ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Испытания генератора ностоянного тока

Цель работы: ознакомиться с конструкцией генератора постоянного тока, определить его основные характеристики.

Программа работы

1. Изучить устройство и принцип действия генератора постоянного тока.

2. Ознакомиться со схемой лабораторной установки и измерительными приборами (рис.1.1).Составить перечень используемого оборудования и измерительных приборов с указанием их паспортных данных.

Рис. 1.1 Принципиальная электрическая схема генератора постоянного тока

1. При отключенной нагрузке генератора снять характе­ристику холостого хода – зависимость напряжения на зажи­мах генератора от тока возбуждения U_г = f(I_в) при посто­янной скорости вращения n. Ток возбуждения изменять от нуля до номинального (восходящая ветвь) и от номинального до нуля (нисходящая ветвь). Данные опыта занести в табл.1.1.

Таблица 1.1

Iв А
Uг восх В
Uг нисх В

Используя результаты опыта построить восходящую и нисходящую ветви характеристики холостого хода. Объяс­нить наличие двух ветвей характеристики.

4. Снять зависимость напряжения генератора с параллельным возбуждением, от тока U= f(I) при постоянном токе возбуждения и номинальной скорости вращения —внешнюю характеристику генератора Данные заносят в табл.1.2.

Таблица 1.2

Iв А
Uг восх В
Uг нисх В

Построить снятую характеристику Объяснить причины уменьшения напряжения на зажимах генератора с ростом тока.

5. Повторить опыт (п. 4), для генератора с независимым возбуждением. Внешние характеристики (п. 4 и п. 5) постро­ить на одном графике. Объяснить причину несовпадения внешних характеристик генератора с независимым и с параллельным возбуждением. .

6. Снять регулировочную характеристику — зависимость тока генератора с параллельным возбуждением от тока возбуждения I_г = f(I_в) при постоянном напряжении на гене­раторе U = U_H и при постоянной скорости n=n_в

Данные опыта занести в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Iг А
Iв А

Построить регулировочную характеристику генератора. Объяснить почему с ростом тока нагрузки при неиз­менном напряжении растет ток возбуждения.

Описание лабораторной установки

В качестве генератора используется машина постоян­ного тока типа П 11-М (рис.1.2)

Рис.1.2 Общий вид лабораторного стенда

Якорь генератора приводится во вращение трехфазным асинхронным двигателем или двигателем постоянного тока. Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.2. Паспортные данные генератора; Р=500Вт;U=60 В; I = 9,9 А; скорость вращения приводного двигателя n =2800 об/мин. Нагрузкой генератора служит реостат на­грузки R_н

Для регулирования тока в обмотке возбуждения предусмотрен реостат Rp Обмотка возбуждения может быть подключена параллельно с обмоткой якоря или иметь незави­симый источник питания.

Переключение обмотки возбуждения осуществляется специальным тумблером. Скорость вращения якоря генера­тора измеряется с помощью тахометра, токи и напряжения в цепи генератора измеряются приборами магнитоэлектриче­ской системы.

Методические указания к выполнению работы

1. При подготовке к работе надо начертить примерный вид характеристик холостого хода, внешней и регулировочной.

2. Перед, включением стенда необходимо полностью ввести пусковой реостат приводного двигателя (для ограничения пускового тока) нагрузку генератора отключить.

3. Характеристику холостого хода генератора с парал­лельным возбуждением U_xx= f(I_в) снимают при номи­нальной скорости вращения и разомкнутой внешней цепи.

Скорость вращения двигателя постоянного тока регулируется с помощью сопротивления в цепи возбуждения.

Первый отсчет по приборам делается при разомкнутой цепи возбуждения. В этом случае при I_в =0 в якоре индуцируется ЭДС за счет остаточного магнитного потока.

Затем включается цепь возбуждения, и ток возбуждения по­степенно увеличивается от нуля до I_вн при котором напряжение будет равно 1,1-1,5U_н возбуждения. После этого ток возбуждения уменьшается до нуля. По данным опыта строится характеристика холостого хода (рис. 3.1).

