А. М. Крицштейн

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

Ульяновск 2004

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

А. М. Крицштейн

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Лабораторный практикум для студентов, обучающихся по специальностям

120400 и 120100 (дисциплина «Электротехника и электроника»)

Ульяновск 2004

УДК 621.3(075) ББК 31.21я7 К82

Рецензенты: кафедра «Электромеханика и нетрадицион-ная энергетика» Самарского ГТУ, профессор Ульяновского государственного университета Семушин И. В. Утверждено редакционно-издательским советом универ-ситета в качестве учебного пособия.

Крицштейн А. М.

К82 Электрические машины: Лабораторный практикум / А. М. Крицштейн. – Ульяновск: УлГТУ, 2004. – 73 с.

ISBN 5 – 89146 – 480 – 0 Практикум содержит описание четырех лабораторных работ, методи-ческие советы учащимся по самостоятельной подготовке и проведению работ. Приведены вопросы для самопроверки. Пособие разработано в соответствии с типовой программой курса

«Электротехника и электроника» для студентов, обучающихся по спе-циальностям 120400 и 120100. Подготовлено на кафедре «Электропривод и автоматизация промыш-ленных установок».

УДК 621.3(075) ББК 31.21я7

©Оформление. УлГТУ, 2004

ISBN 5 – 89146 – 480 – 0 ©А. М. Крицштейн, 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........……………………………………………….... 4 1. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ..... 4 1.1. Последовательность изучения исследуемой электрической машины……….…………………………….. 4 1.2. Требования к отчету по выполняемой лабораторной работе и рекомендации по подготовке к очередному занятию………………………………………………….…….. 5 1.3. Требования правил техники безопасности при работе в учебной лаборатории электрических машин…................... 6 1.4. Методические указания по снятию механических характеристик электрических машин экспериментальным путем…………………………….…………………………….. 8 2. ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН..………….….. 14 2.1. Устройство и принцип действия электрических машин…. 14 2.2. Основные типы электрических машин…………………..... 20 2.3. Исследование механических характеристик электродвигателя параллельного возбуждения при различных способах параметрического регулирования угловой скорости……………………………………………. 35 2.4. Исследование механических характеристик электродвигателя последовательного возбуждения при различных способах параметрического регулирования угловой скорости……………………………………………. 43 2.5. Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором при различных способах параметрического регулирования углов скорости………………………………………………. 53 2.6. Испытание механических характеристик электромеханического машинно-вентильного каскада постоянной мощности………………………..……..……… 65 ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........…...…..…...………….………………..... 72 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …….…….……….….. 73

ВВЕДЕНИЕ Выполнение лабораторных работ является важной составной

частью учебного процесса, преследующего цель более глубокого усвоения курса «Электрические машин» и приобретение экспе-риментальных навыков.

Перед началом работы студенты должны изучить технику безопасности работы в лаборатории, порядок подготовки, про-ведения, оформления и сдачи каждой лабораторной работы.

1. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.1. Последовательность изучения исследуемой электрической машины

Исследование электрической машины производится в сле-

дующем порядке: 1. Ознакомление с конструкцией и исполнением электриче-

ской машины. Наружный осмотр машины и в доступных местах внутри.

2. Изучение паспортных данных машины и фиксирование в протоколе ее номинальных данных.

3. Сборка рабочей схемы и пробный пуск. 4. Получение необходимых характеристик. 5. Обработка опытных данных и анализ полученных резуль-

татов. Конструкцию исследуемой машины следует изучать пу-тем внимательного ее осмотра и использования экспозиции де-талей электрических машин, плакатов, имеющихся в лаборато-рии.

Данные о номинальном режиме содержатся в паспорте, вы-полненном в виде металлической пластины, укрепленной на видном месте наружной поверхности корпуса. В паспорте ма-шины постоянного тока указываются следующие номинальные

данные: напряжение Uн, В; ток нагрузки I ян, А; частота вращения nн, об/мин. Содержание паспорта регламентируется стандартом на соответствующий тип электрической машины.

1.2. Требования к отчету по выполняемой лабораторной работе и рекомендации по подготовке к очередному занятию

Составление отчета по выполняемой работе и подготовка к

очередному лабораторному занятию являются соответственно заключительным и предварительным этапами практических за-нятий в лаборатории. Отчет по выполняемой работе составляет-ся и защищается каждым студентом самостоятельно. Отчет дол-жен быть написан аккуратно на стандартных листах писчей бу-маги с указанием номера и наименования работы, даты проведе-ния эксперимента, фамилии, имени, отчества студента, названия факультета и группы. В отчете должна быть приведена цель ра-боты, описание лабораторной установки, последовательность проведения эксперимента.

В отчете должны быть схемы исследований со стандартным обозначением элементов, приборов. Данные измерений и расче-тов необходимо сводить в таблицы, таблицам присваивать по-рядковый номер. Графическое оформление результатов опытов производится написанием на прямоугольную сетку координат опытных точек и соединением их в кривые при помощи лекала. Кривые и графики рекомендуется выполнять на миллиметровой бумаге и вклеивать на соответствующие места отчета. При за-вершении работы над отчетом рекомендуется проверять свои знания и готовность к защите отчета по контрольным вопросам, которые приведены в конце описания каждой лабораторной ра-боты.

Подготовка к работе в лаборатории является непременным условием эффективности этого вида практического занятий. Она должна производиться путем изучения лекционного материала, данного пособия и рекомендованной литературы. Результатом

подготовки должен явиться черновик протокола, содержащий программу работы, рабочие схемы, таблицы для записи опытных данных и расчетные формулы, которые будут необходимы в процессе выполнения работы.

1.3. Требования правил техники безопасности при работе в учебной лаборатории электрических машин

В лаборатории электрических машин объектами исследова-

ния являются электромеханические преобразователи энергии и трансформаторы, обращение с которыми требует определенных знаний не только об их устройстве и принципе действия, но и сведений об условиях безопасности работы с ними. В лаборато-рии приняты меры по охране труда и осуществлены мероприя-тия по технике безопасности. Пренебрежение правилами техни-ки безопасности при учебных занятиях и нарушение правил по-ведения в лаборатории могут привести к возникновению ава-рийных ситуаций, приводящих к травматизму и поражению электрическим током.

При работе в лаборатории электрических машин студентам необходимо соблюдать следующие основные правила:

1. Студент в лаборатории должен быть предельно дисципли-нированным и иметь деловое настроение. Он должен беспреко-словно выполнять все указания преподавателя и дежурного об-служивающего персонала.

2. До начала занятий студенты должны иметь полное пред-ставление о предстоящей работе на основании изучения, как тео-ретического материала, так и соответствующих пособий к лабо-раторным работам.

3. Прежде чем приступить к выполнению лабораторной ра-боты, все члены студенческой бригады должны основательно ознакомиться с оборудованием лабораторной установки и уст-ройством отдельных ее частей.

4. К сборке электрической схемы следует приступить только после разрешения преподавателя, убедившись, что ни одна из частей установки не находится под напряжением.

5. При обнаружении на лабораторном стенде неисправностей запрещается самостоятельно вносить изменения. С целью лик-видации неисправности следует обратиться к лаборанту. Рабо-ты на неисправном стенде категорически запрещены.

6. Включение установки под напряжение разрешается про-изводить только после проверки схемы преподавателем или ла-борантом, которые дают соответствующее устное разрешение.

7. В процессе выполнения лабораторной работы следует ис-ключать возможность соприкосновения с находящимися под напряжением токоведущими участками схемы и с вращающими-ся частями электрических машин.

8. Все необходимые переключения в схемах разрешается производить лишь при полном снятии напряжения со стенда.

9. Если в ходе выполнения работы требуется сделать пере-рыв (для выполнения расчетов, консультации с преподавателем, отдых и т. д.), то напряжение со стенда должно быть полностью снято. Категорически запрещается оставлять без присмотра даже на короткое время лабораторную установку, находящуюся под напряжением.

По окончании работы, в первую очередь, со стенда полно-стью должно быть снято напряжение. После проверки препода-вателем полученных экспериментальных данных схема разби-рается, и рабочее место приводится в порядок.

Нарушение правил техники безопасности, и поведения в ла-боратории рассматривается как серьезное нарушение дисципли-ны, влекущее за собой удаление студента из лаборатории с вы-несением ему дисциплинарного взыскания.

После ознакомления с основными требованиями техники безопасности студенты расписываются в специальном журнале.

1.4. Методические указания по снятию механических характеристик электрических машин экспериментальным

путем

Механической характеристикой электродвигателя называ-ется зависимость скорости вращения ω от электромагнитного момента М электродвигателя.

Электромеханической характеристикой электродвигателя называется зависимость скорости вращения ω в функции тока якоря IЯ электродвигателя (для асинхронных – тока рото-ра I 2).

Снятие указанных характеристик для двигательного режима работы затруднений не вызывает. При этом для каждого устано-вившегося состояния равновесия работы двигателя, при разной нагрузке на валу, которая может быть создана посредством ме-ханических или электрических тормозных устройств, необходи-мо измерить скорость ω и ток IЯ, пересчитать на момент и по полученным данным построить указанные характеристики. Для машин, у которых непосредственно измерение тока затруднено (например, ток ротора асинхронного электродвигателя с корот-козамкнутым ротором), измеряют пропорциональный ему ток нагрузочного устройства, например нагрузочного генератора, а затем, пользуясь известными формулами, пересчитывают его на электромагнитный момент испытуемого электродвигателя.

Сложнее обстоит дело при снятии механических характери-стик для работы двигателя в тормозных режимах (рекуператив-ном, противовключении, динамическом торможении). В этом случае необходимо смоделировать активный (потенциальный) момент нагрузки.

Это можно сделать с помощью нагрузочной машины НМ1, которая отличается по действию от нагрузочного генератора тем, что может создать, в зависимости от ее режима работы, как тормозной, так и движущий моменты на общем валу ИД-НМ1 (рис. 1.4.1).

Режим работы НМ1 регулируется путем изменения ве-личины и полярности проводимого к ее якорю напряжения U, при этом она моделирует или реактивный, или потенциальный момент нагрузки на валу испытуемого двигателя ИД.

Питание НМ1 получает обычно от источника мощности, на-пряжение которого можно регулировать в широких пределах. В лабораторной практике в качестве такого источника использует-ся обычно агрегат постоянной скорости НМ2-АД, состоящий из машины постоянного тока независимого возбуждения НМ2 и асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором АД-гоника. Это устройство называется агрегатом постоянной скорости.

В этом случае для снятия характеристик электродвигателей параллельного и последовательного возбуждения можно изме-рять непосредственно ток якоря Iя ИД, скорость ω.

Для электродвигателей переменного тока, например, асин-хронных с к. з. ротором, удобнее измерять общий ток I силовой цепи НМ1-НМ2 с последующим пересчетом на пропорциональ-ный ему момент НМ1 и затем, путем учета момента потерь холо-стого хода Мхх, на электромагнитный момент ИД. Можно опе-рировать в осях тока I без пересчета его в единицы момента.

