МУ ЭМ для УПИ- ред-окончат_100311

Научно-производственное предприятие «Учебная техника-Профи»

«ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА»

Методические указания к проведению лабораторных работ

Челябинск

2010 г.

1

Бородянко В.Н. Электромеханика: Методические указания к проведению лабораторных работ. – Челябинск: Учтех-Профи, 2010.

Методические указания предназначены для студентов средних и высших учебных заведений, в которых предусмотрено изучение курса «Электротехника основы электроники». Методические указания также могут быть использованы для обучения учащихся профессионально-технических училищ и слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации инженерно-технических работников.

2

		ОГЛАВЛЕНИЕ
	Электромеханика		с.
1.	Работа № 1.	Однофазный трансформатор	4
2.	Работа № 2.	Управление трехфазным асинхронным двигателем	10
3.	Работа № 3.	Испытание двигателя постоянного тока	15
4.	Работа № 4.	Испытание генератора постоянного тока	20

3

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

1.Работа № 1. ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

1.Цель работы

Ознакомиться с назначением и основными характеристиками однофазного трансформатора, работой трансформатора при различном характере нагрузки.

2. Пояснения к работе Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, преобразующий

параметры электрической энергии переменного тока и передающий эту энергию из одной цепи в другую. С помощью трансформатора можно преобразовывать основные параметры электрической энергии переменного тока (ток, напряжение). Электрическая мощность при этом остается почти неизменной. В зависимости от соотношения номинальных напряжений у трансформатора различают обмотку высшего напряжения и обмотку низшего напряжения.

Коэффициент трансформации по напряжению показывает, как соотносится число витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки, а также ЭДС, индуктируемые в обмотках

К12 = ω1 / ω2 = E1 / E2 .

Коэффициент трансформации можно определить с достаточной точностью, измерив при холостом ходе трансформатора (вторичная обмотка разомкнута) напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток.

В режиме холостого хода трансформатор потребляет из сети электрическую энергию, которая идет на потери в стали (из-за перемагничивания магнитопровода и вихревых токов). Опыт холостого хода позволяет определить состояние стали трансформатора.

Подключение потребителей электрической энергии к трансформатору позволяет передавать им энергию, повышая или понижая напряжение. В данной работе исследуется понижающий трансформатор типа BVEI 481 1119 230 В/12 В, который одновременно в таком же соотношении увеличивает силу тока

К12 = ω1 / ω2 ≈ U1 / U2 ≈ I2 / I1 .

Так как первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены, электрическая мощность из первичной обмотки во вторичную обмотку передается при помощи магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу (сердечнику) трансформатора.

Мощность, потребляемая трансформатором, больше мощности, отдаваемой трансформатором потребителю, на величину потерь в самом трансформаторе. Потери мощности в обмотках и сердечнике трансформатора невелики. Полная номинальная мощность трансформатора обычно определяется как SН = UН IН ,

где UН – номинальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора; IН – номинальный вторичный ток трансформатора.

С увеличением нагрузки от холостого хода до номинальной напряжение на зажимах вторичной обмотки понижается из-за увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора. При этом увеличивается и ток, потребляемый трансформатором из сети, а общий магнитный поток в сердечнике трансформатора остается практически постоянным. Зависимость величины вто-

4

ричного напряжения U2 от тока нагрузки I2 при неизменном первичном напряжении U1 и частоте называется внешней характеристикой. Наклон внешней характеристики зависит от коэффициента мощности потребителя (характера потребителя).

Работа трансформатора описывается также рабочими характеристиками, к которым относятся зависимости I1, U2, cos ϕ1, η = f (Р2) при U1Н = const, cos ϕ2= const, где Р2 = U2I2cos ϕ2 – активная мощность трансформатора, отдаваемая нагрузке. Рабочие характеристики снимаются для выбора оптимальной зоны работы трансформатора.

Параметры простейшей Г-образной схемы замеще- ния трансформатора легко определяются по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания транс- форматора. По схеме замещения можно рассчитать величину тока аварийного короткого замыкания трансформа-

тора I1к авар=I1Н/ Zк, которое может иметь место в эксплуатационных условиях. По результатам опытов холо-

стого хода и короткого замыкания трансформатора мож-
но рассчитать величину коэффициента полезного дейст-
вия трансформатора в номинальном режиме работы.	Рис. 1

3. Порядок выполнения работы 3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой (компьютер, модуль ввода, мо-

дуль питания, модуль однофазного трансформатора, модуль автотрансформатора, модуль реактивных элементов) и с паспортными данными исследуемого трансформатора (табл. 1).

Тип		U1Н
BV EI 481	1119	220 В

U2Н	Таблица 1
	S Н, ВА
12 В	10

3.1.В соответствии со схемой по рис. 2 нарисовать электрическую схему исследуемой цепи.

