Сергеев Валерий Сергеевич 3 страница

Рис. 2.2. Механическая характеристика асинхронного электродвигателя.

В приведенных формулах обозначения с индексом 1 относятся к обмотке статора (первичной цепи), а с индексом 2 – к обмотке ротора (вторичной) цепи:

- U_1Ф - действующее значение фазного напряжения;

- R₁, X₁ - активное и индуктивное сопротивления обмотки фазы статора;

- R₂, X₂ – аналогичные сопротивления фазы ротора;

- R¢₂, X¢₂ - приведенные к обмотке статора активное и индуктивное сопротивления фазы ротора;

В данной лабораторной работе механическая характеристика строится на основании опытов в пределах рабочего участка характеристики, а проверка сходимости с расчетом осуществляется в трех точках при w = 0, w = w_н, w = w_кр. Необходимые данные к расчету приведены на асинхронные электродвигатели в каталогах или в справочниках: кратность пускового момента m_п = М_п / М_н; кратность максимального момента или перегрузочная способность m_к = М_к / М_н; кратность минимального момента m_м = М_м / М_н; номинальная мощность на валу Р_н и номинальная частота вращения w_н.

По этим данным можно получить следующие точки механической характеристики (рис. 2.2):

1. М_п = m_п × М_н = 2,1 М_н; w = 0;

2. М_м = m_м × М_н = 1,6 М_н; w = w_м = w_о (1 - S_м), где S_м = 0,85;

3. М_кр = m_к × М_н = 2,2 М_н; w_кр = w_о (1 - S_кр);

где:

k_м = m_к / m_п;

S_н = (n₀ – n_н) / n₀;

4. М_н = 9550 Р_н / n_н, если Р_н выражена в кВт, n_н – в об/мин,

или М_н = Р_н / w_н, если Р_н выражена в Вт, w_н – в с^-1, w = w_н = p n_o / 30;

5. М = 0, w = w_о = 2pf / p.

Механическая характеристика электродвигателя может быть построена и по уравнению Клосса:

На вид механической характеристики влияют как внешние параметры, так и внутренние параметры асинхронного электродвигателя.

Имеются три основных способа для изменения естественной механической характеристики:

- изменение питающего напряжения (момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, пропорционален квадрату напряжения М º U²);

- изменение частоты f переменного тока;

- включение в цепь статора добавочного активного или индуктивного сопротивления.

Работа 3. ИСПЫТАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель и порядок выполнения работы

Цель работы: 1. Изучить механическую и рабочие характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

2. Проанализировать полученные в результате испытаний характеристики электродвигателя.

При выполнении работы необходимо: 1. Изучить общие положения о механической и рабочих характеристик электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

2. Ознакомиться с техническими данными электродвигателями, оборудования, приборов.

3. Изучить работу электрической схемы испытания электродвигателя.

4. Провести испытания электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Объект и средства исследования

Объектом изучения и исследования является агрегат, состоящий из электродвигателя постоянного тока и тормозного устройства (балансирной машины постоянного тока) являющего нагрузкой для испытуемого электродвигателя. Загрузка электродвигателя регулируется изменением тока якоря балансирной машины путем изменения сопротивления реостата нагрузки. Основные технические данные электродвигателя: тип - П-21; номинальная мощность Р_н = 0,37 кВт; номинальное напряжение U_н = 115 В; номинальный ток I_н = 3,22А; номинальная частота вращения n_н = 1450 об/мин. Балансирная машина с параллельным возбуждением имеет следующие паспортные данные: тип - П-22, Р_н = 1,0 кВт, U_н = 220 В, I_н = 5,9 А, n_н = 1500 об/мин.

Средствами исследования служат вольтметр PV электромагнитной системы типа 359 с пределами измерения 75, 150, 300, 600 В; амперметр PA электромагнитной системы типа Э59 с пределами измерения 5, 10 А; реостаты ползункового типа РСП: для двигателя – пусковой R_п (сопротивление 600 Ом, ток 0,6 А), регулировочный R_р (сопротивление 10 Ом, ток 3 А), для балансирной машины – возбуждения R_ов (два сопротивлением 1000 Ом, ток 0,4 А), нагрузка R_н (два сопротивлением 50 Ом, ток 3 А, два сопротивлением 30 Ом, 5 А); четыре груза (4,9; 9,8; 14,7; 19,6 Н), цифровой тахометр типа ЦАТ-2М, измеряемая частота вращения 0...9999 об/мин.

Рабочее задание

1. Выписать технические данные электродвигателя и балансирной машины постоянного тока, характеристики средств исследования.

