Лабораторная работа№ 1 Определение момента инерции ЭП методом свободного выбега

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Невинномысский технологический институт (филиал)

 

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

В.И. Шипулин

________________

(подпись)

«___»_________________2016 г.

Лабораторный практикум

По дисциплине «Электрический привод»

Учебное пособие

Направление подготовки 13.03.02– Электроэнергетика и электротехника

Профиль подготовки – Электропривод и автоматика

Квалификация выпускника – бакалавр

Изучается в 6,7 семестрах

 

 

«СОГЛАСОВАНО»:	«РАЗРАБОТАНО»:
Зав. выпускающей кафедрой ИСЭА ____________ Д.В. Болдырев "__" ___________ 20______ г.   Директор института НТИ (филиал) СКФУ ___________ Л.В. Пешкова "__" ___________ 20______ г.   Рассмотрено УМК НТИ (филиал) СКФУ "___" ____________ 20_____ г. протокол №_____________ Председатель УМК _________	Доцент кафедры ИСЭА _______________ А.И. Колдаев "__" ____________ 20_____ г.

 

Невинномысск

2016

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

Образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Невинномысский технологический институт (филиал)

 

Колдаев А.И.

 

 

Лабораторный практикум

По дисциплине «Электрическийпривод»

Учебное пособие

Направление подготовки 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника

Профиль подготовки – Электропривод и автоматика

Квалификация выпускника – бакалавр

 

Невинномысск

 2016

УДК 621.313                           Печатается по решению УМС

ББК 31.261                               Северо- Кавказского федерального

К 60                                              университета

Рецензенты:

профессор кафедры информационных систем, электропривода и автоматики «Невинномысского технологического института (филиала) «СКФУ», доктортехн. наук, профессорИ.М. Коклин; заместитель директора по технологии ООО «Алюмар» канд. физ.-мат. наук Н.П. Кармацкий

 

 

Колдаев А.И. Лабораторный практикум по дисциплине «Электрическийпривод»: Учебное пособие – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2015. – 136 с.

 

Лабораторный практикум подготовлен в соответствии с программой дисциплины «Электрическийпривод», разработанной в соответствии с требованиями ФГОС направления подготовки бакалавров. Последовательно изложены основные данные в соответствии с темой проведения каждой лабораторной работы, составлен перечень контрольных вопросов для самоподготовки, задачи для контрольной работы, представлены основные сведения из теории электрических машин, необходимые для предварительного освоения курса, а также список рекомендуемой литературы. Предназначено для расширения знаний студентов по направлению подготовки13.03.02  «Электроэнергетика и электротехника» по профилю подготовки «Электропривод и автоматика» всех форм обучения.

УДК 621.313

ББК 31.261

 

© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», 2015

© Колдаев А.И.

 

Оглавление

Введение. 5

Лабораторная работа № 1 Определение момента инерции ЭП методом свободного выбега 8

Лабораторная работа № 2 Определение момента инерции ЭП расчетным методом 19

Лабораторная работа № 3 Исследование механической части электропривода. 25

Лабораторная работа №4 Исследование скоростных и механических характеристик ЭД постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) 33

Лабораторная работа №5 Исследование скоростных и механических характеристик ЭД постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) в тормозных режимах. 48

Лабораторная работа № 6 Моделирование электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. 55

Лабораторная работа № 7 Исследование режимов реостатного пуска электропривода постоянного тока. 62

Лабораторная работа № 8 Исследование режима динамического торможения электропривода постоянного тока. 68

Лабораторная работа № 9 Исследование режима торможения противовключением электропривода постоянного тока. 74

Лабораторная работа № 10 Моделирование электропривода по системе «тиристорный преобразователь–двигатель постоянного тока». 79

Лабораторная работа № 11 Исследование регулировочных свойств ДПТ НВ в системе "Управляемый выпрямитель - двигатель". 85

Лабораторная работа № 12 Исследование регулировочных свойств ДПТ НВ в системе «Управляемый выпрямитель – двигатель». 91

Лабораторная работа № 13 Расчет рабочих характеристик машины постоянного тока 97

Лабораторная работа № 14 Исследование машины постоянного тока при работе в двигательном и генераторном режимах. 105

Лабораторная работа № 15 Исследование машины постоянного тока последовательного возбуждения. 111

Лабораторная работа № 16 Моделирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. 117

Лабораторная работа № 17 Исследование трехфазной асинхронной машины с фазным ротором. 125

