Описание основных элементов установки.

В качестве модели сверхпроводящего индуктора в работе используется четырехполюсная катушка из медного провода.

Основные геометрические размеры исследуемой модели:

Длина прямоугольных частей	lп	0.160 м
Длина вылета лобовых частей	Lл	0.025 м
Наружный радиус обмотки	R2	0.040 м
Внутренний радиус обмотки	R1	0.030 м
Число витков	Wf	3000
Число пар полюсов	p	2
Активное сопротивление	Rf	117 Ом

Схема измерения представлена на рисунке 2. Обмотка питается от генератора синусоидальных колебаний током с частотой 1000 Гц. Индукционный датчик расположен так, что измеряет только радиальную составляющую магнитной индукции.

Измерение индукции магнитного поля в настоящей работе производится индукционным методом. Для этой цели изготовлена плоская прямоугольная катушка. Измеряя ЭДС, наводимую переменным током обмотки возбуждения в измерительной катушке, можно найти азимутальные и радиальные составляющие индукции B магнитного поля в этой точке как:

, (5.5)

где – ЭДС, наводимая в датчике, В;

f – частота переменного магнитного поля, Гц;

=1000, =4мм² - число витков и эквивалентная площадь катушки датчика;

- чувствительность датчика, В/Тл

Частотная зависимость представлена на рисунке 5.3.

Крепление исследуемой катушки позволяет вращать её вокруг своей оси, а индукционный датчик может перемещаться как вдоль оси, так и вдоль радиуса обмотки. Таким образом, обеспечивается возможность измерения магнитного поля в любой точке окружающего пространства. Магнитное поле исследуемой катушки экранируется медным цилиндром толщиной 1мм.

Рисунок 5.2 Схема измерения магнитного поля.

Рисунок 5.3 Зависимость коэффициента чувствительности датчика от частоты

Методические указания

1. Собирается схема измерений в соответствии с рисунком 5.2.

2. Подготовка к работе генератора синусоидальных сигналов Г3-33.

Ручки и переключатели установить в следующие положения:

1. Шкала прибора - х2

2. Пределы шкал – 3 , 10 , 30 , +30

3. Выходное сопротивление – 600 Ом. Внутренняя нагрузка – «выкл.»

4. Частота – 100

5. Множитель – х10

Включить приборы в сеть. После прогрева (~5 мин) подключить к генератору через миллиамперметр индуктор и ручкой генератора «Рег. выхода» установить ток 40 мА.

3. Установить индукционный датчик поля на поверхности индуктора в центре полюса с зазором ~0,5 мм. По шкале, фиксирующий перемещение датчика в радиальном направлении, определить это положение и записать значение начального положения. Поворачивая индуктор вокруг своей оси в диапазоне 0^˚…180^˚ с интервалом 10^˚ измерить ЭДС датчика в каждой точке. По полученным данным, используя (5.5), построить зависимость радиальной составляющей индукции магнитного поля от углового положения ротора B_r(φ).

4. Установить датчик поля на поверхности индуктора в центре полюса. Удаляя датчик в радиальном направлении с шагом 5 мм произвести измерения ЭДС датчика в каждой точке. Построить зависимость радиальной составляющей индукции магнитного поля, характеризующую затухание поля вдоль радиуса В_r(r).

5. Установить датчик поля на поверхности индуктора в центре полюса. Перемещая датчик вниз вдоль оси Z индуктора, снимаются показания вольтметра через каждые 10 мм с начала в одну, затем в другую сторону. Выявить экстремумы поля в зоне лобовых частей полюса. По полученным данным строится зависимость, характеризующая изменение радиальной составляющей индукции магнитного поля вдоль оси индуктора В_r(Z).

6. Отвести датчик от индуктора и надеть на него экранирующий медный цилиндр. Подвести датчик к экранирующей оболочке (в середине индуктора) и измерить ЭДС датчика на частотах 1200, 1000, 500, 250 Гц при неизменной величине тока индуктора 40мА. Снять экран с индуктора и, не меняя положения датчика снова измерить ЭДС датчика при том же токе индуктора. По полученным данным определяется зависимость коэффициента экранирования от частоты К_э(f).

7. На частоте 500 Гц измерить напряжение на клеммах питающего генератора и ток, протекающий через индуктор. По полученным данным рассчитать индуктивность обмотки, используя выражение:

Работа 6. Электромеханический накопитель энергии

Задание

1. Ознакомиться с моделью электромеханического накопителя энергии и измерительными приборами.