Тогда в целом эксперимент сводится к снятию характери-стик ω(I) и ω(I хх), пересчета их в единицы момента, алгебраиче-скому суммированию моментов Мнм1 и Мхх и получению резуль-тирующей зависимости ω(М) механической характеристики ИД. Если пренебречь моментом потерь хх Мхх (т. е. принять I хх=0), то задача упрощается, так как в этом случае I=I я и можно ограничиться снятием зависимости ω(I).

Ниже приводится последовательность операций при снятии механических характеристик в соответствии со схемой рис. 1.4.1.

Схема рис.1.4.1 приводится в исходное состояние. При этом все рубильники, в том числе и Р, должны быть разомкнуты. Пусковой реостат RП должен быть введен в ротор ИД. Потен-циометр Р4 должен находиться в нулевом положении. Затем включением Р1 запускают ИД и подают напряжение на обмотку

Рис. 1.4.1. возбуждения НМ1, которая при разомкнутом Р работает генера-тором в режиме холостого хода. Поверочным вольтметром V убеждаются в наличии напряжения эдс Е1 на якоре НМ1, заме-чают ее величину и полярность. Включением Р2 запускают агрегат постоянной скорости НМ2-АД и установкой R4 в соответствующее положение возбу-ждают НМ2, которая при разомкнутом Р тоже работает генера-тором в режиме холостого хода. С помощью проверочного вольтметра убеждаются в наличии эдс Е2 на якоре НМ2 и уста-новкой R4 в соответствующее положение добиваются равенства и противоположности по знаку Е2 по отношению к Е1. В этом случае, при одноименных зажимах, стрелка вольтметра должна отклониться в ту же сторону, что и при замере Е1.

Далее замыкают рубильник Р и убеждаются, что ток I в си-ловой цепи НМ1-НМ2 отсутствует, то есть нагрузочная машина НМ1 вращается со скоростью идеального холостого хода ω0. Это поясняется выражением

так как здесь Е2 = Е1 и ω = ω0 . (1.4.1)

После этого приступают к снятию характеристики ω(I). Для

этого перемещением движка потенциометра R4 плавно регули-руется ток возбуждения нагрузочной машины НМ2, а следова-тельно, Е2 и для каждого установившегося состояния равновесия фиксируется значение скорости ω и тока I . Так как зависимость ω(I) при переходе из 1-го квадранта во 2-й является непрерыв-ной, то ее снятие удобнее начинать с рекуперативного режима работы ИД, то есть со второго квадранта с последующим пере-ходом в первый квадрант, то есть в режим противовключения.

Для этого после замыкания рубильника Р изменением поло-жением движка R4 плавно увеличивают эдс Е2, а, следовательно, и напряжение U на якоре НМ1, увеличивая тем самым ее ско-рость до значения ω >ω0 испытуемого двигателя (рис. 1.4.2).

В этом случае, обойдя силовой контур НМ1-НМ2, имеем:

E1 – E2 + I (R1 +R2) = 0. Отсюда найдем:

021

21 <+−=

RR

EEI , так как здесь Е2 >E1, (1.4.2)

то есть НМ1 и АД работают в двигательном, а НМ2 и ИД в гене-раторном режимах работы. Причем ИД в этом случае вращается со скоростью ω > ω0 и рекуперирует энергию в сеть.

Затем плавно перемещая движок реостата R4 в обратном на-правлении, уменьшают E2, то есть напряжение на якоре НМ1, а, следовательно, и на НМ2, и для каждого установившегося со-стояния работы привода фиксируют значения скорости ω и тока I до I = 0 и ω = ω0 (рис. 1.4.2, точки: 1, 2, 3, 4…). Таким образом, снимают ω(I) для рекуперативного режима работы.

Дальнейшим перемещением R4 в том же направлении уменьшают E2, а, следовательно, и U на НМ1 и НМ2 , то есть пе-

,021

211 == −

−

RREEI

реводят ИД в двигательный режим работы, фиксируют при этом для каждого установившегося состояния равновесия I и ω в точ-ках: 5, 6… .

Рис. 1.4.2

В этом случае:

021

21 >−−

=RR

EEI , так как здесь Е2 < Е1, (1.4.3)

то есть ИД и НМ2 работают в двигательном, НМ1 и АД – в гене-раторном режимах работы.

В нулевом положении R4, если пренебречь эдс остаточного магнетизма Е0 НМ2, можно отсчитать, что НМ1 работает в ре-жиме динамического торможения на суммарное сопротивление (R4+R4) силовой цепи НМ1-НМ2 (точка 6).

В этом случае

021

1 >+

+=

RR

EI , здесь Е2= 0. (1.4.4)

Для снятия точки 7, и характеристики ω(I) в режиме проти-вовключения (4-й квадрант) необходимо увеличить момент (то

есть I) НМ1, что можно сделать за счет изменения знака Е2 НМ2 по сравнению с (1.4.2). Для этого необходимо переключателем Р3 изменить полярность на обмотке возбуждения НМ2, передви-жением движка потенциометра R4 в обратном направлении уве-личить Е2, которое теперь имеет другую полярность и складыва-ется с Е1, увеличивая I , М. Для этого случая имеем

021

2

21

1

21

21 >+

++

=++

=RR

E

RR

E

RR

EEI , (1.4.5)

то есть НМ1 и АД работают в двигательном, а НМ2 и ИД в генераторном режимах работы. Причем НМ1 за счет подводимой энергии от НМ2, пропускает ток Е1 /(R1 -R2) и генерирует в сило-вой контур НМ1-НМ2, за счет обратного вращения, тормозной ток Е1 /(R1 -R2). Так снимают точки: 7,8,9... для работы ИД в ре-жиме противовключения (электромагнитного тормоза).

По полученным данным строится зависимость ω(I) – для машины НМ1. Эта зависимость при ω = 0 терпит разрыв, что объясняется перераспределением момента потерь холостого хо-да Мхх ввиду изменения потока энергии и знака скорости.

Для получения механической характеристики испытуемого двигателя ИД, то есть ω(Мэ), необходимо учесть суммарный момент потерь Мхх агрегата НМ1-ИД. С этой целью снимается экспериментальная зависимость I(ωхх), называемая суммарной кривой потерь холостого хода. Для этого схема приводится в исходное состояние. Затем при отключенном ИД перемещением R4 в сторону увеличения Е2, а, следовательно, и U, плавно увеличивают скорость НМ1 (по системе генератор-двигатель) и для каждого установившегося состояния равновесия холостого хода фиксируют значение ско-рости ωхх и тока I = IХХ. Далее найденные зависимости ω(I) и I хх(ωхх) можно пересчитать в единицы момента (но можно огра-ничиваться и осями тока) по известным формулам [1]. По дан-ным опытам строиться зависимость М Ixx(ωхх), (рис. 1.4.2, кри-вая 2). Она при ω = 0 также терпит разрыв, ввиду перераспреде-ления момента потерь холостого хода и связи с изменением зна-

ка скорости, то есть имеет зону нечувствительности. Наконец для получения механической характеристики ω(Мэ) испытуемо-го двигателя ИД производят алгебраическое суммирование мо-ментов при одной и той же скорости ω = const, с учетом знаков моментов, в соответствии с выражением Мэ = Мв ± Мхх. (1.4.6)

2.ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

2.1. Устройство и принцип действия электрических машин

Электрические машины имеют две основные части: непод-вижный статор 1 и вращающийся ротор 2, разделенные зазо-ром 5 (рис. 2.1.1, а). На статоре и роторе размещаются стальные сердечники, которые служат для проведения магнитного потока. Для уменьшения потерь на вихревые токи при переменном маг-нитном поле сердечники набираются из, изолированных друг от друга, листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. На внутренней окружности листов сердечника статора (рис. 2.1.1, б) или на наружной окружности листов сердечника ротора штампуются пазы 3 и 4, в которых затем укладываются обмотки, служащие для проведения электрического тока. Обычно обмот-ки выполняются из меди, алюминия или их сплавов.

Якорные обмотки (обмотки, в которых индуктируется ЭДС) размещаются в магнитном поле, создаваемом в большинстве случаев обмоткой возбуждения. При вращении ротора обмотки перемещаются относительно друг друга, так как если обмотка возбуждения размещается на статоре, то якорная — на роторе и наоборот.

В центре листов сердечника ротора выштамповывается от-верстие со шпоночной канавкой для крепления сердечника на валу. Вал вращается в подшипниках; конец его удлинен для со-

пряжения с другими рабочими механизмами. Вал может разме-щаться горизонтально или вертикально.

а б

Рис. 2.1.1.

Подшипники у большинства машин встроены в торцевые щиты, прикрепляемые болтами к станине (корпусу), изготовляе-мой из чугуна, стали или алюминиевых сплавов (для облегчения веса в малых машинах).

Сердечник статора также крепится в станине, которая вос-принимает механическую нагрузку статора и обеспечивает ме-ханическую устойчивость всей конструкции машины. На стани-не обычно имеются лапы для крепления к фундаментной плите. В мощных машинах, диаметр щита которых превышает 1 м, подшипники часто крепят в специальных подшипниковых стоя-ках, устанавливаемых на плите отдельно от станины.

Обмотки и сердечники для лучшего охлаждения в большин-стве случаев обдуваются воздухом, обычно прогоняемым через воздушный зазор и по специальным каналам.

Таким образом, электрические машины имеют магнитопро-водящие сердечники, токопроводящие обмотки, охлаждающую и конструктивную системы, обеспечивающую механическую прочность.

Определение и принцип действия

Машина представляет собой энергопреобразующий меха-низм, связанный с перемещением основных его частей относи-тельно друг друга. Машины, в которых преобразование энергии происходит вследствие процесса электромагнитной индукции, называются электрическими. Явление электромагнитной индук-ции возникает при изменении магнитного потока, связанного с обмотками машины. Это изменение может происходить или вследствие пространственного перемещения (вращения) обмот-ки относительно магнитного поля (индуктируемую при этом э. д. с. обычно называют ЭДС вращения), или при взаимно непод-вижных в пространстве потоке и обмотке вследствие изменения во времени величины сцепленного с обмоткой потока (индукти-руемую при этом ЭДС обычно называют трансформаторной), или обоими этими способами. В соответствии с установившимися в учебниках традициями в курсе электрических машин рассматриваются трансформато-ры, которые представляют собой статические электромагнитные устройства, предназначаемые для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию тоже пере-менного тока, но других параметров. Такое совмещение удобно с методической точки зрения, так как работа трансформаторов также основана на принципе электромагнитной индукции. Для трансформаторов характерно, что явление электромагнитной индукции осуществляется без взаимного механического пере-мещения обмоток, вследствие чего в них ЭДС индуктируется лишь в результате изменения потока во времени. В электриче-ских машинах электромагнитная индукция возникает также в результате взаимного механического перемещения обмоток, по-этому ЭДС может индуктироваться в результате временного и пространственного изменения потока, связанного с якорными обмотками.

