Исследование пусковых характеристик коллекторных электрических машин постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

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

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(I_а), 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

Графики функций I_а = 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).

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(I_а), 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 I_а = 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 190401.65 «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.

Размещено на Allbest.ru