Исследование пусковых характеристик коллекторных электрических машин постоянного тока

Тип работы:
Лабораторная работа
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Лабораторная работа № 2

Исследование пусковых характеристик коллекторных электрических машин постоянного тока

Цель работы: изучение процесса пуска электрической машины постоянного тока при различных режимах работы и схемах включения обмотки возбуждения и добавочных реостатов в цепи якоря.

Таблица 1 — Исходные данные. Технические характеристики двигателя постоянного тока марки 2ПН (высота оси вращения 90−200 мм)

п/п

Напряжение питания, В

Мощность,

кВт

Частота вращения,

об/мин

КПД,

%

Сопротивление обмотки, Ом

Индуктивность обмотки, мГн

якоря

сериес-ной

шун-товой

якоря

сериес-ной

шун-товой

5

110

1,3

3150

76

0. 355

0. 257

340

8,2

6

7

С использованием выражения:

(1)

где момент инерции вращающегося якоря. Для исследуемого двигателя марки 2ПН90L значение [2];

номинальная частота вращения,

напряжение питания обмоток якоря и возбуждения,

определим значение нагрузочной емкости С:

(2)

Опыт № 1 Исследование пусковых характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

1. Составим и соберем схему замещения (рисунок 1) прямого пуска ЭМПТ независимого возбуждения в программе электронного моделирования EWB.

2. Для элементов схемы присвоим значения, в соответствии с исходными данными таблицы 1.

3. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ независимого возбуждения (рисунок 2).

Рисунок 1 — Схема замещения прямого пуска ЭМПТ независимого возбуждения

Рисунок 2 — Осциллограммы для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ независимого возбуждения

Рассмотрим выполнение начальных условий пуска электродвигателя:

Ток неподвижного якоря при пуске:

. (3)

Номинальный ток якоря:

(4)

Соотношение тока якоря при пуске и номинального тока:

(5)

Значение тока нагруженного якоря, определяемое по амперметру (рисунок 1) в момент пуска не превышает, что не превышает допустимого значения:

(6)

4. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t),

n = f (Iа), n = f (M) для прямого пуска ЭМПТ независимого возбуждения.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени определяется:

(7)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм (рисунок 2);

- противо-ЭДС якоря, является функцией частоты вращения вала двигателя:

(8)

Исходя из паспортных данных ЭМПТ:

(9)

Изменение частоты вращения в зависимости от времени разбега электропривода:

(10)

Вращающий момент на валу машины определяется током якоря:

(11)

Расчетные данные и графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) для прямого пуска ЭМПТ независимого возбуждения представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) при прямом пуске ЭМПТ независимого возбуждения

Построение графиков функций n = f (Iа), n = f (M) (см. рисунок 4) осуществим по двум характерным точкам, снятым в режиме холостого хода и короткого замыкания работы электрической машины.

Рисунок 4 — Графики функций n = f (Iа), n = f (M) при прямом пуске ЭМПТ независимого возбуждения

5. Анализ графиков функций, представленных на рисунке 3 показывает, что при прямом пуске двигателя постоянного тока независимого возбуждения, ток якоря в момент коммутации резко возрастает за счет малого сопротивления обмотки якоря. Далее по мере увеличения нагрузки, ток якоря уменьшается по экспоненциальному закону до своего номинального значения. Поскольку вращающий момент М на валу двигателя определяется током якоря, то его значение во времени изменяется по закону близкому к току якоря. Изменение числа оборотов двигателя за счет инерции происходит постепенно по закону близкому к степенному.

6. Составим и соберем схему замещения (рисунок 5) автоматизированного пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени в программе электронного моделирования EWB.

Рисунок 5 - Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени

7. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм (рисунок 6) для схемы (рисунок 5).

Рисунок 6 - Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени

Анализ осциллограмм, представленных на рисунке 6 показывает, что автоматизированный ступенчатый пуск ЭМПТ в функции времени позволяет за счет ограничительных сопротивлений, шунтируемых при срабатывании соответствующих временных реле, избежать резкого скачка тока якоря в момент пуска, и тем самым, продлить срок эксплуатации якоря и уменьшить механические нагрузки на подвижные части ЭМ. К недостаткам данного способа пуска следует отнести относительно большой временной промежуток, необходимый для достижения номинальной частоты вращения вала двигателя.

8. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(12)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм (рисунок 6);

— сопротивление дополнительных резисторов, шунтируемых контактами реле времени.

Расчетные данные и графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени представлены на рисунках 7,8.

ток машина реостат электродвигатель

Рисунок 7 — График функции Iа = f (t) при пуске ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени

Рисунок 8 - Графики функций n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при пуске ЭМПТ независимого возбуждения в функции времени

Составим и соберем схему замещения (рисунок 9) автоматизированного пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции тока в программе электронного моделирования EWB.

Рисунок 9 - Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции тока

9. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм (рисунок 10) для схемы (рисунок 9).

Рисунок 10 - Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции тока

Анализ осциллограмм, представленных на рисунке 10 показывает, что автоматизированный пуск ЭМПТ в функции тока позволяет за счет ограничительных сопротивлений, шунтируемых при срабатывании соответствующих токовых реле, также избежать резкого скачка тока якоря в момент пуска. При этом данный способ по сравнению со способом автоматизированного пуска ЭМПТ в функции времени позволяет сократить временной промежуток, необходимый для достижения номинальной частоты вращения вала двигателя (в рассматриваемом случае в 2 раза).

10. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции тока.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(13)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм (рисунок 10);

— сопротивление дополнительных резисторов, шунтируемых контактами токовых реле.

Расчетные данные и графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для пуска ЭМПТ независимого возбуждения в функции тока представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при пуске ЭМПТ независимого возбуждения в функции тока

Опыт № 2 Исследование пусковых характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

1. Составим и соберем схему замещения (рисунок 12) прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в программе электронного моделирования EWB.

2. Для элементов схемы присвоим значения, в соответствии с исходными данными таблицы 1.

3. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения (рисунок 13).

Рисунок 12 - Схема замещения прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения

Рисунок 13 - Осциллограммы для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения

4. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(14)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм (рисунок 13);

- сопротивление шунтовой (параллельной) обмотки.

Значение сопротивления:

(15)

Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) для прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения представлены на рисунке 14.

Рисунок 14 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) при прямом пуске ЭМПТ параллельного возбуждения

Графики функций n = f (Iа), n = f (M) для прямого пуска ЭМПТ параллельного возбуждения представлены на рисунке 15.

Рисунок 15 — Графики функций n = f (Iа), n = f (M) при прямом пуске ЭМПТ параллельного возбуждения

Анализ осциллограмм, представленных на рисунках 14, 15 показывает, что они практически совпадают с соответствующими осциллограммами, снятыми при прямом пуске ЭМПТ независимого возбуждения. Это связано с тем, что значение сопротивления (см. выражение 15) практически равно сопротивлению якоря ЭМПТ независимого возбуждения.

5. Составим и соберем схему замещения (рисунок 16) автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени в программе электронного моделирования EWB.

6. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени (рисунок 17).

7.

Рисунок 16 — Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени

Рисунок 17 — Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени

Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени представлены на рисунке 18.

Рисунок 18 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при автоматизированном пуске ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени

Вследствие осциллограммы для автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции времени практически идентичны соответствующим диаграммам для ЭМПТ независимого возбуждения.

7. Составим и соберем схему замещения (рисунок 19) автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока в программе электронного моделирования EWB.

Рисунок 19 - Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока

8. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока (рисунок 20).

Рисунок 20 — Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока

Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока представлены на рисунке 21.

Рисунок 21 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при автоматизированном пуске ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока

Вследствие

осциллограммы для автоматизированного пуска ЭМПТ параллельного возбуждения в функции тока практически идентичны соответствующим диаграммам для ЭМПТ независимого возбуждения.

Опыт № 3 Исследование пусковых характеристик двигателя постоянного тока сериесного возбуждения.

1. Составим и соберем схему замещения (рисунок 22) прямого пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в программе электронного моделирования EWB.

2. Для элементов схемы присвоим значения, в соответствии с исходными данными таблицы 1.

Рисунок 22 — Схема замещения прямого пуска ЭМПТ сериесного возбуждения

3. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ сериесного возбуждения (рисунок 23).

Рисунок 23 — Осциллограммы для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ сериесного возбуждения

Анализ диаграмм, приведенных на рисунке 23, показывает, что для ЭМПТ сериесного возбуждения за счет дополнительного сопротивления сериесной обмотки, ток якоря в момент пуска имеет меньшее значение, чем в соответствующих схемах пуска ЭМПТ независимого и параллельного возбуждения. Это положительно сказывается на работе двигателя. При этом происходит увеличение времени разгона двигателя до номинальной частоты вращения.

4. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для прямого пуска ЭМПТ сериесного возбуждения.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(16)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм (рисунок 23);

— сопротивление сериесной обмотки.

Расчетные данные и графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для прямого пуска ЭМПТ сериесного возбуждения представлены на рисунках 24, 25

Рисунок 24 — График функции Iа = f (t) при прямом пуске ЭМПТ сериесного возбуждения

Рисунок 25 — Графики функций n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при прямом пуске ЭМПТ сериесного возбуждения

5. Анализ графиков функций, представленных на рисунках 24, 25 показывает, что при прямом пуске ЭМПТ сериесного возбуждения в момент пуска также как и для ЭМПТ независимого и параллельного возбуждения наблюдается резкий рост тока якоря. Однако, за счет дополнительного сопротивления сериесной обмотки, рост тока якоря не превышает 167 А, в отличие от ранее рассмотренных схем, где наблюдался рост тока якоря до 288 А. При этом происходит увеличение время разгона двигателя.

6. Составим и соберем схему замещения (рисунок 26) автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени в программе электронного моделирования EWB.

7. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени (рисунок 27).

Рисунок 26 - Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени

Рисунок 27 - Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени

8. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(17)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм (рисунок 27);

— сопротивление сериесной обмотки;

— сопротивление дополнительных резисторов, шунтируемых контактами реле времени.