При нагрузке электрической машины по якорной обмотке проходит ток, намагничивающий сердечник. Поэтому прибли-

женно сердечник простейшей двухполюсной машины с распо-ложенной на нем якорной обмоткой можно рассматривать как электромагнит, имеющий полюса Nя и Sя, которые взаимодейст-вуют с полюсами N и S сердечника обмотки возбуждения (рис. 2.1.2, а). Вследствие притяжения разноименных полюсов статора и ротора возникают силы притяжения F, имеющие тангенциаль-ные составляющие Fq, создающие электромагнитный момент. Возникновение электромагнитного момента можно также объ-яснить, согласно закону Ампера, как результат действия сил Р, возникающих вследствие взаимодействия токов проводников якорной обмотки с полем машины (рис. 2.1.2, б).

При анализе работы электрических машин следует иметь в виду, что в случае отсутствия тока в якорной обмотке поле ма-шины создается только обмоткой возбуждения (рис. 2.1.2, в). Если по якорной обмотке проходит ток, то вокруг ее проводни-ков создается магнитное поле (рис. 2.1.2, г). Поля обмоток якоря и возбуждения взаимодействуют, вследствие чего поле машины в воздушном зазоре поворачивается на угол θ (рис. 2.1.2, д) по сравнению с его направлением в случае отсутствия тока в якор-ной обмотке (см. рис. 2.1.2, в).

Изменение линий магнитного поля при его деформации можно сравнить с растяжением упругих резиновых нитей. Вследствие деформации поля возникают электромагнитные си-лы F, стремящиеся вытолкнуть проводники с током якорной об-мотки из магнитного поля и создающие электромагнитный мо-мент. Магнитный поток стремится пройти по путям с наимень-шим магнитным сопротивлением и идет в основном не через проводники якорной обмотки, заложенные в пазах, а по сталь-ным зубцам сердечника. Поэтому электромагнитные силы, по-ворачивающие ротор, действуют не непосредственно на провод-ники обмотки, а в основном на зубцы якорного сердечника.

Рис. 2.1.2.

Таким образом, рабочий процесс электрической машины не-изменно связан с тем, что в якорной обмотке индуктируется ЭДС. При нагрузке в результате взаимодействия тока, проходя-щего по этой обмотке, с потоком машины возникает электро-магнитный момент. Преобразование энергии в электрической машине сопровождается возникновением электромагнитного момента, который стремится повернуть ротор и статор в проти-воположные стороны.

Классификация по роду потребляемой энергии Электрические машины могут преобразовывать механиче-

скую энергию в электрическую (генераторы), электрическую – в механическую (двигатели), а также электрическую – в электри-ческую же энергию другого рода (преобразователи). Кроме того, существуют специальные типы машин, используемых в систе-мах автоматики в качестве усилителей, регуляторов, индикато-ров и т. д.

Для всех электрических машин характерна обратимость, то есть возможность работать как в качестве генератора, так и в ка-честве двигателя, один и тот же трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим, преобразователь может из-менять направление преобразования электрической энергии. Машины мощностью до 600 Вт условно будем называть микро-машинами.

Области применения

Основной областью применения электрических машин явля-

ется генерирование электрической энергии, а также ее преобра-зование в механическую энергию, которая используется для привода станков и механизмов, электрической тяги и т. д. Про-изводство почти всей электроэнергии происходит при помощи электромашинных генераторов, преобразование в механическую — при помощи электромашинных двигателей, которые нашли самое широкое применение в промышленности, сельском хозяй-стве, авиации, транспорте, военном деле и быту. Трансформато-ры служат для изменения напряжения в начале и конце линии электропередачи.

В современных системах автоматического управления и сис-темах синхронной связи в качестве исполнительных органов применяются, как правило, электрические машины. В качестве регулирующих органов применяются электромашинные и маг-нитные усилители. Электрические машины используются как

дифференцирующие и интегрирующие элементы и как источни-ки ускоряющих и замедляющих сигналов в схемах синхронной связи, в программирующих, счетно-решающих и других систе-мах. Эти машины применяются в измерительной технике в каче-стве тахогенераторов, электромашинных динамометров, измери-тельных трансформаторов и т. д.

Достоинства электрических машин

Электрические машины вырабатывают электрическую энер-

гию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды энер-гии; они обладают высоким коэффициентом полезного действия – от 65 до 85% для машин мощностью около 1 кВт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить, что к. п. д. других современных машин, на-пример тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30—40%.

Электрические машины имеют малый удельный вес на 1 кВт мощности. Они характеризуются относительно малой стоимо-стью, компактностью, долговечностью, простотой управления, удобством обслуживания и легко обеспечивают индивидуаль-ный привод к каждому станку. Электрические машины позво-ляют использовать, передавать и распределять энергию водных, тепловых и атомных станций.

2.2. Основные типы электрических машин

В машинах постоянного тока насаженный на вал роторный

сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками воз-буждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис. 2.2.1).

По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических соображений сердечник полюсов обыч-но набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2.2.3). Одна сторона полюса прикреп-ляется к станине, часто при помощи болтов, другая – располага-ется вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечни-ком является рабочим воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым по-люсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный маг-нитный поток, называется ярмом.

Основная часть потока Ф (рис. 2.2.1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воз-душный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к соседнему южному полюсу S и через ярмо 3 возвращается к се-верному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 2.2.1, линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

На рис. 2.2.2 а представлено распределение магнитной ин-дукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла α. Начало координат О выбрано посере-дине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю.

Рис. 2.2.1.

По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сна-чала медленно (до точки «а») у края полюсного наконечника, а затем рез-ко. Под серединой полюс-ного наконечника в точке «b» индукция имеет наи-большее значение. Рис. 2.2.2.

Кривая распределения индукции располагается симметрично относи-тельно оси полюса и в точке с, нахо-дящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая «cde» является зер-кальным отображением относительно оси абсцисс кривой «oabc». Области, в которых индукция имеет положитель-ное и отрицательное значение, че-редуются.

Рис. 2.2.3. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушно-го зазора разместится р пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверх-ности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р = 2) имеются два про-странственных периода (рис. 2.2.4). В теории электрических машин, кроме угла αэ, измеряемого в геометрических градусах, пользуются так понятием угла аэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует элек-трический угол аэ=360 эл.град или 2π эл.рад. Поэтому

αэ = pαг. (2.2.1) например, на рис. 2.2.4 видно, что при числе пар полюсов p=2 имеем αэ=2αг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки ин-дуктируется ЭДС. Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС проводника

e = Bαlυ, (2.2.2)

где Bα – нормальная составляющая индукции в точке, опреде-ляемой углом α, в которой в данный момент времени находится проводник, тл; l – активная длина проводника, т. е. длина, в которой ин-дуктируется ЭДС; υ – скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

При работе машины длина l активного проводника сохраня-ется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (υ=const) имеем

e = Bα . (2.2.3) Из выражения (2.2.3) следует, что при равномерном враще-

нии якорной обмотки изменение ЭДС е проводника во времени (рис. 2.2.2, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре Вα (рис. 2.2.2, а). Анализируя кривую изменения ЭДС во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная ЭДС

В двухполюсной машине за один оборот вращения в про-водниках якорной обмотки индуктируется ЭДС, частота которой f=n/60, гц, где n – скорость вращения потока относительно про-водника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником прой-дет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут ЭДС, частота которой в р раз больше, т. е.

60

pnf = . (2.2.4)

Выражение (2.2.4) определяет частоту ЭДС многополюсной машины. Оно показывает, что частота ЭДС пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения ω имеет размер-ность электрический радиан в секунду. Подставляя в (2.2.4) зна-чение ω, выраженное через механическую скорость

pn

602πω = ,

имеем

π

ω2

=f . (2.2.5)

В машинах постоянного тока для выпрямления ЭДС приме-няется коллектор, представляющий собой механический преоб-разователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая – отрицательной.

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пла-стины, выполненные в фор-ме полуколец (рис. 2.2.4) к которым присоединены концы витка якорной об-мотки. Пластины коллек-тора соприкасаются с не-подвижными контактными

щетками, связанными с внешней электрической цепью. При ра-боте машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э. д. с. витка меняет знак на обратный, кол-лекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возни-кает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 2.2.2, в).

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, пред-ставляющих собой один или несколько последовательно соеди-ненных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 2.2.5). По мере увеличения числа секций уменьшается

Рис. 2.2.4.

пульсация напряжения на щетках (рис. 2.2.6). При двадцати кол-лекторных пластинах разница между максимальной и минималь-ной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устрой-ством, требующим тщатель-ного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпри-нимались многочисленные попытки создать бесколлек-торную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последова-тельно проходят под полю-

сами разной полярности, в любом случае наводится переменная ЭДС, для выпрямления которой необходимо особое устройство. Поэтому машинами постоянного тока называются электрические ма-шины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вра-щения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором.

Рис. 2.2.6

Рис. 2.2.5.

Асинхронные машины

На статоре асинхронной машины (рис. 2.2.7) в большинст-ве случаев располагается трехфазная якорная обмотка, которая присоединяется к питающей сети. На роторе имеется об-мотка, замкнутая в процессе работы накоротко. Статорная обмотка создает вращающий-ся поток, пересекающий про-водники обмотки ротора и наводящий в них ЭДС, вы-зывающую ток. Вследствие взаимодействия тока ротора с потоком машины создается электромагнитный момент. На рис. 2.2.8, а показано направление линий магнитной индук-ции потока статора, стрелкой п1 обозначено направление его вращения, крестиками – ЭДС, индуктируемые в проводниках ротора. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС вызывают токи, образующие свои поля (рис. 2.2.8, б). Поля обмоток ротора и статора взаимодействуют, вследствие чего поле машины дефор-мируется (рис. 2.2.8, в) и возникает электромагнитная сила, на-правленная в сторону вращения потока. Магнитный поток ста-тора как бы увлекает за собой ротор.

Скорость п2 пересечения проводников обмотки ротора по-лем статора равна разности скорости п2 поля статора и скорости п вращения ротора, т. е

п2= п1 – п. (2.2.6) ношение скоростей п2 к п1, называется скольжением

1

1

1

2

n

nn

n

nS

−== . (2.2.7)

Рис. 2.2.7.

Скольжение S характеризует отставание скорости ротора относительно скорости поля статора. Частота f1 тока в обмотке статора пропорциональна п1, а частота f2 тока, индуктируемого в обмотке ротора, пропорциональна п2. Поэтому S= f2/ f1 и, следо-вательно, скольжение определяет отношение частот токов в об-мотках ротора и статора.

Если скорости вращения ро-тора и поля статора одинаковы (S=0), то магнитный поток не-подвижен относительно обмотки ротора и не наводит в ней ЭДС, вызывающей токов, вследствие чего не возникает электромаг-нитного момента. Поэтому ротор и поле статора всегда вращаются с разной скоростью, т. е. асин-хронно. Отсюда и название ма-шин. Обычно у двигателей нор-мального исполнения при номи-нальном режиме S=0,02-0,04. У крупных двигателей скольжение еще меньше (порядка 0,01). Сле-

довательно, скорость вращения ротора асинхронных двигателей нормального исполнения близка к синхронной скорости враще-ния магнитного поля статора. При увеличении внешнего тор-мозного момента скольжение увеличивается, и скорость враще-ния асинхронной машины уменьшается. При уменьшении мо-мента скорость вращения увеличивается и при исчезновении его становится весьма близкой к синхронной скорости.

