Подготовка к работе

Повторить разделы курса «Электрический привод», в которых рассматривается:

а) экспериментальное определение моментов инерции; метод свободного выбега;

б) приведение маховых масс к одной оси;

в) уравнения движения электропривода.

Описание лабораторной установки

Работа выполняется на унифицированном лабораторном стенде «Электропривод». В работе используются широтно-импульсный преобразователь с машиной постоянного тока и автономный инвертор с машиной переменного тока, а также измерительные приборы, входящие в состав лабораторного стенда.

Паспортные данные машин постоянного и переменного тока, работающих в режиме двигателя, сведены в табл. 1.1 и 1.2 (предлагается заполнить студентам самостоятельно):

Таблица 1.1

Тип двигателя	Рн, Вт	Uн, В	nн, об/мин	Iя.н., А	Iв.н., А	Rя, Ом	

Таблица 1.2

Тип двигателя	Рн, Вт	Uн, В	nн, об/мин	Iн., А	R1, Ом

Краткие теоретические сведения

В данной работе рассматривается один из методов экспериментального определения общего момента инерции и общего махового момента системы электропривода – метод свободного выбега. Сущность этого метода состоит в следующем. Исследуемый агрегат, включающий в себя двигатель и механически соединённые с ним элементы, разгоняется до некоторой установившейся скорости вращения в режиме х.х. После этого двигатель отключают от сети, и наступает процесс свободного выбега, обусловленный запасенной кинетической энергией. Постепенно замедляясь из–за действия тормозящих сил, обусловленных потерями вращения, двигатель останавливается.

Известно, что кинетическая энергия А, запасённая во вращающихся частях агрегата

, Дж, (1)

где J_общ – общий момент инерции агрегата (механизма), кг·м²; ₀ – угловая скорость вращения идеального х.х. двигателя рад/сек.

С другой стороны, эта энергия может быть определена как произведение мощности, затраченной на приведение во вращение агрегата в режиме х.х. P_вр.0 на время свободного выбега t₀:

Дж. (2)

Приравняв (1) и (2), получим выражение общего момента инерции

кг·м². (3)

В теории электропривода часто оперируют не моментами инерции J, а маховыми моментами, обозначаемыми GD².

По полученному значению момента инерции определяют маховый момент

Н·м², (4)

где G – вес вращающихся масс, Н; g = 9,8 Н/кг – ускорение силы тяжести.

Значения P_вр0 и t₀ определяют экспериментально из опыта х.х. и опыта свободного выбега.

По опыту холостого хода и паспортным данным двигателя определяют мощность P_вр0, равную сумме магнитных и механических потерь см. [5]

Вт, (5)

где Р₀ = U·I₀ – мощность холостого хода, (мощность, подведенная из сети к двигателю, работающему в режиме холостого хода), U – напряжение на зажимах двигателя, I₀ – ток якоря при холостом ходе привода, Р_э0 = I₀²·R_я, суммарные потери в обмотке якоря, R_я – сопротивление обмотки якоря, добавочных полюсов и компенсационной обмотки.

Изложенный метод определения момента инерции применяется для двигателей постоянного тока с параллельным (независимым) возбуждением.

Для нахождения ₀ необходимо воспользоваться уравнением электрического равновесия для цепи якоря

.

Отсюда найти kФ и ₀.

Для асинхронных двигателей, в частности двигателя с короткозамкнутым ротором, определение момента инерции производится по касательной, проводимой в начальной точке А (рис. 1.1) к кривой n = f (t). Этот метод является приближенным.

По кривой выбега определяют t_подк. Для этого проводят касательную к кривой выбега в точке ω₀. Пересечение касательной с осью времени t даст t_подк.

Рис. 1.1 Зависимость n = f(t) Рис. 1.2 Зависимость Р_{ст мех} = f(U_л²)

Основное уравнение движения электропривода имеет следующий вид

Н·м, (6)

где М – электромагнитный момент двигателя; М_с – момент сопротивления; J – суммарный момент инерции.

В случае самоторможения М = 0, а М_с является общим моментом сопротивления механизма и момента потерь вращения привода, тогда выражение (6) для момента инерции J примет вид

кг·м², (7)

где t_подк – величина подкасательной к графику зависимости n = f (t).

Величина момента сопротивления М_с определяется по формуле

Н·м, (8)

где Р_мех – механические потери вращения привода, Вт.

Для асинхронных машин механические потери находятся из уравнения для определения подведенной к двигателю мощности в режиме холостого хода Р₀, которая в свою очередь состоит из электрических потерь в обмотке статора, механических потерь и потерь в стали магнитопровода статора.

Р₀ = Р_э0 + Р_мех + Р_ст, Вт. (9)

Электрические потери в обмотке статора определяются по формуле

Р_э0 = m₁ (I₁₀)² R₁, Вт, (10)

где m₁ – число фаз обмотки статора; I₁₀ – фазный ток обмотки статора в режиме холостого хода; R₁ – сопротивление фазы обмотки статора.