2. Построить временные зависимости потребляемой мощности фазных напряжения и тока, угловой скорости и коэффициента мощности при разгоне махов

3. Определить КПД накопителя при заряде.

4. Построить временную зависимость угловой скорости при свободном выбеге ротора.

5. Оценить коэффициент трения в подшипниках маховика.

Теоретическая часть

Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется устройство для запасания и хранения механической энергии с последующим её преобразованием и отдачей в форме электрической энергии для дальнейшего использования. ЭМН представляет собой конструктивно объединенные в одной установке механический инерционный накопитель - маховик, раскручиваемый пружиной, турбиной или электромотором, и электрический генератор постоянного или переменного ток Такие устройства можно рассматривать как усилители электрической мощности. За значительное время разгона маховика t_з (время заряда накопителя) электромотор потребляет относительно небольшую усредненную мощность P_з. В режиме разряда генератор отдает усредненную мощность P_з за время t_р<<t_з.

В зависимости от значений t_р могут иметь место две основные разновидности разрядного режима:

-относительно длительное (t_р~1..10c) динамическое торможение ротора электромагнитными силами в активной зоне генератора;

-кратковременный пиковый режим ударного разряда (t_р~~10^-3 ...10^-2 с), также сопровождающийся торможением ротора.

В обоих случаях, с учетом потерь трение агрегата, а также электрических и магнитных потерь в генераторе, в электроэнергию преобразуется часть запасенной маховиком кинетической энергии, которая составляет величину

W=J(₁²-₂² )/2, (6.1)

где J -суммарный момент инерции маховика и ротора генератора,

₁ и ₂ -начальное и конечное значения угловой скорости вращения.

Одним из важных параметров, характеризующих ЭМН, является время разгона ротора t_з, определяющее быстродействие процесса заряда установки.

Аналитически эта величина может быть найдена из уравнения движения

J*(dΩ /dt)=M_э-М_тр, (6.2)

где М_тр - момент сопротивления, определяемый силами трения в подшипниках и трения вращающихся частей ЭМН о воздух;

М_э - электромагнитный момент, развиваемый приводным двигателем.

Если привод осуществляется от асинхронного двигателя (АД) малой мощности, то зависимость М_э от скольжения s может быть представлена упрощенной формулой (Клосса)

М_э=2М_m/(s_m^-1s+s_ms^-1) (6.3)

M_m и s_m -соответственно максимальное значение М_э и критическое скольжение.

С учетом того, что  = (1-s)₀ (₀=2πf/p -частота вращения магнитного поля статора) после подстановки (3) в (2) и пренебрегая М_тр, разделив переменные и проинтегрировав, получим выражение для времени заряда t_з ЭМН

где s_з-скольжение ротора в момент окончания заряда.

Типичная зависимость момента от скольжения для асинхронных двигателей представлена на рисунке 6.1 и обозначена цифрой 1. Однако, для гиродвигателей,

Рисунок 6.1

обладающих большим моментом инерции ротора, максимальный электромагнитный момент должен соответствовать пусковому режиму (кривая 2), что обеспечивается соответствующим выбором активного сопротивления обмоток ротора. Поэтому для гиромотора М_м=М_пуск при s_m=1. Т-образная схема замещения АД для фазы статора и ротора приведена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 Т-образная схема замещения асинхронного двигателя,

где

X₁, R₁ - индуктивное и активное сопротивление фазы статора;

X_ и R_ - параметры контура намагничивания;

X₂', R₂' –индуктивное и активное сопротивления фазы ротора; приведенные к обмотке статора;

s – скольжение.

При разгоне ротора ЭМН от АД затрачивается энергия

где U_ф, I_ф -соответственно напряжение и ток фазы обмотки статора

m-число фаз; φ-угол между векторами тока и напряжения,

P - мощность, затраченная при заряде ЭМН;

W_к - кинетическая энергия, запасенная ротором

W_тр - энергия ,затраченная на преодоление сил трения;

W_эл - энергия электрических потерь в обмотках АД и проводах;

W_магн -энергия магнитных потерь на вихревые токи и гистерезис.

При динамическом торможении ЭМН в нагрузку поступает полезная электрическая энергия

,

где P_н-мощность, выделяемая в нагрузке.

Описание лабораторной установки.

