Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

 

 

 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения

специальности 5В071800 – Электроэнергетика

 

 

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛИ: П.И. Сагитов, Р.М. Шидерова, Ж.Ж. Тойгожинова. Электрические машины. Исследование машины постоянного тока и асинхронных двигателей. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика. - Алматы: АУЭС, 2011.– 30 с.

 

Методические указания содержат необходимые технические сведения о стендах, программе выполнения работ, методику подготовки, проведения экспериментов и анализа полученных результатов и контрольные вопросы.

Методические указания предназначены  для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика.

Ил. 3, табл. 9, библ. – 11 назв.

 

Рецензент: кан. тех. наук, К.О. Гали   

 

Печатается по дополнительному плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2012 г.

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011г.

.

Содержание

 

	Введение	4
1	Лабораторная работа. Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением	6
2	Лабораторная работа. Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением	14
3	Лабораторная работа. Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором	20
4	Лабораторная работа. Исследование сельсинов в индикаторном и трансформаторном режимах работы	26
	Список литературы	30

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Целью лабораторных занятий является ознакомление студентов с методикой испытания электрических машин, с экспериментальными приемами исследования характеристик и параметров машин. Лабораторные занятия способствуют углублению теоретических знаний студентов, дают навыки по составлению и монтажу электрических схем, развивают умение теоретически объяснять и анализировать результаты опытов.

 

Описание лабораторного стенда

 

Стенд предназначен для проведения лабораторных занятий по курсу «Электрические машины» в высших и средних специальных учебных заведениях.

Конструктивно стенд состоит из корпуса, в который установлено электрооборудование, электронные платы, лицевая панель и столешница интегрированного рабочего стола.

 

В корпусе стенда размещены:

- плата выпрямителей;

- модуль нагрузочных резисторов;

- трехфазный лабораторный автотрансформатор (0,48 кВА);

- трехфазный исследуемый трансформатор (0,3 кВА).

 

На лицевой панели изображены электрические схемы объектов исследования. Все схемы, изображенные на панели, разбиты на группы в соответствии с тематикой проводимых работ. На панели установлены коммутационные гнёзда, стрелочные щитовые приборы, коммутационная аппаратура, а также органы управления, позволяющие изменять параметры элементов при проведении лабораторной работы.

 

К органам управления относятся:

- переключатель трехфазного лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа), который позволяет изменять напряжение в пределах 0..20В с шагом 2 В и 130..250В с шагом 30 В;

- переключатели однофазных лабораторных автотрансформаторов (ЛАТРов), которые позволяют изменять напряжение в пределах 50..110В с шагом 10 В;

- переключатели блока нагрузочных резисторов, позволяющие подключать резисторы различных сопротивлений.

 

На панели стенда установлены электрические машины:

- асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором УАД-052 (P_НОМ=20Вт, n_НОМ=3000 об/мин) 1 шт.;

- двигатели постоянного тока независимого возбуждения СЛ-221 (P_НОМ=13Вт, n_НОМ=4500 об/мин) 2 шт.;

- тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов;

- бесконтактные сельсины БД1404 (f_ПИТ=50Гц, I=0,44А).

 

Для проведения работы необходимо собрать схему объекта исследования с помощью унифицированных перемычек, позволяющих собирать схемы без потери их наглядности.

Измерения производятся с помощью стрелочных щитовых приборов. На панели стенда установлено 10 щитовых измерительных приборов, среди них:

- амперметр переменного тока (предел измерения 0,2/0,5/1 А, класс точности 2,5) 1 шт.;

- амперметры постоянного тока (предел измерения 1 А, класс точности 2,5) 2 шт.;

- амперметр постоянного тока (предел измерения 0,2 А, класс точности 2,5) 1 шт.;

- вольтметры переменного напряжения (предел измерения 50/250/500В, класс точности 2,5) 2 шт.;

- вольтметр постоянного тока (предел измерения 100 В, класс точности 1) 1 шт.;

- вольтметр постоянного тока (предел измерения 200 В, класс точности 1) 1 шт.;

- ваттметр переменного тока (предел измерения 60/450 Вт, класс точности 2,5) 1 шт.;

- измеритель частоты вращения (предел измерения 5000 об/мин., класс точности 4) 1 шт.