2. Начертить принципиальную электрическую схему лабораторной установки (рис. 3.1) и таблицу 3.1 результатов опытов.

3. Собрать цепь в соответствии со схемой (рис. 3.1) с помощью проводов и подсоединить ее к силовому настенному щитку с напряжением 220 и 115 В. После разрешения преподавателя включить установку в сеть и приступить к непосредственному испытанию двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Перед пуском двигателя все реостаты должны находиться в положении, обеспечивающим малый пусковой ток, чтобы двигатель не шел в разнос.

4. Изменяя нагрузку на валу двигателя путем смены грузов весом 4,9; 9,8; 14,7; 19,6 Н на рычаге балансирной машины, снять показания измерительных приборов. Данные измерений (ток I, напряжения U, нагрузки F, частоты вращения n по тахометру) занести в таблицу 3.1.

5. Произвести регулирование частоты вращения якоря двигателя реостатом R_н в цепи якоря (пускорегулировочным) и реостатом R_ов, включенным параллельно обмотке возбуждения (регулировочным).

Рис. 3.1. Электрическая схема лабораторной установки.

6. Изменить направление вращения якоря электродвигателя.

7. По результатам измерений вычислить и записать в таблицу 3.1 следующие величины: мощность, потребляемая двигателями из сети Р₁, мощность на валу балансирной машины Р₂, мощность потерь установки DР, момент на валу двигателя М_дв, к.п.д. установки h_у, к.п.д. двигателя h_дв.

8. По расчетным данным таблицы 3.1 в соответствующих масштабах построить характеристики: М_дв = f₁ (w), w = f₂ (I), М_дв = f₃ (Р₂), w = f₄ (P₂), h_дв = f₅ (P₂) при w = const.

Таблица 3.1. Результаты испытания двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

№

Измерения

Вычисления

I

U

n

Fторм

Мдв

Р1

Р2

DР

hу

hдв

опыта

А

В

об/мин

Н

Н×м

Вт

Вт

Вт

-

-

Программа подготовки к выполнению рабочего задания

1. Изучить необходимые разделы в рекомендуемой литературе [1, 3.4, с. 65…70], [2, с. 115, 5.5, с. 122…124], [4, 3.5, 3.9, с. 107…109, с. 115…117], [5, §2-2, с. 17…21, §2-6, с. 31…34].

2. Записать паспортные таблички электродвигателя и тормозного устройства и проанализировать его номинальные данные.

3. Записать формулы, необходимые для расчета мощности, потребляемой двигателем из сети Р₁, мощности на валу балансирной машины Р₂, мощности потерь установки DР, момента на валу двигателя М_дв, к.п.д. установки h_у и двигателя h_дв.

Методические указания по выполнению рабочего задания

и обработке результатов эксперимента

1. Перед включением установки в сеть необходимо убедиться в надежности крепления и соединения испытуемого двигателя и тормозного устройства.

2. При работе с электроустановкой необходимо соблюдать правила техники безопасности и эксплуатации электроустановок потребителей.

3. При измерениях следить за показаниями, приборов и не перегружать их.

4. Необходимые вычисления по данным опытов определять по выражениям:

- потребляемая мощность двигателем из сети:

Р₁ = I × U, Вт

где I – ток, потребляемый двигателем из сети, А;

U – напряжение на зажимах двигателя, В;

- мощность на валу балансирной машины:

P₂ = М_торм × w, Вт,

где М_торм = F_торм × l – усилие на тормозе, Н;

l = 0,318 м – длина плеча тормоза, м;

- угловая скорость якоря двигателя:

w = p n / 30, с^-1,

где n – частота вращения якоря двигателя (по тахометру), об/мин.

- мощность потерь установки:

DР = Р₁ – Р₂, Вт;

- коэффициент полезного действия установки:

h_у = Р₂ / Р₁ = h_дв h_т,

где h_{дв –} к.п.д. двигателя;

h_т – к.п.д. тормозного устройства;

- коэффициент полезного действия электродвигателя:

- мощность на валу электродвигателя:

Р_дв = Р₁ h_дв, Вт;

- движущий момент электродвигателя:

М_дв = Р_дв w.

5. При построении механической и рабочих характеристик установки следует исходить из того, что по оси абсцисс откладывается или частота вращения w, а по оси ординат М_дв для механической характеристики М_дв = f₁ (w) или I, и по оси ординат w для скоростной характеристики w = f₂ (I),или P₂, а по оси ординат М_дв, w, h_дв для рабочих характеристик М_дв = f₃ (Р₂), w = f₄ (P₂), h_дв = f₅ (P₂).

Контрольные вопросы

1. Пояснить работу лабораторной установки, исходя из ее электрической схемы.

