Лабораторная работа 12 однофазный трансформатор Цель работы

Ознакомиться с устройством, характеристиками и методами исследования однофазного трансформатора.

Теоретическое введение

Трансформатор состоит из стального магнитопровода, собранного из тонких стальных листов, изолированных друг от друга с целью понижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи.

На матнитопроводе однофазного трансформатора (рис. 12.1) расположены две обмотки, выполненные из изолированного провода: первичная и вторичная.

Рисунок 12.1

К первичной обмотке подводится питающее напряжение U₁. Со вторичной обмотки снимается напряжение U₂, которое подводится к потребителю электрической энергии Основными рабочими характеристиками трансформатора являются

– номинальное первичное напряжение U₁,

– номинальное вторичное напряжение U₂,

– номинальный первичный ток I₁,

– номинальный вторичный ток I₂,

– номинальный коэффициент трансформации n,

– номинальная полная мощность S_н,

– коэффициент мощности cosφ,

– коэффициент полезного действия η.

Для определения характеристик трансформатора проводят опыты холостого хода и короткого замыкания.

При опыте холостого хода к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение, равное номинальному его значению U_1Н. Вторичная обмотка трансформатора при этом разомкнута и ток в ней равен нулю (I₂=0), в то время как в первичной обмотке трансформатора будет ток холостого хода I₀, значение которого обычно невелико и составляет порядка 3-10 % от номинального тока первичной обмотки I_1H. С увеличением номинальной мощности трансформатора относительное значение тока холостого хода снижается.

Воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной цепей трансформатора в режиме холостого хода, можно получить уравнения электрического равновесия

где:

Пренебрегая влиянием падения напряжения на первичной обмотке трансформатора I₀Z₁ ввиду его небольшого значения по сравнению с E₁, коэффициент трансформации приближенно можно определить по показаниям приборов при опыте холостого хода как отношение первичного напряжения ко вторичному напряжению:

Активная мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода P₀, затрачивается на потери мощности в магнитопроводе и электрические потери мощности в первичной обмотке

P₀=P_м+Р_Э1

Так как активное сопротивление первичной обмотки R₁, как и ток холостого хода I₀ трансформатора, обычно незначительно, то электрические потери в этой обмотке оказываются очень небольшими и ими можно пренебречь В результате этого можно принять, что мощность, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода и измеряемая ваттметром, расходуется на потери в магнитопроводе, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами т. е. Р₀=Р_м.

Опыт короткого замыкания проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. При этом напряжение на вторичной обмотке U₂=0.

При проведении опыта короткого замыкания трансформатора, в отличие от опасного режима короткого замыкания, возникающего в аварийных условиях самопроизвольно, к первичной обмотке трансформатора подводится такое напряжение (около 5% от U_1Н), при котором в его обмотках возникают токи, равные номинальным.

При опыте короткого замыкания вся мощность, потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т. е. равна электрическим потерям Р_Э в проводах обмоток трансформатора:

P_к=P_Э+P_м ≈R₁I_1H²+R₂I_2H²+P_м

В выражение для Р_к входят I_1H и I_2H - номинальные значения токов, так как опыт короткого замыкания проводится при номинальном значении тока I_1H. Поэтому, с учетом того, что Р_м≈0, мощность Р_К=Р_Э, т.е. равна потерям мощности в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке

Рисунок 12.2	Рисунок 12.3

В соответствии с изложенным, измерив напряжение, ток и активную мощность при опыте короткого замыкания, можно определить параметры упрощенной схемы замещения трансформатора при коротком замыкании (рис. 12.2)

где R_k, X_k и Z_k - активное, реактивное индуктивное и полное сопротивления короткого замыкания трансформатора соответственно.

К нагрузочным характеристикам трансформатора относятся зависимости вторичного напряжения U₂, коэффициента мощности cosφ₁ и коэффициента полезного действия η от тока нагрузки при cosφ₂=const. Характер этих зависимостей представлен на рис 12.3

Зависимость U₂(I₂) напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока нагрузки является внешней характеристикой трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора по отношению к потребителю электроэнергии является источником энергии, поэтому направление тока во вторичной обмотке (см. рис. 12.1) совпадает с направлением ЭДС Е₂ в этой обмотке. На основании второго закона Кирхгофа для вторичной цепи получим уравнение для внешней характеристики трансформатора

Из полученного выражения следует, что изменение тока нагрузки трансформатора приводит к изменению напряжения на зажимах его вторичной обмотки.

Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение полезной мощности к мощности, потребляемой им из сети:

где:

Р_м - потери в магнитопроводе трансформатора (находят из опыта холостого хода); Р_Э - электрические потери в обмотках трансформатора (определяют ит опыта короткого замыкания).