4.Для снятия внешней характеристики генератора необ­ходимо при разомкнутой внешней цепи возбудить генератор до напряжения 1,05 — 1,1 U_H; включить внешнюю цепь генератора (нагрузочный реостат R_нагр) постепенно умень­шая сопротивление реостата, увеличить ток якоря.

При этом обязательно должна быть снята точка при I_я=I_{я max} после которой ток якоря, несмотря на дальней­шее уменьшение сопротивления нагрузочного реостата, бу­дет не увеличиваться, а уменьшаться. Снимать внешнюю характеристику генератора следует до его полного короткого замыкания (нагрузочный реостат полностью выведен). Та­ким образом, первой точкой внешней характеристики будет точка холостого хода (U = U_xx;I_я = 0), а последней – точка короткого замыкания U = 0; I_я – I_{я кз}. (рис. 1.4).

5. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением снимается аналогично п.4. Обмотка возбужде­ния при этом должна быть переключена на независимое воз­буждение специальным тумблером.

6. Для снятия регулировочной характеристики необходи­мо ввести в цепь возбуждения примерно половину реостата возбуждения. Записать соответствующий этому режиму ток возбуждения I_в и напряжение на зажимах генератора U Тумблером S₁ включить внешнюю цепь генератора и с помощью нагрузочного реостата повышать ток I_г. При этом необходимо поддерживать постоянным напряжение на зажимах генератора путем изменения тока возбуждения I_в с помощью реостата R_в.

Рис. 1.5. Регулировочная характеристика генератора

Контрольные вопросы

1. Из каких основных частей состоят машины постоянного тока?

2. Как напряжение на зажимах генератора отличается от его ЭДС?

3. Каково условие самовозбуждения генератора параллельного возбуждения?

4. Почему короткое замыкание шунтового генератора не опасно?

5. Какие три зависимости характеризуют свойства генератора постоянного тока?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Испытание двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Цель работы: ознакомиться с устройством двигателя постоянного тока, определить основные характеристики двигателя постоянного тока.

Программа работы

1.1 Ознакомиться с устройством двигателя постоянного тока, а также со схемой лабораторной установки (рис. 2.1). Записать паспортные данные двигателя, используемых приборов и оборудования.

Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема двигателя постоянного тока

1.2 Пустить двигатель в ход. Включение его в сеть произвести при полностью введенном пусковом реостате, затем постепенно его вывести.

1.3 Снять регулировочную характеристику холостого хода – зависимость скорости вращения от тока возбуждения n₀ = f(I_в). Ток I_в изменять с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения R_в. Данные занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Iв, А
n0, об/мин

1.4 Включить обмотку возбуждения и нагрузку генератора. Измерить величины, необходимые для построения рабочих характеристик двигателя: зависимости от мощности на валу момента M = f(P₂), тока якоря I_я = f(P₂), скорости вращения n = f(P₂), к.п.д. η = f(P₂). Начать измерения от режима холостого хода и постепенно довести ток двигателя до номинального. Данные опыта занести в табл. 2.2.

Таблица 2.2

№ пп	Данные опыта						Результаты расчета
	Uд = Uн, В	Iв = Iн, А	Iя, А	n0, об/мин	Uг, В	Iг, А	P1, Вт	P2, Вт	M, Hм	η, %

1.5 По полученным данным вычислить мощность, подводимую к двигателю от сети P₁; мощность на валу двигателя P₂; вращающий момент на валу двигателя M; коэффициент полезного действия двигателя η. Построить рабочие характеристики двигателя постоянного тока.

1.6 По данным п.5 построить механическую характеристику n = f(M). Сделать выводы о способах регулирования скорости вращения двигателя.

Описание лабораторной установки

Испытание двигателя производится на установке, состоящей из генератора постоянного тока, служащего нагрузкой, и двигателя П 11-М. Питание двигателя осуществляется от сети постоянного тока U = 60 В с помощью пускового автомата АП-50. Токи и напряжение измеряются приборами магнитоэлектрической системы.