2. Объяснить, в каком положении должны находиться реостат лабораторной установки при пуске и при работе двигателя в длительном установившемся режиме и почему?

3. Почему механическая характеристика М_дв = f(w) двигателя постоянного тока последовательного возбуждения называется "мягкой"?

4. Почему нельзя пускать двигатель постоянного тока последовательного возбуждения вхолостую и при малой нагрузке.

5. Пояснить физический смысл полученных рабочих характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

6. Каким образом происходит изменение направления вращения электродвигателя при его реверсировании?

Основные положения при испытании двигателя

постоянного тока последовательного возбуждения

В двигателе последовательного возбуждения (сериесного) обмотка возбуждения ОВ включена последовательно в цепь якоря (рис. 3.2), в связи с чем ток возбуждения, а следовательно, и поток возбуждения определяется нагрузкой на валу двигателя, т. е. магнитный поток Ф является функцией тока якоря I. Поэтому при возрастании нагрузки на валу двигателя частота вращения w последнего уменьшается как за счет роста падения напряжения в цепи якоря I(R_я + R_ов + R_п), так и за счет увеличения магнитного потока Ф, что следует из уравнения скоростной характеристики двигателя:

где R_я + R_ов + R_п - суммарное сопротивление цепи двигателя, состояние из сопротивлений обмоток якоря R_я, обмоток возбуждения R_ов, пускового резистора R_п;

С - коэффициент, зависящий от конструктивных данных двигателя.

Рис. 3.2. Схема включения двигателя постоянного тока

последовательного возбуждения.

Так как в обмотке возбуждения течет полный рабочий ток, то принято считать, что для нагрузки, равной 75 % от номинальной и ниже (пока сталь магнитопровода не слишком насыщена), момент электродвигателя пропорционален квадрату тока М_дв = a₁ I², а магнитный поток Ф = a₂ I. Исключив из зависимостей w = f (I), М_дв = y (I) ток I, получим:

где , – постоянные величины.

Эта зависимость показывает, что при ненасыщенной магнитной цепи двигателя (небольшая нагрузка на двигатель) механическая характеристика имеет гиперболический характер, для которой ось абсцисс является асимптотой (рис. 3.3). Особенностью механической характеристики двигателя последовательного возбуждения является ее большая крутизна в области малых значений момента. При номинальной нагрузке и выше, когда величина магнитного потока становится почти постоянной, зависимость между частотой вращения якоря двигателя и моментом приближается к прямой линии.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения является мягкой. Мягкой называется такая механическая характеристика, при которой с изменением момента частота вращения изменяется значительно. Жесткость характеристики уменьшается с ростом дополнительного сопротивления в якорной цепи. При одном и том же моменте нагрузки с увеличением сопротивления частота вращения двигателя уменьшается, характеристика смещается вниз. Величина сопротивления пускового резистора определяется из условия, чтобы ток двигателя при пуске не превышал (2,0…2,5) I_н.

Особенностью механической характеристики рассматриваемого двигателя является невозможность получения режима идеального холостого хода, на что указывают уравнения скоростной характеристики и механической характеристики двигателя. Уже при нагрузке ниже 15…20 % номинальной, работа двигателя практически недопустима из-за чрезмерного увеличения частоты вращения якоря двигателя.

Реверсированием называется процесс изменения направления вращения якоря двигателя на ходу. Из выражения, определяющего вращающий момент двигателя

М_дв = k Ф I_я

следует, что для изменения направления вращения якоря необходимо или изменить направления магнитного потока обмотки возбуждения, или тока в обмотке якоря.

Работа 4. Определение момента инерции системы «электродвигатель – рабочая машина» методом свободного выбега

Цель и порядок выполнения работы

Цель работы: определить момент инерции асинхронного элект­родвигателя с короткозамкнутым ротором, работавшего совместно с очистителем-охладителем молока ОМ-1А, методом свободного выбе­га (самоторможением).

При выполнении работы необходимо: 1. Изучить состав и основные характерис­тики электропривода устройства очистителя-охладителя молока ОМ-1А.

2. Провести испытания электропривода устройства очистите­ля-охладителя молока ОМ-1А.

Объект и средства исследования

На рабочем месте смонтирована лабораторная установка, в которой объектом изучения и исследования является очиститель-охладитель молока ОМ-1А, представляющий собой очис­титель центробежного типа и теплообменник пластинчатого типа (охладитель). Привод очистителя осуществляется через приводной механизм от трехфазного асинхронного короткозамкнутого элект­родвигателя типа 4АМ80В2-УЗ, соединенного через измерительные приборы монтажными проводами с трехфазной четырехпроводной сетью напряжением 220/380 В.

Основные параметры очистителя-охладителя молока ОМ-1А:

- по­дача Q = 17…21 дм³/мин = 1020...1260 л/ч;

- частота вращения ба­рабана сепаратора w = 134 (-2…+5) с^-1, или n = 8000 (-100…+300) об/мин;

- температура очищаемого молока – 24...36 °С;

- время набора бараба­ном сепаратора рабочей частоты вращения - 1...3 мин;

- хладоно­ситель - вода из холодильной установки или артезианской скважи­ны;

- источник энергии - трехфазная электросеть 220/380 В, 50 Гц;

- тип двигателя очистителя - 4АМ80В2-УЗ;

- тип двигателя молочного насоса - 36-3Ц35-10;

- масса – 180 (±10) кг.

Основные технические данные двигателя очистителя: номи­нальная мощность Р_н = 1,5 кВт; номинальный ток I_н = 3,6 А; соединение фаз – звезда; коэффициент полезного действия h_н = 77 %; коэффи­циент мощности cos j_н = 0,83; частота вращения n_н = 1400 об/мин; кратность пускового тока к = 6,5; кратность пускового момента m_п = 2,0; режим работы S1; класс изоляции В; масса - 13,3 кг.

Средствами исследования служат: тахометр типа 7ТЭ с диапа­зоном измерений от 2,0 до 99999 об/мин для определения частоты вращения барабана; трехфазный ваттметр PW типа Д571 электроди­намической системы с пределом измерения 7500 Вт и ценой деления шкалы 75 Вт/дел.; амперметр PA типа Э514 электромаг­нитной системы с пределами измерения 5А и 10А; вольтметр PV ти­па Э545 электромагнитной системы с пределами измерения 75, 150, 300, 450 и 600 В.

Рабочее задание

1. Начертить принципиальную электрическую схему лаборатор­ной установки (рис. 4.1) и таблицы 4.1, 4.2 для результатов опытов. Записать паспортные величины, характеристики объекта и средств исследования.

2. Собрать цепь с помощью монтажных проводников и присоеди­нить ее к силовому настенному щиту с линейным напряжением U_Л = 380 В. После получения разрешения преподавателя включить установку в сеть и произвести ее разгон. Данные измерений (фазного напряже­ния U_Ф, линейного тока I_Л, активной мощности электродвигате­ля Р) занести в таблицу 4.1.

Для снятия кривой свободного выбега необходимо выполнить следующее: после полного разгона приводно­го электродвигателя отключить установку и данные по частоте вращения приводного барабана через одну минуту, начиная с нуле­вой отметки времени, также занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.1. Результаты измерений и расчетов

Измерения	Вычисления
UФ	IЛ	Р	Рвр	Мвр	Iпр	Iдв	Iмех
В	А	Вт	Вт	Н×м	кг×м2	кг×м2	кг×м2

Таблица 4.2. Исходные данные для построения кривой выбега

Время опыта t, мин.
Частота вращения n, об/мин
Угловая скорость wмех, с-1

3. По данным измерений построить график зависимости w = f (t), исходя из которого определить dw / dt = w₀ / t₀, а также вращающий момент электродвигателя по данным измерений.

4. По полученным данным определить момент инерции системы «электродвигатель – сепаратор», приведенный к валу электродвигате­ля, а также момент инерции вращающихся частей сепаратора.

Программа подготовки к выполнению рабочего задания

1. Изучить необходимые разделы в рекомендуемой литературе [1, 2.3, 2.5, 2.6, с.38...48], [21, с.60...67], [39, с.1...24].

2. Записать формулы, необходимые для расчета вращающего мо­мента электродвигателя М_дв, момента инерции системы «электродви­гатель-сепаратор», приведенного к валу электродвигателя I_пр, момента инерции вращающихся частей сепаратора I_мех.

Методические указания по выполнению рабочего задания

и обработке результатов эксперимента

1. Перед включением двигателя сепаратора необходимо убе­диться, собран ли барабан, отключены ли тормоза и достаточен ли уровень масла в корпусе станины сепаратора.

2. При работе с электроустановкой ОМ-1А необходимо соблю­дать правила техники безопасности в животноводстве и правила техники безопасности и эксплуатации электроустановок потребите­лей.

3. При измерениях следить за показаниями приборов и не пе­регружать их.