Оборудование для проведения работы и объекты исследования

Работа проводится на стенде ЭВ-4. Используются панели, на которых установлены резисторы по 100 Ом и 0 150 Ом, универсальные цифровые вольтметры В7-38 и В7-22А (см приложения 2,3)

На откидном столике устанавливается измерительный комплект K540 (см приложение 5), включающий три многопредельных измерительных прибора вольтметр, ваттметр, амперметр.

Для образования электрических цепей используются панель источников питания с регулируемым синусоидальным напряжением 0-220 В и специальные соединительные провода входящие и комплект стенда.

Объектами исследования являются однофазный трансформатор 220/127, 160 В·А в режиме холостого хода, в режиме изменяющийся нагрузки, в режиме опыта короткого замыкания, т. е. в режиме пониженного напряжения, но при номинальном токе.

Порядок выполнения работы и указания по технике безопасности

1. Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием стенда, используемыми при выполнении работы, и занести в отчет по лабораторной работе номинальные технические данные исследуемого трансформатора.

2. Провести опыт холостого хода трансформатора по схеме (рис. 12. 4).

а) питание электрической цепи осуществить от регулируемого источника синусоидального напряжения;

б) измерение тока I₀, мощности Р₀ в первичной обмотке трансформатора при холостом ходе производить измерительным комплектом К540, а напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора - цифровым вольтметром;

Рис. 12.4

в) установить напряжение на первичной обмотке трансформатора равным номинальному и записать показания приборов в следующем виде:

Измерения						Вычисления
U1, В	U2, В	I0, А	I0, %	P0, Вт	P0, %	n	сos φ0	Z0, Ом	R0, Ом	X0, Ом

Рис. 12.5

3. Провести опыт нагрузки трансформатора:

а) собрать электрическую цепь в соответствии со схемой, приведенной на рис.12.5;

б) в качестве нагрузки к зажимам вторичной обмотки трансформатора подключить резисторы с переменными и постоянными параметрами, суммарное сопротивление которых рассчитать с учетом того, что ток во вторичной обмотке должен изменяться от I₂=0,1·I_2H до I₂=(1,2...1,25)·I_2H;

в) измерение тока I₁, мощности P₁ и напряжения U₁ первичной обмотки трансформатора производить измерительным комплектом К540, а измерение тока I₂ и напряжения U₂ вторичной обмотки - цифровыми вольтметрами;

г) установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U_1H и, изменяя сопротивление резисторов во вторичной цепи с переменными параметрами, произвести шесть измерений при различных токах нагрузки в указанном диапазоне его изменений. При проведении опыта напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора поддерживать неизменным.

Результаты измерений записать в таблицу 12.1.

Таблица 12.1

№ измерения	Измерения					Вычисления
	U1, В	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	P2, Вт	β	η	cos φ1
1
2
3
4
5
6

4. Опыт короткого замыкания трансформатора произвести при пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора, при котором ток в первичной обмотке I_1K=I_H. Поэтому напряжение, подводимое к первичной обмотке, должно устанавливаться изменением напряжения источника питания от U_1K=0, т. е. с нулевого его значения. Для проведения опыта короткого замыкания:

а) собрать электрическую цепь, приведенную на рис. 12.6;

б) измерение тока I_1K, мощности Р_K и напряжения U_1K на первичной обмотке при опыте короткого замыкания трансформатора производится измерительным комплектом К540, а измерение тока I_2K во вторичной обмотке - цифровым вольтметром;

в) плавно изменяя напряжение на первичной обмотке трансформатора от нуля до значения, при котором токи в обмотках достигнут номинальных значений, определяемых по паспортным данным, записать значения измеряемых величин в следующем виде:

Измерения					Вычисления
U1K , В	U1K , %	I1K , A	I2K , A	P1 , Вт	cos φ1K	RK, Ом	ZK, Ом	XK, Ом

ВНИМАНИЕ: Напряжение U₁ нe должно превышать 17 В!

Рис. 12.6

Обработка результатов

1. По результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода определить:

а) ток холостого хода в процентах I₀ %;

б) коэффициент трансформации трансформатора n,

в) коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе cos φ₀;

г) параметры намагничивающего контура трансформатора R₀, Z₀, X₀;

2. По результатам измерений опыта короткого замыкания определить

а) напряжение короткого замыкания U_1К %; U_1К= (U_lK /U_lH )·100 %

б) электрические потери мощности в трансформаторе в %,

в) коэффициент мощности трансформатора cos φ_1K;

г) параметры схемы замещения трансформатора R_K, Z_К, X_К

3. По результатам измерений опыта нагрузки при различных токах нагрузки определить

а) КПД трансформатора

где P₂=U₂I₂, β=I₂ /I_2H ;

б) коэффициент мощности трансформатора cos φ₁

По данным испытаний построить в единой системе координат внешнюю U₂(I₂) и рабочие I₁(I₂), η(I₂), cosφ₁(I₂) характеристики трансформатора. Нарисовать схему замещения нагруженного трансформатора.