 

Технические характеристики стенда

Питание	3~ 220/127 В, 50Гц
Потребляемая мощность, кВт не более	0.5
Габаритные размеры стенда:
Ширина, мм	1310
Высота, мм	1460
Глубина, мм	600
Вес оборудования, кг., не более	80

 

1 Лабораторная работа. Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

 

Цель работы:

1) Изучить устройство двигателя постоянного тока. Записать паспортные данные двигателя.

2) Испытать двигатель методом нагрузочного генератора, получить его механическую и рабочие характеристики.

3) Освоить способы регулирования частоты вращения двигателя.

4) Исследовать регулировочные свойства двигателя.

 

Объект исследования

 

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением СЛ-221 (P_НОМ=13Вт, n_НОМ=4500 об/мин), нагруженный двигателем постоянного тока СЛ-221 в режиме динамического торможения.

 

1.1 Общие сведения

 

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и др. установках, где необходимо глубокое и плавное регулирование частоты вращения (прокатные станы, металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т.д.).

По способу возбуждения двигатели постоянного тока аналогично генераторам подразделяются на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешенного возбуждения. Все типы двигателей в соответствии с разнообразными требованиями, предъявляемыми к ним различными типами приводов, имеют весьма разнообразные характеристики.

Основные характеристики двигателя - механическая, регулировочная и рабочие.

Мощность Р₁ потребления двигателем электрической энергии из  сети вычисляют по формуле:

	(1.1)

Мощность Р₂ на валу двигателя определяют методом нагрузочного генератора, соединенного с исследуемым двигателем муфтой.

Измеряя мощность генератора

	(1.2)

работающего при напряжении U₀ и токе I₀, и, зная его к.п.д. для различных нагрузок, т.е. зависимость h(Р₀), находят мощность на валу двигателя так:

(1.3)

 

Момент двигателя вычисляют так:

 

(1.4)

 

К.п.д. двигателя определяют:

 

(1.5)

 

1.2 Порядок выполнения работы

 

1.2.1 Исследование рабочих характеристик двигателя постоянного тока.

Рабочими характеристиками двигателя называют зависимость тока двигателя  I_АД, частоты вращения n, вращающего момента М_2Д, подводимой к двигателю мощности Р_1Д и к.п.д. η_Д от полезной мощности на валу Р_2Д при неизменных значениях напряжения на зажимах двигателя и тока возбуждения:

 

I_АД, n, М_2Д, Р_1Д, η_Д = f (P_2Д) при U_Н = const, I_ВД = const.

 

Рабочими характеристиками являются характеристики:

 

n(Р₂); М(Р₂), Iя(Р₂), h(Р₂),

 

которые получают при напряжении U_Н = const и I_В = const.

Исследование рабочих характеристик двигателя постоянного тока проводим по схеме изображенной на рисунке 1.1, где на рисунке изображенной  М3 нагружается генератором М1.

Рисунок 1.1 - Исследование рабочих характеристик двигателя постоянного тока

Порядок снятия рабочих характеристик

 

Установите переключатели R₃, R₂ в позицию ”1”, перемычку П3. Для нагрузки двигателя используется генератор М₂, который нагружается резистором R₁.

 

ВНИМАНИЕ!

 

Перед проведением работы убедитесь что все галетные переключатели ЛАТРов (Т1, Т1.1, Т1.3) установлены в поз.“0”. При работе с однофазными ЛАТРами Т1.1 и Т1.3 не допускается одновременное использование трехфазного ЛАТРа Т1.

Включите стенд тумблером “Сеть”. Включите питание обмотки возбуждения двигателя тумблером S7. Включите ЛАТР Т1.3 тумблером S5. Увеличивая напряжение на якоре двигателя (контролируется прибором V4), установить его скорость вращения около 3000об/мин. Включить ЛАТР Т1.1 тумблером S6, увеличивая напряжение в обмотке возбуждения генератора, довести напряжение на якоре генератора (прибор V3) до 60-75В. Провести измерения при этом значении U_o и I_o=0. Установить перемычку П1. Далее, изменяя нагрузочное сопротивление R1 от позиции 11 до позиции 1, провести измерения и занести данные в таблиции 1.1:

1)                ток двигателя М3  (прибор А3);

2)                частоту вращения n (прибор n);

3)                напряжение на якоре двигателя М3 (прибор V4);

4)                напряжение на генераторе М1 (прибор V3);

5)                ток генератора М1 (прибор А2).