Частота вращения ротора измеряется с помощью тахометра с пределом измерения 3000 об/мин. В цепи якоря и в цепи возбуждения двигателя включены соответственно пусковой R_п и регулировочный R_р реостаты. Во внешнюю цепь генератора включен нагрузочный реостат R_н (см. рис. 2.1).

Методические указания

3.1 При подготовке к лабораторной работе необходимо, используя литературу, записать все необходимые для расчетов формулы и нарисовать примерный вид регулировочной, механической и рабочих характеристик двигателя.

3.2 Напряжение, подводимое к двигателю, компенсируется противоэдс. якоря E_я и падением напряжения в цепи якоря U_д = E_я + I_я R_я. В момент пуска E_я = 0 ток якоря определяется входным напряжением и сопротивлением якоря значительно превышает номинальный. Для ограничения пускового тока и обеспечения плавного пуска двигателя в цепь якоря включен пусковой реостат R_п, сопротивление которого в момент пуска должно быть максимальным. По мере увеличения скорости сопротивление реостата постепенно уменьшается до нуля.

Для обеспечения большого пускового момента и, следовательно, быстрого разгона двигателя необходимо, чтобы магнитный поток и, следовательно, ток обмотки возбуждения был максимальным: M = С_м ФI_я. Регулировочный реостат в цепи возбуждения должен быть полностью выведен, т.е. R_р = 0.

Скорость вращения якоря

.

Отсюда следует, что скорость якоря можно регулировать: 1– изменением напряжения, подводимого к якорю; 2 – изменением магнитного потока. Наиболее распространенным является второй способ. В цепь возбуждения включается регулировочный реостат R_р. При уменьшении тока возбуждения ослабляется магнитный поток, и скорость вращения якоря увеличивается, при увеличении тока возбуждения скорость уменьшается (рис. 2.2).

3.3 Регулировочная характеристика двигателя параллельного возбуждения при холостом ходе представляет собой зависимость скорости вращения якоря от тока возбуждения при номинальном напряжении на зажимах двигателя. Для снятия регулировочной характеристики при отключенной нагрузке постепенно вводят регулировочный реостат R_р, уменьшая ток возбуждения I_в. Для построения зависимости n = f(I_в) следует получить 4 ÷ 5 точек кривой (рис. 2.2).

Рис.2.2. Регулировочная характеристика ДПТ

3.4 При снятии рабочих характеристик в начале опыта устанавливается такой ток возбуждения I_вн, чтобы при номинальном напряжении U_н и номинальном токе I_н получить номинальную частоту вращения (n = 3000 об/мин).

Рис. 2.3. Рабочие характеристики ДПТ

Рис. 2.4. Механическая характеристика ДПТ

Во время опыта ток возбуждения и напряжение на зажимах двигателя поддерживаются постоянными. Первый отсчет по приборам делается при холостом ходе, затем двигатель постепенно доводится до номинального режима при помощи нагрузочного реостата генератора.

3.5 Для построения рабочих характеристик необходимо произвести следующие расчеты:

мощность, подводимая к двигателю от сети, Вт,

P₁ = U_дI_д ,

где I_д = I_я + I_в;

мощность на валу двигателя P₂ = ,

к.п.д. генератора принять η_г = 87%;

вращающий момент на валу двигателя, Нм,

M = ,

где ω – угловая частота вращения якоря, ω = рад/сек;

к.п.д. двигателя η =

Контрольные вопросы

1. Почему при подаче напряжения на обмотки якоря и обмотку возбуждения двигателя якорь начинает вращаться?

2. Чем отличается уравнение равновесия ЭДС двигателя от уравнения равновесия ЭДС генератора?

3. В каком положении должны быть реостаты в цепи якоря и в цепи возбуждения двигателя при пуске?

4. Почему пусковой ток двигателя при отсутствии пускового реостата значительно превышает номинальный ток?

5. От чего зависит скорость вращения двигателя и как ее можно регулировать?

6. Что представляют собой рабочие характеристики двигателя?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование схем управления электродвигателем постоянного тока с применением бесконтактных элементов.

