МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова

В.М. Овсянников

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з курсу

«Електрообладнання енергетичних та холодильних установок»

Частина 1. Електромеханічні властивості електродвигунів

Миколаїв 2012

Овсянников В.М. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з

курсу «Електрообладнання енергетичних та холодильних установок».

Частина 1. Електромеханічні властивості електродвигунів – Миколаїв: НУК, 2012. – 88 с.

Методичні вказівки до лабораторних робіт розроблені для студентів спеціальності 8.090520 «Холодильні машини та установки». Спрямовані на закріплення знань, отриманих студентами в процесі вивчення лекційного курсу по дисципліні «Електрообладнання енергетичних та холодильних установок», містять рекомендації щодо виконання лабораторних робіт, передбачених робочою програмою курсу.

У зміст матеріалу вказівок включено загальні теоретичні відомості про елементи суднових енергетичних і холодильних установок, порядок виконання лабораторних робіт, рекомендації щодо проведення теоретичних розрахунків та оформлення звіту.

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ І ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ

ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Методичні вказівки призначені для надання студентам допомоги при

виконанні, розрахунку й оформленні лабораторних робіт з дисципліни

«Електрообладнання енергетичних та холодильних установок», призначені для більш поглибленого засвоєння матеріалу курсу. Основна задача полягає в експериментальному підтвердженні теоретичних викладень.

Перед початком виконання лабораторних робіт кожний студент обов’язково проходить інструктаж з техніки безпеки, про що розписуються в журналі, знайомиться з лабораторією, з комплексом її електроустаткування.

Для того, щоб студент зміг виконати роботу в повному обсязі, він повинен вивчити відповідний теоретичний матеріал, мати повну ясність по устаткуванню, що буде необхідно для зняття потрібних характеристик. До виконання лабораторних робіт повинні бути підготовлені таблиці, у які заносяться дані експериментів і зроблені при необхідності відповідні розрахунки.

Перед проведенням лабораторної роботи викладач перевіряє готовність студента до майбутньої роботи і наявності в нього необхідного для виконання роботи матеріалу.

Студенти, що з'явилися на заняття непідготовленими і не виконали теоретичні розрахунки, до лабораторної роботи не допускаються.

При виконанні лабораторних робіт необхідно бути гранично уважним, ні в якому разі не робити підключення приладів, коли установка знаходиться під напругою живлення.

По кожній лабораторній роботі студент оформляє звіт згідно вимог, при цьому обов’язково необхідно дати пояснення порівняння теоретичних і експериментальних даних. При наявності розходжень повинно бути дано аналіз причин розбіжності результатів експерименту з теоретичними розрахунками.

В кінці звіту по лабораторній роботі необхідно дати перелік літературних джерел, якими студент користувався.

Звіт по роботі повинний бути оформлений відповідно до вимог діючих ДСТУ .

На наступне заняття кожен студент повинний представити викладачу звіт по лабораторній роботі.

Студенти, які не здали звіт по лабораторній роботі чи з'явилися на заняття не підготовлені, до виконання наступної роботи не допускаються.

Студенти, які виконали всі роботи і захистили звіти отримують залік.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

ЕлектромеханичнІ властивостІ електрОдвигуна постійного струму незалежного збудження

Мета роботи: експериментальне отримання електромеханічних характеристик двигуна постійного струму незалежного збудження та розрахунок механічних характеристик двигуна по експериментальних даних.

1. Основні теоретичні положення

Електромеханічні властивості двигунів у статичних режимах роботи визначаються їх електромеханічними і механічними характеристиками.

Електромеханічною називається характеристика, що виражає залежність швидкості двигуна від споживаного ним струму . Аналітичний вигляд характеристики відображується рівнянням (1):

.

(1)

де U - напруга живильної мережі, В; I_я – струм кола якоря, А; R_яΣ = R_я + R_дод - загальний опір кола якоря, Ом; R_я – внутрішній (власний) опір кола якоря, Ом; R_дод – опір додаткових резисторів, що вмикаються в коло якоря, Ом; Ф – магнітний потік полюсів, Вб; ω – кутова швидкість двигуна, рад/с; - конструктивний коефіцієнт двигуна.