 

Таблица 1.1 - Исследование рабочих характеристик двигателя постоянного тока

№	Измерено					Вычислено
	Двигатель		Генератор
	U,B	IЯ ДВ,А	n,об/мин	U0,В	I0,А	Р1,Вт	Р2,Вт	hДВ.	М,Нм	РГ,Вт
1 …7

 

1.2.2 Исследование регулировочных характеристик двигателя.

Зависимость частоты вращения от подводимого к двигателю напряжения при неизменных тока возбуждения и момента на валу двигателя

 

n =f(U_Д) при I_ВД = I_ВН = const и М = const.

 

Уравнение механической характеристики:

М.	(1.6)

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения:

 

	(1.7)

Из уравнения механической характеристики следует, что регулировать частоту вращения ДПТ можно изменением подводимого напряжения, изменением тока возбуждения и изменением величины добавочного  сопротивления в цепи якоря.

Регулирование частоты вращения якоря изменением величины добавочного сопротивления R_Д в цепи якоря неэкономично из-за значительных тепловых потерь в этом же резисторе. Лучше регулировать частоту вращения якоря изменением напряжения U на обмотке якоря или изменением магнитного потока двигателя, изменяя ток возбуждения.

Регулировочные свойства двигателя обычно характеризуются регулировочной характеристикой n₀ = f(I_В) либо I_Я = f(I_В) при U = U_Н и постоянной нагрузкой на валу двигателя, в частности, в режиме холостого хода.

 

а) Регулировочная характеристика

 

I_В = f(I_Я) при n = const; U = const.

 

Порядок выполнения работы регулировочных характеристик

 

Установите на схеме R2 в позицию1 (см. рисунок 1.1). При тех же положениях переключателей ЛАТРов Т1.1, Т1.3, перемычка П3 – установлена, П1 – отсутствует, вновь включить в той же последовательности тумблеры. Провести измерения, отметить величину скорости. Убрать перемычку П3. Уменьшить ток возбуждения двигателя до 80мА, при этом скорость увеличится. Установить перемычку П1 и, изменяя R1 от позиции 11 до позиции 1 (R1 – уменьшается), понизить скорость приблизительно до прежнего значения. Вновь уменьшить ток возбуждения резистором R2 и, уменьшая R1, вернуться к прежней скорости. Измерения провести при токах возбуждения около 60 мА, 40 мА и запишите в таблицу 1.2. измеряемые параметры:

1)  ток якоря двигателя;

2)     ток возбуждения двигателя.

 

Таблица 1.2 – Данные опыта регулировочной характеристики

	Номер опыта
	1	2	3	4	5	6
Ток якоря IЯ, А
Ток возбуждения IВ, А

 

б) Исследование возможности регулирования частоты вращения двигателя, изменением тока возбуждения: n = f(I_В) при U_Н= const.

 

В рисунке 1.1 перемычка П1 и П3 отсутствуют. R2 в позиции 1, изменяя величину сопротивления R2 от позиции1 до позиции 11, запишите в таблицу 1.3. измеряемые величины:

1)  частоту вращения двигателя;

2) ток возбуждения двигателя;

3) ток якоря двигателя.

Для этого произвести включение работы как и в предыдущих опытах. Резистором R2 последовательно получить значения тока возбуждения около 100, 80, 60 мА. При этом замерить скорость и ток якоря.

 

Таблица 1.3 – Данные опыта регулировочной характеристики

	Номер опыта
	1	2	3	4	5	6
Ток якоря IЯ, А
Частота вращения n, об/мин
Ток возбуждения IВ, А

 

1.3 Анализ полученных результатов

 

Анализ режимов работы двигателя можно произвести на базе основных уравнений, описывающих его работу:

 

 

(1.8)

 

 

где U - напряжение питания двигателя;

Е_Я - противо - э.д.с., индуктируемая в обмотке якоря;

I_Я - ток якоря;

R_Я - сопротивление обмотки якоря;

С_Е - конструктивная постоянная двигателя:

 

(1.9)

где Р - число пар главных полюсов двигателя;

N - число активных проводников якоря;

А - число параллельных ветвей обмотки якоря;

N - частота вращения якоря;

М - электромагнитный момент двигателя;

С_М  - моментная постоянная двигателя:

 

(1.10)

Ф – магнитный поток обмотки возбуждения.