Лабораторная работа № 18 Исследование трехфазной асинхронной машины с короткозамкнутым ротором при питании от однофазной сети. 130

Лабораторная работа № 19 Исследование режима динамического торможения в асинхронном электроприводе. 137

Лабораторная работа № 20 Исследование режима торможения противовключением в асинхронном электроприводе. 142

Лабораторная работа № 21 Исследование электропривода в системе преобразователь частоты – асинхронный двигатель. 147

Лабораторная работа № 22 Моделирование электропривода в системе преобразователь частоты – асинхронный двигатель. 156

Лабораторная работа № 23 Исследование трехфазной синхронной машины.. 162

Лабораторная работа № 24 Исследование пускового режима синхронного двигателя 168

Лабораторная работа № 25 Исследование синхронного генератора. 173

Лабораторная работа № 26 Построение внешней и рабочей характеристик синхронного генератора. 180

Лабораторная работа № 27 Исследование синхронного компенсатора при работе на сеть 185

Список литературы.. 190

Введение

 

Дисциплина «Электрические привод» изучается студентами направления подготовки 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника (профиль подготовки – «Электропривод и автоматика») на 3-м и 4-м курсах, когда базовые теоретические дисциплины специальности практически уже освоены. Так как, кроме освоения теоретического материала, требуется закрепление полученных знаний в лабораторных условиях, поэтому в учебном процессе высших учебных заведений наряду с теоретическим обучением значительное место отводится выполнению лабораторных работ. Правильное сочетание теоретических знаний с практикой лабораторных работ обеспечивает высокое качество подготовки выпускников.

Подготовка студентов по профилю «Электропривод и автоматика» ведется с учетом возможности использования своих знаний для создания, использования, эксплуатации электромеханических и электромагнитных систем для всех отраслей производства и жизнеобеспечения.

Лабораторный практикум по электрическомуприводу выполнен на современном научно-техническом уровне и рассчитан на студентов, обладающих достаточной подготовкой по дисциплинам: физика, высшая математика, теоретические основы электротехники, электрические машины.

При подготовке этого издания были учтены основные изменения в программе курса и тенденции ее развития. Было учтено также стремление усилить общую практическую подготовку бакалавра. Представленное авторами учебное пособие предлагает проведение восемнадцатилабораторных работ. В конце каждого лабораторного занятия представлены вопросы для контроля знаний студента.Работы выполняются на лабораторном стенде«АЭП-02» ив виде имитационного моделирования в программном пакете MatLABSimulink.

В результате освоения теоретического и практического материала пособия и соответствующих разделов дисциплины «Электрическийпривод» ОП студент приобретает следующие компетенции:

- способность рассчитывать режимы работы объектов профессиональной деятельности (ПК-6).

Автор надеется, что при овладении материалом данного учебного пособия, бакалавр по профилю подготовки «Электропривод и автоматика» сможет использовать полученные компетенции при дальнейшем обучении, изучать электромеханическиепроцессы, проектировать и моделировать их работу в теории и на практике.

Содержание учебного пособия соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта к содержанию дисциплины «Электрическийпривод» для студентов направления подготовки13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника».

Электрические привод (ЭП) – это одна из основных общетехнических дисциплин для подготовки инженеров электротехнических и электроэнергетических специальностей.

Цель преподавания ЭП–основной целью дисциплины «Электрические привод» является формирование у студентов теоретической базы по современным направлениям развития электрического привода, которая позволит им успешно решать теоретические и практические задачи в их профессиональной деятельности, связанной с проектированием, испытаниями и эксплуатацией электрических приводов.

Задачами курса являются: изучение методов описания электропривода как электромеханической системы, в которой одновременно протекают электромагнитые и механические процессы; осмысление энергетических и физических процессов в электроприводах постоянного и переменного тока; ознакомление с принципами управления и элементами проектирования ЭП.

Для достижения поставленной цели студенты должны уметь:

1) Классифицировать электрические приводы и описывать сущность происходящего в них процесса электромеханического преобразования энергии;

2) самостоятельно проводить расчеты по определению параметров и характеристик электрических проводов на основе их математических моделей и формул проектирования;

3) Проводить испытания электрических приводов для определения их характеристик и параметров; и приобрести навыки: расчета статических и динамических режимов электрических приводов с применением вычислительной техники; экспериментального исследования указанных режимов на лабораторных стендах и технических моделях.