Якщо скористатися відомим для двигунів постійного струму співвідношенням (2) між електромагнітним моментом двигуна М і струмом якоря I_я

,

(2)

то одержимо рівняння механічної характеристики ω = f (M)

(3)

Для двигунів незалежного та паралельного збудження магнітний потік практично не залежить від струму якоря і механічна та електромеханічна характеристики уявляють собою лінійні спадаючі функції. Теоретично вони можуть бути побудовані по двох точках. Нахил характеристик визначається величинами та , які називаються крутизною. Характерними є точки ідеального холостого ходу (при I_я = 0 і М = 0) та короткого замикання (при ω = 0). Швидкість ідеального холостого ходу визначається як , а струм та момент короткого замикання відповідно як

I_к.з = U / R_яΣ та М_к.з = kФI_к.з = kФU / R_яΣ.

Враховуючи, що струм і момент короткого замикання можуть значно перевищувати їх номінальні значення, для розрахунку та побудови характеристик краще використовувати точку, що відповідає номінальному навантаженню (I_я = I_ном ; М= М_ном).

Якщо двигун працює з незмінним магнітним потоком, рівним номінальному значенню Ф_ном, то коефіцієнт kФ_ном = c для розрахунку електромеханічних та механічних характеристик можна визначити з рівняння електромеханічної характеристики, записаного для номінального режиму роботи двигуна, розв’язавши його відносно kФ_ном:

.

(4)

Номінальна кутова швидкість _ном знаходиться по зазначеній у довіднику чи паспорті частоті обертання n_ном з відомої формули (5)

.

(5)

Якщо внутрішній опір якірного кола R_я не приведено у паспорті, його можна орієнтовно визначити по формулі

(6)

Електромеханічні і механічні характеристики поділяються на природні і штучні.

Природні знімаються при відсутності додаткових опорів в схемі підключення двигуна та номінальних параметрах живлення. Кожен двигун має лише одну природну характеристику.

Штучні характеристики одержують, змінюючи схему підключення двигуна та параметри живлення, в тому числі вводячи додаткові опори.

При зміні опору кола якоря R_яΣ, що можливо здійснити лише за рахунок введення додаткових опорів чи виведення раніше введених, швидкість ідеального холостого ходу не змінюється, а крутизна характеристик змінюється пропорційно опору R_яΣ (прямі 2 і 3 на рис. 1.1). Всі реостатні характеристики проходять через точку ідеального холостого ходу і мають крутизну більшу, ніж у природної характеристики, оскільки завжди R_я ≤ R_яΣ.

З міна напруги живлення U призводить до зміни швидкості ідеального холостого ходу ω₀ пропорційно напрузі, а крутизна характеристик β_к не змінюється. Таким чином, штучні характеристики будуть уявляти собою прямі, паралельні природній характеристиці (пряма 4 на рис. 1.1).

При зміні магнітного потоку змінюються як ω₀, так і β_к (пряма 5 на рис. 1.1). Оскільки двигуни, як правило, розраховані на роботу в номінальному режимі з насиченою магнітною системою, то магнітний потік Ф можна лише зменшувати по відношенню до номінального, чого досягають введенням додаткових опорів у коло обмотки збудження двигуна. Ослаблення магнітного потоку призводить до збільшення ω₀, та β_к і механічна характеристика при деякому значенні моменту М_кр, яке називають критичним, перетинається з природною. При значеннях моменту навантаження менших М_кр зменшення потоку викликає збільшення швидкості двигуна, при значеннях моменту більших М_кр зі зменшенням потоку швидкість двигуна зменшується. Це явище в практиці зветься "перекидання регулювання". Критичний момент М_кр при якому відбувається "перекидання", можна визначити з рівняння

,

(7)

де М_к.з - момент короткого замикання двигуна; - ступінь ослаблення потоку.

Примусове переведення двигуна з однієї механічної характеристики на іншу за рахунок змін параметрів живлення чи схеми включення при незмінній характеристиці навантаження уявляє собою регулювання швидкості. Змінюючи один з параметрів: опір кола якоря R_яΣ, напругу живлення U або магнітний потік Ф при незмінних інших, одержимо три основних способи регулювання швидкості двигунів постійного струму.

Для здобуття невеликих швидкостей на досить жорстких механічних характеристиках часто застосовують шунтування якоря опором R_ш з одночасним введенням у його коло додаткового послідовного опору R_дод. При номінальному магнітному потоці та номінальній напрузі живлення електромеханічна і механічна характеристики в цьому режимі описуються рівняннями:

;

(8)

.

(9)

При незмінному значенні опору шунтування (R_ш = const) і зміні послідовного опору (R_дод = var) характеристики лежатимуть між природною характеристикою, коли R_дод = 0, і характеристикою режиму динамічного гальмування з заданим шунтувальним опором R_ш, коли R_дод = ∞, та проходитимуть через точку їх перетину. З ростом R_дод буде знижуватись швидкість ідеального холостого ходу та ростиме крутизна характеристики (характеристики 6 та 7 на рис.1.1).

У залежності від умов роботи виконавчого механізму електродвигун може працювати як у рушійному режимі, коли створюваний ним момент направлений у напрямі руху (є рушійним), так і в режимах електричного гальмування, коли двигун працює як генератор і його момент направлений проти руху. Існує три гальмівних режими двигуна: рекуперативне гальмування; динамічне гальмування; гальмування проти вмиканням.

Двигун працюватиме у режимі рекуперативного гальмування, якщо його швидкість ω перевищуватиме швидкість ідеального холостого ходу ω₀ для характеристики, на якій він працює. При цьому ЕРС якоря стане більшою, ніж прикладена до нього напруга, і струм потече у зворотному напрямку (відбуватиметься віддача енергії в мережу)

.

(9)

Відповідно до рівняння (9) момент також змінить свій знак (М < 0) і буде гальмівним.

Статичні характеристики режиму рекуперативного гальмування (прямі 1' та 4' на рис.1.1) є продовженням характеристик рушійного режиму в ІІ квадранті і описуються тими ж рівняннями (1) і (3).

Динамічне гальмування двигуна постійного струму одержимо, якщо якір двигуна відключити від мережі (U = 0) та замкнути на гальмівний опір R_ш, а обмотку збудження залишити підключеною до мережі. При цьому в обмотці якоря, що обертається по інерції або під дією зовнішніх сил у магнітному полі полюсів, буде наводитися ЕРС Е , яка у гальмівному контурі створить струм

,

(10)

який буде протилежним по відношенню до струму у рушійному режимі і при взаємодії з магнітним полем створюватиме гальмівний момент. Двигун буде працювати як генератор, навантаженням якого буде опір R_яΣ = R_я + R_ш.

Оскільки якір двигуна відключено від мережі (U = 0), то і рівняння статичних характеристик матимуть вигляд

,	(11)
	(12)

Характеристики будуть розташовуватися в ІІ та IV квадрантах і проходитимуть через початок координат (пряма 8 на рис. 1.1).

Режим гальмування проти вмиканням виникає, коли двигун включено на обертання в одному напрямку, а він під дією зовнішніх сил чи по інерції обертається в протилежному.

Це можна одержати, наприклад, при зміні полярності напруги на якорі. Тоді струм у колі якоря поміняє свій напрямок

,

(13)

і, взаємодіючи з магнітним полем полюсів, створить гальмівний момент і швидкість буде знижуватись. Якщо момент навантаження є активним і гальмівним і при зниженні швидкості до нуля не накласти механічне гальмо, то двигун перейде в реверсивний рушійний режим і буде розганятись в протилежному напрямку до нового усталеного режиму.

Графіки характеристик гальмування проти вмиканням при цьому розміщуватимуться в ІІ квадранті. Оскільки знаки напруги та ЕРС співпадають, то значення струму і моменту можуть досягати значних величин. Для обмеження струму та моменту при переході в цей режим в коло якоря включають додатковий опір.

Усталений режим гальмування проти включенням можна одержати, якщо при роботі з активним моментом навантаження у коло якоря включити настільки значний опір, що його пусковий момент стане меншим статичного при ω = 0. В цьому випадку робоча точка усталеного режиму (точка перетину характеристик двигуна і навантаження) буде розміщуватись у IV квадранті. Напрямок швидкості зміниться на протилежний. Зміна напрямку обертання з'явиться причиною зміни знака ЕРС Е , і струм у колі якоря тепер буде визначатися виразом

.

(14)

Напрямок струму і моменту не зміниться, але стосовно нового напрямку обертання момент стане гальмівним.

Механічна та електромеханічна характеристики будуть продовженням у IV квадранті характеристик рушійного режиму (пряма 3' на рис. 1.1) і визначаються рівняннями (1) і (3).