 

Из первого уравнения легко определить ток якоря:

 

(1.11)

 

В начальный момент пуска, когда n = 0 и в соответствии с уравнением Е_Я = С_ЕФ_n = 0, ток якоря в режиме пуска равен:

 

(1.12)

 

и т.к. сопротивления якорной цепи мало, ток I_ЯП достигает опасной  для двигателя величины, поэтому силовые двигатели постоянного тока  запускают с помощью пускового реостата, который ограничивает пусковой ток до безопасного значения (обычно до (2,5...3)I_ЯН). И только по мере разгона двигателя, сопровождаемого увеличением Ея, сопротивление пускового реостата уменьшается до 0.

 

(1.13)

 

Для обеспечения по возможности быстрого пуска при ограниченном токе якоря, ток возбуждения при пуске делают максимальным, полностью выводя регулировочный реостат в цепи возбуждения двигателя.

Из выражения для электромагнитного момента следует, что для изменения направления вращения существуют два способа:

1) изменить направление тока якоря, не изменяя направление тока возбуждения;

2) изменить направление тока возбуждения, не изменяя направление тока якоря.

 

1.4 Обработка результатов лабораторной работы

 

1.4.1 Сделать необходимые расчеты для построения рабочих характеристик двигателя.

1.4.2 Построить механическую характеристику двигателя:

 

М = f (n) при R_Д  = 0.

 

1.4.3 Построить рабочие характеристики двигателя.

1.4.4 Построить регулировочную характеристику двигателя.

 

1.5  Контрольные вопросы

 

1.5.1 Рассказать об устройстве ДПТ.

1.5.2 Рассказать о принципе действия ДПТ.

1.5.3 Для чего применяется пусковой реостат?

1.5.4 Рассказать о способах регулирования частоты вращения ДПТ.

1.5.5 Что называется механической характеристикой ДПТ?

1.5.6 Объясните регулировочную характеристику ДПТ.

1.5.7 Объясните рабочие характеристики ДПТ.

1.5.8 Как определяется полезная мощность на валу двигателя?

1.5.9 Классификация двигателей постоянного тока по способу возбуждения.

1.5.10 Влияние реакции якоря на рабочие и скоростные характеристики двигателя.

1.5.11 Способы регулирования частоты вращения двигателя параллельного возбуждения и их анализ.

1.5.12 Почему пусковой ток двигателя значительно превышает номинальное значение?

1.5.13 Какими способами можно изменить жесткость скоростных характеристик двигателя параллельного возбуждения?

 

2 Лабораторная работа. Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением

 

Цель работы:

1) Изучить конструкцию, параметры, режимы работы генератора постоянного тока (ГПТ) независимого возбуждения.

2) Снять характеристику холостого хода Е₀ = f(I_В).

3) Снять внешнюю характеристику U = f(I_В).

4) Снять регулировочную характеристику I_В= f(I_Н).

 

Объект исследования

 

Генератор постоянного тока СЛ-221 (P_НОМ=13Вт, n_НОМ=4500 об/мин), приводимый во вращение двигателем постоянного тока СЛ-221. В лабораторной работе снимаются характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики генератора.

 

2.1 Общие сведения

 

Генераторы постоянного тока широко используются в настоящее время в самых различных промышленных, транспортных установках (для питания электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, на железнодорожном транспорте и т.д.).

Генераторы постоянного тока приводятся во вращение электродвигателями, паровыми и гидравлическими турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

При вращении якоря в неподвижном магнитном поле генератора в обмотке якоря наводится переменная э.д.с., которая с помощью коллектора и системы токопроводящих щеток преобразуется в э.д.с. постоянного напряжения:

(2.1)

 

Из формулы следует, что э.д.с., наводимая в обмотке якоря, вращаемого с постоянной частотой вращения, зависит только от магнитного потока главных полюсов или от тока возбуждения. Зависимость:

 

при IН = 0

называют характеристикой холостого хода .

Зависимость напряжения U генератора, работающего на переменную нагрузку, от тока I_Н приемников при неизменном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения якоря, представленная графиком:

U = f(I_Н),

называется внешней характеристикой генератора.

Процентное изменение напряжения генератора U% при переходе от номинальной нагрузки к режиму холостого определяют по формуле:

 

(2.2)

Регулирование напряжения ГПТ при переменной нагрузке достигается принудительным изменением тока возбуждения. Зависимость:

I_В = f(I_Н),

 

показывающая изменение тока возбуждения от тока нагрузки I_Н для поддержания напряжения U = const при n = const, называется регулировочной характеристикой генератора.

Напряжение генератора определяется по формуле:

 

(2.3)

 

2.2 Порядок выполнения работы

 

2.2.1 Опыт холостого хода.