Контрольные вопросы

1. Укажите назначение трансформатора

2. Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора

3. Расскажите, как и с какой целью проводится опыт холостого хода трансформатора

4. Объясните, почему коэффициент трансформации трансформатора определяется из опыта холостого хода

5. Почему потери мощности в магнитопроводе трансформатора не зависят от тока нагрузки?

6. Как и с какой целью проводится опыт короткого замыкания трансформатора?

7. Почему при опыте короткого замыкания можно пренебречь потерями мощности в магнитопроводе трансформатора?

8. Почему при изменении тока нагрузки во вторичной обмотке трансформатора изменяется ток и в первичной его обмотке?

9. Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора?

10. Почему с возрастанием тока нагрузки энергетические показатели трансформатора вначале возрастают, а затем снижаются?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13

ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУГЫМ РОТОРОМ

Цель работы

Ознакомиться с принципом действия и характеристиками короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Теоретическое введение

Статор асинхронного двигателя АД предназначен для создания вра­щающегося магнитного поля. На статоре симметрично по окружности расположены три обмотки W_A, W_B, W_C, соединенные в звезду или тре­угольник (рис. 13.1.а). При подключении трехфазного напряжения каждая из обмоток создает синусоидальный поток Ф_А, Ф_В, Ф_C (рис. 13.1.б); эти потоки смещены один относительно другого по фазе на 120º.

Рис. 13.1

Результирующий поток Ф равен сумме мгновенных значений этих по­токов. В каждый момент времени суммарный поток имеет одну и ту же ве­личину, но непрерывно меняет направление, вращается с постоянной ско­ростью (рис. 13.1, в).

При любом изменении порядка чередования напряжений U_A, U_B, U_C, подводимых к обмоткам статора, направление вращения магнитного поля изменяется на противоположное.

Частота вращения потока называется синхронной частотой. Она зави­сит от частоты сетевого напряжения f и способа намотки обмоток статора (числа пар полюсов р) и определяется по формуле:

Выпускаются двигатели с частотами n_C, равными синхронными 3000 об/мин, 1500, 1000, 750... об/мин.

Ротор асинхронного двигателя для уменьшения вихревых токов выпол­няется наборным из пластин и имеет обмотку в виде беличьей клетки из алюминиевых стержней, пронизывающих ротор (рис. 13.2).

При пуске двигателя вращающийся с частотой n_C поток Ф пе­ресекает стержни неподвижного ротора и наводит в них ЭДС. В роторе появляется ток I_p, соз­дающий поток ротора Ф_p, пер­пендикулярный потоку Ф и вра­щающийся тоже с частотой n_C. В результате взаимодействия пото­ков Ф_р и Ф создается вращающий момент М, стремящийся повер­нуть ротор в сторону совмещения Ф_р и Ф. Ротор

Р ис. 13.2

начинает вращаться и на холостом ходу разгоняется до частоты вращения n. При n→n_С момент, развиваемый двигателем, стремится к нулю, так как при этом уменьшается до нуля ско­рость, с которой поток Ф пересекает обмотку движущегося ротора ,и, сле­довательно, стремятся к нулю ЭДС, ток ротора I_р и поток ротора Ф_р. В этом основная особенность асинхронного двигателя: АД развивает момент М только при n<n_С, и на рабочем участке характеристики момент тем больше, чем больше разность (n_С-n).

Отношение характеризует степень отставания ротора от поля

статора и называется скольжением.

При S=0 (идеальный холостой ход) момент двигателя М=0;

при S=1 (n=0) двигатель развивает момент М_П, называемый пусковым.

Зависимость момента М, развиваемого двигателем, от частоты враще­ния я называется механической характеристикой (рис. 13.3). Эту характе­ристику получают в виде n(М) и поэтому частоту вращения откладывают по оси ординат. Однако при анализе работы двигателя эту характеристику лучше представлять как зависимость M(n), т.е. в качестве аргумента рас­сматривать n. Так, если по каким-то причинам двигатель вращается с n=n_с, ЭДС в роторе не наводится I_P=0, Ф_P=0 и поэтому момент, развиваемый двигателем, равен нулю (рабочая точка 1-идеальный холостой ход). При реальном холостом ходе (рабочая точка 2) n₂<n_с, поэтому момент М не равен нулю: двигатель снизил скорость вращения n до такого значения, при котором его момент стал равным моменту нагрузки холостого хода М_сх.

Рис. 13.3

При нагружении двигателя, на­пример, номинальным моментом нагрузки М_н скорость начинает снижаться, в результате чего уве­личиваются ЭДС, наводимая в ро­торе, ток ротора I_P и поток Ф_P и, следовательно, растет момент дви­гателя М. Скорость снижается до тех пор, пока момент М не станет равным моменту нагрузки (рабочая точка из точки 2 переходит в точку 3)

При снижении n момент М увеличивается до критического значения М_K - максимального мо­мента (рабочая точка 4), после чего уменьшается и при n=0 становится равным пусковому моменту М_П (точка 5). Это снижение момента при частотах вращения, меньших кри­тического значения n₄, объясняется увеличением частоты тока в роторе и связанным с этим увеличением индуктивного сопротивления обмотки ро­тора (в номинальной рабочей точке 3 частота тока в роторе составляет 1-3 Гц, в точке 4 - около 5 Гц, а в точке 5-50 Гц).

Устойчивая работа АД возможна только на участке характеристики 1-4; участок 4-5 является неустойчивым и работает только в процессе пуска двигателя Например, в точке 6 АД устойчиво работать не может. При случайном уменьшении момента нагрузки скорость начнет увеличиваться, но при большей n на этом участке характеристики АД развивает больший момент, что приводит к еще большему увеличению n. В результате рабочая точка переходит на устойчивый участок (в точку 6'). При увеличении М_нагр двигатель останавливается, рабочая точка из точки 6 переходит в точку 5.

Длительная работа асинхронного двигателя без перегрева возможна при моментах нагрузки М_нагр ≤ М_Н (т. е. в точке 3 или левее нее). При боль­ших моментах нагрузки АД может работать лишь кратковременно с после­дующим охлаждением при нагрузках, меньших М_Н. Если нагрузка превысит критическое значение М_K, АД останавливается или (в зависимости от ха­рактера нагрузки) начнет вращаться в обратном направлении (переходит в режим противовключения). При пуске и в режиме противовключения двигатель потребляет пусковой ток, в 4 - 7 раз превышающий номинальное значение I_Н. Броски пусковых токов мощных АД могут привести к пере­грузке силовых трансформаторов.

Если с помощью внешнего момента АД заставить вращаться с n>n_C, он переходит в режим асинхронного генератора и отдает энергию в трехфазную сеть. При этом момент двигателя направлен против скорости враще­ния и является тормозным.

Для двигателя нормального исполнения пусковой момент М_луcк=1,3 М_Н, критический момент М_К=1,7…2,1 М_Н. Номинальное скольжение S_H=0,02…0,06.

Недопустимым режимом работы АД является работа на двух фазах, так как при обрыве одной из фаз в оставшихся фазах ток увеличивается при­мерно до I_пуск, при этом момент двигателя уменьшается, но при неболь­ших нагрузках АД продолжает вращаться, быстро перегревается и выходит из строя.

Важной особенностью АД является сильная зависимость момента от напряжения питания: М_К=К•U². Если, например, вместо напряжения 380 В на двигатель подать 220 В, не произведя при этом никаких пере­ключений обмоток статора, механическая характеристика сожмется вдоль оси абсцисс втрое, т е. при тех же n моменты М станут в три раза меньше. Нагруженный моментом М_Н двигатель при пониженном напряжении оста­новится, ток в обмотках увеличится (пусковой ток) и двигатель выйдет из строя.

Обмотки статора включаются в трехфазную сеть по схеме звезды или треугольника. Поэтому на двигателе указывается два напряжения, напри­мер, 380/220 В. Это означает, что данный АД может быть включен в сеть 380 В при соединении его обмоток в звезду или в сеть 220 В при соедине­нии обмоток в схему треугольника. В обоих случаях каждая обмотка двига­теля получает напряжение 220 В и поэтому иногда напряжение указывают в виде 3x220 В. В обоих случаях АД вращается с той же частотой n_H, разви­вает тот же М_H, потребляет из сети ту же номинальную мощность Р_1H и т. д. Отличие лишь в том, что при соединении треугольником линейный ток в раз больше (поскольку в раз меньше линейное напряжение).

Асинхронный двигатель прост по конструкции, надежен в работе, не требует квалифицированного обслуживания, значительно дешевле двига­теля постоянного тока и поэтому очень распространен. Основной недоста­ток АД - в трудности регулирования его скорости вращения. До недавне­го времени скорость вращения регулировали только ступенчато изменени­ем числа пар полюсов Р (в специальных двух-, трех- и четырехскоростных АД с секционными обмотками). В последние 10-15 лет в промышленности начали применяться электроприводы с частотным регулированием АД, в которых трехфазное сетевое напряжение 50 Гц с помощью тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ) преобразуется в трехфазное напряжение с плавно регулируемой частотой f Современные ТПЧ позволяют плавно из­менять скорость вращения АД в несколько раз. С одним из таких преобразователей можно ознакомиться в лаборатории электропривода (ауд. 309) кафедры электротехники.

В паспортных данных асинхронного короткозамкнутого двигателя всегда указываются:

• P_2H - номинальная мощность (механическая мощность, снимаемая с вала двигателя при номинальном моменте нагрузки М_Н),

• U_H - номинальное напряжение,

• I_H - номинальный ток ;

• f - частота напряжения;

• n_H - номинальная частота вращения:

• η_H - номинальный КПД,

• cosφ_H - номинальный коэффициент мощности.

По паспортным данным можно определить:

л л

• М _Н(Нм) из условия, что

где Р_2н в кВт;

• - активную мощность, потребляемую из сети при номинальной нагрузке;

• - полную мощность, потребляемую из сети при номи­нальной нагрузке (кВ -А)

Оборудование для проведения работы и объекты исследования

Работа проводится на стенде ЭВ-4 (панель "Асинхронный двигатель") работе используются амперметр (7,5 А), вольтметр (250 В) и ваттметр, встроенные в схему измерения.

Обьект исследования - короткозамкнутый асинхронный двигатель АИР71АЧУЗ Паспортные данные двигателя:

P_2H=0,55 кВт

U_H=3x220 B

/_Н=2,8/1,6 А,

n_H =1360 об/мин ,

f=50 Гц;

η_H=0,71

cosφ_H=0,73;

Порядок выполнения работы и указания по технике безопасности

1. По паспортным данным рассчитать номинальный момент двигателя Мн, потребляемую из сети номинальную активную мощность M_H, но­минальную полную мощность Si_h и номинальное скольжение двигателя S_H.

1. Ознакомиться с лабо­раторной установкой и со­брать схему для исследова­ния АД (рис 13.4) Амперметр включить на предел измерения 7,5 А

3. После проверки схе­мы лаборантом или препо­давателем кнопкой "Сеть" подать напряжение на измерительные приборы Кнопку "Агрегат 1 - Агрегат 2" по­ставить в положение "Агрегат 1" При этом прибор "Момент НМ" должен показывать нулевое значение (в противном случае резистором "Балансировка момента'' стрелку прибора нужно установить на нуль)

Рис. 13.4

4. Кнопкой "Включение к сети синхронной и асинхронной машины'' пустить двигатель, наблюдая при этом за показанием амперметра. Если ток значительно превышает номинальное значение (или равен нулю), необхо­димо отключить двигатель и проверить схему на обрыв фазы.

5. Снять механическую характеристику n(М). Для этого регулятором нагрузки нужно задать 6-7 значений момента нагрузки от нуля до рассчитанного Вами значения М_н включительно, фиксировать при этом показания приборов и внести их в таблицу:

№	Измерено					Вычислено
	М, Нм	N, Об/мин	I, A	P1 кВт	U, В	P2 кВт	S, кВА	cosφ	η
1 2 ..

Обработка результатов

1. По результатам измерения вычислить:

• мощность на валу двигателя Р2 ;

• скольжение S;

• КПД η

• коэффициент мощности cos φ.

2. Построить механическую характеристику n(М).

3. В одной координатной системе построить рабочие характеристики АД: I, М, S, Pi, cos φ, η в функции P2.

Контрольные вопросы

1. Чему равен момент асинхронного двигателя при n=n_с^? Почему М увеличивается при снижении n?

2. Почему вращающийся на холостом ходу АД не останавливается при обрыве одной фазы? Как при этом изменяется ток в оставшихся фазах?

3. Почему при n=0 момент двигателя (М_n) оказывается не максималь­ным?

4. Как изменяется мощность на валу двигателя при переключении его с треугольника на звезду при соответствующем увеличении линейного на­пряжения cети в раз'

5 Во сколько раз уменьшится пусковой момент двигателя, если на­пряжение cети уменьшилось на 30%?

6. По какой схеме включен ваттметр (рис. 13.4)?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы

Ознакомиться с принципом действия и характеристиками двигателя постоянного тока

Теоретическое введение

Двигатель постоянного тока состоит из статора и ротора.

На обмотку возбуждения О_B, расположенную на полюсах статора, подается постоянное напряжение U_B (рис. 14.1). Протекающий через обмотку ток I_В создает постоянный поток возбуждения Ф. В современных малоинерционных двигателях, предназначенных для быстродействующих приводов, вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.

На обмотку ротора, который в этом двигателе является якорем, через угольные или медно-графитовые щетки и коллектор подастся постоянное напряжение U.

На принципиальных схемах двигатель изображается так, как это показано на рис. 14 2.

Рисунок 14.1	Рисунок 14.2

При пуске двигателя, т.е. при подаче на неподвижный якорь напряже­ния U в цепи якоря протекает ток (R - сопротивление якоря)

Этот тока создает магнитный поток якоря Ф_Я, перпендикулярный потоку возбуждения Ф, как это показано на рис. 14 1. В результате взаимодействия потоков возникает вращающий момент М, стремящийся повернуть якорь до совпадения потока Ф_л с потоком Ф.

Момент М пропорционален току якоря I и потоку Ф:

М=С_м 1 Ф, (14.1)

где:

С_м - постоянный коэффициент.

Под действием момента М якорь начинает вращаться. При этом неза­висимо от вращения якоря поток Ф_Я остается перпендикулярным потоку Ф, так как ток I щеточно-коллекторым механизмом всегда подается в тe витки якоря, которые в данный момент оказываются под полюсами. Пока действует момент М, двигатель, не заторможенный внешним моментом нагрузки, разгоняется. Чтобы ответить на вопрос, до какой скорости paзгоняется двигатель на холостом ходу, нужно учесть генераторную ЭДС Е, наводимую в якоре, вращающемся в потоке возбуждения Ф.

Если на якорь не подать напряжение U и помощью внешнею момента вращать его в потоке возбуждения Ф, двигатель превратится в генератор постоянного тока и будет вырабатывать генераторную ЭДС Е = С_еnФ, (14.2)

где-

С_е - постоянный коэффициент пропорциональности

Эта же генераторная ЭДС наводится в якоре и в том случае, когда машина работает в режиме двигателя. Она направлена против напряжения U и уменьшает ток якоря. Поэтому во вращающемся якоре ток определяет­ся выражением:

В момент пуска, когда n=0 и, следовательно, E=0, в якоре протекает

пусковой ток , во много раз превышающий допустимое по усло­виям работы коллектора значение. Для ограничения пускового тока рань­ше пользовались реостатами, включаемыми в цепь якоря; в современных тиристорных электроприводах пусковой ток ограничивается снижением напряжения U во время разгона двигателя.

На холостом ходу двигатель разгоняется до такой n, при которой Е становится почти равной напряжению U, и поэтому в якоре протекает тишь небольшой ток холостого хода, создающий момент М, равный ста­тическому моменту нагрузки холостого хода М_сх. При идеальном холостом ходе двигатель разогнался бы до частоты вращения идеального холостого хода n₀ при которой E=U и, следовательно, I=0 и М=0.

При нагружении двигателя моментом нагрузки частота вращения n начинает снижаться. Но при этом уменьшается генераторная ЭДС Е = С_e • n • Ф, а начальное уменьшение Е приводит к резкому увеличению тока I и момента М, развиваемого двигателем. Скорость снижается до та­кой n, при которой, момент двигателя М становится равным моменту нагрузки. Связь между моментом двигателя М и частотой вращения n опре­деляется уравнением:

где:

- частота вращения идеального холостого хода.

- угловой коэффициент.

Рис. 14.3

По этому уравнению строится механическая характеристика двигателя n(М), изображенная на рис. 14.3. Механическая характеристика позво­ляет для любой частоты враще­ния n определить момент М. Так, при n=n₀ М=0 (рабочая точка 1 соответствует идеальному холо­стому ходу, когда E=U, I=0, М=0). Точка 2

соответствует реальному холостому ходу (n₂<n₀, E<U и поэтому I ≠ 0, к двигатель развивает момент М=М_сх). В рабочей точке 3 двигатель нагружен номинальным моментом нагрузки М_н вращается с номинальной частотой вращения n₀ и развивает момент М₃, равный моменту М_н

Кратковременно двигатель можно нагрузить максимально допустимым моментом М_макс (рабочая точка перейдет в точку 4), но длительная работа при нагрузках, больших М_н, приводит к перегреву двигателя и резкому сокращению срока службы изоляции. Нагружать двигатель моментом, большим М_макс, даже кратковременно, нельзя, так как при этом ток якоря ста­новится больше допустимого тока I_макс, что сокращает срок службы коллектора.

Современные двигатели постоянного тока допускают перегрузку по то­ку , равную 3-4. малоинерционные двигатели, используемые в быстродействующих тиристорных электроприводах, рассчитаны на 9-10 - крат­ную перегрузку. Практически во столько же раз М_макс оказывается больше номинального момента М_Н, благодаря чему двигатели постоянного тока обладают значительно большим быстродействием по сравнению с асинхронными двигателями.

Основным преимуществом двигателя постоянного тока перед асинхронным является то, что его скорость вращения может регулироваться в очень широком диапазоне. Из уравнения механической характеристики видно, что скорость вращения можно регулировать тремя способами:

• введением добавочного сопротивления Rg в цепь якоря,

• ослаблением потока возбуждения Ф,

• изменением напряжения U от нуля до U_н

При введение добавочного сопротивления, при ослаблении потока или изменении напряжения вместо исходной механической характеристики (ее называют естественной характеристикой) получаются искусственные характеристики, изображенные на рис 14.4.

а	б	в
Рис. 14.4

При введении Rg нагруженный двигатель вращается медленнее (рис.14.4.а). В настоящее время этот способ не применяется, так как неэкономичен и не обеспечивает стабильности вращения при малых n.

Регулирование n ослаблением потока Ф (рис 14.4, б) экономически оправдано, но обеспечивает диапазон регулирования Д=n_макс/n_микс равный всего лишь 3-5. Поток Ф можно только уменьшать, так как в номинальном режиме двигатель работает с максимально возможным. Потоком возбуждения и увеличивать его из-за насыщения железа невозможно. При ослаблении потока Ф скорость вращения двигателя увеличивается. Это объясняет­ся тем, что при уменьшении Ф уменьшается противо-ЭДС Е=С_еnФ, а это приводит к очень резкому увеличению тока в якорной цепи и, несмот­ря на уменьшение Ф, к увеличению момента М. Если, например при хо­лостом ходе поток Ф ослабить вдвое, двигатель почти вдвое увеличит час югу вращения, чтобы при ослабленном потоке ЭДС Е вновь стада почти равной напряжению U

Способ с изменением напряжения U, подводимого к якорю, является основным способом регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока. Как видно из уравнения механической характеристики, при уменьшении U пропорционально уменьшается скорость идеального холо­стого хода n₀, а угловой коэффициент b не изменяется, т. е. при измене­нии U искусственные механические характеристики смещаются, оставаясь параллельными естественной характеристике.

До появления тиристорных преобразователей для регулирования постоянного напряжения использовались генераторы постоянного тока (регулирование n осуществлялось с помощью системы ГД – "генератор-двигатель"). В современных электроприводах постоянное напряжение U регулируется тиристорным преобразователем (управляемым выпрямителем на тиристорах). В серийных тиристорных электроприводах диапазон регу­лирования достигает 10000 и. более. Это означает, что двигатель может вращаться с любой скоростью от n_н до долей оборота в минуту.

Оборудование для проведения работы и объекты исследования

Работа проводится на стенде ЭВ-4 (панель "Двигатель постоянного тока"). В работе используются амперметры постоянного тока (20 А, 1 А) и вольтметр постоянного тока (300 В). Объект исследования - двигатель по­стоянного тока с независимым возбуждением типа П21 (находится в ниж­ней части стенда за прозрачной защитной стенкой) Паспортные данные двигателя:

– номинальная мощность (мощность на валу) Р_2н=1,0 кВт;

– номинальное напряжение U_H=220 В;

– номинальная частота вращения n_H=3150 об/мин;

– номинальный КПД η = 0,77.

Напряжение на якоре U регулируется кнопками "↑↓" на панели "Нагрузочные устройства" при нажатой кнопке "ВКЛ" на панели "Машины постоянного тока".

Момент нагрузки задается рукояткой "Регулировка нагрузки" электромагнитного тормоза. Момент нагрузки и частота вращения измеряются приборами "Момент, Нм" и "Скорость, об/мин х100". Ток возбуждения регулируется реостатом

Порядок выполнения работы и указания по технике безопасности

1. По паспортным данным двигателя рассчитать номинальный момент нагрузки М„, номинальную потребляемую мощность Р_1n и номинальный ток якоря /_як(номинальный ток возбуждения I_вн=0,5 А)

2. Ознакомиться с лабораторной установкой и собрать схему для ис­следования двигателя (рис.14.5), при этом перемычки на клеммы а-b не ставить.

