Основные технические данные двигателей

Оглавление

1. Цель работы. 3

2. Приборы и оборудование. 3

3. Основные технические данные. 3

4. Теоретическая часть. 4

5. Описание лабораторного стенда ИАД. 27

6. Указание по выполнению работы. 32

7. Указания по оформлению отчета. 39

8. Контрольные вопросы. 39

9. Список использованной литературы. 40

 

1.Цель работы:

 

Изучение характеристик генератора постоянного тока с независимым возбуждение, практическое ознакомление с методами их экспериментального получения.

 

Приборы и оборудование

 

Лабораторный стенд ИАД в составе электромеханического агрегата, состоящего из двух машин постоянного тока независимого возбуждения 2ПН 100L-УXЛ1, приборного блока и автотрансформаторов (ЛАТРов): однофазного и трехфазного.

 

Основные технические данные двигателей

 

В стенде используются современные серийно выпускаемые российской промышленностью двигатели:

Исследуемый генератор постоянного тока с

Независимым возбуждением 2ПН100L-УХЛ1

 

Номинальная мощность	1,1 кВт
Напряжение питания	220 В
Номинальный ток якоря	6,8 А
Номинальная частота вращения К.п.д. Номинальный ток возбуждения	1500 об/мин 74% 0,76 А
Сопротивление постоянному току обмотки якоря (по щеткам)	2,33 Ом
Сопротивление добавочных полюсов (комплекта)	1,4 Ом
Масса	39 кг

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Генераторы постоянного тока (далее ГПТ) являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии, подводимой к его валу в электрическую, снимаемую с якорной цепи. ГПТ находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим постоянный ток (на предприятиях цветной промышленности при использовании электролиза, авиации, транспорте и т.д.).Также они используются в качестве тахогенераторов и возбудителей синхронных генераторов.

ГПТ подразделяются по способу их возбуждения на ГПТ независимого возбуждения (далее ГПТ с НВ) и ГПТ с самовозбуждением.

ГПТ с НВ подразделяются на генераторы, возбуждаемые электромагнитным путем, и генераторы с постоянными магнитами. Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмотки возбуждения бывают параллельного возбуждения, последовательного и смешанного возбуждения.

На рис. 4.1 приведена принципиальная схема генератора не­зависимого возбуждения. Ток возбуждения I _в зависит только от напряжения на зажимах цепи возбуждения и сопротивления этой цепи. Мощность, теряемая на возбуждение, обычно не превыша­ет 1... 3 % мощности генератора. Независимое возбуждение доста­точно широко распространено — оно применяется в машинах низкого напряжения (4... 12 В), высокого напряжения (свыше 500 В), в машинах большой мощности, когда требуется регулировка напряжения в широком диапазоне.

На рис. 4.2 изображена принципиальная схема генератора па­раллельного возбуждения в котором обмотка возбуждения приключена к за­жимам якоря.

На схеме видно, что ток возбуждения I _в зависит от напряжения на зажимах якоря, а ток якоря I_а = I _н + I _в. Обычно ток I _в не превышает 2...3 % значения номинального тока генератора. Самым распространенным типом генератора постоянного тока является генератор параллельного возбуждения, так как ему не нужен особый источник тока для возбуждения и в пределах нор­мальной нагрузки он обеспечивает устойчивое напряжение.

 

 

 

 

Рис. 4.2. Принципиальная схема генератора параллельного возбуж­дения

 

Рис. 4.1. Принципиальная схема генератора независимого возбуж­дения

 

 

На рис. 4.3 приведена принципиальная схема генератора пос­ледовательного возбуждения. На схеме видно, что ток возбужде­ния I _в = I_a т.е. зависит от нагрузки на генератор. В этом случае напряжение генератора изменяется в зависимости от тока нагруз­ки, тогда как обычно требуется, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось более или менее постоянным.

