1_el-mash-spets-nazn-lab-rab

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра электротехники и электромеханики

Электрические машины специального назначения

Электрические машины систем автоматики

Учебно-методический комплекс

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Институт энергетический

Специальность 140601.65 – электромеханика

Направление подготовки бакалавра 140600.62 – электротехника, электромеханика и электротехнологии

Санкт–Петербург Издательство СЗТУ

2007

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 621.313(07)

Электрические машины специального назначения. Электрические машины систем автоматики: учебно-методический комплекс (методические указания к выполнению лабораторных работ) / сост. Е. П. Брандина, В. Е. Воробьев.- СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007.- 62 с.

Учебно-методический комплекс соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

Методические указания к выполнению лабораторных работ содержат программы выполнения пяти лабораторных работ, теоретические сведения и расчетные формулы по каждой работе.

Издание предназначено для студентов четвертого курса специальности 140601.65 и направлению подготовки бакалавров 140600.62, изучающих дисциплины «Электрические машины специального назначения» и «Электрические машины систем автоматики» (дисциплины по выбору студента).

Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и электромеханики 19 марта 2007 г., одобрено методической комиссией энергетического института

26 марта 2007г.

Рецензенты: кафедра электротехники и электромеханики СЗТУ (А. А. Томов, доц.); Г. А. Борисов, канд. техн. наук, доц. кафедры робототехники и автоматизации производственных систем СПбЭУ.

Составители: Е.П.Брандина, канд. техн. наук. доц.; В.В.Воробьев, канд. техн. наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2007

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только после прохождения соответствующего инструктажа по технике безопасности и регистрации об этом в специальном журнале.

Темы выполняемых лабораторных работ указывает преподаватель. Прежде чем приступить к работе с электрической машиной, необходимо

ознакомиться с ее паспортными данными, которые обычно помещаются на заводском щитке на корпусе машины. В паспортных данных указывается тип машины и ее эксплуатационные свойства, называемые номинальными данными. К ним относятся значения мощности, напряжения, тока, частоты вращения, КПД машины и т.д. Величины, относящиеся к номинальному режиму работы, обычно обозначаются соответствующими символами с индексом ″н″ (мощность PН, напряжение UН и т.д.).

Выполнение отчета по лабораторной работе

Каждый студент должен иметь отчет по лабораторной работе.

Оформление текста отчета

-Отчёт выполняется либо в ученической тетради, либо на листах формата А4(210 х 297 мм).

-Опыты нумеруются и указываются их названия. Приводятся значения

постоянных режима и другие необходимые пояснения.

-Данные опыта и результаты их обработки заносятся в соответствующие таблицы. После таблицы приводятся расчетные формулы, помещение этих формул в графы таблиц не допускается.

-Наиболее существенные зависимости согласно программе наносятся на график. График снабжается порядковым номером, и на него дается ссылка в тексте отчета.

-Отчёт заканчивается выводами, представляющими результаты проведенной работы.

Оформление графиков

-В начале осей координат дается отметка "0".

-Масштабы шкал должны быть только стандартными: в единице длины

шкалы может быть 1; 2; 2,5; 4; 5; 10 и т.д. единиц откладываемых величин.

- На графике для каждой величины наносится своя ось. Все параллельные оси должны быть одинаковой длины, должны иметь равномерные шкалы по всей длине, кроме шкал сosϕ и КПД, заканчивающихся отметками 1 и 100 %. - Если на графике имеется несколько осей ординат или абсцисс, то начало координат следует размещать в ближайшей к используемому квадранту точке

пересечения координатных осей.

- Построение характеристики следует вести таким образом, чтобы были видны все опытные точки.

- Если на графике имеется несколько кривых, необходимо обеспечить различие между опытными точками этих кривых, пометив точки на одной кривой кружками, на второй - крестиками и т.д., чтобы было ясно, какие именно точки определяют данную кривую. Возле каждой кривой необходимо дать обозначение.

- Не следует стремиться проводить кривую через все точки, так как в опыте всегда имеет место разброс точек - точки должны равномерно концентрироваться около проводимой кривой.

Содержание отчета

По каждой лабораторной работе в отчете должны быть представлены следующие материалы.

1.Электрические схемы, по которым ведется снятие характеристик. Схемы выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД.

2.Паспортные (номинальные) данные электрической машины.

3. Список измерительных приборов с указанием пределов измерения.

4.Таблицы измеренных и вычисленных величин.

5.Краткие выводы по работе относительно результатов испытаний.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Брандина, Е. П. Электрические машины: письменные лекции, примеры решения задач / Е. П. Брандина. - СПб., 2004.

2.Волков, Н. И. Электромашинные устройства автоматики: учеб. для вузов / Н. И. Волков, В. П. Миловзоров. – СПб.: Высш.школа, 1986.

3.Косулин, В. Д. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов / В. Д. Косулин, Г. Б. Михайлов, В. В. Омельченко, В. В. Путников. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

Р А Б О Т А 1

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

1. Цель работы

Исследование рабочих свойств электромашинного усилителя (ЭМУ). Оценка факторов, влияющих на его рабочие характеристики и коэффициенты усиления.

2. Основные теоретические положения

Усилителем называют такое устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом усиление происходит за счет энергии внешнего источника.

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой генератор постоянного тока, выходная электрическая мощность которого создается за счет механической мощности приводного двигателя.

Важнейшей характеристикой любого усилителя является его коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности КР, току КI и напряжению KU. В любом случае это отношение выходного сигнала к сигналу управления:

Важным показателем ЭМУ является быстродействие, характеризуемое

ЭМУ должен обеспечивать большой коэффициент усиления по мощности и высокое быстродействие. В современных ЭМУ коэффициент усиления может достигать сотен тысяч. В маломощных ЭМУ (до 1 кВт) постоянная времени составляет сотые доли секунды, для ЭМУ мощностью свыше 10 кВт - десятые доли секунды.

Для удобства сравнения различных усилителей вводят понятие коэффициента добротности, равного отношению коэффициента усиления по

ЭМУ предназначен для работы в переходных режимах. Перегрузочная способность ЭМУ характеризуется возможностью форсировки по току и напряжению, т.е. отношением максимальных значений этих величин к

номинальным, что составляет обычно 1,5...2.

Простейшим электромашинным усилителем является генератор постоянного тока независимого возбуждения (рис.1.1).

Uy

n

Рис.1.1

Несмотря на относительно низкий коэффициент усиления по мощности (KP = 50...100), генератор находит применение в системах генератор-двигатель (Г-Д) в качестве усилителя для управления двигателем постоянного тока.

ЭМУ часто используют в качестве регулятора для поддержания неизменным какого-либо параметра (напряжения, частоты вращения и пр.). Простейшим электромашинным регулятором является генератор постоянного тока смешанного возбуждения, имеющий параллельную (ОВ1) и последовательную (ОВ2) обмотки возбуждения (рис.1.2). Напряжение на его зажимах поддерживается автоматически за счет наличия последовательной обмотки возбуждения.

n

Рис.1.2

Иногда применяются многокаскадные ЭМУ, при этом выходная обмотка (обмотка якоря) первого генератора питает обмотку возбуждения второго и т.д. Коэффициент усиления такого ЭМУ равен произведению коэффициентов усиления отдельных генераторов. Для двухступенчатого усилителя обе машины выполняются в одном корпусе, коэффициент усиления по мощности может составлять КP = 10000.

Наибольшее распространение получили ЭМУ поперечного поля (рис.1.3), представляющие собой совмещение в одном якоре и общей магнитной системе двух генераторов постоянного тока независимого возбуждения. Это позволяет получить двухступенчатое усиление мощности с незначительными потерями её и высоким коэффициентом усиления.

ОДЛ

d Ud

Рис.1.3

Конструктивно ЭМУ выполняется в виде неявнополюсной машины с двумя полюсами. Обмотки управления создают магнитный поток, действующий по продольной оси d-d,

где ce – конструктивный коэффициент машины; n – частота вращения.

Щетки q-q замкнуты накоротко и по обмотке якоря протекает ток короткого

ЭДС Еq вызывает значительный ток в цепи q-q. При протекании по обмотке якоря тока Iq создается магнитное поле якоря, ось которого направлена вдоль поперечной оси q-q (поперечная реакция якоря). В обычных машинах поток

поперечной реакции якоря невелик, так как магнитная проводимость λq вдоль поперечной оси в междуполюсном промежутке мала. В рассматриваемой неявнополюсной конструкции воздушный зазор по всей окружности практически одинаков и магнитная проводимость λq велика, поэтому возникает значительный магнитный поток по продольной оси

При протекании тока нагрузки Id по обмотке якоря создается магнитный поток Фd, ось которого направлена по продольной оси d-d (продольная реакция якоря). Необходимо отметить, что направление потока Фd противоположно направлению потока управления Фу, что может привести к резкому уменьшению последнего.

