Методические рекомендации для студентов по организации лабораторного практикума по дисциплине
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
V1, V2 и тока A1 и сохраните изображение. 6. Вращая ручку Напряжение, опустите напряжение источника до нуля. 7. Нажмите кнопку Следующий на рабочем поле и видоизмените цепь на плате в соответствии с новой схемой (рисунок 6.13). Теперь, вторичная обмотка трансформатора – замкнута накоротко. Рисунок 6.13 – Опыт короткого замыкания 8. Вращая ручку Напряжение, медленно поднимайте напряжение источника до тех пор, пока ток вторичной обмотки не достигнет номинального значения 16 таблица 6.1) и нажмите Запись. 9. Вращая ручку Напряжение, спустите напряжение источника до нуля. 10. Нажмите кнопку Следующий на рабочем поле и видоизмените цепь на плате в соответствии с новой схемой (рисунок 6.14). Теперь в цепь вторичной обмотки трансформатора включено переменное активное сопротивление (х Ом. 11. Представьте собранную схему для проверки преподавателю. Рисунок 6.14 – Работа трансформатора на активную нагрузку 12. Установите номинальные напряжение (поле Напряжение) и частоту (поле Частота) источника из таблицы 4.1. 13. Разомкните один из контактов сопротивления и, нажав Запись, снимите точку холостого хода. 14. Верните контакт сопротивления на место и, вращая ручку х Ом на плате, пошагово устанавливайте ток вторичной обмотки от нуля до, примерно ном (4- 5 точек. Нажимайте Запись на каждом шаге. Внимание В данной лабораторной работе, здесь и далее, при каждом изменении сопротивления нагрузки, перед тем как нажать Запись, вращая ручку Е и сверяясь с вольтметром V1, восстанавливайте номинальное напряжение на первичной обмотке. 15. По окончании, нажмите кнопку Следующий (>>), изображение на экране должно соответствовать рисунку 6.15. 17 Рисунок 6.15 – Работа трансформатора на индуктивную нагрузку 16. Замените сопротивление вцепи вторичной обмотки трансформатора на индуктивность (зона индуктивностей на плате, в соответствии с таблицей 6.1, нажмите Новый график, затем – Запись. 17. По окончании, нажмите кнопку Следующий (>>), изображение на экране должно соответствовать рисунок 6.16. Рисунок 6.16 – Работа трансформатора на емкостную нагрузкой 18. Замените индуктивность вцепи вторичной обмотки трансформатора на емкость (из набора Capacitors), в соответствии с таблице 6.1, нажмите Новый график, затем – Запись. 19. По окончании, вызовите файл MS Excel, сохраните и нажмите Стоп. Обработка экспериментальных данных Для эксперимента Однофазный трансформатор необходимо 18 1. На основе полученных в результате опытов ХХ и КЗ данных, рассчитайте параметры трансформатора и заполните оставшиеся поля таблицы 6.2. Таблица 6.2 – Результаты Формулы для расчета Коэффициент трансформации 20 0 1 U U k . Полная, активная и реактивная мощности холостого хода 0 0 1 0 I U S , 0 0 0 cos S P , 0 0 0 sin S Q . Активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки 2 0 0 0 I P R , 2 0 0 0 I Q X . Полная, активная и реактивная мощности короткого замыкания K K K I U S 1 , K K S P cos K , Суммарное активное сопротивление первичной и вторичной обмоток 2 2 1 K K K I P R R R , 2 2 1 K K K I Q X X X 2. Построить внешние характеристики трансформатора при различном характере нагрузки. Содержание отчета Аналогично лабораторной работы 1. Контрольные вопросы 1. Назначение и принцип действия трансформатора 2. Изобразите схему замещения однофазного трансформатора. 3. Почему магнитный поток трансформатора практически не зависит от нагрузки 4 Каково выражение действующих ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансформатора 19 5. Какие величины определяются в опытах холостого хода и короткого замыкания 6. Как опытным путем определить коэффициент трансформации 7. Изобразите векторную диаграмму трансформатора в режиме холостого хода 8. Изобразите векторную диаграмму трансформатора в нагрузочном режиме 9. Назовите области применения трансформаторов напряжения и тока 10. Что произойдет с обмоткой и магнитопроводом трансформатора, если при разомкнутой вторичной обмотке его первичную обмотку включить на напряжение 220 В, вместо номинального 127 В 11. При какой нагрузке внешняя характеристика трансформатора возрастает Объясните почему Список литературы, рекомендуемый к использованию поданной теме Основная учебная литература 1. Немцов МВ. Электротехника и электроника (е изд, стер) учебник. М Академия, 2013. – 480 с. – ISBN: 9785446804320. 2. Электротехника и электроника Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко и др под ред. В.В. Кононенко. – Изд. е – Ростов н/Д: Феникс, 2010. – 784 с. Серия Высшее образование. – ISBN 978-5-222-17568-2. Дополнительная литература 1. Вольдек, АИ. Электрические машины машины переменного тока учебник / АИ. Вольдек, В. В. Попов. - СПб. и др Питер, 2008. – 349 с. – (Учебник для вузов) – ISBN 978-5-469-01381-5. 