На рис. 4.4 представлена принципиальная схема генератора смешанного возбуждения. Генератор имеет две обмотки возбуждения — параллельную и последовательную. Обычно не менее 70 % МДС возбуждения дает параллельная обмотка. Наличие двух обмо­ток возбуждения позволяет получить почти постоянное напряже­ние на зажимах генератора.

Рассмотрим энергетическую схему, определим уравнение ЭДС и электромагнитный момент генератора. Пусть, P ₁ — мощность, подводимая к генератору от первичного двигателя. Если генератор не нагружен и не возбужден, то эта мощность тратится на покры­тие только механических потерь Р_мх, т. е. Р₁ = Р_мх.

 

 

 

Рис. 4.3. Принципиальная схема генератора последовательного возбуж­дения

 

Рис. 4.4. Принципиальная схема генератора смешанного возбуж­дения

 

Если генератор возбужден от независимого источника постоян­ного тока, но не нагружен (1_а =0), то в нем, кроме механических потерь, возникают еще потери в стали якоря Р_с. В этом случае P₁ = Р_мх + Р_с = P ₀, где Р₀ — потери при холостом ходе генератора.

Если нагрузить генератор, то вся мощность, за вычетом потерь Р₀, преобразуется в электромагнитную мощность Р_эм = Е_аI_a. Таким образом,

Р_эм = Е_аI_а = Р₁ - Р₀. (4.1)

 

 

Рис. 4.5. Энергетическая схема генератора постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 4.6. Электромагнитный момент генератора

 

 

Полезная мощность Р₂, отдаваемая в сеть, меньше мощности Р_эм на величину потерь в меди обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток, а также в контакте щеток Р_ма+Р_щ. Следовательно,

Р₂ = Р_эм - (Р_м2 + Р_щ) (4.2)

Добавочные потери не учитываются, так как они входят отча­сти в потери при холостом ходе, частично в потери в меди. Энергетическая схема генератора постоянного тока независимого воз­буждения приведена на рис. 4.5. Мощность Р_в, необходимая покрытия потерь в цепи возбуждения, не входит в мощность Р₁ и показана на схеме отдельно от основного потока мощности.

Поскольку полезная мощность Р₂ = UI_а, мощность Р_эм = E_aI_a, потери Р_ма + Р_щ = I_a²R_a, (где R_a — сумма всех активных сопротив­лений в цепи якоря, включая сопротивление контакта щеток), то уравнение электромагнитной мощности можно представить в следующем виде:

UI_a = E_aI_a-I_a²R_a. (4.3)

Сократив обе части уравнения (4.3) на I_а, получим

U=Е_a-I_aR_a (4.4)

или

Е_a = U+I_aR_a

Уравнение называется уравнением ЭДС генератора. Будем считать, что под действием момента М₁ первичного двигателя ге­нератор приводится во вращение против часовой стрелки (рис. 4.6). В этом случае в проводнике обмотки якоря, находящемся под се­верным полюсом, индуцируется ЭДС и в том же направлении течет; по нему ток I_а. Между магнитным полем и расположенным в нем' проводником с током возникает сила F_np. Если проводник с током I представляет собой прямолинейный отрезок, имеющий длину l и расположенный в однородном магнитном поле (В = const) нор­мально к вектору магнитной индукции, то

F_пр=BlI (4.5)

Применительно к проводнику, изображенному на рис. 4.6, имеем: В = В_δ, l =l’ и I = i_a. Следовательно, электромагнитный момент, создаваемый проводником на валу генератора определя­ется следующим выражением:

М_пр = F_npD_a/2 = B_δl’i_aD_a/2. (4.6)

Чтобы определить направление момента достаточно совместить основное магнитное поле и поле, созданное током в проводнике «пр» (рис. 4.7, а). Результирующее поле показано на рис. 4.7, б. В данном случае сила F_np, приложенная к проводнику, направле­на слева направо, встречно относительно силы F₁ первичного дви­гателя, и следовательно, момент М₁ этого двигателя является по отношению к последнему тормозящим.