Цель работы: ознакомиться с принципами электрических схем управления электродвигателями с помощью магнитного усилителя и тиристора. Приобрести практические навыки в сборке и наладке схем управления.

Программа работы

1. Ознакомиться и изучить лабораторный стенд.

2. Собрать схему управления электродвигателем постоянного тока с помощью магнитного усилителя (рис.3. 1). Построить регулировочную характеристику.

3. Собрать схему бесконтактного управления электродвигателем постоянного тока тиристором. (рис3.. 2). Построить регулировочную характеристику.

4. Составить отчет по лабораторной работе.

Методические указания

1. Бесконтактное управление электроприводом с помощью магнитного усилителя.

На рис. 3.1 изображена схема управления электродвигателем СЛ 661 постоянного тока независимого возбуждения с помощью магнитного усилителя.

Рис3.1. Схема управления двигателем с помощью магнитного усилителя

В цепь якоря включен диод Д 245, осуществляющий однополупериодное выпрямление переменного тока. При номинальном напряжении питания U_ном=110 В в цепь якоря необходимо подать 165 В. Так как напряжение сети 220 В, то питание цепи якоря осуществляется через трансформатор Т. Первичное напряжение трансформатора U₁=220 В. Вторичное напряжение U₂=165 В.

Для управления током в цепи якоря последовательно с первичной обмоткой трансформатора включена рабочая обмотка W_p магнитного усилителя МУ.

Управляющий сигнал на обмотку управления W_y магнитного усилителя подается от потенциометра R_п через выпрямитель Д1 – Д4 и резистор R, который ограничивает ток управления I_y до значения, не превышающего допустимого.

Обмотка возбуждения двигателя W_воз. питается от сети постоянного тока с напряжением U_воз. Подключается напряжение U_воз. с помощью рубильника S2. при крайнем верхнем положении движка потенциометра R_п напряжение управления U_y=0 и рабочая обмотка усилителя имеет максимальное полное сопротивление переменному току. В этом случае ток цепи якоря небольшой и якорь двигателя неподвижен. При увеличении сигнала U_y (движок потенциометра R_п смещается вниз) в обмотке W_y усилителя появляется ток I_y, магнитопровод магнитного усилителя насыщается, полное сопротивление переменному току падает, и ток якоря I_я растет. Якорь двигателя начинает вращаться, при этом с ростом I_y растет частота вращения якоря двигателя.

Параметры элементов электропривода выбирают в зависимости от номинальных параметров двигателя. Например, для двигателя СЛ 661 с Р_ном.=230 Вт, U_но.м=110 В, I_ном.=2,9 А, n_ном.=2700 об/мин, трансформатор имеет U₁/U₂ = 220/165 B, диод 245 Д.В этом случае можно применить магнитный усилитель УМ – IП – 20 – 40 – 4 – I со следующими параметрами: напряжение рабочей обмотки 220 В, номинальный ток рабочей обмотки 3,5 А, допустимый ток управления 0,415 А, сопротивление обмотки управления 9,34 Ом.

После изучения стенда собирают схему (рис. 3.1) после проверки схемы преподавателем включают рубильники S1, S2; поставив предварительно движок потенциометра R_п в положение, соответствующее I_y=0. увеличивая сигнал управления, смещаем движок потенциометра вниз. Далее увеличивают частоту вращения якоря.

Частоту вращения двигателя измеряют через равные интервалы шкалы потенциометра R_п. Данные эксперимента заносят в табл. 3.1 и строят регулировочную характеристику n=f(N_п), где n – частота вращения двигателя в об/мин., а N_п – номера делений потенциометра R_п.

Таблица 3.1

Nп
n, об/мин.

.

2.Тиристорное управление электродвигателем постоянного тока СЛ 661

Рис.3.2 Тиристорное управление электродвигателем постоянного тока

В схеме (рис3.2) управление током в цепи якоря осуществляется тиристором VS. Силовой трансформатор Т и двигатель можно использовать те же, что и в схеме (рис. 3.1). Диод VD в цепи управления исключает попадание отрицательного потенциала на управляющий электрод тиристора. В схеме можно применять тиристоры типа КУ202К, резисторы типа ППБ – 3D сопротивлением 4,7 кОм и конденсатор типа ПБГО емкостью в 1 мкФ.