3. Подготовить двигатель к пуску. Для этого необходимо:

а) установить момент нагрузки M=0 (рукоятку "Регулировка нагрузки' поставить в крайнее левое положение),

б) кнопкой "Агрегат 1 - Агрегат 2" подключить к схеме приборы лая измерения момента М и частоты вращения n (кнопку поставить в положе­ние "Агрегат 2")

4. После проверки схемы лаборантом и преподавателем включить кнопку "ВКЛ"' на панели регулятор 1 (при не подключенной цени якоря) кнопкой "ВКЛ ' на панели ''Машины постоянного тока'' подать на двигатель напряжение возбуждения Uв и напряжение U на вольт­метр.

Рис. 14.5

5. Регулятором возбуждения установить номинальный ток I_ВН =0,5 А.

Пуск двигателя при введенном реостате в цепи возбуждения (/_в</_вн), либо при при отключенной обмотке возбуждения, т е. при I_в=0 приводит к недопустимой перегрузке и выходу из строя измерительных приборов.

6. Кнопками " ↑ '' " ↓ " по вольтметру установить минимально возможное напряжение U.

7. Кнопкой "Выкл" на панели "Машины постоянного тока" выключить напряжение Ug и (7, перемычкой соединить клеммы a-b и кнопкой "Вкл" включить двигатель при пониженном напряжении U.

8. Увеличивая кнопкой " ↑ '' напряжение U до номинального значения U_H=220 В, снять регулировочную характеристику n(I_в) для ненагруженного двигателя При снятии характеристики поддерживать /_н равным I_вн=0,5 А. Результаты измерений внести в табл. 14.1

Таблица 14.1

U, В	…
n, об/мин	…

ВНИМАНИЕ: Якорь двигателя после снятия характеристики (и до окончания всех опытов) от напряжения U не отключать. Если по каким-то причинам якорь будет отключен от напряжения, повторный пуск можно производить только предварительно снизив напряжение U. Пуск двигателя при U_H приведет к выходу Из строя амперметра и повреждению коллектора двигателя.

9. Снять регулировочную характеристику n(l_в для этого, поддержи­вая U=U_н=220 В, регулятором возбуждения нужно уменьшать /_n от номи­нального значения I_вн=0,5 А до значения, при котором начинает зашкали­вать измеритель частоты вращения n, и фиксировать значения /_n и n (табл. 14.2). После снятия характеристики вновь установить номинальный ток побуждения I_вн=0.5 А

Таблица 14.2

Iв, A
n, об/мин

10. Снять естественную механическую характеристику n(М) Для этого, поддерживая U=U_H=220 В, I_в=I_вн=0,5 А, регулятором нагрузки увеличивать момент нагрузки от М=0 до М_н и фиксировать значения n и тока якоря I (табл. 14.3)

Таблица 14.3

№	Измерено		Вычислено
	М, Нм	n, об/мин	I, А	P1, Вт	Р2, Вт	η
1
2
…

11. Уменьшив напряжение U до 110 В, снять искусственную меха­ническую характеристику (табл. 14.3) при U=110 В, /_вн=0,5 А

12. Отключить схему от сети

Обработка результатов

1. По результатам измерений построить, графики зависимостей n(U)M=0, n(I_B)M=0, n(U)M=M_H и механическую характеристику n(М)

2. Вычислить значения P₁, Р₂, η и внести их в таблицу 14.3

• P₁- потребляемая из сети мощность,

• (напряжение возбуждения U_в=220 В),

• Р₂ - механическая мощность, снимаемая с вала двигателя,

η - КПД двигателя,

3. Построить рабочие характеристики двигателя n(Р₂), I_я(Р₂), η(Р₂)

Контрольные вопросы

1. Как изменится скорость вращения двигателя независимого возбуждения, если:

а) ток возбуждения уменьшить вдвое?

б) напряжение на якоре уменьшить вдвое?

в) одновременно вдвое уменьшить I_в и U

2. Почему при длительном режиме работы двигатель можно нагружать номинальным моментом нагрузки, когда на якорь подается пониженное напряжение U, но надо уменьшать момент нагрузки, когда двигатель рабо­тает при токе возбуждения /_в</_вн?

3. Как и почему изменяется ток якоря при нагружении двигателя?

4. Если включенный в сеть двигатель постоянного тока с помощью внешнего момента разогнать до скорости идеального холостого хода n₀ то "

а) чему будет равен при этом ток якоря?

б) чему будет равен момент М двигателя?

Как изменяется I_Я и М, если двигатель внешним моментом разогнать до n>n₀

5. Что нужно сделать, чтобы двигатель независимого возбуждения из­менил направление вращения?

6. Какой способ регулирования скорости (изменением R, I_в, или U обеспечивает наибольший диапазон регулирования?