3.3.Собрать электрическую цепь (рис. 2). Установить ручку автотрансформатора в крайнее левое положение. В качестве емкостной нагрузки «С» использовать батарею конденсаторов модуля реактивных элементов. Предъявить схему для проверки преподавателю. Включить компьютер, запустить программу Delta Рrofi. Выбрать «Электромеханика – Работа № 1. Однофазный трансформатор». Выбрать вкладку «Рабочий режим». Запустить программу в работу, нажатием кнопки

«Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

5

АВТОТРАНСФОРМАТОР

ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

	Х1	Х2
		~ 220 B
Х3	2

1	3
0	4		SA1
Х4
SA2	Х5	Rд	Х6

Х7	А	TV	Х	Х8
	а		х
				3
Х9			2	4	Х10
			1		5
			0		6
					SA3
Х11	Rн			Х12

МОДУЛЬ ВВОДА

А3

ДТ1

А1

ДН1

А4

ДТ2

ПК

А5 ДТ3

А2

ДН2

А6

ДТ4

Рис. 2

3.4. Провести опыт холостого хода (ток I2 = 0). Установить переключатель SA2 модуля однофазного трансформатора и переключатель SA модуля реактивных элементов в положение «0». Включить электропитание стенда (выключатели QF1 и SA2 модуля питания, тумблер SA1 модуля автотрансформатора). Плавно увеличивая выходное напряжение автотрансформатора, установить на первичной обмотке трансформатора напряжение U1=220 В. Измерить первичное U10 и вторичное напряжения U20, ток холостого хода I10 и активную мощность Р10, потребляемую трансформатором в этом режиме. Результаты измерений занести в табл. 2. Выключить питание стенда и установить ручку автотрансформатора в крайнее левое положение. По результатам измерений рассчитать коэффициент трансформации трансформатора К12, коэффициент мощности cosϕ10, а также параметры Г-образной схемы замещения трансформатора Z0, R0, X0. По паспортным данным трансформатора (табл. 1) рассчитать номинальный вторичный ток I2Н и с учетом коэффициента трансформации – номинальный первичный ток I1Н.

Таблица 2

	Измерено						Вычислено
U10,	I10,	Р10,	U20,	Z0,	R0,	Х0,		cosϕ10	К12	I2Н	I1Н
В	А	Вт	В	Ом	Ом	Ом				А	А

3.5. Исследовать трансформатор в рабочем режиме при активном характере нагрузки. Для этого снять внешнюю характеристику и рабочие характеристики. Включить питание стенда (выключатель QF1 и SA2 модуля питания, тумблер SA1

6

модуля автотрансформатора). Изменяя величину сопротивления нагрузки Rн трансформатора с помощью переключателя SA2, измерить величины, указанные в табл. 3. Выключить электропитание. Используя результаты измерений, рассчитать активную мощность Р2, отдаваемую нагрузке, КПД трансформатора η и коэффициент мощности cosϕ1. По результатам исследования построить внешнюю характеристику U2 = f (I2), продлив ее до значения номинального тока, и рабочие характеристики трансформатора I1 = f (Р2), U2 = f (Р2), cosϕ1 = f (Р2), η = f (Р2 ) при активном характере нагрузки. Сделать выводы о наиболее целесообразном диапазоне нагрузок трансформатора.

Таблица 3

	Измерено					Вычислено
Сторона низкого напряжения		Сторона высокого напряжения
U2, В	I2, В	U1, В	I1, А	Р1, Вт	Р2, Вт	cosϕ1	cosϕ2	η

3.6. Снять внешнюю характеристику трансформатора при емкостном характере нагрузки. Переключатель SA2 модуля однофазного трансформатора установить в позицию «0». Величину емкости конденсатора изменять с помощью переключателя SA1 модуля реактивных элементов. Результаты измерений занести в табл. 4. По результатам исследования построить внешнюю характеристику трансформатора U2 = f (I2) при емкостной нагрузке, сравнить ее с характеристикой, полученной при активной нагрузке. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп»

или командой главного меню «Управление – Стоп» или горячей клавишей F6. Таблица 4

U2,В

I2, А

3.7. Исследовать трансформатор в режиме короткого замыкания. Для этого по рис. 3 нарисовать принципиальную схему цепи для проведения опыта короткого замыкания и собрать электрическую цепь. Установить ручку регулятора выходного напряжения автотрансформатора в крайнее левое положение, предъявить схему для проверки преподавателю. После проверки схемы включить питание стенда и автотрансформатора. Запустить программу Delta Рrofi. Выбрать «Электромеханика – Работа № 1. Однофазный трансформатор». Выбрать вкладку «Опыт короткого замыкания». Запустить программу в работу, нажатием кнопки

«Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

Плавно увеличивая выходное напряжение автотрансформатора, установить значение тока в первичной цепи трансформатора, соответствующее номинальному первичному току I1Н, рассчитанному после проведения опыта холостого хода. Измерить напряжение короткого замыкания U1к, первичный ток I1к, потребляемую в этом режиме активную мощность Р1к. Результаты измерения занести в табл. 5.

Выключить электропитание. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» или командой главного меню «Управление – Стоп» или горячей клавишей F6.