Асинхронными машинами можно назвать бесколлекторные машины переменного тока, имеющие якорные обмотки на стато-ре и роторе, у которых скорость вращения зависит от вращаю-щего момента. Асинхронную машину с постоянно замкнутой накоротко обмоткой ротора и не имеющей выводных устройств

Рис. 2.2.8.

называют короткозамкнутой с расположенной на роторе фазной многовитковой обмоткой и выводным устройством в виде кон-тактных колец – фазной. Машины, у которых обмотка, соеди-ненная с питающей сетью, располагается на роторе, а замкнутая обмотка – на статоре, называются обращенными. В короткозамкнутых асинхронных двигателях на роторе применяется об-мотка, состоящая из расположенных в пазах обычно неизолированных стерж-ней, которые при выходе из пакета стали ротора в торцевых частях замыкаются накоротко соединительными кольцами (рис. 2.2.9). Такую обмотку часто назы-вают беличьей клеткой. В беличьей клет-ке ток каждого стержня отличается по фазе от тока соседнего стержня. В совре-менных асинхронных двигателях короткозамкнутая обмотка обычно выполняется путем заливки алюминия в пазы ротора. При этом одновременно со стержнями отливаются и коротко-замкнутые торцевые кольца вместе с вентиляционными лопат-ками (рис. 2.2.7). В некоторых случаях беличья клетка выполня-ется из заложенных в пазах ротора медных или латунных про-водников, которые при выходе из пакета стали ротора привари-ваются к соединительным кольцам.

Рис. 2.2.10. Рис. 2.2.11.

Рис. 2.2.9.

На рис. 2.2.7 представлен асинхронный двигатель в разо-бранном виде, а на рис. 2.2.10 и 2.2.11 даны общие виды двига-телей. Благодаря простоте конструкции и надежности в работе трехфазные асинхронные двигатели широко применяются в са-мых разнообразных отраслях народного хозяйства. Подавляю-щее большинство промышленных приводов осуществляется при помощи трехфазных короткозамкнутых асинхронных двигате-лей. Недостатками таких двигателей нормального исполнения, ограничивающими область их применения, является сложность регулирования скорости вращения, невозможность ее плавной регулировки в широких пределах и низкий коэффициент мощно-сти (cos φ).

В системах автоматического регулирования получили преимущественное распространение двухфазные асинхронные исполнительные микродвигатели с повышенным сопротивлени-ем ротора, обладающие достаточным быстродействием и позво-ляющие регулировать скорость ращения от нуля до максималь-ного значения, близкого к синхронной.

На рис. 2.2.9 дана классификация способов возбуждения. При электромагнитном возбуждении поток создается обмот-

ками возбуждения, питаемыми в большинстве случаев постоян-ным током. В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения 0В питается от постороннего источника тока (рис. 2.2.10, а). В машинах с самовозбуждением обмотка возбуждения питается током от якорной обмотки этой же машины (рис. 2.2.10, б, в, г). Самовозбуждение может осуществляться при па-раллельном, последовательном и смешанном соединениях, когда одна обмотка возбуждения соединена параллельно с якорной, а другая последовательно. При этом машины соответственно на-зываются машинами параллельного, последовательного и сме-шанного (компаундного) возбуждения.

Ток независимой и параллельной обмоток возбуждения у машин средних и больших мощностей имеет небольшую вели-чину, не превышающую нескольких процентов, а у микро-машин достигает 30% от тока, идущего через якорную обмотку.

Рис. 2.2.9

Рис. 2.2.10.

В последнее время в связи с улучшением качества магнито-жёстких материалов, в частности с применением алюминиево-никелевых сплавов, машины малой мощности часто выполняют с возбуждением от постоянных магнитов. В некоторых случаях применяется комбинированное возбуждение — электромагнит-ное и от постоянных магнитов. В этом случае на полюсы маг-нитной системы, имеющей вставку из постоянных магнитов, на-девают обмотки, которые питаются по одной из схем электро-магнитного возбуждения.

Системы охлаждения Помимо снижения КПД, действие потерь энергии проявля-

ется также и в том, что они выделяются в виде тепла и нагрева-ют отдельные части машины. Вследствие этого рабочий процесс электрических машин связан с нагревом. Основная величина по-терь энергии имеет место в активных материалах, поэтому большая часть тепла выделяется в проводниках обмоток и в ста-ли сердечников. Электрические машины выполняются с естест-венным и искусственным охлаждением. В качестве охлаждаю-щих сред в разных машинах используется воздух, водород, мас-ло и вода. При естественном охлаждении движение охлаждаю-щей среды может создаваться конвекцией или в результате вра-щения частей машины, если в ней нет специальных вентиляци-онных приспособлений. Естественное охлаждение обычно име-ют микромашины.

Вращающиеся электрические машины мощностью более 0,6 кВт выполняются с искусственным охлаждением, которое осу-ществляется при помощи специальных вентиляционных уст-ройств. Применение вентиляции позволяет существенно увели-чить отвод тепла. Оно является экономически целесообразным, так как при этом оказывается возможным повысить мощность. Поэтому машины с искусственным охлаждением имеют мень-шие габариты, вес и расход активных материалов.

Электрические машины малых и средних мощностей обычно выполняются с самовентиляцией. В этом случае напор охлаж-дающего воздуха создается вентилятором, укрепленным на валу, или вентиляционными лопатками и приспособлениями, поме-щенными на торцевой поверхности ротора.

В крупных машинах иногда применяют независимую венти-ляцию, при которой напор охлаждающего воздуха создается спе-циальным вентилятором, механически не связанным с валом машины. Регулируя скорость вращения вентилятора можно из-менять интенсивность обдува.

Самовентиляция и независимая вентиляция могут быть про-точной, или разомкнутой (горячий воздух выбрасывается из машины в окружающую среду, а из атмосферы засасывается хо-лодный воздух), и замкнутой (горячий воздух охлаждается в специальных охладителях и подается вновь в машину). Замкну-тая система вентиляции широко применяется в крупных син-хронных машинах.

В машинах охлаждающий воздух может прогоняться в на-правлении оси вала (рис. 2.2.11, а). Такая система вентиляции называется осевой (аксиальной) и может быть вытяжной или на-гнетательной; в первом случае вентилятор помещается на «вы-ходе», во втором — на «входе» воздуха. Воздух может прого-няться и в радиальном направлении (рис. 2.2.11, б), проходя по каналам между пакетами стали и, обдувая лобовые части обмо-ток. Такая система называется радиальной. Во многих случаях применяется комбинированная радиально-осевая система венти-ляции.

Рис. 2.2.11.

а

Виды исполнения электрических машин Основным исполнением электрических машин являются

защищенное и закрытое обдуваемое. Машины в защищенном исполнении предохранены от случайного прикосновения к вра-щающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов. Двигатели, имеющие приспособления, защищающие их от попадания капель, падающих под углом к вертикали, называются брызгозащищенными. Доступ к вра-щающимся и токоведущим частям при защищенном исполне-нии затруднен, так как вентиляционные окна, предназначенные для входа и выхода охлаждающего воздуха, расположены сни-зу таким образом, что брызги не могут попадать внутрь машины. В машинах закрытого исполнения непосредственное сообщение между ее внутренним пространством и окружающей средой от-сутствует. Для лучшего охлаждения нагретых частей внутри машины создается циркуляция воздуха, которая в некоторых случаях осуществляется внутренним вентилятором. Корпус та-кой машины часто выполняется ребристым и обдувается внеш-ним вентилятором, прогоняющим воздух, засасываемый из внешней среды, между корпусом и направляющим кожухом. В торцевой части кожуха имеются отверстия.

Закрытые машины могут быть герметическими, имеющими газонепроницаемое, водонепроницаемое и взрывобезопасное ис-полнения. Мощность закрытых невентилируемых двигателей средних и больших мощностей при одинаковом нагреве обмоток должна быть значительно уменьшена (в 2 раза, а иногда и более) по сравнению с обдуваемыми машинами, имеющими те же габа-риты. У электрических микромашин объем активных частей, в которых выделяется тепло, по отношению к поверхности охлаж-дения небольшой. Поэтому они сравнительно хорошо охлажда-ются при закрытом не обдуваемом исполнении. Электрические машины мощностью свыше 0,6 кВт имеют защищенное или за-крытое обдуваемое исполнение.

Ранее электрические машины иногда имели открытое ис-полнение, не защищающее от случайных прикосновений к их вращающимся и токоведущим частям.

2.3. Исследование механических характеристик электродвигателя параллельного возбуждения

при различных способах параметрического регулирования угловой скорости

Цель работы: получить экспериментальные механические

характеристики электродвигателя параллельного возбуждения во всех режимах работы и оценить показатели параметрического регулирования скорости.

Теоретические предпосылки

Механической характеристикой называется зависимость

п(Мэ) скорости n от электромагнитного момента Мэ. Момент Мэ отличается от момента Мв на валу двигателя на величину момен-та потерь холостого хода Мхх=0.03М, которым ввиду малости можно пренебречь и считать, что

Мэ=Мв=М.

Для двигателя параллельного возбуждения момент М про-

порционален первой степени тока якоря 1Я. Поэтому механиче-ская характеристика может быть представлена зависимостью n(I я), которая называется электромеханической или скоростной.

Аналитическое выражение этих характеристик может быть положено из уравнения баланса напряжений силовой цепи, которое в соответствии с рис. 2.3.1 имеет вид RIФnKRIEU яeяя +=+= . (2.3.1)

Рис. 2.3.1.

Из выражения (2.3.1) получим аналитическое выражение

для n в виде

)(0 я

meя

е

я IfnnФKK

RI

ФK

Un =∆−=−= (2.3.2)

и )(02Mfnn

ФKK

RM

ФK

Un

meе

я =∆−=−= ,

где R=Rя+Rдоб – суммарное сопротивление силовой цепи; Ке и КM – постоянные коэффициенты, зависящие от конструк-тивных данных электродвигателя.

Если UЯ=UЯН, Ф=ФЯ и R=ЯЯ, то характеристики п(Iя) и п(М) называют естественными.

Если не соблюдается одно из указанных условий, то харак-теристики называют искусственными.

На рис. 2.3.2 приведены естественная – I и искусственные механические характеристики для двигательного режима рабо-ты: 2 – реостатная, 3 – для работы двигателя при пониженном напряжении на якоре, 4 – для работы двигателя при ослабленном потоке возбуждения.

Диапазоном регулирования скорости (Д) называется отно-шение максимальной скорости пmax (которая берется обычно по естественной характеристике при номинальной нагрузке на ва-лу) к ее минимальному значению пmin , при котором обеспечива-ется устойчивая работа электропривода, она берется обычно по искусственной характеристике.

min

max

n

nД = . (2.3.3)

При динамическом тормо-жении якорь двигателя отключа-ется от сети постоянного тока и подключается к динамическому (добавочному) сопротивлению Rдин, а поток возбуждения остает-ся неизменным или усиливается. Аналитические выражения меха-нических характеристик электродви-гателя для режима динамического торможения можно получить из (2.3.2), если положить в них U=0. Тогда после преобразова-ний, соответственно, получим:

ЯIНЕ

Я IKФK

RIn −=−= , (2.3.4)

MKФKK

RMn M

MЕ

−=−=2

. (2.3.5)

Здесь К1 и Км — коэффициенты пропорциональности между скоростью n, током I я и моментом М.

