитного потока и напряжения питания НМ в режиме работы

двигателем или генератором параллельно с сетью.

Оба указанных способа реализуются в лабораторных работах с по-

мощью электромеханических устройств, аналогичных представленному

на рис. 6.

В рассматриваемой схеме в качестве испытуемого двигателя исполь-

зуется асинхронный двигатель (АД

) с короткозамкнутым ротором D1

(в лабораторных стендах в качестве исследуемой машины могут быть

применены электродвигатели других типов). Вал испытуемого электро-

двигателя механически соединен с валом нагрузочной машины D2.

Момент испытуемого двигателя в установившемся режиме работы

может быть определен косвенным методом как алгебраическая сумма:



 , (3)

где

– электромагнитный момент нагрузочной машины;

 – момент, требуемый для компенсации потерь в агрегате (ме-

ханических, магнитных).

V1 W1

Тахометр

IB2

Un/2

S1 S2

QF2

QF1

Рис. 6. Электрическая схема стенда для снятия механических характеристик

На рис. 7 показаны отдельно

()





, кривые ()



  и ре-

зультирующая кривая

()

M , представляющая собой механическую

характеристику асинхронного двигателя. Необходимо четко понимать, что

правая часть выражения (3) представляет собой алгебраическую сумму

моментов, т. е. знаки моментов



могут быть различными.

В тех случаях, когда нагрузочная машина D2 работает в двигательном

режиме, она покрывает потери в агрегате; последнее имеет место

в тормозных режимах работы испытуемого двигателя. В этих случаях абсо-

лютное значение момента двигателя D1 определяется следующим образом:



 .

В случае двигательного режима работы асинхронного двигателя,

машина D2 работает генератором, следовательно, потери в агрегате по-

крываются самим испытуемым двигателем, а его момент находится по

выражению:



 .

Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что величи-

на пускового момента (при

 = 0) должна определяться графически,

приблизительно по значениям момента при минимальных угловых ско-

ростях в двигательном и тормозном режимах.

Электромагнитный момент нагрузочной машины может быть оп-

ределен на основании экспериментальных значений токов ее якоря в ус-

тановившихся режимах работы:

222



 , (4)

где

– коэффициент пропорциональности между током якоря и мо-

ментом (коэффициент связи).

Данный коэффициент можно найти как расчетным, так и опытным

путем при тарировании нагрузочной машины D2 по следующим зави-

симостям:

 расчетным путем по паспортным данным электрической машины:

нн

UIR









, (5)

где

, R, 

– соответственно номинальное напряжение питания,

номинальный ток якоря, сопротивление якорной цепи, номинальная

частота вращения машины постоянного тока;

 опытным путем:

С 



, (6)

где

,  – соответственно ЭДС якорной обмотки и частота вращения

машины D2.

Поскольку коэффициент

зависит от величины основного маг-

нитного потока машины D2, то его величина определяется для ряда зна-

чений токов обмотки возбуждения EW в соответствии с методическими

рекомендациями выполнения конкретной лабораторной работы (под-

раздел 2 данного раздела 1.5).

Используя экспериментальные данные скорости вращения нагру-

зочной машины и расчетные значения ее электромагнитного момента,

строится механическая характеристика нагрузочной

машины

()

M

, представленная на рис. 7. Данная кривая похожа на механическую ха-

рактеристику двигателя D1, но является разрывной при изменении знака

скорости.

Рис. 7. Механические характеристики АД,

нагрузочной машины и характеристика

момента потерь

В соответствии с выражением (3) для определения электромагнит-

ного момента испытуемого двигателя необходимо к величине электро-

магнитного момента нагрузочной машины прибавить (с учетом знака)

момент, обусловленный механическими потерями и потерями в стали,

который определяется из кривой момента потерь







  .

При снятии кривой момента потерь машина D2 работает двигате-

лем (приводится во вращение с разной скоростью и в разных направле-

ниях), а асинхронный двигатель отключается от сети (если испытуемый

двигатель выполнен с фазным ротором, то размыкается его роторная

цепь).

Порядок снятия кривой момента потерь подробно изложен в мето-

дических рекомендациях по

выполнению конкретных лабораторных ра-

бот (подраздел 2 данного раздела 1.5).

Порядок работы на стенде

Автоматическим выключателем (автоматом) QF1 подается питание

на статор асинхронного двигателя D1.

Напряжение на нагрузочную машину постоянного тока подается от

источника постоянного напряжения

. Величина напряжения U

на

стенде может ступенчато регулироваться переключателем S1. Автома-

тический выключатель QF2 служит для включения и выключения цепи

якоря машины D2. Переключатель S2 предназначен для включения на-

грузочной машины по схеме динамического торможения, либо по схеме

работы двигателем. Переключатель S3 служит для реверсирования тока

в обмотке возбуждения нагрузочного двигателя.

В исходном состоянии выключатели QF1 и QF2 разомкнуты.

Перед

началом снятия механических характеристик запускается

электродвигатель D1 (включается автомат QF1) и фиксируются его ско-

рость вращения холостого хода и направление вращения вала в двига-

тельном режиме работы с помощью цифрового тахометра (либо визу-

ально).

Далее испытуемый двигатель отключается от сети автоматом QF1

и запускается нагрузочная машина (автомат QF2 включается) при мак-

симальном значении величины сопротивления

в цепи якоря и номи-

нальном токе в обмотке возбуждения EW нагрузочного двигателя (для

снижения величины пускового тока). При этом фиксируются направле-

ние частоты вращения машины D2 и положение переключателя S3, со-

ответствующее данному направлению вращения.

Затем запускают испытуемый двигатель и включают нагрузочную

машину на согласное с двигателем D1 вращение (пуск машины посто-

янного

тока

осуществляется при максимальной величине сопротивления

реостата R1 и номинальном токе в обмотке возбуждения EW).

С помощью реостатов R1 и R2, а также переключателя S1

устанав-

ливается угловая скорость вращения испытуемого двигателя, превы-

шающая синхронную скорость на 20–30 %. При этом фиксируется ток

якоря нагрузочной машины с помощью амперметра А1.

После этого скорость вращения машины D2 (и, соответственно, ис-

пытуемого двигателя) снижается посредством перехода на другую ис-

кусственную характеристику, осуществляемого путем регулирования

сопротивлений реостатов R1 и R2, а также величины напряжения, пода-

ваемого на нагрузочную машину.

На рис. 8 приведены механическая характеристика двигателя D1,

ряд механических характеристик нагрузочной машины, полученных пу-

тем регулирования величины сопротивления

реостата R1 и показанных

сплошными линиями, а также кривые момента потерь рассматриваемой

электромеханической системы. На характеристиках асинхронного дви-

гателя и машины D2 проставлены характерные точки равновесного со-

стояния агрегата.

Точке «

а» характеристики испытуемого двигателя соответствует

генераторный режим работы параллельно с сетью (рекуперативного

торможения), нагрузочная машина работает двигателем, развивая мо-

мент, соответствующий отрезку О

, уравновешивающий электромаг-

нитный тормозной момент испытуемой машины (отрезок О

а) и момент

потерь (отрезок О

'), т. е.



 .

При переходе на характеристику с большей величиной сопротив-

ления реостата R1 скорость двигателя D1 уменьшается, становится рав-

ной синхронной (точка

б) и может стать несколько меньше синхронной.

Чтобы снять область характеристики

 = (М) асинхронной маши-

ны в двигательном режиме, нужно перевести машину D2 в генератор-

ный режим. Для этого при полностью введенном реостате R1 переклю-

чателем S2 якорь нагрузочной машины замыкается на реостат R1 и она

переходит в генераторный режим (динамическое торможение).

На рис. 8 отмечены три точки характеристики асинхронного двига-

теля двигательного режима «

в», «г», «д» и три характеристики машины

D2, соответствующие трем значениям сопротивлений ее якорной цепи.

В данном случае испытуемый двигатель покрывает потери в агрегате,

поэтому для точки «

г» электромагнитный момент двигателя D1 (отрезок

г) равен сумме тормозного момента машины постоянного тока (отре-

зок О

) и момента потерь в агрегате (отрезок О

О'

), т.е.

MM. В точке «д

» нагрузочная машина работает на свое со-

противление якоря (сопротивление

= 0).

Рис. 8. Механические характеристики АД,

нагрузочной машины и характеристика

момента потерь

Для дальнейшего снятия характеристик испытуемого двигателя не-

обходимо снова перевести нагрузочную машину в двигательный режим

с обратным направлением вращения путем соответствующего включе-

ния переключателей S2 и S3 при введенном реостате R1.

Регулируя сопротивления реостатов R1 и R2 и напряжение на ма-

шине D2,

можно снять необходимое количество точек в двигательном

режиме работы машины D1 ниже точки «

д», а также в режиме проти-

вовключения (

  0). Во всех точках также фиксируются скорость вра-

щения и ток нагрузочной машины. В режиме противовключения асин-

хронного двигателя машина D2 работает двигателем, развивает момент,

соответствующий отрезку

и уравновешивает момент двигателя D1

(отрезок О

е) и момент потерь (отрезок О

'О

), т. е.



 .

На основании полученных экспериментальных значений тока якоря

нагрузочной машины определяется ее электромагнитный момент по вы-

ражению (4).

Снятие механических характеристик для случаев, когда испытуе-

мый двигатель – машина постоянного тока, а также определение момен-

та потерь производятся аналогичными методами.

2. Экспериментальное определение коэффициента пропорцио-

нальности между ЭДС вращения и угловой скоростью двигателей

постоянного тока

Как известно, коэффициент связи (пропорциональности) между

ЭДС и угловой скоростью вращения (то же между электромагнитным

моментом и током якоря) двигателей постоянного тока определяется из

выражений (4) и (6):







, (7)

где

k – конструктивный коэффициент двигателя;

Ф – магнитный поток двигателя.