Характеристикой холостого хода называют зависимость напряжения на зажимах генератора U₀ от тока возбуждения I_В при отключенной внешней цепи и постоянной скорости вращения:

U₀ = f(I) при I = 0 и n = const.

 

Соберите схему согласно рисунку 2.1.

 

ВНИМАНИЕ!

 

Перед проведением работы убедитесь что все галетные переключатели ЛАТРов (Т1, Т1.1, Т1.3) установлены в поз.“0”. При работе с однофазными ЛАТРами Т1.1 и Т1.3 не допускается одновременное использование трехфазного ЛАТРа Т1.

 

Установите R₁ = ¥ (перемычки П1 и П2 – отсутствуют), в цепи питания обмотки возбуждения генератора перемычки подключения самой обмотки установлены в позицию “пр”. Включите стенд тумблером “Сеть”, подайте питание на обмотку возбуждения двигателя тумблером S7, включите ЛАТР питания якоря двигателя Т1.3 тумблером S5. Увеличиваете напряжение на двигателе (он начнет вращаться в прямом направлении) до получения скорости около 3000 об/мин (исходные установки). Зафиксируете показания вольтметра V3 для тока I_В = 0. Включите ЛАТР Т1.1 тумблером S6, и увеличиваете ток возбуждение генератора до величины около 80 мА. Проведите измерения при токе возбуждения около 40, 60 и 80 мА Запишите в таблицу измеренные параметры:

1) ток возбуждения генератора;

2) напряжение генератора.

Проделайте те же операции при изменении полярности обмотки  возбуждения генератора М1. Для этого в цепи питания обмотки возбуждения генератора перемычки подключения самой обмотки установить в позицию “обр”.

Данные сводят в таблицу 2.1 и строят характеристику.

 

Таблица 2.1 – Данные опыта холостого хода

 

2.2.2 Опыт короткого замыкания.

Характеристика короткого замыкания – это зависимость тока короткого замыкания I_КЗ от тока возбуждения I_В, снятая при замкнутых накоротко через амперметр якорной цепи (U =0) и постоянной скорости вращения генератора:

 

U кз = f(Iв) при U = 0, и n=nн=const.

Закоротите якорь генератора, установив перемычки П1, П2. Для построения характеристики достаточно снять две точки: при двух значениях тока возбуждения генератора измеряется ток короткого замыкания генератора. По измеренным величинам строится характеристика короткого замыкания. При исходных установках Т1.3 повторите все операции и проведите измерения для тока возбуждения 40 и 60мА.

При существенном изменении скорости двигателя (более 20%) увеличивайте напряжение на якоре двигателя переключателем ЛАТРа Т1.3 до восстановления значения скорости с допуском 20%.

Данные сводят в таблицу 2.2 и строят характеристику.

 

Таблица 2.2 – Данные опыта короткого замыкания

 

 

 

2.3.3 Внешняя характеристика.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора U от тока нагрузки I при постоянном токе возбуждения I_В и n=const.

U = f(I) при I_В = const.

Установите перемычку П1, перемычка П2 отсутствует. Проведите измерения при различных значениях R1 и при исходных установках Т1.3.

При существенном изменении скорости двигателя (более 20%) увеличивайте напряжение на якоре двигателя переключателем ЛАТРа Т1.3 до восстановления значения скорости с допуском 20%.

Изменяя величину сопротивления R1 измерьте:

1) напряжение генератора М1;

2) ток генератора.

 

Данные опытов сводят в таблицу 2.3 и строить характеристики.

 

Таблица 2.3 – Внешние характеристики

 

2.2.3 Регулировочная характеристика.

Регулировочная характеристика показывает, как необходимо изменить ток возбуждения I_В генератора при изменении тока нагрузки I, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным:

 

I_В= f(I) при U = U_Н = const, n = n_Н= const.

 

На рисунке 2.1, перемычка П1 – установлена, П2 – отсутствует. При исходных установках Т1.3 установите напряжение на выходе генератора около 50 В, изменяя величину нагрузки резистором R1. Изменяя напряжение на обмотке возбуждения ЛАТРом Т1.1 при значениях тока возбуждения около 40, 60, 80 мА, измерить:

1) ток возбуждения генератора;

2) ток якоря генератора.

Данные опытов сводят в таблицу 2.4 и строят характеристики.

 

Таблица 2.4 – Регулировочные характеристики