Чтобы определить полный электромагнитный момент генера­тора М, будем исходить из расчетной картины магнитного поля, представленной на рис. 4.8. Из рисунка следует, что момент со­здается только N'_a проводниками, расположенными на полюсной дуге b' = α/τ.

Таким образом,

M = M_прN_a’=B_δl ’ i_a

Учтем, что

_{= =} и i_a= ,

 

Рис. 4.7. Совмещение магнитных полей

 

 

а - основного и от проводника с током; б – результирующего поля и электромагнитного усилия

 

Рис. 4.8. Картина магнитного поля для расчета электромагнитного момента

 

Тогда

M= B_δl’ατI_a= ΦI_a (4.7)

Эту формулу можно записать в следующем виде:

M= ,

т.е. электромагнитный момент генератора пропорционален мaгнитному потоку р пар полюсов машины (рФ) и МДС якоря (NI_a)

В любой машине р, N u а заданы, следовательно,

M=C_MΦI_a,

где

C_M=(p/2π)(N/a). (4.8)

Кроме тормозящего электромагнитного момента М на валу генератора существует второй тормозной момент — момент холостого хода М_о, соответствующий мощности Р_о, которую нужно подвести к генератору при холостом ходе, чтобы покрыть потери холостого хода Р_мх + Р_с. По общему правилу

Если n = const, то полный тормозящий момент генератора определяется суммой М+ М_о = М_Г. Между этим моментом и вращающим моментом М₁ первичного двигателя существует соотношение, определяемое законом равновесия моментов, согласно которому вращающий и тормозящий моменты генератора должны находиться во взаимном равновесии, т. е. должны быть равны друг другу по величине, но направлены в разные стороны.

Следовательно, при n = const

M₁=-M_Г=-(M+M₀). (4.9)

Под M и M₀ можно понимать составляющие момента первичного двигателя, каждая из которых уравновешивает соответствующий момент генератора. В этом случае

M₁= М+М₀. (4.10)

 

Характеристики генераторов. Свойства генераторов определяют по их характеристикам. Поскольку основным параметром, опре­деляющим работу генератора, является напряжение U на его за­жимах, то характеристики генераторов представляет собой зави­симость напряжения U оттока возбуждения I _в, нагрузочного тока I и частоты вращения генератора п.

Наряду с этим имеет значение также зависимость тока возбуж­дения I _в от нагрузочного тока I при заданном характере измене­ния U, обусловленного требованиями эксплуатации генератора.

Генераторы чаще всего работают при постоянной частоте вра­щения, т. е. при п = const. Поэтому обычно представляют интерес следующие характеристики.

• нагрузочные характеристики — зависимости U = f(I_B) при I =
= const и п = const. В частном случае, когда I = 0, получаем харак­теристику холостого хода U_o = f(I _в), имеющую важное значение для оценки генератора и построения его других характеристик;

• внешние характеристики — зависимости U = f(I) при п =
= const и при R_B = const. Основное значение имеют две внешние
характеристики: первая, когда номинальное напряжение U_HOM име­ется при номинальной нагрузке машины, а вторая, когда напря­жение U_H0M соответствует холостому ходу;

• регулировочные характеристики — зависимости I _в = f(I) при
п = const и при заданном характере изменения напряжения на за­
жимах U. Обычно считают, что U= const. К регулировочным харак­теристикам следует отнести и так называемую характеристику ко­роткого замыкания, представляющую собой зависимость I _к = f (I _в)
при п = const и U =0. Эта характеристика наряду с характеристи­кой холостого хода имеет важное значение.

Рассмотрим характеристики генератора с независимым возбуж­дением.