Расчетные данные и графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени представлены на рисунках 28, 29.

Рисунок 28 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) при автоматизированном пуске ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени

Рисунок 29 — Графики функций n = f (Iа), n = f (M) при автоматизированном пуске ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени

Анализ осциллограмм, представленных на рисунках 28, 29 показывает, что автоматизированный ступенчатый пуск ЭМПТ сериесного возбуждения в функции времени позволяет за счет ограничительных сопротивлений, шунтируемых при срабатывании соответствующих временных реле, а также сопротивления сериесной обмотки ограничить ток якоря в момент пуска до 110 А. При этом увеличивается время, необходимое для разгона двигателя до номинальных оборотов. Составим и соберем схему замещения (рисунок 30) автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока в программе электронного моделирования EWB.

Рисунок 30 — Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока

9. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока (рисунок 31).

Рисунок 31 — Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока

10. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока. Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(18)

где - напряжение на якоре, определим из полученных осциллограмм;

— сопротивление сериесной обмотки;

- сопротивление дополнительных резисторов, шунтируемых контактами токовых реле.

Расчетные данные и графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока представлены на рисунке 32.

Рисунок 32 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при автоматизированном пуске ЭМПТ сериесного возбуждения в функции тока

Опыт № 4 Исследование пусковых характеристик двигателя постоянного тока смешанного возбуждения.

1. Составим и соберем схему замещения (рисунок 33) прямого пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в программе электронного моделирования EWB.

2. Для элементов схемы присвоим значения, в соответствии с исходными данными таблицы 1.

Рисунок 33 - Схема замещения прямого пуска ЭМПТ смешанного возбуждения

3. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ смешанного возбуждения (рисунок 34).

Рисунок 34 — Осциллограммы для схемы замещения прямого пуска ЭМПТ смешанного возбуждения

4. Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для прямого пуска ЭМПТ смешанного возбуждения.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(19)

где — соответственно сопротивления шунтовой (параллельной) и сериесной обмоток.

Значение сопротивления:

(20)

Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) для прямого пуска ЭМПТ смешанного возбуждения представлены на рисунке 35.

Рисунок 35 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t) при прямом пуске ЭМПТ смешанного возбуждения

Построение графиков функций n = f (Iа), n = f (M) (см. рисунок 36) осуществим по двум характерным точкам, снятым в режиме холостого хода и короткого замыкания работы электрической машины.

Рисунок 36 — Графики функций n = f (Iа), n = f (M) при прямом пуске ЭМПТ смешанного возбуждения

Анализ осциллограмм, представленных на рисунках 35, 36 показывает, что они практически совпадают с соответствующими осциллограммами, снятыми при прямом пуске ЭМПТ сериесного возбуждения. Это связано с тем, что значение сопротивления

(см. выражение 20) практически равно сопротивлению

якоря ЭМПТ сериесного возбуждения.

5. Составим и соберем схему замещения (рисунок 37) автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени в программе электронного моделирования EWB.

Рисунок 37 — Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени

6. Запустим процесс моделирования и зафиксируем вид осциллограмм для схемы замещения автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени (рисунок 38).

Рисунок 38 — Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени

Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется в соответствии с выражением:

(21)

где — сопротивление дополнительных резисторов, шунтируемых контактами реле времени.

Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени представлены на рисунке 39.

Рисунок 39 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при автоматизированном пуске ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени

Вследствие

,

осциллограммы для автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции времени практически идентичны соответствующим диаграммам для ЭМПТ сериесного возбуждения.

Составим и соберем схему замещения (рисунок 40) автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока в программе электронного моделирования EWB.

Рисунок 40 — Схема замещения автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока

Рисунок 41 — Осциллограммы для схемы автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока

Определим вид математических функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока.

Ток якоря двигателя изменяется в процессе разбега и для любого момента времени в данном случае определяется:

(22)

где — сопротивление дополнительных резисторов, шунтируемых контактами токовых реле.

Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) для автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока представлены на рисунке 42.

Рисунок 42 — Графики функций Iа = f (t), n = f (t), M = f (t), n = f (Iа), n = f (M) при автоматизированном пуске ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока

Вследствие

осциллограммы для автоматизированного пуска ЭМПТ смешанного возбуждения в функции тока практически идентичны соответствующим диаграммам для ЭМПТ сериесного возбуждения.

Вывод: в ходе работы изучили процессы пуска электрической машины постоянного тока при различных режимах работы и схемах включения обмотки возбуждения.

Список литературы

1. Емельянов А. Г. Электрические машины и электропривод / Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 190 401. 65 «Электроснабжение железных дорог». - Чита: ЗабИЖТ, 2008. — 36 с.

2. Справочник по электрическим машинам. В 2-х т. / Под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. — М.: Энергоатомиздат, 1988−1989.

3. Токарев Б. Ф. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1990.- 624 с.: ил.

4. Копылов И. П. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. — М.: Высш. шк.; Логос, 2000. — 607 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой