Методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «автоматизированный электропривод» часть основы электропривода
| скачать МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ХЕРСОНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ Регистр. № МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД» ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Для студентов всех форм обучения специальностей: 7. 092501 – автоматизированное управление технологическими процессами; 7. 091401 – системы управления и автоматики. Херсон 2004 Методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Часть I. «основы электропривода» /Якимчук Г.С., Рожков С.А,Херсон, ХГТУ, 2004. Рус. языком. – ___стр. Рецензенты: К.т.н., профессор Китаев А.В., к.т..н, доцент Рудакова А.В. Утверждено на заседании кафедры ТК протокол № ____ от _________________ Зав.каф. Бражник А.М. Печатается с разрешения научно-методической комиссии факультета кибернетики Херсонского государственного технического университета. Протокол №____ от________2004 года. Ответственный за выпуск Зав.каф.ТК к.т.н., доц. Бражник А.М. Лабораторная работа №1 ^ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Цель работы — изучить механические характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением и способы регулирования его частоты вращения. Основные теоретические положения Электромеханическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением представляет собой зависимость частоты вращения якоря от тока якоря ω(I) и выражается уравнением
Механическая характеристика двигателя — зависимость той же частоты от электромагнитного момента, развиваемого двигателем:
где ω — угловая скорость якоря двигателя, рад/с; U — напряжение сети питания, В; С — конструктивная постоянная двигателя; Ф — магнитный поток возбуждения двигателя, Вб; Rяц – сопротивление обмотки якоря цепи двигателя, Ом; I — ток якоря двигателя, А; М — электромагнитный момент двигателя, Н*м. Из полученных механических характеристик ω(М) двигателя ИД необходимо произвести дополнительные расчеты и опыты, так как в этом случае снимаются зависимости скорости от тока якоря, т.е. n(I).
где Р — электромагнитная мощность, подводимая к якорю, кВт; n —скорость, соответствующая мощности Р, об/мин.
где U — напряжение на якоре двигателя, В; I — ток якоря, А; Rяц –сопротивление обмотки якоря, Ом.
где ΔМ — момент потерь вращения двигателя ИД, найденный расчетным путем. При отсутствии заводских или опытных данных приближенно можно считать ΔМ=const и определить его по паспортным данным двигателя ИД, Н*м:
где потери вращения, Н*м,
Uн=380B; Iн=18,5A; Rн=3,2кВт; Rяц=3,7Ом; nн=1000 об/мин. ^ 1. Ознакомиться с технической характеристикой машин, приборов и аппаратов управления лабораторной установки (записать техническую характеристику названых элементов в табл.1.1 ). 2. Собрать схему согласно рис.1.4 3. По разрешению руководителя подключить собранную схему к источнику питания и определить ее работоспособность. 4. Снять естественную механическую характеристику (М) при U=Uн; Ф=Фн; RЯДОБ=0. 5. Снять искусственные механические характеристики (М) при а)  (при двух положениях);б)  (по указанию руководителя);  ;в)  (по указанию руководителя);  6. Расчетным путем найти недостающие точки для построения полных механических характеристик.
    Таблица. 1.1 – Технические характеристики приборов и машин
Таблица 1.2 – Результат измерений и расчетов
Лабораторная работа №2 ^ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Цель работы: изучение методов моделирования электропривода с двигателем постоянного тока с независимым возбуждением и исследование влияния параметров двигателя на статические и динамические характеристики электропривода.
Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения (рис.1) при неизменной индуктивности цепи якоря и отсутствии реакции якоря, потоков рассеяния и вихревых токов справедлива следующая система дифференциальных уравнений:
Ток возбуждения iв и магнитный поток двигателя Ф в общем случае связаны между собой нелинейной зависимостью iв(Ф) — кривой намагничивания. Обычно пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется при номинальном магнитном потоке. При этом двигатель разгоняется до основной скорости. В случае необходимости дальнейшего увеличения скорости осуществляется ослабление магнитного потока путем снижения тока возбуждения. В первом случае — при Ф=Фн=const — уравнения (1) — (3) представляет собой систему линейных дифференциальных уравнений, причем уравнение (2) вырождается в алгебраическое уравнение вида:
Во втором случае — при Ф=var — речь идет о системе нелинейных дифференциальных уравнений, содержащих произведения зависимых переменных вида Ф* и Ф*iя . В связи с этим данная лабораторная работа состоит из двух частей, каждая из которых выполняется в течение 4 часов. Часть 1. Моделирование электропривода с двигателем постоянного тока при Ф=Фн=const (4часа) В этой части рабоы на модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения исследуются переходные процессы пуска до основной скорости, динамического торможения, реверса и изменения нагрузки, а также влияние параметров двигателя (L,R,J) на характер указанных процессов. При пуске двигателя от источника с постоянным напряжением броски тока якоря ограничиваются с помощью добавочного сопротивления, которое выволится ступенями (см. рис.2.а ) по мере увеличения скорости.
Преобразуя уравнения (1) и (3) к виду, удобному для моделирования, можно записать для рассматриваемого случая:
Схема модели ДПТ с независимым возбуждением, воспроизводящая процесс пуска, показана на рис.3. В этой схеме процессы суммирования и интегрирования не совмещаются,
что позволяет, во-первых, выделить производные тока и скорости и, во-вторых, упростить исследование влияния L и J на характер переходных процессов, так как в этом случае достаточно изменить коэффициенты усиления лишь интеграторов 1и и 2и . При моделировании ступенчатого пуска двигателя необходимо по мере роста скорости выводить ступени сопротивления. На практике закорачивание ступеней пускового реостата осуществляется контактами контакторов К1 иК2 (см.рис.2а) автоматически в функции времени, тока или скорости. На моделирующей установке (см.рис.3а) закорачиванию сопротивлений R1 и R2 существует отключение от тока iя двух последних входов сумматора 1. В настоящей работе это осуществляется вручную. В связи с этим при подготовке задачи к решению необходимо соответствующим образом рассчитать масштаб времени. Процессу динамического торможения соответствует схема рис.2б. Якорь двигателя замыкается на сопротивление динамического торможения Rдт (величина Rдт выбирается из условия U/(Rя+Rдт)=Iя max. Уравнение (4) в этом случае имеет вид):
Моделирование процесса динамического торможения осуществляется следующим образом. По окончании процесса «пуска» нажимается кнопка «останов» и при этом с помощью имеющихся на машине вольтметров измеряются напряжения на выходах интеграторов 1и и 2и , т.е. iя уст дв и уст дв . По окончании измерений нажимается кнопка «исходное положение». Очевидно, что величины iя уст дв и уст являются начальными условиями для процесса торможения или реверса, т.е. iя(0)= iя уст дв и (0)=уст дв. Снимается напряжение с первого входа сумматора 1(U=0), а по третьему его входу устанавливается коэффициент, соответствующий Rя+Rдт (два последних входа 1 отключены). На усилителях 1и и 2и устанавливаются начальные условия iя(0) и (0). При моделировании реверса необходимо также зафиксировать начальные условия iя(0) и (0). Затем следует изменить полярность напряжения на первом входе 1 (т.е. подать 100В) и установить по третьему его входу коэффициент, соответствующий Rя+Rдоб р=2U/Iя max. На усилителях 1и и 2и устанавливаются начальные условия iя(0) и (0). Процесс изменения нагрузки, в частности наброс и сброс, моделируются путем изменения величины напряжения на втором входе сумматора 2-Мс=mMMc. С этой целью удобно воспользоваться либо источником эталонного напряжения, либо одним из свободных потенциометров «начальные условия». В случае моделирования процесса изменения нагрузки работающего двигателя необходимо предварительно ввести интеграторы и ненулевые начальные условия. Рекомендации по выбору масштабов переменных:    - при пуске и динамическом торможении; - при реверсе;   При выборе масштаба времени следует исходить из того, что переходный процесс пуска модели должен длиться 8-10с. Время пуска в реальной установке ориентировочно может быть определено по формуле:  т.е.  Часть 2. Моделирование двигателя постоянного тока при Ф=var(4 часа) В этой части лабораторной работы рассматриваются переходные процессы, связанные с изменением магнитного потока двигателя. Учитывая, что поток двигателя может изменяться лишь в зоне  , можно представить его в виде:
Приращению (-Ф) соответствует и приращение тока возбуждения (-iв) (см.рис.4), вызываемое соответствующим изменением напряжения питания обмотки возбуждения Uв . Из (2) следует:
Если линеаризовать участок характеристики намагничивания двигателя в районе номинальной точки Iвн, Фн, то можно записать:    Следует также помнить, что блок произведения переменных выдает напряжение в 100 раз меньшее, чем действительное произведение модели, т.е. масштаб произведения переменных X иY:  Домашняя подготовка 1. Составить полную схему модели. 2. Рассчитать масштабы переменных. 3. Рассчитать коэффициенты модели. Программа работы
Часть 2:
Лабораторная работа №3 ^ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ Цель работы — изучить механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных значениях активного сопротивления, вводимого в цепь ротора и статора, а также при отличном от номинального значения напряжения питания статора и степени несимметрии его. Основные теоретические положения Механическая характеристика асинхронного двигателя (М) представляет собой зависимость скорости вращения ротора от вращающего момента М. Учитывая, что  , механическую характеристику асинхронного двигателя можно представить в виде зависимости вращающего иоиента от скольжения М(S),т.е.
где, 1 — синхронная скорость вращения магнитного поля статора; m — число фаз; р — число пар полюсов; f — частота питающего напряжения; U1 — напряжение на статорной обмотке; S — скольжение; R1, X1 — соответственно активное и индуктивное от потока рассеивания сопротивление обмотки статора;  — соответственно активное и индуктивное от потока рассеивания сопротивление цепи ротора, приведенного к статору. Зависимость (3.1) после преобразований может быть выражена так называемой формулой Клосса:
где Мк — критический максимальный момент двигателя;
 — индуктивное сопротивление при коротком замыкании. Пренебрегая активным сопротивлением статорной цепи, из формулы (3.2) можно получить приближенное соотношение:
Для определения максимального момента М=Мк, соответствующего критическому скольжению, при рассмотрении работы асинхронного двигателя с фазным ротором воспользуемся формулой:
и выражением для критического скольжения:
В этих выражениях знак “+” соответствует двигательному режиму, знак “-” генераторному. Как следует из уравнения (3.6), абсолютные значения критического скольжения Sk в двигательном и генераторном режимах одинаковы. Максимальный же момент в генераторном режиме по абсолютному значению больше, чем в двигательном (3.5). //В статоре находится ротор. В статор подается U и протекает ток. Ток создает магнитный поток, который пронизывает обмотку ротора, в которой наводится ЭДС, которая создает ток ротора. Ток взаимодействует с магнитным потоком и образуется вращательный электромагнитный момент, который вращает ротор.// Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных значениях добавочного сопротивления R2доб, включенного в цепь ротора, изображены на рис. 3.1
В двигательном режиме максимальный момент Мm при всех значениях сопротивления роторной цепи имеет одну и ту же величину, так как согласно формуле (3.5), он не зависит от активного сопротивления цепи ротора. Абсолютное значение критического скольжения Sk увеличивается с возрастанием активного сопротивления цепи ротора (3.5). Механические характеристики в режиме противовключения расположены в квадранте IV, а генераторного торможения с отдачей энергии в сеть в квадранте II, кроме того, существуют еще искусственные способы торможения: торможение однофазным током и динамическое торможение с помощью постоянного тока (рис.2,1, квадрант II), и самовозбуждения (подключения к статорной обмотке конденсаторов). Из уравнений (3.1), (3.2) видно, что момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, а критическое скольжение не зависит от напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что на перегрузочную способность  асинхронного двигателя оказывает сильное влияние изменение подводимого напряжения, в то время как скорость изменяется незначительно (рис.3.2).
На практике прибегают к снижению напряжения (в основном для осуществления пуска) двигателя с различными приемами: переключение обмоток статора двигателя со звезды на треугольник; введением сопротивления во все три фазы статора; питания статора от трехфазного автотрансформатора и т. п. На рис.3.2 изображены механические характеристики асинхронного двигателя при различных способах понижения напряжения; характеристика 2 — включение обмоток двигателя звездой на напряжения 220 В; характеристика 1— включение обмоток двигателя треугольником на номинальное напряжение 220 В или звездой на напряжение 380 В; характеристика 3 — симметричному включению сопротивлений в цепи статора. Иногда для регулирования скорости асинхронного двигателя с фазным ротором в роторную цепь вводят добавочное сопротивление, статор питается несимметричным напряжением от однофазного автотрансформатора. Несимметричную трехфазную систему можно разложить на две симметричные, прямого и обратного следования фаз, каждая из которых будет создавать свой момент. Механические характеристики для прямого Мпр и обратного Моб следования фаз без добавочного сопротивления в цепи ротора изображены на рис.3.3. Там же даны результирующая Мр и естественная Ме характеристики при несимметричном питании.
Из этих характеристик видно, что при несимметричном питании сильно снижается максимальный момент M< На рис.3.4 изображены механические характеристики для прямого Мпр и обратного Моб следований фаз при в введении в цепь ротора добавочного сопротивления. В этом случае результирующая механическая характеристика Мр проходит значительно ниже естемтвенной и пересекает ось ординат ниже синхронной скорости ωоп<ω0. Таким образом, изменяя добавочное сопротивление в роторной цепи и степень несимметрии питающего напряжения, можно получить различные механические характеристики.
^ Для получения механической характеристики ω(М) двигателя необходимо произвести дополнительные расчеты и опыты. В этом случае снимаются зависимости скорости испытуемого двигателя ИД и нагрузочного генератора Г, так как определение момента на валу машины постоянного тока проще, чем машины переменного тока. Электромагнитный момент, Н*м:
где Р — электромагнитная мощность якоря генератора, кВт; n — скорость соответствующей мощности Р, об/мин. Электромагнитная мощность, кВт:
где U — напряжение на якоре генератора, В; I — ток якоря, А; R2 — сопротивление якоря, Ом. Момент на валу двигателя ИД, Н*м:
В этом уравнении момент потерь вращения генератора можно определить по паспортным данным генератора Г, Н*м:
где потери мощности, кВт:
Это справедливо только при номинальном магнитном потоке Г. При магнитных потоках, отличных от номинального, величину ΔМ можно определить только опытным путем, снимая зависимость ΔМ(М) для различных токов возбуждения. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с лабораторной установкой и технической характеристикой электромашины, аппаратуры управления и измерительных приборов, заполнить табл.3.1.
2. Собрать схему согласно рис. 3.5
3. Ввести полностью добавочное сопротивление Rдоб в роторную цепь двигателя Д, отключить нагрузку генератора и включить напряжение переключателем АВ (включение производить только по разрешению преподавателя). Проверить работоспособность схемы. 4. Снять естественную механическую характеристику n(M) при U1=Uн, R1доб=0, R2доб=0, для чего начиная с холостого хода, т.е. при n=nmax, Ir=0, увеличивая нагрузку генератора с помощью тока в обмотке возбуждения ОВГ и нагрузочного сопротивления Rн, записать показания всех приборов и скорость двигателя в таблицу. Снять 6-7 показаний. 5. Снять искусственные механические характеристики: а) при  , (при двух положениях);б) при понижении напряжения на фазе статора (переключатель П ставят в положение 2-2-2 и отключают R1доб и R2доб), т.е. при соединении обмоток статора звездой и при линейном напряжении 220 В, соответствующем соединению обмоток статора треугольником; в) при несимметричном питании статора. В этом случае с помощью автотрансформатора АТР по вольтметрам V1 , V2 и V3 устанавливаются различные степени несимметрии питающего напряжения статора по отношению к номинальному напряжению двигателя Д, которое фиксируется. 6. Собрать схему согласно рис.3.6 и проделать все то же, что и в п.5
7. Снять искусственные характеристики: а) при включении трех (симметричных) активных добавочных сопротивлений  ;б) при включении активного добавочного сопротивления в одну фазу статора и R2доб=0 (ключ К в положении I-I-I). 8. Расчетным путем, согласно формулам, приведенным в теоретической части, найти недостающие точки для построения полных механических характеристик в двигательном режиме. 9. Все экспериментальные и расчетные данные занести в табл.2.1. 10. По полученным данным табд.2.1 построить графические зависимости механических характеристик. На каждом графике должны быть изображены естественная и несколько искусственных характеристик с нанесением точек данных табл. 2.1. 11. Сделать выводы и заключения. ^ 1. Название и цель работы 2. Схема лабораторной установки 3. Паспортные данные машин, приборов, аппаратов, примененных в лабораторной установке. 4. Порядок выполнения работы и нужные расчетные формулы. 5. Таблицы с опытными и расчетными данными. 6. Графическое изображение механических характеристик. 7. Выводы по работе. Лабораторная работа №4 ^ ИЗМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТЫ Цель работы — экспериментально изучить регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты питания, получение механических характеристик и выявление характера изменения Mmax, U1, cos φ и КПД в зависимости от частоты питания. Основные теоретические положения Скорость вращения ротора асинхронного двигателя 1/c:
где f1 — частота подводимого напряжения, Гц; Р — число пар полюсов; S — скольжение. Для выявления зависимости максимального момента от частоты рассмотрим формулу:
где m — число фаз двигателя; R1 — активное сопротивление статорной обмотки, Ом; Хк — индуктивное сопротивление обмоток статора и ротора приведенного двигателя при коротком замыкании, Ом. Поскольку  , то пренебрегая R1, получаем, что Mmax при U1=const будет обратно пропорционально квадрату частоты:
Чтобы максимальный момент оставался постоянным, необходимо соблюдать условие  однако при низких частотах (ниже 10 Гц) это условие нарушается, т.е за счет сопротивления происходит уменьшение напряжения на обмотке статора, ведущее к уменьшению максимального момента, т.е. нагрузочной способности двигателя:
где Мн — номинальный момент двигателя, Н*м. В общем случае, когда при частотном регулировании будет изменяться момент нагрузки Мс, подводимое напряжение определяется по соотношению:
где U1н,fн — номинальное значение соответственно амплитуды и частоты питающего напряжения; U1,f1 — текущие значения тех же величин. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты изображены на рис.4.1. На рис.4.2 показаны кривые, иллюстрирующие характер изменения Mmax, UL, cos φ и КПД в зависимости от частоты питания. Порядок выполнения работы Работы проводятся по схеме, изображенной на рис.4.3. Асинхронный двигатель АД питается от тиристорного преобразователя частоты типа ТПЧ-15, состоящего из управляемого выпрямителя УВ автономного инвертора АИ. Управляемый выпрямитель преобразует трехфазное переменное напряжение U1н в постоянное Ud2 и управляет его величиной. Автономный инвертор, наоборот, преобразует постоянное напряжение в переменное трехфазное, но изменяющейся частоты f1. Таким образом, на выходе ТПЧ получаем переменное трехфазное напряжение регулируемой величины U1 и частоты f1. Величина Ud2, а следовательно, и U1 устанавливаются потенциометром П1, частота — потенциометром П2. 1. Подготовка установки к работе: а) собрать схему по рис.4.3; б) потенциометры П1,П2,П3 поставить в нулевые положения, выключатель В2 оставить выключенным; в) включить выключатель В1; г) одновременно и постепенно передвигая потенциометры П1 и П2 влево, устанавливать минимальную частоту и напряжение. При этом двигатель начнет вращаться. 2. Снятие характеристик АД. Механические характеристики снимаются при частотах питания f1=60…30, 10…5 Гц, для двух режимов: соблюдения постоянности перегрузочной способности, т.е. U1=Uн=const. Напряжение устанавливается потенциометром П1, частота — П2 . нагрузочным устройством служит генератор постоянного тока Г. В табл.3,1 заносятся данные технической характеристики электрических машин, аппаратов и приборов. 3. Расчет моментов, cos φ и КПД испытуемого АД. Методика расчета моментов на валу изложена в лабораторной работе №2. Мощность на валу двигателя АД, Н*м:
Коэффициент мощности двигателя АД:
где Р1=РА+РВ+РС — активная мощность на зажимах статора двигателя, кВт; U1—линейное напряжение на зажимах статора, В; I1 — линейный ток в обмотке статора,А. КПД двигателя АД:
Результаты расчетов занести в табл.4.1.
1. Название и цель работы 2. Схема лабораторной установки 3. Паспортные данные машин, приборов, аппаратов, примененных в лабораторной установке. 4. Порядок выполнения работы и нужные расчетные формулы. 5. Таблицы с опытными и расчетными данными. 6. Механические характеристики ω(М) и зависимости Mmax(f1); U(f1); cosφ(f1); η(f1) двигателя АД. 7. Выводы по работе. Таблица 4.1
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 