Из (2.3.4) и (2.3.5) следует, что динамические характеристи-ки представляют собой прямые линии, проходящие через начало координат, а наклон их при Ке Фн=const, зависит от величины R.

Знак минус свидетельствует о том, что ток IЯ протекает по сопротивлению R в обратном направлении. На рис. 2.3.3 приве-

Рис. 2.3.2.

дены электромеханические характеристики при динамическом торможении для различных значений R.

Рис. 2.3.3. Рис. 2.3.4.

Программа работы

1. Ознакомление с электрооборудованием опытной уста-новки, схемой испытаний и методикой снятия механических ха-рактеристик.

2. Снять электромеханические характеристики опытным путем:

а) естественную; б) реостатную для Rдоб= 0.5 Rн;

получить минимально возможную устойчивую скорость для ра-боты двигателя на реостатной характеристике при номинальной нагрузке на валу. Оценить величину диапазона реостатного ре-гулирования скорости при номинальной нагрузке на валу и при холостом ходе;

в) искусственную для Ф = 0.8Фн (то есть для I в = 0.8 Iвн), определить величину диапазона регулирования скорости изме-нением потока Ф при номинальной нагрузке на валу двигателя;

г) динамическую для Rдин = 0.5 Rн.

3. Провести анализ и сделать обобщающие выводы в отно-шении влияния параметров на условия пуска, торможения и ре-гулировочные свойства двигателя параллельного возбуждения.

Метод исследований и описание опытной установки

В настоящей работе предусматривается эксперименталь-

ный метод исследования механических характеристик с помо-щью нагрузочных машин согласно приведенной выше методике.

Схема опытной установки приведена на рис. 2.3.5, где це-пи, обозначенные сплошными линиями, смонтированы, а, цепи, обозначенные штриховыми линиями, предлагается собрать сту-дентам. Здесь ИД – испытуемый электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения; НМ1, НМ2 – нагрузочные машины постоянного тока независимого возбуждения; АД – асинхронный электродвигатель (гонник); А1, А2, А3 – автоматы максимального тока А-31; Р1, Р2, P3, Р4 – пакетные выключатели ВП-25; П – пе-реключатель на три положения ВП-1-131; R3, R4 – регулировоч-ные реостаты (потенциометры); Rп – пусковой реостат.

Методические указания по снятию механических Характеристик

1. Предупреждения. Запрещается: подавать напряжение на якорь ИД и НМ1

при отсутствии возбуждения; отключать во время работы схемы обмотки возбуждения ИД и НМ1; подавать сразу полное напря-жение; запускать ИД без добавочного пускового сопротивления Rп в цепи якоря; увеличивать скорость агрегата ИД НМ1 более чем в 1.3Пн, превышать длительно значение тока электрических машин более чем в 1.2Iн; включать выключатель Р при соглас-ном направлении Е1 и Е2 .

2. Порядок включения опытной установки.

Рис

2.3.

5.

При снятии электромеханических характеристик для дви-гательного режима работы необходимо соблюдать последова-тельность операций:

а) Привести схему в исходное состояние, при этом необхо-димо все выключатели поставить в положение 0; нулевой рео-стат Rп должен быть полностью введен; потенциометры R3 и R4 должны находиться, соответственно, в конечном и нуле-вом положениях; Р – разомкнут.

б) Проверить при необходимости поверочным вольтметром V2 наличие напряжения в сети постоянного и переменного тока.

в) Включением выключателя Р2 подать напряжение на по-тенциометр R3 и установкой его движка в соответствующее по-ложение, пользуясь контрольным вольтметром V2, добиться но-минального возбуждения ИД. г) Поворотом рукоятки реостата Rп подключить ИД к сети по-стоянного тока и, постепенно уменьшая пусковое сопротивле-ние, вывести электродвигатель на естественную характеристику. Поверочным вольтметром V2 убедиться в отсутствии напряже-ния на якоре НМ1.

д) Включением Р1 подать напряжение на обмотку возбуж-дения НМ2, при этом должна загореться сигнальная лам-па ЛС1. Поверочным вольтметром V2 убедиться в нали-чии напряжения на якоре НМ2, замерить величину и поляр-ность Е1.

е) Включением Р3 запустить агрегат постоянной скорости АД-НМ2, убедиться в его вращении и поверочным вольт-метром проверить отсутствие напряжения на якоре НМ2.

ж) Установкой переключателя П и потенциометра R4 в со-ответствующее положение возбудить НМ2 и, пользуясь пове-рочным вольтметром V2, добиться перемещением R4 равенства по величине и противоположности по знаку E1 по отношению к Е2. Рубильник Р разомкнут, поэтому обе машины работают в ге-нераторном режиме.

з) Выключателем Р замкнуть силовую цепь НМ1-НМ2 и убедиться в отсутствии тока I . После этого приступить к снятию

электромеханических характеристик, начиная с рекуперативного режима работы с последующим переходом в двигательный, из-меряя для каждого установившегося состояния равновесия ско-рость п и ток I я по амперметру А1. Данные занести в таблицу и построить по ним электромеханические характеристики для случаев, указанных в программе работы. Для снятия механических характеристик в режиме дина-мического торможения:

а) Привести опытную установку в исходное состояние, от-ключить от сети постоянного тока якорь ИД и подключить его к динамическому сопротивлению Rдин.

б) Включением Р1 и Р2 возбудить, соответственно, НМ1 и ИД (теперь ИД подготовлен для работы генератором) и включе-нием Р замкнуть силовую цепь нагрузочных машин.

в) Запустить агрегат постоянной скорости АД-НМ2, уста-новить в соответствующее положение П и перемещением движ-ка R4 увеличивать постепенно возбуждение НМ2, напряжение на якоре НМ1 и ее скорость, а следовательно, и скорость ИД.

г) Для каждого установившегося состояния равновесия измерить скорость п и ток якоря I я. Данные занести в таблицу и построить по ним динамическую характеристику.

Аналогичным образом снимается кривая момента потерь, только при отключенном ИД. Электромеханическую характери-стику ИД для всех случаев можно было бы получить алгебраи-ческим суммированием снятых зависимостей п(I) с кривой тока потерь холостого хода I(пхх) при одной и той же скорости п=соnst. Однако в настоящей работе лучше измерять непосред-ственно ток якоря IЯ ИД, а не ток I силовой цепи нагрузочных машин. Поэтому снятие кривой потерь не требуется.

Контрольные вопросы 1. Дать определение снимаемым характеристикам, объяс-

нить их конфигурацию и рассказать о показателях параметриче-

ского регулирования скорости (диапазоне, плавности, стабиль-ности, направлении регулирования, экономичности и др.).

2. Охарактеризовать последовательность операций при снятии электромеханических характеристик.

3. Оценить режимы работы машин в процессе снятия ха-рактеристик.

4. Рассказать о возможных неисправностях в схеме и за-прещениях при выполнении работы.

5. Выполнить теоретический анализ в отношении влияния параметров U, R, Ф на работу двигателя. Уметь рассчитывать снимаемые характеристики.

6. Написать: аналитическое выражение управления балан-са напряжений для цепи главного тока; формулы ЭДС якоря двигателя, текущего значения тока якоря номинального тока, тока короткого замыкания, пускового тока.

7. В каких тормозных режимах может работать испытуе-мый электродвигатель? Как практически осуществить режимы противовключения, динамического и рекуперативного торможе-ний. Дать определение этих режимов работы.

2.4. Исследование механических характеристик электродвигателя последовательного возбуждения при

различных способах параметрического регулирования угловой скорости

Цель работы: получить экспериментальные механические

характеристики двигателя последовательного возбуждения во всех режимах работы и ознакомиться с его регулировочными и эксплуатационными особенностями.

Теоретические предпосылки

Механической характеристикой ω(Мэ) электродвигателя

последовательного возбуждения называется зависимость скоро-

сти вращения ω от электромагнитного момента Мэ в становив-шемся режиме работы.

Электромеханической (или скоростной) характеристикой называется зависимость скорости вращения ω от тока I .

Так как у двигателя последовательного возбуждения Мэ = КI2, то механическая и электромеханическая характери-стики представляют собой разные зависимости в осях коорди-нат ω, Мэ, I.

Аналитическое выражение электромеханической характе-ристики может быть получено из уравнений баланса напряжений силовой цепи (рис. 2.4.1), то есть из уравнения электрического равновесия: Uс =Е + IR = KеФ ω + IR. (2.4.1) После преобразований получим:

)(IfФK

IR

ФK

U

EE

C =−=ω (2.4.2)

Рис. 2.4.1.

По внешнему виду (2.4.2) ничем не отличается от ана-литического выражения скоростной характеристики двигателя параллельного возбуждения.

Однако взаимосвязь между физическими величинами, вхо-дящими в него, здесь другая.

В этом случае якорь и обмот-ка возбуждения обтекаются одним силовым током, то есть IЯ - Iв = I . Поток возбуждения является сложной нелинейной функцией тока якоря, взаимосвязь между ни-ми осуществляется кривой намаг-ничивания (рис.2.4.2 кривая 1). Рис.2.4.2.

Сопротивление силовой цепи: R = Rя + Rщ + Rдп + Rов + Rдо6 = Rяц + Rов + Rдо6 = Rд + Rдо6 .

Здесь Rя, Rщ, Rдп, Rов и Rдоб соответственно сопротивление об-мотки якоря, контакта щеток, дополнительных полюсов, обмот-ки возбуждения и добавочное сопротивление.

Rяц и Rд соответственно, последовательное сопротивление якорной цепи и внутреннее сопротивление двигателя, задавае-мое в каталоге.

Причем Rд>Rяц , что снижает жесткость ω (I) при прочих равных условиях, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения, за счет падения напряжения в обмотке возбужде-ния (Rов).

При увеличении нагрузки на валу растет ток I и поток Ф. То есть уменьшение скорости обусловлено как падением напря-жения в цепи якоря, так и возрастанием потока. Поэтому с рос-том тока нагрузки на валу скорость резко уменьшается, и харак-теристика ω(I) получается мягкой.

На рисунке 2.4.2 для сравнительного анализа приведены характеристики: 2 – электромеханическая для двигателя парал-

лельного возбуждения; 3 – то же для двигателя последователь-ного возбуждения; 4 – механическая для двигателя последова-тельного возбуждения.

На линейной части зависимости Ф(I) можно считать, что поток пропорционален току, т. е.

Ф = КФI, (2.4.3) где Кф - коэффициент пропорциональности. Тогда момент мо-жет быть представлен в виде:

МЭ=КМФI = КМКФI2. (2.4.4) То есть при одном и том же токе I = соnst двигатель по-

следовательного возбуждения развивает квадратичный момент (рис. 2.4.2, кривая 5), обладает небольшим временем пуска, тор-можения и при прочих равных условиях имеет большую пере-грузочную способность к моменту.

С учетом сделанного допущения получим аналитические выражения для электромеханической характеристики (рис. 2.4.2, кривая 3)

)(IfK

R

KI

U

KK

R

ФIK

U C

ФEE

C =−=−=ω , (2.4.5)

)( Э

ФE

ФM

C

EФE

C MfKK

R

KK

MK

U

KK

R

IKK

U=−=−=ω . (2.4.6)

Если Uс =UH,, R = Rд, Rщя и Rшв = ∞ , то характеристики на-

зываются естественными. На магнитный поток Ф это не рас-пространяется, так как его величина определяется током I , зави-сящем от величины нагрузки на валу. Однако поток можно регу-лировать, применяя специальные схемные решения (шунтирова-ние якоря или обмотки возбуждения).

Если нарушается одно из указанных условий в отношении подводимого напряжения или сопротивления силовой цепи, то характеристики называются искусственными. На рисунке 2.4.3 приведены для сравнительного анализа электромеханические

характеристики: 1 – естественная; 2 – реостатная; 3 – при работе двигателя на пониженном напряжении; 4 – при шунтировании обмотки якоря; 5 – при шунтировании обмотки возбуждения.

Из (2.4.5), (2.4.6) и приведенных зависимостей видны регу-лировочные свойства двигателя последовательного возбуждения при обычной и целевых схемах соединения, а также его эксплуа-тационные особенности в режимах пуска, торможениях и др. В частности, двигатель последовательного возбуждения при обыч-ной схеме соединения, нельзя пускать без нагрузки, так как при I = 0 теоретически ω = ∞ , то есть двигатель идет «вразнос». По этой же причине двигатель последовательного возбуждения не может рекуперировать энергию в сеть, так как для него всегда имеет место неравенство Uс > Е. Физически это означает, что при 0→I , а соответственно при 0→Ф , якорь двигателя выну-ждает возможно с большей скоростью пересекать магнитные си-ловые линии убывающего магнитного потока, чтобы выбрать ту же эдс Е, уравновешенную со-вместно с IR напряжение сети Uс. При шунтировании якоря эти ограничения отпадают. В этом случае при Iя=0 всегда сущест-вуют последовательные ток I=I шя, а, следовательно, созда-ваемый им поток 0)( ≠ШЯIФ , и соответственно, ∞≠ω .

При шунтировании якоря ω зависимости (IЯ) расположе-ны ниже естественной характеристики ввиду увеличения результирующего магнитного потока за счет Ф(IШ), (рис. 2.4.3, кривая 4).

Динамическое торможение осуществляется двумя путями: а) с независимым возбуждением, которое по существу во-

проса ничем не отличается от такового для двигателя независи-мого возбуждения и в этой работе не рассматривается. Доба-вочное сопротивление Rдоб вводится для ограничения тока

Рис. 2.4.3.

возбуждения до допустимого значения, обычно номинального (рис. 2.4.4, а);

б) с самовозбуждением. В этом случае силовая цепь элек-тродвигателя отключается от сети и замыкается на динамическое сопротивление. Во избежание размагничивающегося действия двигателя обратным током и сохранения знака потока возбужде-ния, для обеспечения тормозного эффекта переключают одно-временно зажимы обмотки возбуждения (рис. 2.4.4, б).

На рисунке 2.4.4, в для сравнительного анализа приведены электромеханические характеристики для динамического тор-можения: тонкими линиями – для независимого возбуждения; жирными линиями – для самовозбуждения при различных Rдин.

Рис. 2.4.4.

Из сравнения приведенных зависимостей следует, что при одной и той же скорости ω=сопst значение тока I 1>I 2, а, следова-тельно, М1>М2, то есть при прочих равных условиях тормозной эффект при независимом возбуждении лучше, чем при самовоз-буждении. Это объясняется тем, что при самовозбуждении Ф зависит от I . Поэтому при замедлении электродвигателя его ЭДС Е уменьшается как за счет скорости ω, так и за счет потока Ф, резко снижая тормозной ток, момент и эффект, в то время как

а б в

при независимом возбуждении поток остается постоянным, то есть Е = КE ωФ уменьшается только за счет скорости.

Противовключение осуществляется изменением направле-ния тока в якоре (полярности на зажимах якоря) или вращением двигателя против развиваемого им момента с помощью механи-ческой энергии, подводимой к валу двигателя. Этот режим в на-стоящей работе не рассматривается.

Программа работы 1. Ознакомиться с электрооборудованием опытной уста-

новки, схемой испытаний и методикой по снятию механических характеристик.

2. Снять и построить электромеханические характеристики: а) естественную; б) реостатную, для Rдоб = 0.5 Rн; в) искусственную для Uс = 0.5 Uн; г) искусственную при шунтировании якоря двигателя; д) искусственную при шунтировании обмотки возбуждения

двигателя; е) определить для всех случаев диапазон регулирования

скорости; ж) динамическую с самовозбуждением. 3. Пользуясь зависимостью Мэ(I), рассчитать и построить

механические характеристики для случаев а, б, в. 4. Произвести анализ полученных результатов и сделать

обобщающие выводы.

Метод исследования и описание опытной установки

В настоящей работе предусматривается эксперименталь-ный метод исследований с помощью нагрузочных машин со-гласно приведенной выше методике.

Схема опытной установки приведена на рисунке 2.4.5.

Цепи, обозначенные сплошными линиями – собраны; штриховыми линиями – предлагается собрать студентам.

Здесь ИД – испытуемый электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения; НМ1 и НМ2 – нагрузоч-ные машины постоянного тока независимого возбуждения; АД – асинхронный электродвигатель – гонник; R1 – регулировочный реостат (потенциометр); Rп – пусковой реостат; Rдин – динами-ческое сопротивление; Р1, Р2, P3 пакетные выключатели ВП-25; Р4 – переключатель на три положения ВП-1-131; A1, А2 – ав-томаты максимального тока А-31; ЛС1 , ЛС2 , ЛС3 - лампы сиг-нальные.

Методические указания по снятию механических характеристик

1. Предупреждения. Запрещается: подавать напряжение на НМ1 при отсутст-

вии возбуждения; подавать сразу полное напряжение на НМ1; отключать во время работы схемы обмотку возбуждения НМ1; запускать ИД без пускового сопротивления с силовой цепи Rп; запускать ИД без нагрузки. Превышать скорость агрегата ИД выше 1.3пн, превышать длительно значение тока IЯ и I более чем в 1.З раза; включать рубильник Р при согласном направле-нии Е1 и Е2.

2. Порядок включения опытной установки. При выполнении работы рекомендуется следующая после-

довательность операций: а) привести опытную установку в исходное состоянии. При

этом все выключатели должны находиться в выключенном по-ложении (положение 0); пусковой реостат Rп должен быть вве-ден; потенциометр R1 должен находиться в нулевом положении, так, чтобы напряжение на ОВМН2 отсутствовало; выключатель Р – разомкнут;

б) проверить при необходимости поверочным вольтметром V2 наличие напряжения в сети;

в) собрать схему. Включением выключателя Р2 запустить ИД для работы в не реостатном характеристике; включением выключателя Р1 возбудить НМ1, при этом должна загореться сигнальная лампочка ЛС1; поверочным вольтметром V2 убедить-ся в наличии напряжения на якоре НМ1, заметить его величину и полярность;

г) включением выключателя Р3 запустить агрегат постоян-ной скорости НМ2-АД, убедиться в его вращении; установкой потенциометра R1 в соответствующее положение возбудить НМ2 и, пользуясь поверочным вольтметром V2, перемещая движок R1, выверить напряжение на нагрузочных машинах Е1 и Е2. Они должны быть равны по величине и противоположны по знаку. В этом случае при одноименных зажимах стрелка V2 долж-на отклониться в ту же сторону;

д) выключателем Р замкнуть силовую цепь НМ1-НМ2 и убедиться в отсутствии тока I в этой цепи , после чего можно приступить к снятию характеристик ω(I я) для двигательного ре-жима работы. Так как в этом случае имеется возможность изме-рять непосредственно ток якоря, то снятие кривой момента по-терь в соответствии с методикой теряет смысл. Снять ω(I я) для пунктов а, б, в, г, д программы.

Для снятия ω(I я) в режиме динамического торможения с самовозбуждением необходимо:

а) привести опытную установку в исходное состояние (вы-ключить все выключатели в определенной последовательности, с учетом пункта 1 (запрещений). Отсоединить силовую цепь двигателя от сети питания, подключить ее к динамическому со-противлению Rдин и переключить концы обмотки возбуждения испытуемого двигателя ИД;

б) включением Р1 возбудить нагрузочную машину НМ1 и замыканием рубильника Р подготовить силовую цепь нагрузоч-ных машин к пуску НМ1;

в) запустить агрегат постоянной скорости АД – НМ2, включить Р4 и постепенным перемещением движка R1 регулиро-вать скорость НМ1, а следовательно, и скорость ИД, спаренного

Рис.

2.4

.5.

с ней. Для каждого установившегося состояния равновесия необходимо измерить ток I я и скорость ω. Экспериментальные данные занести в таблицу и затем построить по ним искомые ха-рактеристики.

Контрольные вопросы

1. Дать определение механической и электромеханической характеристик, объяснить их разницу. 2. Объяснить конфигурацию механических характеристик для всех случаев и сформулировать отличительные эксплуата-ционные и регулировочные особенности двигателя последова-тельного возбуждения. Оценить показатели регулирования ско-рости. 3. Рассказать о назначении элементов в работе схемы опытной установки, последовательности операций при включе-нии схемы в работу и при снятии характеристик. Объяснить ме-тодику снятия характеристик с помощью нагрузочных машин. Проделать анализ режимов работы для всех электрических ма-шин, используемых при снятии характеристик. 4. Оценить возможные неисправности в схеме и заострить внимание на мероприятиях по технике безопасности.

2.5. Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором

при различных способах параметрического регулирования углов скорости

Цель работы: снять механические характеристики асинхрон-

ного электродвигателя с контактными кольцами эксперимен-тальным путем. Ознакомиться с его регулировочными свойства-ми, особенностями пуска и тормозных режимов, энергетически-ми показателями.

Теоретические предпосылки

Условное обозначение и принципиальная электрическая схе-ма асинхронного электродвигателя с контактными кольцами приведены на рис. 2.5.1, а, б.

Здесь 1 и 2 – статор и ротор электродвигателя; R – добавочное сопротивление ≠ 0. Механической характеристикой асинхронного электродви-

гателя называется зависимость ω(Мэ), скорость вращения ω от электромагнитного момента Мэ. Она характеризует поведение скорости при изменении нагрузки на валу в установившемся ре-жиме работы двигателя. Аналитическое выражение механиче-ской характеристики может быть получено из схемы замещения двигателя и представлено в виде:

где МК и SК – критические значения момента и скольжения; М и S – текущие значения момента и скольжения.

(2.5.1) ,2

+

=

SS

SS

ММ

К

К

К

Рис.3.1.

а б Рис. 2.5.1.