Чтобы скомпенсировать влияние продольной реакции якоря, в пазах статора размещают компенсационную обмотку. Она включается последовательно в рабочую цепь обмотки якоря и имеет встречное направление тока. Магнитный поток компенсационной обмотки Фk направлен встречно потоку Фd и согласно с потоком управления Фy .

Степень компенсации

Компенсацию необходимо проводить с большой точностью, поскольку при КK>1 происходит самовозбуждение ЭМУ как генератора последовательного возбуждения и возможна потеря управляемости. Компенсационная обмотка выполняется с числом витков несколько большим необходимого, а точная подстройка осуществляется с помощью сопротивления rШ, включенного параллельно ей (рис.1.3). Обычно устанавливают КК = 0,95, но не выше единицы, чтобы избежать самовозбуждения ЭМУ.

ЭМУ поперечного поля аналогичен каскадному соединению двух генераторов. Первому каскаду соответствует сочетание обмотка управления - короткозамкнутая цепь якоря q-q; второму каскаду соответствует: короткозамкнутая цепь якоря q-q - рабочая цепь якоря d-d. Соответственно коэффициент усиления ЭМУ равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов (ступеней усиления).

Вышеприведенные соотношения позволяют получить коэффициент усиления по напряжению в виде

где ce - конструктивный коэффициент машины;

n – частота вращения, об/мин;

wy и Ry – число витков и сопротивление обмотки управления;

λd и λq - магнитная проводимость по продольной и поперечной оси. Коэффициент усиления по мощности

K 2 RнгR

K p = U y , (1.12) (R + R)2

нг

где RНГ – сопротивление нагрузки.

Коэффициент усиления пропорционален квадрату скорости, поэтому ЭМУ выполняются на повышенную частоту вращения: 3000...8000 об/мин. Коэффициент усиления такого ЭМУ составляет десятки тысяч.

Быстродействие ЭМУ поперечного поля характеризуется двумя постоянными времени, соответствующими первой и второй ступеням усиления: τy и τq .

Передаточная функция ЭМУ

ЭМУ поперечного поля получили широкое распространение в системах регулирования и управления как усилители мощности и в качестве управляемых генераторов, возбудителей и подвозбудителей крупных электрических машин, а также в качестве сумматоров сигналов. В этом случае ЭМУ может иметь до четырех обмоток управления.

3. Описание лабораторной установки

Схема для испытания ЭМУ с поперечным полем показана на рис.1.4. На обмотку управления (ОУ) подается напряжение от источника питания постоянного тока через потенциометр П. Ток управления iy измеряется амперметром А1, напряжение на обмотке OУ - вольтметром V1.

Поперечная цепь q-q с помощью выключателя S2 может быть замкнута на амперметр А2, измеряющий ток Iq , или разомкнута. В последнем случае вольтметр V2 измеряет ЭДС на ее зажимах.

Продольная цепь d-d (выход ЭМУ) с помощью выключателя SЗ подключается на нагрузку, в качестве которой используется регулируемый реостат rНГ. Ток и напряжение нагрузки измеряются амперметром A3 и вольтметром V3.

Рис. 1.4

Компенсационная обмотка (КO) шунтируется регулируемым сопротивлением rШ и амперметром А4.

ЭМУ конструктивно выполнен в одном корпусе с приводным двигателем, который на схеме не показан. Частоту вращения ЭМУ во всех опытах можно принять постоянной величиной (n = const).

Пуск ЭМУ производится при отключенных выключателях S2 и SЗ. При включении S1 движок потенциометра П следует установить в положение, соответствующее Uy= 0.

4.Порядок выполнения работы

4.1.Характеристики холостого хода

-Проводить опыты при разомкнутом выключателе S3 (Id =0).

4.1.1. Характеристики холостого хода по продольной оси

Ed = f (iy ); Eqo = f (iy ) при Id = 0

-Проводить опыт при замкнутом выключателе S2.

-Измерить ЭДС Edo от остаточного потока при выключенном S1.

-Включить S1.

-Изменять монотонно (в одну сторону) величину тока обмотки управления iy до iy max так, чтобы получить 7...10 точек отсчета. Максимальная величина тока iy max должна соответствовать ЭДС Ed =1,3Udн . Величина номинального напряжения Udн указана на щитке, укрепленном на корпусе ЭМУ, и составляет

Udн = 115 В.

- Измерять ток в обмотке управления iy , ЭДC на продольных щетках Ed, ток в