Определить величину напряжения короткого замыкания uк%, величину тока аварийного короткого замыкания I1к авар. в процентах от I1Н (табл. 5), а также пара-

7

метры ветви короткого замыкания Г-образной схемы замещения трансформатора

ZК, RК, XК.

Примечание: модуль однофазного трансформатора содержит добавочное переменное сопротивление Rд, которое можно использовать для проведения опыта короткого замыкания без использования автотрансформатора. Для этого оно должно быть включено последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

									Таблица 5
	Измерено				Вычислено
U1к,	I1к,	Р1к,	uк, %	Zк,		RК,		XК,		I1к авар
В	В	Вт		Ом		Ом		Ом		%

	АВТОТРАНСФОРМАТОР			МОДУЛЬ	ВВОДА
				А3	ДТ1
				А1
				ДН1
				А4	ДТ2
				ПК
				А5	ДТ3
				А2
				ДН2
				А6	ДТ4
ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
	Х1		Х2
			~ 220 B
Х3	2
1	3
0	4			SA1
Х4	Х5		Х6
SA2		Rд

Х7	А	TV	Х		Х8
	а		х
					3
Х9				2	4	Х10
			1			5
			0			6
						SA3
Х11	Rн				Х12

Рис. 3

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать: а) наименование работы и цель работы;

б) схему эксперимента с включенными измерительными приборами; в) таблицы с результатами эксперимента;

г) внешние характеристики трансформатора при активной и емкостной нагрузке;

д) рабочие характеристики трансформатора при активной нагрузке;

8

е) вычисленные по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания параметры схемы замещения трансформатора, коэффициент трансформации и величину тока аварийного короткого замыкания.

ж) вывод по работе.

5.Контрольные вопросы

1.Для чего предназначен трансформатор?

2.Каков принцип действия трансформатора?

3.Как опытным путем определить коэффициент трансформации?

4.Почему при увеличении тока нагрузки увеличивается ток, потребляемый трансформатором из сети?

5.Почему при изменении нагрузки изменяется КПД трансформатора?

6.Какие процессы характеризует активная мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода и в режиме короткого замыкания?

7.Почему при активной нагрузке увеличение тока ведет к уменьшению вторичного напряжения?

8.Почему внешняя характеристика трансформатора зависит от характера на-

грузки?

9

2. Работа № 2. УПРАВЛЕНИЕ ТРЕХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

1.Цель работы

Знакомство с устройством, схемами включения, принципом действия и основными характеристиками асинхронного двигателя. Приобретение навыков по управлению работой асинхронного трехфазного двигателя.

2. Пояснения к работе Трехфазный асинхронный двигатель – основной потребитель электрической

энергии в промышленности – может нормально работать, то есть развивать номинальную мощность на своем валу при номинальной частоте вращения, только при правильном включении его обмоток. Правильным включением трехфазного двигателя при соединении его обмоток по схеме «звезда» называют такое, при котором все начала обмоток, обозначаемые С1, С2 и С3 (или U1, V1, W1), подключают к трехфазной сети, а все концы, обозначаемые С4, С5 и С6 (или U2, V2, W2), соединяются в общую нулевую точку. Если хотя бы одна обмотка соединена неверно, например, конец соединен с сетью, а начало с нулевой точкой, двигатель нормально работать не может.

При соединении по схеме «треугольник» правильным называют такое, при котором все начала фазных обмоток С1, С2 и С3 соединены с сетью, концы – с началами других фазных обмоток, причем конец первой обмотки С4 соединяется с началом второй обмотки С2, конец второй обмотки С5 – с началом третьей обмотки С3, конец третьей обмотки С6 – с началом первой обмотки С1.

Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, подведенного к фазе статора двигателя. Поэтому, даже незначительное изменение напряжения в сети вызывает значительное изменение вращающего момента асинхронного двигателя. При изменении напряжения в √3 раз вращающий момент изменится в 3 раза. Ошибочное включение обмоток статора по схеме «звезда» вместо нормального включения по схеме «треугольник» вызывает уменьшение вращающего момента в 3 раза и двигатель не берет с места при пуске в ход с нагрузкой на валу. Значительное уменьшение напряжения в сети во время работы двигателя может привести к остановке двигателя с вытекающими отсюда последствиями.

Измерения, полученные при непосредственной нагрузке двигателя, позволяют получить рабочие характеристики двигателя, определяющие его поведение при различной нагрузке. При холостом ходе потребляемая из сети мощность Ро идет на потери в стали, на механические потери трения в подшипниках, вентиляционные потери трения о воздух и на нагревание обмоток статора при протекании по ним тока холостого хода. Все это – потери холостого хода, которые считают постоянными потерями, не изменяющимися как при холостом ходе, так и при нагрузке.

Важнейшей характеристикой электрического двигателя является механическая характеристика, под которой понимают зависимость частоты вращения n от вращающего момента М n = f (М). При выборе двигателя к производственному механизму из множества двигателей с различными механическими характеристиками выбирают тот, механическая характеристика которого удовлетворяет требованиям

10