Характеристика холостого хода — U_o = f (I _в) при I = 0 и п = const. Снятие характеристики следует начинать со значения I _в = Оа (рис. 6.51), при котором напряжение U_o = ab превышает номи­нальное на 5... 10 %. После этого постепенно уменьшают ток воз­буждения до I _в = 0, а затем изменяют его направление на обрат­ное и снова увеличивают его до значения Ос = Оа. Это дает нисхо­дящую ветвь характеристики холостого хода 1—1. Чтобы получить восходящую ветвь 2— 2 характеристики, достаточно повернуть ветвь 1— 1 на 180° вокруг точки О. На практике пользуются кривой 3— 3, проведенной посредине между ветвями 1—1 и 2—2 через то­чку О.

Рис. 4.9. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения

При холостом ходе и постоянной частоте вращения генератора имеем U₀ Е Ф. Следовательно, характеристика холостого хода, представляющая собой зависимость U₀ = f (I _B), является также за­висимостью Ф = f (I _в), т.е. представляет собой кривую намагничи­вания машины.

По характеристике холостого хода можно судить о свойствах магнитной цепи машины. Точка С характеристики холостого ходапри I _в = 0 свидетельствует о величине потока остаточного магнетизма Ф_ост. Обычно Ф_ост = 2... 5 % нормального потока машины Ф. Ветви 1—1 и 2—2 ограничивают некоторую площадь. Это объясняется явление гистерезиса и свидетельствует о свойствах стали полюсов и ярма.

По положению на характеристике холостого хода точки N соответствующей нормальной ЭДС, можно судить о степени насыщения магнитной цепи. Обычно эта точка лежит на перегибе кривой или так называемом «колене» кривой. Это объясняется тем, что работа на прямолинейной части кривой вызвала бы неустойчивое напряжение, а работа за перегибом, т.е. в насыщенной части кривой, ограничивала бы возможность регулирования напряжения.

Характеристика короткого замыкания — I _к =f(I_в), при U= 0 и п = const. Эта характеристика снимается следующим образом. Зажимы якоря замыкают накоротко через амперметр и при токе возбуждения I _в = 0 вращают якорь с номинальной частотой вращения. В якоре индуцируется небольшая ЭДС от потока остаточного намагничивания, а в короткозамкнутой цепи якоря появляется ток I _к = Оа (рис. 4.10). Увели­чивая ток возбуждения I _в, можно довести значение тока I _к до I _к = I _н (или I _к 1,25 I _н). Обычно характеристика короткого замыка­ния имеет вид прямой линии, так как при коротком замыкании машина не насыщена, следовательно, Е_а I _в. Пренебрегая переменным сопротивлением контакта щеток, можем считать, что R_a = const. Тогда I _к = I _в.

Рис. 4.10. Характеристика короткого замыкания генератора независимого возбуждения

При заданных значениях частоты вращения п и тока возбужде­ния I _в режим короткого замыкания генератора определяется дву­мя факторами: падением напряжения в цепи якоря I_aR_a и реакци­ей якоря. Треугольник короткого замыкания учитывает в графи­ческой форме оба эти фактора. Поскольку машина замкнута нако­ротко и U = 0, то Е_ак = I_aR_a, где Е_ак — ЭДС, индуцируемая в

генераторе при коротком замыкании. Для создания этой ЭДС ну­жен ток возбуждения I_кR, который можно определить, воспользо­вавшись начальным прямолинейным участком характеристики хо­лостого хода (рис. 4.22, кривая 1). Задавшись током I _к, например I _к = I _ном, и измерив или подсчитав сопротивление R_а, определяем I_кR_a = Е_ак. Если на рис. 4.11 ЭДС Е_ак = ОA₁ = Аа, то I _кR = Оа. Отрезок Аа представляет собой первую сторону треугольника короткого замыкания, учитывающую падение напряжения в машине. Чтобы определить реакцию

Рис. 4.11. Треугольник короткого замыкания:

1 – характеристика холостого хода; 2 – характеристика короткого замыкания

 

якоря, нужно воспользоваться характерис­тикой короткого замыкания, построенной в той же координат­ной системе (рис. 4.11, кривая 2). Для тока I _к = I _н = bС ток возбуж­дения I _кR = ОС. Если бы в машине не было реакции якоря, то ток возбуждения был равен I_kR = Оа. Следовательно, разность I _кв- I_kR=1_ак=аС= =ОС - Оа представляет собой вторую сторону тре­угольника короткого замыкания, учитывающую реакцию якоря в масштабе тока возбуждения. Соединив точки А и С, получим тре­угольник короткого замыкания АаС.