Исследуемая модель ЭМН выполнена на базе асинхронного гиромотора ГМ-4, имеющего следующие паспортные данные:

-линейное напряжение питания 36В

-частота тока фазы 400Гц

-момент инерции ротора 1,3 10^-4 кг м²

-кинетический момент 0,3 кг м² /с

-масса 0,4 кг

-габариты ротора внеш*h=50*32 мм

-размеры статора внеш*h=29,8*11 мм

-воздушный зазор 0,1 мм

-провод ПЭВ-2  0,27 мм

-число витков катушки 45

шаг намотки по пазам 1-6

-число пар полюсов 1

-число катушек в фазе 4

-обмотка 2-х слойная, петлевая, распределенная

-пусковой ток 0,7 А

-пусковой момент 2,8 10^-3 Н м

- номинальный ток 0,225 А

-время разгона 150 с

-время выбега 7 мин

-номинальная частота вращения ротора 21500 мин^-1

-потребляемая мощность 8Вт

В режиме заряда через выключатель SА1 (рисунок 6.3) переменное напряжение 208/115 В частотой 400 Гц подается на первичные обмотки w1 трансформатора Т1. К вторичным обмоткам подключен через измерительный комплекс К505 и разъем X1 гиромотор, имеющий внешнее расположение ротора по отношению к статору и моделирующий ЭМН. Происходит разгон ротора до номинальной частоты вращения и запасание в нем кинетической энергии.

Комплект К505 позволяет измерять фазные напряжения, токи и активные мощности, потребляемые при заряде ЭМН и генерируемые им при разряде.

Частота вращения ротора "n" измеряется с помощью измерительной катушки, сигнал в которой наводится постоянным магнитом, расположенном на роторе. Сигнал катушки выпрямляется однополупериодным выпрямителем и преобразуется усилителем в прямоугольные импульсы (рисунок 6.4) , частота которых измеряется частотомером. Визуальный контроль за импульсами осуществляется с помощью осциллографа PN1. Затем SА1 выключается и ЭМН находится в режиме хранении энергии.

Для осуществления процесса разряда необходимо тумблер SА1 перевести в положение "нагрузка". Кнопкой SВ1 к обмоткам АД подключается батарея конденсаторов C1...C3, обеспечивающая возбуждение асинхронного генератора.

Рисунок 6.4 Форма сигнала в измерительной катушке и на выходе усилителя

В режиме разряда трансформатор Т1 работает как повышающий, и к его обмоткам w1 подключен 3-х фазный и двухполупериодный выпрямитель, выполненный на диодах VD1...VD6. Выпрямленное напряжение обеспечивает заряд емкостного накопителя С4 и конденсатора С5 в цепи управления нагрузкой - импульсной лампой ЕL типа ИФК-20, представляющей из себя стеклянный баллон, наполненный инертным газом – ксеноном, и имеющей три электрода: положительный, отрицательный и поджигающий. Паспортные данные импульсной лампы следующие:

-номинальная энергия вспышки 20 Дж

-номинальное напряжение на питающем конденсаторе 130  10В

-номинальная емкость конденсатора 2700  300 мкФ

-минимальное напряжение зажигания 100 В

-напряжение самопробоя 700 В

-интервал между импульсами 10с

-длительность вспышки 0,0002 с

-фактор нагрузки СU⁴ (мкФ кВ⁴) 1

Емкость питающего конденсатора и напряжение, до которого он заряжается, могут отличаться от номинальных, но при этом должно выполнятся условие, удовлетворяющее фактору нагрузки. В данном лабораторном стенде использован в качестве питающего, электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ с максимальным напряжением заряда 300 В. Готовность к разряду указывается индикаторной лампой HL. При ее загорании кнопка SB1 может быть отпущена. При нажатии кнопки SВ3 происходит разряд конденсатора С5 на первичную обмотку импульсного трансформатора Т2, развивающего на вторичной обмотке напряжение в несколько киловольт. Это напряжение приложено к поджигающему электроду лампы EL, что обеспечивает возникновение разряда. Таким образом, лампа ЕL сочетает в себе функции нагрузки и разрядного устройства. Конденсатор С4 необходим для быстрой отдачи энергии в нагрузку, так как характерное время вывода энергии из ЭМН находится в диапазоне 10^-2...10с, а длительность светового импульса лампы составляет всего 2 10^-4 с. Величина напряжения, до которого заряжается конденсатор С4 измеряется цифровым вольтметром PV2. Токи и напряжения при заряде и разряде С4 определяются с помощью запоминающего осциллографа PN2.