Дослідження ефективності застосування режиму оптимізації енергоспоживання при використанні двигуна постійного струму

 

МЕТА: Вивчити залежність розподілу втрат у двигуні постійного струму (ДПС), а також залежність коефіцієнта корисної дії (ККД) від коефіцієнта завантаження та дослідити режим оптимізації енергоспоживання при впливі на співвідношення втрат у двигуні

 

Основні теоретичні відомості

У процесі роботи в електричній машині відбувається перетворення одного виду енергії на інший. При цьому частина енергії, яка надходить до машини, розсіюється в окремих її ділянках, перетворюючись на теплоту. Тому корисна потужність на виході двигуна (на валу) завжди менша за потужність на вході (споживаної) на величину сумарних втрат :

,

, (2.1)

.

Сумарні втрати поділяються на втрати, які залежать від навантаження (змінні ) та незалежні від навантаження (постійні ):

. (2.2)

Постійні втрати включають втрати в сталі магнітопровода, механічні втрати та втрати в обмотці збудження (ОЗ):

. (2.3)

Втрати в сталі магнітопровода залежать від величини та частоти зміни потоку:

, (2.4)

де – втрати в сталі при номінальному режимі роботи, Вт;

– діюча і номінальна частота перемагнічування сталі, Гц;

– діючий і номінальний потік, Вб;

– коефіцієнт, що залежить від марки сталі магнітопровода .

Механічні втрати залежать від швидкості обертання двигуна:

, (2.5)

де – механічні втрати при номінальному режимі, Вт;

– номінальна і діюча частоти обертання вала машини, рад/с;

– коефіцієнт, що залежить від типу механічної частини двигуна .

Втрати в ОЗ:

, (2.6)

де – струм, що протікає в ОЗ, А;

– опір ОЗ, Ом.

Втрати в ОЗ пропорційні квадрату струму збудження:

, (2.7)

де – втрати в ОЗ при номінальному режимі, Вт;

– діючий і номінальний струм ОЗ, А.

Змінні втрати складаються з втрат в обмотці якоря двигуна:

, (2.8)

де – струм, що протікає в обмотці якоря, А;

– опір обмотки якоря, Ом.

Втрати в обмотці якоря пропорційні квадрату струму якоря:

, (2.9)

де – втрати в якірному ланцюзі при номінальному режимі, Вт;

– діючий і номінальний струм якоря, А.

Аналіз наведених виразів для розрахунку втрат показує, що електричні втрати в обмотці якоря залежать від навантаження двигуна, тобто є змінними. Що ж стосується магнітних, механічних втрат в ОЗ, то вони практично не залежать від навантаження, тобто їх можна вважати постійними.

ККД двигуна при змінах навантаження також змінює свою величину. У режимі холостого ходу ККД дорівнює нулю, а потім зі збільшенням навантаження ККД зростає, досягаючи максимуму при навантаженні, що відповідає рівності змінних і постійних втрат:

. (2.10)

Залежність втрат і ККД двигуна від навантаження показана на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 – Залежність втрат і КПД двигуна від навантаження

 

При недовантаженні та цілеспрямованому впливі на двигун існує можливість змінювати у відповідних межах його сумарні втрати, не змінюючи режиму роботи на валу, який характеризується моментом М та кутовою швидкістю . Таким чином, при зміні змінних втрат (зміна навантаження), змінюючи величину постійних втрат і досягаючи їхньої рівності, можна досягти режиму роботи двигуна, що характеризується найменшими втратами.

У ДПС із незалежним збудженням параметром, на який можна впливати (і змінювати величину постійних втрат), є струм ОЗ (при ).

Значення струму збудження, при якому втрати в двигуні при даному завантаженні будуть мінімальні (при роботі двигуна на лінійній ділянці кривої намагнічування – рисунок 2.2), знаходять з умови:

, (2.11)

де ;

;

.

Рисунок 2.2 – Універсальна крива намагнічування електричних машин

Для прямолінійної ділянки кривої намагнічування можна записати:

; ; ; ; .

Відносне значення струму збудження, при якому для заданих та втрати в двигуні мінімальні, визначається відповідно до виразу:

, (2.12)

де – відносне значення момента двигуна;

– діючий момент, Н м;

– номінальний момент, Н м.

Коефіцієнти відносних втрат знаходять з паспортних даних двигуна:

,

де – втрати в якорі при номінальному режимі.

,

де – втрати в ОЗ при номінальному режимі.

,

де – втрати в сталі в номінальному режимі.

,

де – механічні втрати в номінальному режимі;

– величина сумарних втрат у номінальному режимі.

 

Опис лабораторної установки

Функціональна схема стенда зображена на рисунку 2.3.

Стенд живиться від лабораторної мережі змінного струму напругою 220 В з нульовим проводом. Живлення стенда здійснюється за допомогою автоматичного вимикача QF1. Напруга на статорі двигуна АД електромашинного підсилювача (ЕМП) контролюється вольтметром V1, струм статора – амперметром А1. Для реалізації процесу керування вихідною напругою ЕМП ОЗ ґенератора підключаються до реґульованих джерел напруги за допомогою перетворювачів ТП1, ТП2, ТП3. Підключення АД1 до мережі живлення відбувається шляхом натискання тумблера SA1 та кнопки „Пуск”, в результаті подачі живлення на реле KL1 спрацьовують контакти KL1.2, KL1.3, KL1.4 у ланцюзі АД1.

Якірний ланцюг ґенератора Г1 підключається до якірного ланцюга електричної машини М1 (ДПС), за допомогою вимикача QF2. Напруга і струм у якірному ланцюзі контролюється вольтметром V2 та амперметром A2 відповідно.

У роботі стенда передбачається як холостий хід досліджуваної машини М1, так і робота під навантаженням. З цією метою на валу з машиною М1 установлена електрична машина М2, що працює в режимі динамічного гальмування. Потоки збудження на обох машинах можуть реґулюватися в межах номінальних значень за допомогою перетворювачів ТП4 і ТП5. Величини напруг і струмів в ОЗ машин М1 і М2 контролюються приладами V4, A4 і V5, А5 відповідно.

Вплив на перетворювач здійснюється шляхом зміни керуючої напруги на його виході за допомогою резистора, установленого на панелі керування (R1, R2, R3). Для пуску електричної машини М1 за допомогою тумблера SA5 подається струм в ОЗ двигуна, який реґулюється за допомогою резистора R4 перетворювачем ТП4. Якірний ланцюг машини М1 автоматичним вимикачем QF2 підключається до ланцюга ґенератора ЕМП. Для здійснення навантаження двигуна М1 електрична машина М2 підключається якірним ланцюгом за допомогою автоматичного вимикача QF3 до навантажувального опору Rн. Реґулювання моменту опору на валу машини здійснюється за допомогою зміни струму збудження. За допомогою тумблера SA6 подається струм в ОЗ навантажувальної машини М2, який реґулюється за допомогою резистора R5 перетворювачем ТП5.

УВАГА! Робота машин постійного струму з незалежним збудженням за відсутності потоку збудження є аварійна і неприпустима.

 

Паспортні дані двигунів.

Перетворювачі навантаження:

ТП1-ТП3 ; ТП4, ТП5 ;

; ;

. .

Приводний двигун АД1:

;

;

;

.

Ґенератор Г1:

;

;

.

Електричні машин ДПС і ГПС:

;

;

;

;

;

;

;

.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Вивчити теоретичний матеріал.

2. Ознайомитися з функціональною схемою стенда. Вивчити призначення і розташування органів керування і контролю, що знаходяться на лицьовій панелі стенда.

3. Запустити двигун М1 при номінальній напрузі, живлячи якір, та при номінальному струмі збуждення.

4. За допомогою навантажувальної машини М2 навантажити двигун М1. Навантаження повинне бути менше за номінальне (у межах ).

5. Не змінюючи режиму роботи на валу М1 (), змінювати струм збудження двигуна в межах .

6. Зняти експериментальні дані для кожного випадку зміни двигуна М1. Дані занести до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Експериментальні дані

№ пор.	, А	, В	, В	, А	, об/хв;

 

Використовуючи зняті експериментальні дані для кожного випадку зміни струму збудження двигуна, розрахувати:

– споживану потужність двигуна (Р_спож);

– величину постійних і змінних втрат ( _змін і _пост);

– визначити величину оптимального струму збудження для даного завантаження двигуна .

Дані розрахунків занести до таблиці 2.2.

 

Таблиця 2.2 – Розрахункові величини

№ пор.	Рспож	змін	пост

7. Використовуючи експериментальні та розрахункові значення, побудувати залежність споживаної двигуном потужності від струму збудження , величини сумарних втрат від струму збудження для даного завантаження двигуна.

 

Зміст звіту

1. Титульна сторінка.

2. Мета і програма роботи.

3. Схема лабораторного стенда.

4. Таблиця експериментальних даних.

5. Розрахунок величин, зазначених у програмі роботи.

6. Графіки залежностей , .

 

Контрольні питання

1. Як розподіляються втрати в ДПС із незалежним збудженням?

2. За яких умов ККД двигуна максимальний?

3. Як визначається оптимальний струм збудження, виходячи з критерію мінімуму втрат, при довільному завантаженні двигуна?

4. На який параметр ДПС можна впливати при його роботі з метою зміни співвідношення втрат?

5. Від чого залежать складові загальних втрат у ДПС?

 

Література: 1, 2, 6.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3