Потери холостого хода можно определить, воспользовавшись формулой для определения коэффициента мощности для режима холостого хода

, (11)

где cosφ₀ = 0,2 – для режима холостого хода для двигателя MTF–011–6.

Суммарные потери в стали статора и механические потери вращения находят следующим образом:

Р_{ст мех} = Р_мех + Р_ст = Р₀ – Р_э0, Вт . (12)

Для того чтобы найти Р_мех, необходимо отделить от Р_{ст мех} потери в стали статора. Это достигается построением зависимости Р_{ст мех} = f(U_л²) (рис. 1.2) по нескольким точкам. Экстраполируя кривую до пересечения с осью ординат U_л = 0, получают значение потерь Р_мех.

Разделение магнитных и механических потерь основано на том, что при неизменной частоте сети скорость вращения ротора в режиме х.х. ω₀, а, следовательно, и механические потери Р_мех неизменны. В тоже время магнитный поток Ф пропорционален ЭДС статора Е₁. Для режима х.х. U₁ ≈ E₁, а поэтому при U₁ = 0 и магнитный поток Ф = 0, а следовательно, и магнитные потери Р_м = 0.

Определив величину механических потерь можно вычислить магнитные потери

Р_м = Р₀ – Р_мех Вт . (13)

Программа работы

1. Ознакомиться с лабораторной установкой и зафиксировать технические данные силовой части электропривода.

2. Снять данные для построения кривой свободного выбега ω = f (t).

3. Рассчитать момент инерции и маховый момент агрегата.

4. Обработать экспериментальные данные и оформить отчет о работе.

Порядок выполнения работы

1 Опыт холостого хода и свободного выбега для двигателя постоянного тока независимого возбуждения проводят в соответствии со схемой изображённой на рис. 1.3.

ВНИМАНИЕ! – Перед включением автомата питания стенда – тумблеры SA100, SA101, SA200, SA300, SA301, SA302, SA700, SA1 – должны находиться в нижнем положении. ВСЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ – в крайнем левом положении.

1. Собрать схему рис.1.3 для определения момента инерции электромашинного агрегата М1-М2.

2. Автоматическими выключателями подключить стенд к сети.

3. Включить SA300 и по прибору PA1 с помощью резистора R300 для двигателя М1 установить ток возбуждения 400 mA стенд 1 (450 mA – стенд 2).

4. Установить R201 примерно в среднее положение.

5. Включить SA100, SA700.

6. Кнопкой SB704 подключить якорь М1 к ШИП. Записать ошибку прибора PA10, если она есть.

7. Включить SA200 и плавно вращая R201 против или по часовой стрелке установить скорость вращения М1 равной ≈ 90 рад/сек. Измерить ток холостого хода I₀ (показания прибора PA10) и напряжение U₀ (PV10).

8. Для останова двигателя и снятия кривой выбега одновременно нажать кнопку SB703 и кнопку «Пуск» секундомера. Далее, следя за скоростью вращения М1 (прибор ИС1) по возможности равномерно нажать ещё 9 раз кнопку «Пуск» секундомера, занося тем самым значения скорости вращения и времени в память секундомера.

9. Нажать кнопку «Стоп» секундомера и с помощью кнопок прокрутки «» и «» на панели управления секундомером извлечь из памяти значения ω и t. Результаты наблюдений заносят в таблицу 1.3. Нажать кнопку «Сброс».

10. Установить R201 примерно в среднее положение. Кнопкой SB704 подключить якорь М1 к ШИП. Потенциометром R201 изменяют напряжение U на якоре и снимают 5÷8 точек от наибольшей скорости до остановки, записывая измеряемые величины тока якоря I₀ (PA10), напряжение U₀ (PV10) и скорости ω (прибор ИС1) в табл. 1.4. После каждого изменения положения потенциометра R21 необходимо дать время для установления скорости.

11. После остановки двигателя установить R201 примерно в среднее положение, выключить последовательно SA200, SA100, SA300. Разобрать схему.

12. Для определения момента инерции второго машинного агрегата (двигатели М3-М4) кнопкой «Выбор» установить секундомер в режим измерения времени и нажать кнопку «Сброс».

13. Собрать схему рис.1.4 для определения момента инерции электромашинного агрегата М4-М3.

14. Установить резистором R402 частоту инвертора 50 Гц. Нажать кнопку SB700 и плавно увеличивая резистором R401 напряжение инвертора (прибор PV3) разогнать асинхронный двигатель М4 до скорости вращения 80-100 рад/сек..

15. Нажать кнопку SB701 и одновременно нажать «Пуск» секундомера. Далее, следя за скоростью вращения М4 (прибор ИС2), по возможности равномерно нажать кнопку «Пуск» секундомера ещё 9 раз до остановки двигателя, занося при этом значения скорости вращения и времени в память секундомера.

16. Нажать кнопку «Стоп» секундомера и с помощью кнопок прокрутки «» , «» на панели управления секундомером извлечь из памяти снятые значения ω и t. Результаты наблюдений занести в таблицу 1.3.