Приборный блок

 

Внешний вид приборного блока (ПБ) представлен на рис. 5.1.

 

Рис. 5.1. Лицевая панель приборного блока

На левой боковой стенке ПБ расположены: трехфазный автомат защиты QF4, подводящий трехфазное напряжение 380В, отключающий стенд при перегрузках и устройство защитного отключения стенда (УЗО), срабатывающее при появлении токов утечки на землю, что обеспечивает защиту персонала от поражения током.

 

На лицевой панели расположены органы управления стендом, индикаторы, измерительные приборы, гнезда для подключения к приборному блоку внешних устройств и изображение электрической схемы стенда.

Электромашинный агрегат.

Внешний вид электромашинного агрегата приведен на рис. 5.2.

 

Рис.5.2 Электромашинный агрегат стенда ИДПТ-НВ

 

Электромашинный агрегат состоит из объединенных в одном конструктиве двух ДПТ с НВ, валы которых жестко соединены. На валу одного из двигателей установлен тахогенератор постоянного тока.

Указания мер безопасности.

1. Не допускается работа обучающихся со стендом при снятых панелях корпуса стенда.

2. При подключенном к напряжению сети стенде в целях пожарной безопасности и предотвращения перегрева не допускается помещать на верхнюю крышку приборного блока посторонние предметы (листы бумаги, книги и т. п.), закрывающие вентиляционные отверстия.

 

 

Рис.6.1. Схема снятия характеристики холостого хода ГПТ с НВ.

 

· При выключенных блоках питания ИТ1 и ИТ2 Gwinstek GPR-30H10D повернуть потенциометры «COARSE» и «FINE» регуляторов «VOLTAGE» по часовой стрелке до упора, а оба потенциометра «COARSE» (грубо) и «FINE» (точно) регуляторов «CURRENT» повернуть против часовой стрелки до упора.

 

· Включить блоки питания ИТ1 и ИТ2 Gwinstek GPR-30H10D нажатием кнопок «power» на их передних панелях, предварительно убедившись в том, что приборы подключены к сети. Сетевые розетки размещаются на правой боковине приборного блока стенда и имеют общий тумблер «Вкл».

 

 

· Выставить на индикаторе ИТ2 потенциометрами «COARSE» (грубо) и «FINE» (точно) регулятора «CURRENT» ток в цепи возбуждения М2

I_В=0 А. При этом блок питания работает в режиме стабилизации тока.

 

· Выставить на индикаторе ИТ1 потенциометрами «COARSE» (грубо) и «FINE» (точно) регулятора «CURRENT» ток в цепи возбуждения приводного двигателя М1 I_В1=0,76 А. При этом блок питания ИТ1 также работает в режиме стабилизации тока.

 

· Повернуть ручку ЛАТРа против часовой стрелки до упора и нажатием кнопки «Вкл» включить БП №5, также включить автомат QF2.

· Выставить ручку переключателя добавочного сопротивления SA3 в положение 0.

· Поворачивая ручку ЛАТРа по часовой стрелке разогнать электромашинный агрегат до номинальной частоты вращения 1500 об/мин. Эту частоту поддерживать в течение всего опыта постоянной.

Примечание: частота вращения контролируется по измерителю скорости на передней панели. Крутизна выходного напряжения, используемого тахогенератора постоянного тока ТМТ-30П К_ТГ= 57,5 . Частота вращения в об/мин определяется по формуле n= , в которой U измеряется в мВ.

 

· Включить автомат QF3 и поворотом потенциометров регулятора «CURRENT» ИТ2 плавно увеличивая ток возбуждения генератора (в данном случае машины М2) с шагом, приведенным в таблице 6.1 снять показания приборов - величину тока возбуждения по цифровому индикатору ИТ2, и ЭДС- E₀ по вольтметру pV2 с занесением полученных значений в таблицу 6.1.