 Студент после изучения дисциплины должен

знать: назначение, элементную базу, характеристики и регулировочные свойства электроприводов с двигателями постоянного и переменного тока; типовые структуры ЭП; процессы взаимного преобразования электрической и механической энергии; принципы управления координатами электродвигателей постоянного и переменного тока при непрерывном и дискретном движении; параметры, элементарную базу и характеристики силового и информационного каналов ЭП;

уметь:анализировать и формулировать требования к ЭП по условиям технологического процесса; составлять и математически описывать расчётные схемы и алгоритмы функционирования ЭП; синтезировать простые структуры привода, выбирать и рассчитывать элементы ЭП; экспериментально определять основные характеристики элементов и ЭП в целом;

применять, эксплуатировать и производить выбор электрических аппаратов, электрического привода, элементов автоматики;

владеть: методами проектирования силовой части и системы управления электропривода общепромышленных механизмов; расчетов нагрузочных диаграмм, статических, динамических характеристик различных электроприводов; методами анализа режимов работы электроприводов.

 

Лабораторная работа№ 1 Определение момента инерции ЭП методом свободного выбега

 

Цель работы: приобрести практические навыки в экспериментальном определении момента инерции и махового момента как важнейшего динамического параметра электропривода; получить опытное подтверждение теоретических положений об инерционности и динамическом моменте электропривода.

Формируемые компетенции:способность рассчитывать режимы работы объектов профессиональной деятельности (ПК-6).

Теоретическая часть

При постоянной скорости ω = ω_c[рад/с или с^-1] вращения электропривода dω/dt = 0 мощность P[Вт] = M·ω, развиваемая электродвигателем с электромагнитным моментом M[H·м], расходуется только на преодоление статической нагрузки M_c. Это статический режим электропривода:

M = M_cи ω = ω_с .                                                           (1.1)

В переходном режиме скорость вращения изменяется и мощность электродвигателя расходуется не только на статическую, но и на динамическую нагрузки, т.е. на разгон или торможение. Это динамический режим электропривода, который для одномассовой расчетной схемы согласно второму закону Ньютона записывается так:

M − M_c = J·dω/dt,                                         (1.2)

здесь левая часть (M−M_c) = ∆M − избыточный момент; правая часть J·dω/dt = M_д − динамический момент; J [кг·м²] − суммарный момент инерции электропривода, под которым понимается эквивалентный (часто его называют приведенный) момент инерции электропривода, полученный приведением инерционных масс J_j и m_j[кг], движущихся со скоростями ω_jи υ_j[м/с], соответственно, к скорости электродвигателя ω:

,                              (1.3)

где J_дв− момент инерции ротора (якоря) электродвигателя;

i_j[о.е.]=ω/ω_j− передаточное отношение от вала электродвигателя до элемента J_j;

ρ_j[м]=υ_j/ω − радиус приведения массы m_j, движущейся поступательно со скоростью υ_j.

    В соответствии с (1.2) и значением избыточного момента различают три режима работы электропривода

1. разгон: ∆M>0, т.е. M>M_c, означает набор скорости и угловое ускорение ε=dω/dt>0;

2. торможение: ∆M<0, т.е. M<M_c, означает замедление и угловое ускорение ε=dω/dt<0;

3. стационарный (статический): ∆M=0, т.е. M=M_c, означает постоянство ω=ω_с и ε=0.

    Частным случаем торможения является свободный выбег, соответствующий отключению электродвигателя от сети и прекращению действия электромагнитного (вращающегося) момента:

−M_c = J·dω/dt,                                               (1.4)

здесь скорость падает от ω=ω_с до ω=0. При этом время выбега

 ,                               (1.5)

а характер торможения, т.е. зависимость ω(t) − кривая выбега определяется зависимостью момента сопротивления от скорости M_c(ω). При M_c(ω)=M_c=const из (1.5) получаем

t_выб = J·ω_c/M_c,                                       (1.5.1)

и расчетную формулу для момента инерции

J = M_c·t_выб/ω_с ,                                      (1.6)

которая соответствует линейной аппроксимации кривой выбега и часто используется в инженерной практике для оценки значения J. При расчете J по формуле (1.6) значение угловой скорости ω_с устанавливается на уровне (0,8…1,2)ω_ном − номинального значения; время выбега t_выб измеряется секундомером или другим таймером; момент сопротивления M_cи тем болеезависимость M_c(ω) являются неизвестными и требуют дополнительных опытов или расчетов. В качестве M_cнаиболее просто принять M_c(0) − значение момента сопротивления при ω=0, т.е. так называемый момент трогания, определяемый по формуле

M_c(0) = F_c· r                                         (1.7)

где F_c[H] − сила, приложенная по касательной к диску или валу радиуса r [м] и измеряемая динамометром в момент начала движения. Следует иметь в виду, что большинство динамометров имеет градуировку F_дин [кг·с] − килограммах силы. Поэтому требуется пересчет F_c[H]=g· F_дин, приняв ускорение свободного падения g = 9,81[м/с²].