17. Кнопкой SB700 подключить статор М4 к инвертору. Резистором R401 изменяют напряжение на обмотке статора и снимают 5÷8 точек от наибольшей скорости до остановки, записывая измеряемые величины тока статора I₀ (PA5), напряжение U₀ (PV3) и скорости ω (прибор ИС2) в табл. 1.5.

18. После остановки двигателя установить R401 в крайнее левое положение, выключить SB701. Разобрать схему. Выключить стенд.

2 По формуле (5) вычисляют Р_вр.₀, Р₀, Р_э0, по формулам (1 – 4) вычисляют J_общ, GD², А. Результаты расчетов заносят в табл. 1.4. Для табл. 1.5 данные рассчитываются по формулам (8 – 13).

Таблица 1.3 Кривая выбега

№ п/п	t, сек	ω, рад/с
1
2
···
10

№ п/п	Данные опыта			Расчетные данные
	ω, рад/с	U0, В	I0, А	Р0, Вт	Рэ0, Вт	Pвр0, Вт	А, Дж	Jобщ, кг·м2	GD2, Н·м
1
2
3
4
5
6

Таблица 1.4 Зависимость потерь вращения от скорости

Таблица 1.5 Зависимость потерь вращения от скорости

	Данные опыта			Расчетные данные
№ п/п	ω, рад/с	U, В	I0, А	Р0, Вт	Рэ0, Вт	Рст. мех,Вт	Uл2, В	Рмех, Вт	Мс , Н·м	J, кг·м2
1
2
3
4
5
6

Содержание отчета

Отчет должен содержать: 1) паспортные данные машин и приборов; 2) схемы электрические для проведения опытов; 3) таблицы с опытными и расчетными данными; 4) основные расчетные формулы и расчеты; 5) графики зависимостей ω= f (t); Р_вр.₀ = f (ω),

Р_{ст мех} = f(U_л²); 6) выводы по результатам опытов.

Паспортные данные двигателя постоянного тока:

Стенд №1 Стенд №2

Тип двигателя:

Р_ном = 0,55 кВт R_я = 16,4 Ом Р_ном = 0,55 кВт R_я = 2,2 Ом

U_ном = 220 В  = 67,5% U_ном = 110 В  = 70%

U_в.ном = 220 В n_ном = 1500 об/мин U_в.ном = 220 В n_ном = 3000 об/мин

I_я.ном. = 3,32 А n_макс = 4300 об/мин I_я.ном. = 7,0 А

I_в.н. = 400 мA J_дв = 0,05 кг*м² I_в.н. = 450 мA J_дв = 0,05 кг*м²

Паспортные данные АД ДМТF 011-6:

Р_н = 1,4 кВт I₀ = А Р_н = 1,4 кВт I₀ = А

n_н = 885 об/мин R₁ = 4,55 Ом n_н = 885 об/мин R₁ = 4,55 Ом

I_н = 5,3 А R₂’= 7,3 Ом I_н = 5,3 А R₂’= 7,3 Ом

U_1Ф = 220 В X₁ = 6,2 Ом U_1Ф = 220 В X₁ = 6,2 Ом

 = 0,615 X₂’= 6,1 Ом  = 0,615 X₂’= 6,1 Ом

cos = 0,65 J_дв = 0,021 кг*м² cos = 0,65 J_дв = 0,021 кг*м²

М_к = 39 Н·м m₁ = 3 М_к = 39 Н·м m₁ = 3

М_н = 15,4 Н·м f = 50 Гц М_н = 15,4 Н·м f = 50 Гц

U_2ф = 116В U_2ф = 116В

I_2н = 9,1А I_2н = 9,1А

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой произведения U · I₀ и I₀ · R_я?

2. На какие свойства электропривода влияет величина момента инерции и махового момента?

3. Как выглядит уравнение движения электропривода?

4. Что значит выражение «нагрузить испытуемую машину»? Как нагрузить испытуемый двигатель?

5. На чём основан метод свободного выбега для определения момента инерции системы электропривода?

6. Что такое активный момент

7. Что такое реактивный момент

8. Что представляет собой кривая выбега, и каков порядок снятия данных для её построения?

9. Как изменится время выбега агрегата, если на валу двигателя установить маховик?

Литература

[1], гл.1, §1.2 – 1.4; [3], гл.1; [4], гл.3, §3.8, гл.5, §5.10; [5], гл.29, §29.8.

1. Ключев В.И. Теория электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 2001.–704 с.

2. Москаленко В.В. Электрический привод. – М.: Мастерство. Высшая школа, 2000. – 368 с .

3. Столбов Б.М. Конспект лекций по курсу «Теория электромеханических систем».– Пермь, 2001. – 244 с.

4. Копылов И.П. Электрические машины. Учеб. М. Логос. 2000 г, 607с.

5. Кацман М.М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электроприводу: Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 2000. – 215 с.

Лабораторная работа № 2

Исследование электромеханических и механических характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Цель работы – Приобрести практические навыки в выполнении опытов по снятию данных и построению механических и электромеханических характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения для различных энергетических режимов. Изучение электромеханических и механических характеристик двигателей постоянного тока с независимым возбуждением в двигательном и тормозных режимах при различных способах регулирования скорости.