Первое показание должно быть снято при нулевом значении тока. После снятия восходящей ветви характеристики холостого хода (х.х.х.) и достижения максимального значения I_В необходимо повторить опыт, но на нисходящей ветви х.х.х., уже уменьшая ток возбуждения до нулевого значения.

Примечание: необходимо следить за тем, чтобы изменение тока возбуждения для каждой ветви намагничивания происходило только в одну сторону!

В случае, если стрелка pV2 упирается в ограничитель необходимо изменить полярность его включения, перекоммутированием соединительных проводов (по согласованию с преподавателем, ЭДС может сниматься внешним электронным мультиметром).

Таблица 6.1

№ измер.	Намагничивание	№ измер.	Размагничивание
	IВ, А	Е0, В		IВ, А	Е0, В
1.	0		1.	0,9
2.	0,2		2.	0,76
3.	0,3		3.	0,7
4.	0,4		4.	0,6
5.	0,5		5.	0,5
6.	0,6		6.	0,4
7.	0,7		7.	0,3
8.	0,76		8.	0,2
9.	0,9		9.	0

 

· Отключить автоматы QE2 и QF3 и источники ИТ1 и ИТ2 и нажать кнопку «Откл» БП №5.

· Построить график характеристики х.х. – зависимость E₀=f(I_В).

· Построив обе ветви характеристики проводят между ними среднюю линию, которую и принимают за характеристику х.х.

 

 

 

 

Таблица 6.3.

Iа , А	6,8	5	4	3
U, В

 

Построить на графике внешнюю характеристику ГПТ с НВ -зависимость U=f(I_а), при n_ном=1500 об/мин и I_{В ном} =0,76А.

Рассчитать номинальное изменение напряжения генератора при сбросе нагрузки (%)

ΔU_ном = 100 · (E₀-U_ном)/ U_ном. (6.1)

Таблица 6.4

№ измерения	Увеличение тока нагрузки	Уменьшение тока нагрузки
Iа, А	IВ, А	Iа , А	IВ , А

 

 

7. УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА.

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы.

2. Цель работы.

3. Таблицы с результатами измерений.

· Графики характеристик ГПТ с НВ: х.х., нагрузочной, внешней и регулировочной.

· Расчет значения коэффициента магнитного насыщения ГПТ с НВ.

4. Схемы подключений машин М1 и М2 при экспериментах.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какие способы возбуждения применяются в ГПТ?

 

2. Дайте определение основным характеристикам ГПТ с НВ: х.х., нагрузочной, внешней и регулировочной. При каких условиях снимают данные для построения каждой из них?

 

3. Почему нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики х.х.?

 

4. Почему ветви регулировочной характеристики, снятые при намагничивании и размагничивании ГПТ, не совпадают?

Какая из них располагается ниже?

 

5. Из каких частей состоит ГПТ с НВ?

 

Оглавление

1. Цель работы. 3

2. Приборы и оборудование. 3

3. Основные технические данные. 3

4. Теоретическая часть. 4

5. Описание лабораторного стенда ИАД. 27

6. Указание по выполнению работы. 32

7. Указания по оформлению отчета. 39

8. Контрольные вопросы. 39

9. Список использованной литературы. 40

 

1.Цель работы:

 

Изучение характеристик генератора постоянного тока с независимым возбуждение, практическое ознакомление с методами их экспериментального получения.

 

Приборы и оборудование

 

Лабораторный стенд ИАД в составе электромеханического агрегата, состоящего из двух машин постоянного тока независимого возбуждения 2ПН 100L-УXЛ1, приборного блока и автотрансформаторов (ЛАТРов): однофазного и трехфазного.

 

Основные технические данные двигателей

 

В стенде используются современные серийно выпускаемые российской промышленностью двигатели: