Исследование машины постоянного тока с независимым возбуждением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белгород 2022

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова (БГТУ им. В. Г. Шухова)

Институт Энергетики, информационных технологий и управляющих систем

Кафедра технической кибернетики

Электрические машины и специальные двигатели

Лабораторная работа № 3. «Исследование машины постоянного тока с независимым возбуждением»

Выполнил: студент группы АП-201 Нерубенко Д.Р.

студент группы АП-201 Казаченко С.Ю.

студент группы УС-201 Таран Н.О.

Принял: Ст. преподаватель кафедры ТК Гольцов Ю.А.



Цель работы

Исследование машины постоянного тока при работе в двигательном и генераторном режимах.

Содержание работы

· Снятие механической и расчет рабочих характеристик машины в двигательном режиме работы.

· Снятие механической и расчет рабочих характеристик машины в генераторном режиме работы.

· Снятие механических характеристик при различных напряжениях питания в цепи якоря.

· Снятие механических характеристик при различных сопротивлениях в цепи якоря.

· Снятие механических характеристик при различных потоках возбуждения

· Снятие регулировочных характеристик при изменении напряжения якоря.

Виртуальная модель для исследования МПТ с независимым возбуждением представлена на рис.1. Она включает источники постоянного напряжения (V1 для питания якоря машины, V2 для питания обмотки возбуждения из библиотеки Power System Blockset/Electrical Sources), блок Moment для задания момента нагрузки (блок Constant из библиотеки Simulink/Sources), саму машину постоянного тока (блок DC Mashine из библиотеки Power System Blockset/Machines ), блок для измерения переменных состояния машины Display и осциллограф Scope для визуализации наблюдения процессов из библиотеки Simulink/Sinks.



Рис. 1 Виртуальная модель для исследования МПТ с независимым возбуждением

двигательный машина механический якорь

Цепь якоря и цепь возбуждения видны из графического начертания блока, на вход TL подается момент нагрузки, выход m предназначен для измерения и наблюдения переменных состояния машины в следующей последовательности: угловая скорость (рад/с), ток якоря (А), ток возбуждения (А), электромагнитный момент (Нм).

В полях настройки машины задаются:

· Параметры обмотки якоря- R_a (Ом), L_a (Гн)

· Параметры обмотки возбуждения- R_f (Ом), L_f (Гн)

· Коэффициент L_af

· Суммарный момент инерции машины и нагрузки - J (кГм²). Следует подчеркнуть, что параметры (L_f, J) важны при исследовании переходных процессов. На установившиеся режимы они не влияют;



Рис. 2 Окно настройки параметров МПТ

· Коэффициент вязкого трения- Bm (Нм*с)

· Коэффициент сухого трения - Tf (Нм)

· Начальная скорость.

Рис. 3 Окно задания параметров моделирования



Паспортные параметры машины

Тип двига- теля				Uн, [В]	Rн, [Ом]	Rв, [Ом]	Lм, [мГн]
2 ПН-1.0	1	3000	72.5	220	2.52	92	48

Параметры машины рассчитываются по формулам, которые представлены в главе 5 книги Герман-Галкин «Электрические машины», стр.184

Параметры машины для выполнения работы:

Выполнение работы

1. Снятие механической и расчет рабочих характеристик машины в двигательном режиме работы.

Снимем механическую характеристику по пункту 1. В окне настройки V1 последовательно задаётся параметр напряжения: V1=220 В, V1=400 В. В окне настройки блока Moment последовательно задаются значения момента М = 3 и М = 5 с. Для каждого значения момента осуществляется моделирование заполняется таблица, приведённая ниже, и рассчитываются значения.

Табл. 1

№ опыта	Двигательный режим независимого возбуждения U1=220В
	Задание	Измерения	Расчеты
	J, кг*м^2	U1, В	М[н/м]	w[рад/с]	Ia[A]	Iв[A]	Р1[Вт]	Р2[Вт]	n
1	0,092	220	3,159	258,5	3,919	2,391	1388,2	816,6015	58,8%
2	0,094		3,104	258,4	3,948	2,391	1394,58	802,0736	57,5%
5	0,092		4,913	250,9	6,37	2,391	1927,42	1232,672	64%
6	0,094		5,127	250,8	6,402	2,391	1934,46	1285,852	66,5%

Табл. 2

№ опыта	Двигательный режим независимого возбуждения U1=400В
	Задание	Измерения	Расчеты
	J, кг*м^2	U1, В	М[н/м]	w[рад/с]	Ia[A]	Iв[A]	Р1[Вт]	Р2[Вт]	n
3	0,092	400	3,276	479,3	4,097	2,391	2595,2	1570,187	60,5%
4	0,094		3,338	479,2	4,154	2,391	2618	1599,57	61,1%
7	0,092		5,281	471,7	6,552	2,391	3577,2	2491,048	69,6%
8	0,094		5,312	471,6	6,607	2,391	3599,2	2505,139	69,6%

Вычисление осуществляется по выражениям: P1=U(Iя+Iв), P2=Mн?щ, ?=P2/P1.

Приведём графическое отображение значений механических характеристик:

Рис. 4 М= f(w)



Рис. 5 М=f(Iа)

Рис. 6 М=f(Iв)

Рис. 6 M=f(P1)

Рис. 7 M=f(P2)

Рис. 8 M= f(n)

2. Снятие механической и расчет рабочих характеристик машины в генераторном режиме работы

Снимем механическую характеристику. В окне настройки блока Moment последовательно задаются значения момента от ?1,2 M_н до 0 M_н с шагом ?0,2 M_н. Для каждого значения момента осуществляется моделирование заполняется таблица (Табл.3, 4.) и рассчитываются значения. Коэффициент полезного действия в этом случае вычисляется по формуле ?=P₁/P₂.

Табл. 3

№ опыта	Генераторный режим независимого возбуждения U1=220В
	Задание	Измерения	Расчеты
	J, кг*м^2	U1, В	М[н/м]	w[рад/с]	Ia[A]	Iв[A]	Р1[Вт]	Р2[Вт]	n
1	0,092	220	-2,716	281,3	-3,444	2,391	-231,66	-764,011	329,8%
2	0,094		-2,759	281,2	-3,409	2,391	-223,96	-775,831	346,41%
5	0,092		-4,711	288,9	-5,897	2,391	-771,32	-1361,01	176,45%
6	0,094		-4,733	288,8	-5,862	2,391	-763,62	-1366,89	179%

Табл. 4

№ опыта	Генераторный режим независимого возбуждения U1=400В
	Задание	Измерения	Расчеты
	J, кг*м^2	U1, В	М[н/м]	w[рад/с]	Ia[A]	Iв[A]	Р1[Вт]	Р2[Вт]	n
3	0,092	400	-2,647	502,2	-3,262	2,391	-348,4	-1329,32	381,55%
4	0,094		-2,59	502	-3,204	2,391	-325,2	-1300,18	399,81%
7	0,092		-4,631	509,8	-5,716	2,391	-1330	-2360,88	177,51%
8	0,094		-4,581	509,6	-5,656	2,391	-1306	-2334,48	178,75%

Механические характеристики.

Рис. 9 M=f(w)

Рис. 10 M=f(Ia)

Рис. 11 M=f(Iв)



Рис. 12 M=f(P1)

Рис. 13 M=f(P2)



Рис. 14 M=f(n)

Вывод: на основе полученных опытов можно выявить следующее: при увеличении нагрузки на синхронный двигатель:

· Работа двигателя с синхронной скоростью продолжается;

· Угол крутящего момента увеличивается;

· Величина напряжения возбуждения не меняется;

· Увеличивается потребляемый от источника питания ток якоря Ia.

Когда нагрузка на синхронный двигатель уменьшается, то

· Работа двигателя с синхронной скоростью продолжается;

· Угол крутящего момента уменьшается.

· Величина напряжения возбуждения не меняется;

· Ток якоря (Ia), потребляемый от источника питания, уменьшается.

С увеличением сопротивления движению скорость вращения вала уменьшается, ток и, соответственно, мощность в цепи якоря увеличиваются. При этом КПД двигателя увеличивается в двигательном режиме и уменьшается в генераторном.



3. Снятие механических характеристик при различных напряжениях питания в цепи якоря

Снятие механических характеристик при различных напряжениях питания в цепи якоря по пункту 3, следует провести для двух значений напряжение на якоре 0,6 U_я и 0,8 U_я, где U_я- первоначальное напряжение на якоре, при котором выполнялись и пункт 1 и 2. При этом момент нагрузки следует изменять от -1,2 M_н до 1,2 M_н с шагом 0,2 M_н. Для каждого значения сопротивления якоря и момента проводится моделирование и заполняется таблица(Табл. 5.)

Табл. 5

Мех.характеристики, M[Н/м]	Независимое возбуждение, w[рад/с]
	U1=220 В	U1=400 В
-4,733	288,8	509,8
-4,711	288,9	509,6
-2,759	281,2	502,2
-2,716	281,3	502
0	274,6	491,1
3,104	258,4	479,3
3,159	258,5	479,2
4,913	250,9	471,7
5,127	250,8	471,6

Построим по данным механические характеристики МПТ:



Рис. 15 График механических характеристик при различных напряжениях на якоре

Вывод: в ходе проведения опытов наблюдается увеличение скорости вращения вала при увеличении напряжения на якоре, при этом при уменьшении момента сопротивления движению скорость вращения вала будет увеличиваться.

4. Снятие механических характеристик при различных сопротивлениях в цепи якоря

Снимем механические характеристики при различных потоках возбуждения по пункту 4, следует провести для двух значений потока 2R_я и 4R_я., где R_я - первоначальное значение сопротивление. Изменение сопротивления якоря осуществляется в поле окна настройки параметров машины. При этом момент нагрузки следует изменять -1,2M_н до 1,2M_н с шагом 0,2M_н. Для каждого значения сопротивления якоря и момента проводится моделирование и заполняется таблица(Табл.6.)

Табл. 6

Мех. характеристики	независ. Возбужд.
М[Нм]	w[рад/с]
	2Rя	4Rя
-4,631	350,1	264,4
-4,581	347,6	263,7
-2,647	297,5	253,4
-2,59	295,1	252,8
0	236,6	232,8
3,276	179,1	195,5
3,338	177,8	193,9
5,281	150,2	170,1
5,312	149,9	169,2

Построим по данным механические характеристики МПТ:

Рис. 16 График механических характеристик при различных сопротивлениях на якоре

Вывод: при отрицательных показаниях момента сопротивления движению с увеличением сопротивления в цепи якоря наблюдается увеличение скорости вращения вала двигателя, при положительных - скорость вращения вала двигателя уменьшается с увеличением сопротивления.

5. Снятие механических характеристик при различных потоках возбуждения

Снимем механические характеристики при различных потоках возбуждения по пункту 5, следует провести для двух значений потока 0,6 Ф_н 0,8 Ф_н. Для этого в поле Field-armature mutual inductance необходимо установить значения L_af вначале 0,6 а затем 0,8 от первоначальной величины.

При этом момент нагрузки следует изменять от 1,2M_н до 1,2M_н с шагом 0,2M_н. Для каждого значения сопротивления якоря и момента проводится моделирование и заполняется таблица(Табл.7.)

Табл. 7

Мех. характеристики	независ. Возбужд.
М[Нм]	w[рад/с]
	0,6Laf	0,8Laf
-5,313	765,3	630,1
-5,22	755,2	628,3
-3,527	746,7	618,4
-3,392	741,8	617,2
0	714,1	599,8
3,13	690,9	583,5
3,52	686,4	582,3
5,1	672,3	571,9
5,16	667,7	570,7

Построим по данным механические характеристики МПТ:



Рис. 17 График механических характеристик при различных потоках

Вывод: С увеличением значения потока возбуждения скорость вращения вала уменьшается.

6. Снятие регулировочных характеристик при изменении напряжения якоря

Снимем регулировочные характеристики при изменение напряжения якоря по пункту 6, проводится для постоянного момента нагрузки, равного номинальному и изменению напряжения в цепи якоря от 0,4 до 1,2 исходного значения с шагом 0,2 исходного значения напряжения. Для каждого значения напряжения проводится моделирование и заполняется таблица(Табл.8)

Табл. 8

Uя[B]	w[рад/с]
88	103,3
132	169,2
176	235,1
220	301,1
264	367

Регулировочные характеристики

Рис. 18 График регулировочных характеристик

Вывод: с увеличением значения напряжения скорость вращения вала также будет увеличиваться.

Общий вывод: на основе полученных опытов можно выявить следующее: при увеличении нагрузки на синхронный двигатель:

· Работа двигателя с синхронной скоростью продолжается;

· Угол крутящего момента увеличивается;

· Величина напряжения возбуждения не меняется;

· Увеличивается потребляемый от источника питания ток якоря Ia.

Когда нагрузка на синхронный двигатель уменьшается, то

· Работа двигателя с синхронной скоростью продолжается;

· Угол крутящего момента уменьшается.

· Величина напряжения возбуждения не меняется;

· Ток якоря (Ia), потребляемый от источника питания, уменьшается.

С увеличением сопротивления движению скорость вращения вала уменьшается, ток и, соответственно, мощность в цепи якоря увеличиваются. При этом КПД двигателя увеличивается в двигательном режиме и уменьшается в генераторном. При отрицательном моменте сопротивления движению, чем больше значение сопротивления в цепи якоря, тем больше скорость вращения вала. При положительном моменте сопротивления движению скорость вала становится меньше при большем сопротивлении.

В ходе проведения опытов наблюдается увеличение скорости вращения вала при увеличении напряжения на якоре, при этом при уменьшении момента сопротивления движению скорость вращения вала будет увеличиваться.

При отрицательных показаниях момента сопротивления движению с увеличением сопротивления в цепи якоря наблюдается увеличение скорости вращения вала двигателя, при положительных - скорость вращения вала двигателя уменьшается с увеличением сопротивления.

С увеличением значения потока возбуждения скорость вращения вала уменьшается. С увеличением значения напряжения скорость вращения вала также будет увеличиваться.

Размещено на Allbest.ru