Рис. 2.5.2. Взаимосвязь между скоростью ω и скольжением S осущест-

вляется выражением

Задаваясь значением ω и подсчитывая по моментам М, считая ω0, МК, SК заданными, можно рассчитать и построить механиче-скую характеристику.

Из приведенных соотношений видно, что при ω = 0, S = 1 и, соответственно, при ω = ω0, S = 0. То есть механическую харак-теристику можно строить как в осях скольжения S, так и в осях скорости ω или n, как показано на рисунке 2.5.2.

Здесь ω0 – синхронная скорость электродвигателя (скорость вращения магнитного поля, с-1), которую в приводе принято на-зывать скоростью идеального холостого хода:

(2.5.2) .0

0

ωωω −

=S

(2.5.3) ,60

0 P

f=ω

где f и Р – частота напряжения сети и число пар полюсов двигателя.

Асинхронные электродвигатели выпускаются с n0 = 3000, 2000, 1500, 1000, 750, 500….Скорость ω0 не зависит от напряже-ния U1 и сопротивления R2. Критическое скольжение (SК), зависящее от величины вра-щения ротора, может быть определено по формуле

( ) (2.5.4) , 122 −±=+

= ммн

К

доб

K SХ

RRS λλ

где λм = Мк / Мн – перегрузочная способность двигателя по моменту, Н×м; Мн – номинальный момент электродвигателя, кг×м;

где Рн – номинальная мощность двигателя, кВт;

nн – номинальная скорость двигателя, об/мин; R2 и Rдоб – приведенное сопротивление ротора и добавочное

сопротивление, Ом.

где Е2к = Е1/Ктр, Е1 = 0.95Uн, Ктр = (1.3 ÷ 1.4) – коэффициент трансформации; Sн – номинальное скольжение электродвигателя

Момент критический, кг×м, зависит от квадрата напряжения

сети U1 и не зависит от сопротивления цепи ротора

(2.5.6) ,3 2

22

н

кн

I

ЕSR =

(2.5.7) , 0

0

ωωω н

нS−

=

(2.5.5) ,9950М или 975 н

н

н

н

н

н n

Р

n

РМ ==

( ) (2.5.8) .2 1

210

211

RXR

UmM

k

k±+

±=ω

Здесь (+) – для двигательного режима работы, (-) – для генера-торного.

Так как ω0 и Х зависят от первой степени частоты 1, то выра-жение (2.5.8) можно представить в виде

где С1 – постоянный коэффициент, а R1 = 0, так как при больших f, R1<<X. Путем аналогичных рассуждений можно показать, что при S = 1 (при пуске двигателя)

Из приведенных соотношений следует, что пусковой момент

обратно пропорционален кубу частоты, то есть уменьшение час-тоты напряжения благоприятно сказывается на пусковых свой-ствах двигателя. Следовательно, изменение R2, U1, f можно ис-пользовать, в принципе, для улучшения условий пуска, тормо-жения, конфигурации механической характеристики, а также для регулирования скорости.

На практике для асинхронных электродвигателей с контакт-ными кольцами (из перечисленных) наиболее широко применя-ется работа двигателя на реостатных механических характери-стиках, то есть при введении добавочного сопротивления в цепь ротора (рис. 2.5.3).

Так как Sk пропорционально R2, то реостатные характеристи-ки имеют меньшую жесткость, чем естественные, а их максиму-мы лежат на одной прямой М = Мк, которая не зависит от вели-чины R2. При изменении 0 < Rдоб < Rн можно получить семейст-во механических характеристик ниже основной (естественной),

(2.5.9) , 2

21

1f

UCM k =

(2.5.10) .3

21

2 f

UCM n =

выходящей из одной точки ω0, которая не зависит от Rдоб. Это можно применить для регулирования скорости двигателя в диа-пазоне 1:3; для увеличения пускового момента, сокращения вре-мени пуска; для улучшения конфигурации (линеаризации) меха-нической характеристики при пуске с целью наиболее равно-мерного распределения возникающих ускорений при пуске, что благоприятно сказывается на кинематике привода. При пуске без Rдоб в точке перегиба временной характеристики скорости, соот-ветствующей М = Мк, ускорения выходят обычно за пределы допустимых, что сказывается на износе механической части привода. Введение сопротивления в ротор при пуске двигателя снижа-ет пусковой ток I 2п, что благоприятно сказывается на сети, осо-бенно при больших мощностях привода. Это видно из аналити-ческого выражения электромеханической характеристики I 2(S), если положить в ней S = 1:

Рис. 2.5.3.

Полное сопротивление фазы ротора можно подсчитать по формуле

где RД – полное сопротивление цепи ротора в долевых едини-цах. Оно может быть найдено графически в виде отрезка, отсе-каемого механической характеристикой и асимптотой ω0 при

М=Мк=IД; Rн – номинальное сопротивление электродвигателя, Ом

где Е2н – эдс между кольцами неподвижного разомкнутого рото-ра, I 2н – номинальное значение тока ротора электродвигателя.

Добавочное сопротивление может быть представлено как

При динамическом торможении двигатель отключается от се-

ти переменного тока, при этом обмотка статора подключается к источнику постоянного тока через добавочное сопротивления для ограничения тока статора в пределах допустимого, а к об-мотке ротора подключают сопротивление, называемое динами-ческим. В этом случае двигатель работает как генератор пере-менной частоты. Торможение длится до тех пор, пока весь запас кинетической энергии не превратиться в джоулевы потери, вы-деляемые в виде тепла в сопротивлениях силовой цепи ротора.

( )(2.5.11) .

21

2

21

12

XXS

RR

UI п

′++

′+

=′

(2.5.12) ,нДRRR =

(2.5.13) ,32

2

н

н

нI

ЕR =

(2.5.14) .2RRRдоб ′−=

Конфигурация механической характеристики при динамиче-

ском торможении зависит от принятого соединения обмоток статора. В частном случае аналитическое выражение для дина-мической характеристики может быть получено, если генера-торный режим двигателя заменить эквивалентным двигателем. Для этого действующую схему с постоянным током в статоре заменяют эквивалентной по действию ЭДС на переменном токе. Взаимосвязь между переменными I с и постоянным I в токами осуществляется эмпирическими коэффициентами.

При этих условиях выражение для динамической характери-стики будет иметь вид

где I' 2 и R'2/S – являются сложными функциями I c и I в . На рисунке 2.5.4 приведены сплошными линиями механиче-

ские характеристики для работы двигателя в режиме динамиче-ского торможения при различных сопротивлениях цепи ротора Rдоб, I в = const, а также штриховыми линиями – для других зна-чений Iв и тех же значений Rдоб.

Из них следует, что при одной и той же скорости ω = const, величина тормозного момента, а, следовательно, и время тормо-

( ) (2.5.15) ,92.2 2

20

SfS

RI

nM =

′′=

Рис. 2.5.4.

жения, зависят от Rдоб и I в. Причем с увеличением I в и уменьше-нием Rдоб тормозной эффект возрастает.

Исследование механических характеристик в режиме проти-вовключения в этой работе не рассматривается.

Программа работы

1. Ознакомиться с электрооборудованием опытной установ-

ки и схемой испытаний. Записать данные электрических машин и приборов. В случае необходимости подобрать дополнительно приборы, нужные для проведения опыта.

2. Определить параметры, необходимые для проведения расчетов.

3. Снять и построить механические характеристики ω(I нм) для случаев:

а) естественные для двигательного и рекуперативного ре-жимов работы;

б) реостатные, для сопротивлений R2 = R’2 + Rдоб = 0.5Rн и

R2 = Rн; в) динамические по указанию преподавателя; г) кривую тока холостого хода ω(IНМхх). Пользуясь зависимостью, найти механические характеристи-

ки ИД: ω(Мэ).

Метод исследований

В настоящей работе предусмотрен экспериментальный метод исследований механических характеристик с помощью нагру-зочных машин.

Схема опытной установки приведена на рисунке 2.5.5. Цепи, обозначенные штриховыми линиями, предлагается собрать сту-дентам, остальные – собраны.

Здесь ИД – испытуемый электродвигатель; АД – асинхрон-ный электродвигатель – гонник агрегата, ω = const; НМ1 и НМ2 – нагрузочные машины постоянного тока независимого возбуж-дения; R1 – силовой реостат в цепи ротора ИД; R2 – регулиро-

Рис.

2.5

.5

вочный реостат (потенциометр); ЛС1 и ЛС2 – сигнальные лампы; Р1, Р2, Р3, Р4 – рубильники.

Указания по снятию характеристик

1. Предупреждения. Запрещается: подавать напряжение на якорь НМ1 при отсут-

ствии возбуждения и отключать ее обмотку возбуждения (ОВНМ1) во время работы НМ1; подавать на нагрузочную ма-шину НМ1 сразу полное напряжение; запускать ИД без добавоч-ного сопротивления R1 в роторе; превышать скорость агрегата ИД-НМ1 более чем в 1.3 раза, превышать значение тока элек-трических машин при длительной работе более чем в 1.2 раза; включать рубильник Р при согласном направлении Е1 и Е2.

2. Порядок включения опытной установки. При включении опытной установки в работу рекомендуется

соблюдать следующую последовательность операций: а) привести схему в исходное состояние. При этом все вы-

ключатели должны находиться в выключенном положении (по-ложение 0); пусковой реостат R1 должен быть введен; потен-циометр R2 должен находиться в нулевом положении; рубиль-ник Р – разомкнут;

б) проверить, при необходимости, поверочным вольтметром наличие напряжения на клеммах стенда;

в) собрать схему и убедиться в правильности соединения цепей;

г) включить Р2, подать напряжение на обмотку статора ИД и убедиться во вращении ротора двигателя;

д) включением выключателя Р1 подать напряжение на ОВНМ1 и поверочным вольтметром убедиться в наличии на-пряжения в зажимах якоря НМ1;

е) выключателем выключателя Р3 подать напряжение на об-мотку статора АД и убедиться в его вращении;

ж) выключить выключатель Р4 и установкой переключателя Р6 и потенциометра в соответствующее положение возбудить

НМ2. Пользуясь поверочным вольтметром, перемещая движок R2, добиться равенства по величине и противоположности по знаку Е2 по отношению Е1;

з) включением Р замкнуть силовую цепь нагрузочных машин и убедиться в отсутствии тока I . После этого можно приступить к снятию электромеханических характеристик НМ1 сначала для рекуперативного и затем для двигательного режимов работы. Полученные данные необходимо пересчитать в единицы момен-та.

Для снятия механических характеристик в режиме динамиче-ского торможения необходимо:

а) привести опытную установку в исходное состояние, отсо-единить обмотку статора ИД от сети переменного тока и под-ключить ее к сети постоянного тока 40В, затем включением Р5 подать напряжение на статор ИД;

б) включить выключатель Р1 и Р, запустить агрегат постоян-ной скорости АД-НМ2 и постепенно увеличивать напряжение на ОВНМ2. Измерить для каждого установившегося состояния рав-новесия привода ω и ток I для НМ1 и после пересчета на момент построить зависимость ω(Мнм1).