При постоянном магнитном потоке коэффициент связи

С для дан-

ного двигателя становится постоянным, и если поток номинальный, то

данный коэффициент может быть рассчитан по выражению (5), исполь-

зуя паспортные данные двигателя.

В электрических машинах лабораторных установок магнитный по-

ток преимущественно изменяется, поэтому указанный коэффициент

пропорциональности также изменяется в зависимости от магнитного

потока. Из выражения (7) видно, что для определения

(Ф)()CfI 

необходимо выполнить измерения ЭДС и скорости в предполагаемом

диапазоне изменения потока и рассчитать коэффициент

С, по выше

приведенному выражению. Электрическая схема стенда для экспери-

ментального определения коэффициента приведена на рис. 6.

Если испытуемый двигатель независимого или параллельного воз-

буждения, то рекомендуется коэффициент

С определять для исследуе-

мой машины, так как при этом заметно упрощается расчет его электро-

магнитного момента в различных режимах:

111



 . (8)

Для этого необходимо установить ток якоря равным нулю (разомк-

нуть цепь якоря испытуемой машины либо компенсировать ЭДС двига-

теля D1 внешним источником напряжения) и вращать его двигателем

D2, изменяя угловую скорость нагрузочного двигателя и ток возбужде-

ния

в1

испытуемого двигателя. Данные занести в табл. 1.

Таблица 1

= Е

/



–

В1

А I

В1.н

В1.мин

Вс

По данным табл. 1 построить зависимость

1 в1

()CfI



При других типах испытуемого двигателя (последовательного воз-

буждения, асинхронный, синхронный) электромагнитные моменты ис-

следуемой машины рассчитывают через момент нагрузочной машины:



 , (9)

где

– электромагнитный момент нагрузочной машины;

М – момент потерь агрегата (D1 + D2) .

Поэтому коэффициент связи в этих случаях находят для нагрузоч-

ной машины.

Для этого необходимо разомкнуть цепь якоря D2 (

= 0) и вращать

нагрузочную машину с помощью испытуемого двигателя; данные изме-

рений вносить в табл. 2, изменяя ток возбуждения нагрузочного двига-

теля, а также скорость испытуемой машины (если последнее возможно).

Таблица 2

= E

/ω



-1

В2

А I

В2.н

В2.мин

Вс

По данным табл. 2 построить зависимость

2 в2

()CfI



Экспериментальное определение момента потерь агрегата, состоя-

щего из испытуемого двигателя и нагрузочной машины производится

в нижеизложенной последовательности.

Отключить двигатель D1 от источника питания (

= 0) и вращать

агрегат (D1 + D2) двигателем D2, изменяя в большом диапазоне ско-

рость

 введением добавочных сопротивлений в цепь якоря двигателя

D2 и ослаблением его магнитного потока (рис. 6). Данные измерений

записать в табл. 3. Значения коэффициента

принять по характеристи-

ке

2 в2

()CfI

или по табл. 2.

Таблица 3

В2

А I

В2.н

ΔМ = С

I



–

Вс

ΔМ

Нм

По данным табл. 3 построить характеристику момента потерь агре-

гата





  , для этого необходимо определить потери при различ-

ных скоростях с последующим расчетом полного момента испытуемого

двигателя по выражению (9).

1.6. Правила выполнения лабораторных работ

и требования техники безопасности

1. К лабораторной работе студент готовится заранее, руководству-

ясь методическими указаниями по лабораторной работе и рекомендуе-

мой литературой.

2. К лабораторным работам допускаются студенты, прошедшие ин-

структаж по технике безопасности на рабочем месте.

3. Приходя на занятия, каждый студент должен иметь дневник про-

ведения лабораторных работ, в котором вычерчивается схема опытной

установки,

приведена программа проведения работы, необходимые рас-

четные формулы и таблицы для внесения опытных и расчетных данных.

4. Перед началом занятия преподаватель проверяет готовность ка-

ждого студента к выполнению работы.

5. В соответствии с программой работы студент снимает опытные

данные, производит необходимые расчеты и сравнивает их с опытными

данными. Результаты проверяются и визируются

преподавателем.

6. К следующему занятию студент представляет отчет по преды-

дущей работе. Отчет выполняется каждым студентом отдельно или

группой студентов (бригадой) в соответствии с требованиями, приве-

денными в описании каждой лабораторной работы.

Все отчеты должны сопровождаться краткими пояснениями,

свидетельствующими о сознательном применении расчетных зависи-

мостей и методов построения характеристик электроприводов.

7. Запрещается замыкание и размыкание любых разъемов персо-

нального компьютера и лабораторных стендов. Замыкание и размыка-

ние разъемов может осуществлять инженер лаборатории при полном

снятии напряжения.

8. За порчу приборов и аппаратуры, происшедшую по вине студен-

тов, последние несут материальную ответственность.