4. Результаты расчетов по данным опытов вычислять:

- частоту вращения электродвигателя при установившемся ре­жиме работы сепаратора:

где i_мех = 5,64 - передаточное отношение приводного механизма;

- вращающий момент электродвигателя:

М_дв = Р_вр / w_уст = (Р – 0,12Р_н) / w_уст,

где 0,12 Р_н - потери в электродвигателе, связанные с электри­ческими в обмотках статора и ротора, а также добавочны­ми, Вт;

- момент инерции системы электродвигатель-сепара­тор, приведенный к валу электродвигателя:

- момент инерции вращающихся частей сепаратора:

где I_дв = 0,017 кг × м² – момент инерции вала электродвигателя.

5. График зависимости w = f(t) рекомендуется строить в соответствующем масштабе, откладывая по оси абсцисс значения t, а по оси ординат – w. По снятой кривой выбе­га w = f(t) при самоторможении электродвигателя, примерный вид который дан на рис. 4.2, провести касательную к этой кривой в на­чальной точке выбега до пересечения с осью абсцисс и опреде­лить из графика величину w_о / t_o.

Контрольные вопросы

1. При решении каких практических задач по электроприводу необходимо знать момент инерции системы «Электродвигатель – рабочая машина»?

2. На что расходуется энергия, запасенная приводом, при са­моторможении системы «Электродвигатель – рабочая машина»?

3. Пояснить основное уравнение движения электропривода при­ пуске, установившемся режиме работы и торможении системы «Электродвигатель – рабочая машина».

4. Пояснить методы определения времени переходных режимов системы «Электродвигатель – рабочая машина»?

5. Как определить приведенный момент системы «Электродвигатель – рабочая машина» к валу электродвигателя?

6. Как определить приведенный статический момент сопротив­ления системы «Электродвигатель – рабочая машина» к валу элект­родвигателя?

Порядок установки электротехнического

электрооборудования

Монтаж электрооборудования произ­водится согласно принципиальной электрической схеме и правилам устройства электроустановок (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Электрическая схема подключения очистителя-охладителя молока ОМ-1А.

Магнитный пускатель КМ и пост управления SB крепится к стенке на возможно близком расстоянии к очистителю-охладителю в легкодоступном месте. Электромагнитный пускатель необходимо установить в пылебрызгозащищенном месте.

Работа 5. Исследование процесса нагрева
электродвигателя

Цель и порядок выполнения работы

Цель работы: Изучить и исследовать тепловой режим асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором (зависимость температуры от времени его нагрева) при длительной постоянной нагрузке.

При выполнении работы необходимо: 1. Ознакомиться c основными паспортными данными используемого электродвигателя, генератора и измерительных приборов.

2. Собрать электрическую схему лабораторной установки (с ее проверкой) для опытного снятия кривой нагрева и ознакомиться со схемой замера температуры нагрева.

3. Опытным путем снять кривую нагрева электродвигателя при длительной постоянной нагрузке.

4. Определить постоянную времени нагрева Т_н, установившееся превышение температуры t_уст и пересчитать мощность двигателя на действительную температуру окружающей среды.

Объект и средства исследования

На рабочем месте расположена лабораторная установка, в которой объектом исследования является агрегат, состоящий из асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и генератора постоянного тока с параллельным возбуждением, являющегося нагрузкой для испытуемого электродвигателя. Нагрузкой для генератора служат лампы накаливания.

Основные технические данные электродвигателя серии 4А: тип 4АМ100L4СУ1, номинальная мощность Р_н = 4,0 кВт; соединение фаз - треугольник/звезда; номинальное напряжение – 220/380 В; номинальный ток - 15,0/8,7 А; коэффициент полезного действия h_н = 64 %; коэффициент мощности cos j_н = 0,84; частота вращения n_н = 1410 об/мин; степень защиты 1Р44; режим работы S1, класс изоляции В. Генератор с самовозбуждением имеет следующие паспортные данные: тип ПН-45, Р_н = 3,3; U_н = 115 В; I_н = 28,7 А; n_н = 1410 об/мин.

Средствами исследования служат: ваттметр PW типа Д-542 электродинамической системы с пределами измерения по напряжению 30, 75, 150, 300 В, по току 0,25; 0,5 А и дополненный трансформатором тока УТТ-5 с коэффициентом трансформации К = 60; вольтметр РV типа Э30 электромагнитной системы с пределом измерения 0...500 В; амперметр РA типа Э59 электромагнитной системы с пределами измерения 5, 10 А; измерительный преобразователь ВК (термометр сопротивления); указатель температуры Ш69006 с пределом измерения 100 °С; электромагнитный пускатель типа ПМЕ-III с напряжением втягивающей катушки 220 В; кнопочная станция типа ПКЕ 122-242, лампы накаливания EL1...EL12 мощностью 150...200 Вт и напряжением 245...225 В; термометр комнатный с пределами измерения 0...30 °С.