20 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 Определение рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (4 ч) Цель работы 1. Получение рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. 2. На основе рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором определение его рабочих параметров. В результате выполнения лабораторной работы у студента формируются компетенции ОК-7 (способность к самоорганизации и самообразованию, ПК-1 способность проектировать систему, компонент или процесс чтобы обеспечить требуемый результат).достоверности контроля, выбирать средства измерений и контроля разрабатывать локальные поверочные схемы и проводить поверку, калибровку, юстировку и ремонт средств измерений) Теоретическое обоснование Асинхронные машины наиболее распространенные электрические машины. В основном их используют в качестве электрических двигателей. Благодаря простоте устройства и высокой надежности их широко применяют для привода станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов, и т.д. Асинхронная машина состоит из подвижной и неподвижной части (рисунок 7.1). Неподвижная часть машины переменного тока называется статором (1), а подвижная часть — ротором (2). Рисунок 7.1 – Схема асинхронной машины Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, покрытых изоляционным лаком. Ротор асинхронных 21 машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю, чем и обусловлено название этих машин. Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора – навалу машины малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой навал (машины большой мощности. Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора машины малой и средней мощности, или на отдельно стоящих подшипниковых стояках. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой. По способу исполнения обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется стем же числом полюсов магнитного поля, как и статор. Обмотка ротора двигателя с короткозамкнутым ротором выполняется в виде беличьей клетки (рисунок 7.2). Рисунок 7.2 – Обмотка ротора в виде беличьей клетки При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены с медными или 22 алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. Большинство асинхронных машин, в особенности машины малой и средней мощности, выпускается с короткозамкнутым ротором. В электрическом отношении беличья клетка представляет собой многофазную обмотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки равно числу пазов ротора, причем в каждую фазу входят один стрежень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец. По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны т.к. не имеют щеток и колец. Но при этом их недостатком является сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в электроприводах, где не требуются большие пусковые моменты. В двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток, благодаря чему их можно применять для привода механизмов, которые пускают вход при большой нагрузке. Рассмотрим принцип действия асинхронного двигателя. Токи обмотки статора двухполюсной машины создают двухполюсный магнитный поток, проходящий через статор (1), ротор (3) и зазор между ними рисунок 7.3). Рисунок 7.3 – Электромагнитная схема асинхронной машины Обмотка статора (2) создает магнитное поле, вращающееся с частотой синхронной) 23 p f n 1 1 , об/сек, (7.1) где f 1 – частота тока статора, p – число пар полюсов. Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А В С обмотки статора. Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой статора (рисунок 7.3), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора (4), индуктирует в них ЭДС, и если обмотка ротора замкнута, тов ней возникают токи i 2 , частота которых f 2 при неподвижном роторе(п = 0) равна первичной частоте Если обмотка ротора является трехфазной, тов ней индуктируется трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф, число полюсов р, направление и скорость вращения которого при n = 0 1 1 2 2 n p f p f n (7.2) такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Фи Ф вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М. Если развиваемый момент больше статического тормозного момента навалу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью 1 2 n n , те. будет вращаться с некоторым отставанием или скольжением, относительно поля статора. Такой режим называют двигательным. Относительная разность скоростей вращения поля статора и ротора называется скольжением. 1 1 1 1 n n n n n s (7.3) Скорость ротора, выраженная через скольжение s, равна 1 1 n s n (7.4) 24 Припуске двигателя (n = 0) согласно (6.3) s = 1, а при вращении ротора синхронно с полем статора или, как говорят, с синхронной скоростью ( 1 n n ) s = 0. При 1 n n магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому Ми такой скорости вращения двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда 1 и 1 При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей ) ( 1 n n и частота тока в обмотке ротора 1 1 1 2 f s n p s n n p f (7.5) Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение со скоростью 1 n n , тогда ротор будет обгонять поле и направление индуцируемых в обмотке ротора токов изменятся на обратные. Аналогично изменятся направление F и M. Момент будет тормозящим, следовательно, машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. При этом 0 s . Такой режим называется генераторным. Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля статора ( 0 n ), то направления e 2 , и F сохраняются как в двигательном режиме, те. машина продолжает получать из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но против вращения ротора, те. будет его тормозить. Этот режим называется режимом электромагнитного торможения или противовключения. В этом режиме Этот режим на практике используется для торможения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производственных механизмов. Например, в ряде случаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путем переключения двух питающих проводов трехфазного двигателя изменяют чередование фаз и направление вращении поля, а ротор в течение некоторого времени вращается при этом по инерции в прежнем направлении, те. 25 теперь уже против поля. Механическая мощность в данном случае развивается за счет кинетической энергии вращающихся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При 0 n машину необходимо отключить от сети, иначе она придет во вращение в обратном направлении. Выделяют также режим короткого замыкания асинхронной машины. В этом режиме 1 s , те. ротор неподвижен. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния. Механическая характеристика асинхронного двигателя представляет собой зависимость развиваемого момента навалу Мот скорости вращения п при U 1 = const и f 1 = const: n f M . Момент навалу может быть также вычислен по формуле n P M 55 , 9 , (7.6) где P – мощность навалу. На рисунке 7.4 а показана механическая характеристика асинхронного двигателя и механическая характеристика n f M СТ некоторого производственного механизма, приводимого во вращение двигателем. а б Рисунок 7.4 – Механические характеристики асинхронного двигателя Уравнение моментов агрегата двигатель – производственный механизм имеет вид ДИН СТ M M M , (7.7) где ДИН динамический момент агрегата, равный ДИН, (7.8) 26 где J – момент инерции – угловая скорость вращения. Если при n = 0 пусковой момент больше момента сопротивления, как это показано на рисунке 7.4 а (П > СТ, то ДИН 0, dt dn > 0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока заштрихованная область на рисунке 7.4 а) СТ ДИН M M M > 0. (7.9) В точке 1 достигается равновесие моментов СТ, ДИН 0, dt dn = 0. Наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения n и скольжением s . Величина s будет тем больше, чем больше СТ, те. чем больше нагрузка двигателя. Если при работе двигателя увеличить статический момент производственного механизма (кривая 2 рисунок 7.4), то s возрастет, а n уменьшится. Приуменьшении нагрузки (кривая 3 рисунок 7.4), s уменьшится, а n возрастет. Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим образом. Если СТ возрастет, то будет M < СТ, ДИН 0, dt dn < 0 и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом скольжение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также ЭДС E 2 и ток I 2 вторичной цепи. В результате электромагнитный момент M увеличивается и уменьшение n (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов СТ. Приуменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направлении. Точка 4 на характеристике соответствуют максимальному моменту двигателя и соответствующему скольжению, называемому критическим КР. Зная MAX M , можно построить приблизительную механическую характеристику по формуле КР КР 2 s s s s M s M MAX , (7.10) где КР ном) 27 где M M k MAX m / – кратность максимального момента, те. отношение максимального момента при номинальном напряжении к номинальному. Условия устойчивой работы. Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и т.д.). В общем случае, как показано на рисунке 7.4 б, характеристики двигателя могут иметь несколько точек пересечения (точки 1, 2, 3). Условия устойчивости СТ) Следовательно, в точках 1 и 3 работа устойчива, в точке 2 – нет. Режим работы в точке 3 на практике неприемлем, т.к. характеризуется, малой n, плохим КПД, большими токами в обмотках, вследствие чего, двигатель перегревается и выходит из строя. Оптимальным является участок от точки 4 влево. Статический момент механизма может увеличиваться до точки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки двигатель либо остановиться, либо перейдет в точку 3. В обоих случаях он должен быть отключен. Кроме того, при работе двигателя необходимо иметь некоторый запас по моменту, так как возможны кратковременные перегрузки случайного характера, а также кратковременные или длительные понижения напряжения сети. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют зависимости потребляемой мощности P 1 , первичного тока I 1 , коэффициента мощности cosφ 1 , момента навалу, скольжения s и КПД от полезной мощности при работе с номинальным напряжением и частотой. Рабочие характеристики позволяют находить все основные величины, определяющие режим работы двигателя при различных нагрузках (рисунок 7.5). 28 Рисунок 7.9 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя Аппаратура, оборудование и материалы 1. Лабораторная работа выполняется на специально разработанном стенде Асинхронный двигатель и электропривод, работающим совместно с контрольно- измерительным оборудованием на базе платформы NI PXI сопряженной с ПЭВМ. В дальнейшем будем эту систему называть лабораторный стенд (рисунок 7.10). Рисунок 7.10 Лабораторный стенд Асинхронный двигатель и электропривод, подключаемый к ПЭВМ в сборе 2. В стандартной комплектации лабораторного стенда имеются соединительные провода (15 шт. 29 3. Для работы лабораторного стенда необходимо также иметь следующее оборудование и программное обеспечение. Системные требования к персональному компьютеру Р и выше, ОЗУ минимум 256МБ, свободное пространство на жестком диске не менее 200МБ; видеокарта и монитор, поддерживающие разрешение экрана не менее х точек. Необходимое программное обеспечение операционная система MS Windows 7/Microsoft Office 2010; для чтения документации Adobe Reader 9.0 или выше программное обеспечение Asynchronous Machines; программное обеспечение Delta VFDSoft, v1.45. Указания по технике безопасности Аналогично лабораторной работы 1. Кроме того, все студенты обязаны соблюдать следующие требования техники безопасности 1. При проведении лабораторной работы недопустимо наличие на столе посторонних предметов. 2. Включение питания стенда и выполнение работ может производиться только с разрешения ив присутствии преподавателя. 2. Сборку электрических схем для проведения лабораторных работ разрешается производить только при отключенном питании стенда. Запрещается 1. Прикасаться к оборудованию стенда вовремя проведения лабораторных работ. 2. Проводить любые работы или испытания в отсутствии руководителя, ответственного за проведение лабораторных работ. Возможными источниками опасности при проведении лабораторных работ могут быть 1. Нажатие кнопок на лицевой панели стенда (кроме кнопки Стоп. 2. Соединение и отсоединение проводов к моторами соответствующим гнездам стенда. 3. Прикосновение к работающим механизмам. 30 Методика и порядок выполнения работы Включение и подготовка к работе Для подготовки стенда к работе и проверки функционирования испытуемого и нагрузочного электроприводов при управлении от компьютера необходимо выполнить следующие операции 1. Убедиться, что питание стенда выключено. Убедиться, что провода питания двигателей подключены к соответствующим клеммам. 2. Убедиться, что внешний блок питания NI PXIe – 1062Q подключен к сети В. 3. Убедиться, что модули NI PXI-8133, NI PXI-2503, NI PXI-4300, NI PXI-4110, NI PXI-4220, NI PXI-6259 установлены на шасси NI PXIe – 1062Q. 4. Убедиться, что модули NI PXI-6259 и NI PXI 2503 подключены к разъемам на задней части стойки стенда при помощи соответствующих соединительных кабелей. 5. Убедиться, что модуль NI PXI-4110 подключен к соответствующему блоку питания. 6. Убедиться, что питание стенда соединено с трехфазной сетью переменного тока В, Гц. 7. Включить питание NI PXIe – 1062Q, подождать, пока загрузится операционная система. 8. Включить питание стенда на приборной панели установить переключатель в положение ON, затем повернуть ключ. Запуск программы и проведение лабораторных работ. Для запуска программы необходимо запустить программу выбрав Asynchronous Machines из стартового меню Windows или двойным щелчком мыши по соответствующей иконке на рабочем столе. При запуске программы на экран монитора выводится лицевая панель рисунок 7.11). Элементы Меню Регистрация, Руководство пользователя, О нас, Калибровка, Выход. Подстрокой Меню расположены кнопки Регистрация, Руководство пользователя, Выход 31 Рисунок 7.11 – Окно главного меню Перед тем, как начать выполнение лабораторных работ студент может зарегистрироваться (выбрать вменю элемент Регистрация. При выборе этого пункта меню откроется окно регистрации Рисунок 7.12 – Окно регистрации Для регистрации введите в соответствующие поля (рисунок 7.12) группу и имя, а затем нажмите кнопку Регистрация. Недопустимо использовать в полях тексты в юникоде, а также символы ‘?’, ‘/’, ‘\’, ‘|’, ‘*’, ‘&’, ‘<’, ‘>’, ‘+’, ‘=’, ‘:’, ‘ ” ’. В случае появления сообщения об ошибке нажмите клавишу |