Обмотка W_воз. электродвигателя включается в сеть постоянного тока на напряжение U_воз. значение тока через тиристор VS регулируют по принципу фазового управления тиристора. С этой целью в схеме применяется фазосдвигающая цепочка R₁C. R_{1 –} резистор переменного сопротивления. Величина управляющего сигнала W_y и его фазовый сдвиг относительно переменного напряжения U₁. При полностью введенном сопротивлении R₁ значительная часть напряжения U₂ падает на резисторе R₁, так что напряжение на конденсаторе С, равное U_c=U_y, оказывается недостаточным для отпирания тиристора.

С уменьшением R₁напряжение U_c=U_y возрастает и достигает значения, достаточного для отпирания тиристора VS при положительной полуволне напряжения U₂. Однако управляющее напряжение U_y оказывается сдвинутым по фазе относительно U₂, так что отпирание тиристора происходит в конце положительной полуволны напряжения U₂. поэтому действующее значение тока I_я в цепи якоря невелико и якорь вращается с небольшой частотой.

При дальнейшем уменьшении R₁ фаза напряжения U_y меняется таким образом, что отпирание тиристора VS происходит в более ранний момент времени , при этом действующее значение тока I_я увеличивается. Это приводит к увеличению электромагнитного момента, следовательно, и частоты вращения двигателя.

Изучив лабораторный стенд и назначение всех его элементов, собирают схему рис. 3.2. После проверки преподавателем схемы включают рубильники S_{1 ,} S₂ и ,плавно поворачивая ручку резистора R₁, увеличивают частоту вращения электродвигателя. Отмечают частоту вращения примерно через равные промежутки на шкале резистора R_1. Данные опыта заносят в табл. 3.2

Таблица 3.2.

N, дел.
n, об/мин.

.

По данным опыта строят регулировочную характеристику электродвигателя n=f(N), представляющую собой зависимость частоты вращения n об/мин от числа делений N на шкале переменного резистора R₁.

Сравнив регулировочные характеристики электроприводов с магнитным усилителем и тиристором, делают вывод о достоинствах и недостатках каждого из них.

Контрольные вопросы

1. Что такое бесконтактное управление электроприводом?

2. Что такое контактное управление электроприводом?

3. На чем основан принцип действия магнитного усилителя?

4. Почему магнитные усилители обычно делают на двух сердечниках?

5. Объясните устройство и принцип действия тиристора?

6. Будет ли работать электропривод по схеме (рис.3.1), если рабочую обмотку магнитного усилителя включить непосредственно в цепь якоря электродвигателя?

7. Изменится ли работа электропривода (см. схему рис.3.2), если конденсатор заменить на резистор, соответствующего сопротивления?

8. Каким образом можно уменьшить пульсации тока в цепи якоря электродвигателя в рассматриваемых электроприводах?

Заключение. В результате выполнения работ студент должен знать:

- основные теоретические закономерности пуска и работы машин постоянного тока;

- особенности управления режимами работы машин постоянного тока;

- основные характеристики таких машин;

уметь:

- производить пуск и управление режимов работ машин постоянного тока;

- анализировать и делать выводы по итогам экспериментальных исследований машин постоянного токах

Библиографический список рекомендуемой литературы

1. Хализев Г. П. «Электрический привод.» – М.: Высш.шк., 1977. – 215 с.

2. Розман Я. Б., Брейтер Б. З. «Устройство, наладка и эксплуатация электроприводов металлорежущих станков.» – М.: Машиностроение, 1985. – 208 с.

3. Донский Н. В., Кирилов А. А. и др. «Комплектные системы управления электроприводами тяжелых металлорежущих станков». – М.:Энергия, 1980.

288 с.

4. Кацман М.М. «Электрические машины» - М.: Высш.шк.; 2000. – 607с.

14

3

4

13

5

12

6

11

7

10

8

9