По формуле (1.6) можно получить более точный результат для J, если удается измерить M_c(0) и M_c(ω_с) и в качестве M_c взять их среднее арифметическое, т.е. M_c=(M_c(0)+ M_c(ω_с))/2.

В качестве меры инерции вращающихся тел также используют маховый момент

GD² = 4gJ                                            (1.8)

или

mD² = 4J,                                             (1.8.1)

где G[H] − сила тяжести вращающейся массы m[кг],

D[м] − диаметр тела вращения.

В справочной литературе по электрическим машинам зачастую приводят значения махового момента.

    Разновидностью метода выбега является методика, основанная на энергетическом подходе. Исследуемый агрегат, включающий в себя электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) и механически соединенные с ним элементы, разгоняется до установившейся скорости вращения ω_xx=(1,0…1,2)ω_ном в режиме холостого хода (опыт х.х.), т.е. без полезной нагрузки. После отключения электродвигателя от сети начинается процесс самопроизвольного торможения − выбег, т.е. торможение исключительно за счет внутренних сил трения: трения в подшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух и т.д. На преодоление этих сил затрачивается кинетическая энергия W_K[Дж], запасенная во вращающихся частях агрегата:

W_K = Jω_xx²/2.                                        (1.9)

Предполагается, что эта энергия равна произведению мощности P₀[Вт], затрачиваемой на вращение агрегата, на время t₀[с], т.е.

Jω_xx²/2 = P₀· t₀ ,                                    (1.10)

откуда

J = 2P₀·t₀/ω_xx² .                            (1.10.1)

Значения P₀ и t₀ определяются экспериментально путем выполнения опытов х.х. и свободного выбега.

Опыт холостого хода. Электродвигатель включается в сеть номинального напряжения U_c= U_ном [В] при номинальном возбуждении. В установившемся режиме фиксируют показания приборов и заносят их в таблицу 1.1 как результаты измерений. Необходимые вычисления выполняются по формулам:

мощность P₀[Вт], затрачиваемая на вращение агрегата

P₀ = P_хх − (P_а + P_щ) ;                                      (1.11)

мощность P_хх[Вт] холостого хода в цепи якоря при токе I_a[A]

P_хх = U_ном· I_a;                                        (1.11.1)

активные потери P_а[Вт] в цепи якоря

P_а = I_a²·r,                                              (1.11.2)

где r[Ом] − измеренное значение сопротивления якоря;

электрические потери P_щ [Вт] в щеточном аппарате

P_щ= I_a·∆U_щ,                                                    (1.11.3)

где ∆U_щ[В] − падение напряжения в щеточном аппарате обычно принимают равным 2 В.

 

Таблица 1.1 − Координаты кривой выбега

t, c	0	1	2	3	…	j	…	n	Опыт
ω, с-1									1
									…
									i
									…
									m
ωjср, с-1									среднее
σ, с-1									отклонение

 

    Для уменьшения случайной погрешности рекомендуется для каждой точки t_j, j = [0,n] найти среднее арифметическое значение

,                             (1.12.1)

и среднеквадратическое отклонение

,                 (1.12.2)

которое может служить оценкой достоверности экспериментальных данных, например, с риском не более 10 % при max{σ_j} ≤ 0,1.

    Для преодоления времени t₀ необходимо на миллиметровой бумаге построить кривую выбега ω(t) по данным таблицы 1.2 и провести касательную к этой кривой в точке {0; ω_xx} до пересечения с осью абсцисс (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Кривая выбега и определение времени t₀

 

С особой тщательностью следует измерить первые три значения ω(t) и масштаб должен обеспечить отсчет t₀[c] минимум с двумя значащими цифрами. По формулам (1.10) и (1.8) рассчитать значения момента инерции и махового момента.

 

По результатам экспериментов и расчетов заполнить таблицу 1.2.

 

Таблица 1.2 – Результаты эксперимента кривой выбега

P0, Вт	ωхх, с-1	t0, c	J, кг·м2	GD2, H·м2

 

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 755; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!