Кривая момента потерь холостого хода снимается при от-ключенном ИД. Для этого регулируется скорость НМ1 по систе-ме генератор-двигатель (НМ2-НМ1) и для каждого установивше-гося состояния равновесия измеряется скорость и ток I НМ1. По-сле пересчета на момент строиться зависимость ω(Мхх).

Механические характеристики ИД получают суммированием моментов при одной и той же скорости характеристик, снятых для НМ1 и кривой потерь.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение полученных в процессе эксперимента

характеристик и объясните их конфигурацию во всех режимах работы. Оцените особенности пуска, остановки выбегом и элек-трического торможения ИД. Объясните, как влияют параметры

Uc, R2, f и другие параметры на конфигурацию снятых характе-ристик.

2. Рассмотрите и оцените режимы работы всех электрических машин при снятии характеристик (двигательный, генераторный). Объясните, когда почему и как изменяется момент потерь холо-стого хода.

3. Оцените показатели регулирования скорости при измене-нии сопротивления R2 в роторе ИД (диапазон регулирования скорости и зависимость его от нагрузки; степень плавности и стабильности характеристик; возможность направления регули-рования; степень экономичности).

4.Укажите последовательность расчета механических харак-теристик.

2.6. Исследование механических характеристик электромеханического машинно-вентильного каскада

постоянной мощности

Цель работы: снять экспериментальным путем механические характеристики асинхронного двигателя с контактными кольца-ми в схеме машинно-вентильного электромеханического каскада постоянной мощности.

Теоретические предпосылки

Цель применения каскадного регулирования скорости асин-хронного двигателя с контактными кольцами – использовать по-лезно мощность скольжения P1S, которая при реостатном регу-лировании скорости превращается в джоулево тепло в реостате. Каскады бывают электрические и электромеханические. В электрическом каскаде энергия скольжения возвращается в сеть. Такой каскад называется каскадом постоянного момента и переменной мощности (M = const, P = var). В электромеханиче-ском каскаде энергия скольжения возвращается на вал двигате-

ля, скорость которого надо регулировать. Этот каскад получил название каскада постоянной мощности и переменного момен-та (P = const, M = var).

Различают машинные, вентильные и машинно-вентильные каскады. Электромашинные выполняются на базе электрических машин. Вентильные не содержат вращающихся машин, кроме асинхронного двигателя, скорость которого подлежит регулиро-ванию. Они выполняются на базе полупроводниковых выпрями-телей, работающих в выпрямительном и инверторном режимах работы. Машинно-вентильные каскады содержат как вращаю-щиеся машины, так и полупроводниковые выпрямители. Во всех случаях преследуется одна цель – использовать полезно мощность скольжения ротора при регулировании скоро-сти. Регулирование скорости во всех каскадах осуществляется путем введения ЭДС в ротор асинхронного двигателя, которая может быть постоянной или синусоидальной. Возможности регулирования скорости путем введения до-бавочной ЭДС в ротор вытекают из известного выражения

)(12

0 МП

К

МПОК Ef

Е

E=

−= ωω , (2.6.1)

где ω0 – синхронная скорость двигателя вне каскада; ωок – скорость идеального холостого хода в каскаде; ЕМП – ЭДС, вводимая в ротор; Е2К – ЭДС к. з. ротора двигателя, принятая за 1. Здесь ЕМ /Е2К < 1, поэтому ωок < ω0 . Синхронная скорость

Ρ⋅= fπω 2

0 , (2.6.2)

где f, P – соответственно частота напряжения сети и число пар полюсов. Из (2.6.1) следует, что изменением ЕМП можно регулиро-вать скорость ωок, а, следовательно, и угловую скорость ω на валу асинхронного двигателя.

Метод исследования и описание опытной установки

В настоящей работе подлежит исследованию машинно-вентильный электромеханический каскад постоянной мощности, электрическая схема которого приведена на рис. 2.6.1.

Рис. 2.6.1.

Здесь АД – асинхронный двигатель с контактными кольца-

ми, угловую скорость ω которого требуется регулировать введе-нием ЭДС ЕМП в его ротор. ВМ – выпрямительный мост служит для выпрям-ления мощности скольжения P1S ротора из переменного тока в постоянный для того, чтобы согласовать работу асинхронного двигателя АД с машиной МП постоянного тока. Машина постоянного тока (МП) работает в режиме двига-теля независимого возбуждения. Она вырабатывает ЭДС ЕМП, которую необходимо ввести в ротор АД для регулирования его скорости, а также возвращает мощность скольжения Р1S на вал асинхронного двигателя.

А

А

мп нп

ААА

ТТТ ГГГ

Rпуск Q2 -P1S

P1S АД

Q1

ω M

Q3

ВМ

IМП

ОВМП

IВМП

Rв

Q4

Q5

R

ОВНМ

RВНМ

Rпуск. – пусковой реостат.

Мощность на валу АД вне каскада Рв = Р1 – Р1S, (2.6.3)

где P1 – мощность, забираемая из сети; Р1S – мощность скольжения ротора; S - скольжение.

Мощность на валу АД в каскаде: Pв = P1 – P1S + P1S = P1 = const . (2.6.4)

Следовательно

var1 =Ρ

=ω

M ,

где P = const, M = var.

Рис. 2.6.2. Рис. 2.6.3.

Тогда на общем валу действуют два момента: MАД – мо-мент, развиваемый асинхронным двигателем и ММП – момент машины постоянного тока. Следовательно, результирующий момент на общем валу

M = MАД + ММП > МАД , (2.6.5)

где ММП = КМФМПIМП ,

)(10

МП

МПdМП Ef

R

EEI =

∑

−= ,

EМП = КеФМП ω = f2 (EМП) ,

a

c

М

ω S

б M P

M

ω

P

Процесс регулирования скорости ω с учетом приведенных формул сводится к следующему. При увеличении потока ФМП увеличивается ЕМП (ω = const), т. е. уменьшается ток IМП, мо-мент ММП и М становится меньше мс, что соответствует неус-тойчивой точке «б». В результате снижается скорость и растет скольжение S и, наоборот, при уменьшении же ФМП скорость стремится к точке «а»

На рис. 2.6.4 приведены механические характеристики

Рис. 2.6.4.

1 – естественная механическая характеристика асинхронно-

го двигателя вне каскада; 2 – искусственная в каскаде, но при IВМП = 0; 3,4 – искусственные в каскаде при IВМП > 0.

Из анализа характеристик следует, что при IВМП = 0 момент критический асинхронного двигателя в каскаде меньше, чем вне каскада, на величину М∆ , что объясняется коммутацией вентилей ВМ.

S1

S2

S3

∆M

ω01

ω03

ω02

Mk1 Mk2 Mk3

M

ω S

1

3

4

При увеличении тока возбуждения IВМП скорость снижа-ется, момент критический и перегрузочная способность увели-чиваются, а жесткость характеристик повышается.

Уменьшение скорости следует из (2.6.1). Увеличение мо-мента критического происходит за счет МП, что вытекает из формулы момента

( ) ( )SSR

EEM

Э

МПd −+

= 00

20

ω, (2.6.6)

то есть М пропорционален ( )20 МПd EE + и несколько снижа-

ется обратно пропорционально первой степени эквивалентного сопротивления SRЭ ≡ .

Жесткость увеличивается за счет МП, которая развивает на валу дополнительный момент, повышает модуль жесткости про-порционально квадрату ЕМП, а также за счет увеличения SRЭ ≡ ,

где RЭ пропорционально скольжению S.

( )Э

МПd

R

EE

0

20

ωβ +

= . (2.6.7)

Методические указания по снятию механических характеристик

В исходном состоянии все рубильники разомкнуты, кро-

ме Q2. Замыканием рубильника Q2 осуществляется реостатный пуск АД, а затем замыканием Q4 подается напряжение на ОВ МП. При этом Rв должен быть полностью введен. Выверяется полярность на входе ВМ и якоря МП. Они должны быть проти-воположны по знаку. Затем замыканием Q3 якорь МП подклю-чается к ВМ, что равносильно введению небольшой ЭДС. ЕМП в ротор асинхронного двигателя. Пусковой реостат с помощью Q2

отключается, и асинхронный двигатель начинает работать в кас-каде на механической характеристике 2, близкой к естественной. С помощью реостата Rв увеличивается IВМП, ФВМП, ЕМП, регули-руя скорость ниже основной в диапазоне 101÷≅ .

Программа работы 1. Ознакомиться с электрооборудованием опытной ус-

тановки, и схемой испытания. Записать данные электрических машин и приборов.

2. Снять и построить механические характеристики: а) естественную; б) искусственную при IВМП=0; в) искусственные при IВМП=0,5IВМП.Н и IВМП = IВМП.Н . 3. Произвести анализ и сделать обобщающие выводы.

Контрольные вопросы 1. Сформулируйте цель применения каскадного регулиро-

вания угловой скорости асинхронного двигателя с контактными кольцами.

2. Каким параметром осуществляется регулирование скоро-сти асинхронного двигателя с контактными кольцами в каскаде (физические и практические)?

3. Как и почему надо изменить поток ФВМП, чтобы скорость уменьшилась?

4. Как влияет введение ЭДС ЕМП в ротор асинхронного дви-гателя на скорость идеального холостого хода?

5. Почему внизу диапазона жесткость механических харак-теристик и перегрузочная способность выше, чем на верхнем пределе скорости?

6. Что будет, если во время работы отключить обмотку воз-буждения МП?

7. Чем объяснить разницу в критических моментах естест-венной характеристики асинхронного двигателя и искусствен-ной при IВНМ=0?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнение лабораторных работ, представленных в учеб-ном пособии, позволяет закрепить знания, полученные при изу-чении основных разделов курса «Электрические машины». Про-грамма испытаний электрических машин постоянного и пере-менного тока предполагает предварительное освоение, как лек-ционного материала, так и отдельных разделов учебной литера-туры, указанной в данном пособии.

После выполнения программы испытаний, заполнения ряда таблиц результатами экспериментальных исследований электри-ческих машин предусмотрен достаточно большой объем само-стоятельной работы, связанной с построением эксперименталь-ных кривых и их анализом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Токарев, Б. Ф. Электрические машины / Б. Ф. Токарев. – М.:

Энергоатомиздат, 1990. – 624 с. 2. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для ву-

зов/ Н. П. Копылов, Ф. А. Горменов, Б. К. Клоков и др.; Под ред. Н. П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 496 с.

3. Чиликин, М. Г. Общий курс электропривода / М. Г. Чиликин. – М.: Энергия, 1972. – 607 с.

4. Крицштейн, А. М. Электрические машины и аппараты: Сб. ла-бораторных работ / А. М. Крицштейн. – Ульяновск.: УлГТУ, 1997. – 45 с.

Учебное издание

Крицштейн Александр Михайлович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Лабораторный практикум

Редактор Н. А. Евдокимова Набор и верстка С. В. Алексеев, Д. А. Смирнов

Подписано в печать 30.04.2004. Формат 60×84/16.

Бумага тип. № 1. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 4,42. Уч. – изд.л. 4,00. Тираж 100 экз. Заказ.

Ульяновский государственный технический университет

432027, Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.